基于TLE和SDP4模型的GPS+北斗混合系统DOP值模拟

第！卷第4期2015年8月

指挥信息系统与技术

Command Information System and Technology

Vol.6No.4

Aug.2015

?实践与应用?do# 10.15908".cnki.cist.2015.0" 013基于T L E和SDP4模型的GPS+北斗混合系统DOP值模拟

戴仔强邢芳

(中国电子科技集团公司第二十八研究所南京210007)

摘要：以卫星两行轨道根数（T L E)和简化常规/深空扰动的近似解析解（SG P4/SDP4)模型预报 卫星的空间位置，并以南京地区某地面站为例，分析了单北斗、单全球定位系统（G P S)和G P S K北斗3种卫星定位系统下南京地区的精度衰减因子（DOP)在2013-05-16—2013-05-23 1周时间的变 化特点，以指导制定地面全球导航卫星系统（G N SS)观测方案。该分析可增强对G P S和北斗系统 定位精度了解。

关键词：北斗卫星导航系统（全球定位系统（两行轨道根数（简化常规/深空扰动的近似解析解模型 中图分类号：T P311 文献标识码：A文章编号：1674-909X(2015)04-0068-05

DOP Simulation of GPS +Beidou Combined System

Based on TLE and SDP4 Model

Dai Ziqiang Xing Fang

(The 28th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation, Nanjing 210007, China) Abstract:The spatial position of satellites is predicted by using satellite two-line orbital element (T L E)and simplified general/deep-space perturbation version4 (SGP4/SDP4) model.The varia-tion characteristics of dilution of precision(DOP)are analyzed based on the single Beidou,single global position system(G PS)and GPS K Beidou systems during the period from May16th, 2013 to May23rd,2013 in Nanjing.The results can be used for guiding the surface global navigation satellite system(G N SS)observing scheme,thus it is helpful for strengthening the understanding of GPS K Beidou positioning precision.

Key words：Beidou satellite navigation system；global position system(G P S)；two-line orbital el-ement(T L E)；simplified general perturbation version4 (SGP4) model;simplified deep-space perturbation version4 (SDP4) model

〇引言

当前全球导航卫星系统（G N SS)包括美国的全 球定位系统（G P S)，俄罗斯的G LO N A SS，欧盟的 G alileo和中国的北斗4套系统[1]。卫星导航系统 发展迅速，截至2014年6月7日，G P S太空在轨卫 星30颗，包括6颗！A型、12颗！R型、7颗！R (M)型和5颗！F型卫星，于2014年2月20日最 新发射了第5颗！F型卫星；至2012年底北斗亚太 区域导航正式开通时，北斗已为正式系统发射了 16颗卫星，其中14颗组网并提供服务，分别为5颗静 止轨道卫星（G EO)、5颗倾斜地球同步轨道卫星 (IGSO)和4颗中地球轨道卫星（M EO);俄罗斯的 G L O N A S S于2011年初在全球正式运行；欧盟的 G alileo已完成试验星发射。至此，G N S S进人了数 据共享和合作共赢的新阶段，如在2014年5月19 日，中国与美国代表在北京会晤商讨卫星信号兼容、互操作、各自增强系统和民用航空应用等[]。

精度衰减因子（DOP)反映了卫星的几何分布 对定位误差的影响，是衡量导航系统性能的重要指

收稿日期：2013-07-11

第6 卷 第4 期戴仔强，等：基于T L E和SDP4模型的GPSK北斗混合系统DO P值模拟69

标。G N S S定位测量的精度与观测卫星的空间分布 密切相关，基于各种D O P值合理选择观测时间段，制定较高精度的观测方案对空间定位测量意义重 大。可见，融合多导航卫星系统信号可提供更多的 卫星信号源，改善卫星空间分布，提高地面定位精 度。基于G P S在全世界的成熟应用和我国北斗系 统的蓬勃发展现状，对单北斗系统定位精度与GPS 定位结果进行比较，并研究G P S K北斗混合系统地 面定位精度改善，对我国北斗导航定位系统实现独 立自主和合作共赢具有现实意义。

文献[3]利用G P S导航电文和G alileo系统的 轨道参数分别计算和模拟了卫星位置，进行了 G P S，G alileo及其组合系统导航定位的D O P值分 析，认为G PS/G alileo组合系统在卫星高度角较大 时仍可接收到4颗以上卫星，其D O P值也能达到导 航定位要求。文献[4]通过实测G P S K北斗组合观 测数据进行了 GPS/北斗组合导航系统卫星可见性 和D O P值分析，结果表明，目前在轨的北斗卫星系 统能应用于G P S导航定位，以改善观测条件困难情 况下导航定位的精度。另外，国内多位学者已从星 座结构、卫星可见性及D O P值[7]等方面对北斗系 统进行了分析。已有方案基于以下2种方法展开：1)根据卫星系统设计的星座配置，模拟卫星空间位 置。该方法无法完全反映真实情况。2)根据实测 方法，在地面架设接收机实际观测卫星信号，进行内 部数据解算时，选择不同的卫星信号参与处理，以评 价不同卫星系统的定位精度。随着空间卫星数量的 不断补充，该方法需重新实测数据，重复投人较大人 力和时间成本。本文以南京某地区地面站点为例，以两行轨道根数（T L E，数据来自www.space-track,org)和简化常规/深空扰动的近似解析解模 型（SG P4/SDP4)预报卫星的实时位置，模拟分析了 单北斗、单G P S和G P S K北斗3种卫星系统下南京 地区的各 DOP 值在 2013-05-16—2013-05-23 1 周时间的变化特点，指导制定地面G N S S观测方案，增强对G P S和北斗系统定位精度的了解。本文使 用的数据和方法区别于已有实测数据或模拟仿真方 法，采用T L E实测卫星星历，数据真实可靠，避免了 已有模拟方法中仿真卫星空间位置和实际卫星间的 较大差异。同时，在实测卫星星历基础上，进行了精 确的星历预报，避免地面架设接收机观测数据，从而 减少了野外数据采集工作量。因此，可最大限度模拟实际观测状况并研究GPS K北斗混合导航系统 D O P值，接近实际观察。

1数据和方法

1.1TLE

T L E为用于表明空间目标位置和速度的一组 表达式。空间目标一旦进人太空，即列人北美防空 联合司令部（NO RAD)卫星星历编号目录，且将被 终生跟踪。当卫星、火箭和飞船等残骸成为太空垃 圾时，仍会记录至目标消失为止8。T L E可应用于 多个领域，如军事、天文、交通、航天器与太空垃圾的 预测、定位、轨道设计和跟踪等。目前T L E轨道根 数使用方法已经成熟，并广泛使用于航天事业与卫 星定位技术。卫星轨道根数以开普勒6根数间数学 关系来确定飞行体的坐标、方位、速度和时间等参 数，具有较高精度。T L E由两行数据组成，以文本 格式给出，包含有效字符数字0?9,大写字母A" Z，正负号，空格和句点[9]。

1.2 SGP/SDP模型

利用T L E预报卫星在轨实时位置信息，需用 N O R A D开发的SGP4/SDP4模型。该模型应用于 空间目标轨道预报，考虑了地球非球形引力、日月引 力、太阳辐射压及大气阻力等摄动力因素的影响[10]，可对低空对象的在轨信息全程描述，也可对 未来时刻预测描述，而且对于较长时间的预测其精 度也会相应增加。将T L E数据输人SGP4/SDP4 模型，即可求出任意时刻空间目标的位置和速度。N O R A D根据运动周期，将空间目标分为低轨道和 高轨道，周期小于225 min(高度约5 875 km)的空 间目标为低轨道目标，周期大于225 m in的为高轨 道目标。根据周期，可选择与T L E相对应的常规或 深空模型，分为 S G P，SGP4，SDP4，SGP8 和 SDP8 5种模型[10]。其中，S G P模型较简单，SG P4和SDP4模型较常用，其后期研发的SGP8/SDP8模型 的理论精度最高。SGP4和SDP4模型区别在于平 动和阻力表述形式。由于SGP4/SDP4模型生成的 空间目标编目数据库是目前最完整的数据源，故 T L E根数需与该模型配套使用才能实现最佳预报 精度，因此该模型广泛运用于不同任务。本文以 T L E和SDP4模型为基础进行G P S K北斗的位置 预测。

1.3 DOP

D O P取值范围为0.5?99.9。因为观测成果