基于sk的gps星數(shù)仿真分析

基于sk的gps星數(shù)仿真分析

1gps的應(yīng)用特性自gps自動使用以來，它在導(dǎo)航和跟蹤技術(shù)領(lǐng)域以其全球優(yōu)勢（全天候）和成本優(yōu)勢顯示出其強(qiáng)大的生命力和競爭力。其應(yīng)用領(lǐng)域在不斷擴(kuò)大,由當(dāng)初的軍用領(lǐng)域不斷向民用領(lǐng)域延伸。隨著航天事業(yè)的發(fā)展、空間科學(xué)更為廣泛的應(yīng)用,基于空間、分布式的空間飛行測控體系必將取代現(xiàn)有的基于地面測量、集中式的體系,從而為空間技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展開辟更為廣泛的天地。由此可見,GPS在空間飛行器上具有廣泛的應(yīng)用前景。對于GPS對空間飛行器覆蓋情況以及空間用戶對GPS的可見性等情況,有一些資料做過相關(guān)探討,張志等人系統(tǒng)地分析GPS衛(wèi)星信號覆蓋,文獻(xiàn)通過幾何推導(dǎo)的方法分析并仿真分析了GPS星座空間覆蓋特性;文獻(xiàn)基于實測星歷的對GPS衛(wèi)星空間可見性進(jìn)行了仿真分析。但是在這些仿真中無論從GPS衛(wèi)星星座方案的配置,還是衛(wèi)星信號主波束圓錐角的選取,相對本文中所提出的方法來講,其過程相對來說更復(fù)雜。2gps定位測量系統(tǒng)隨著GPS星座的逐步完善,GPS技術(shù)研究的不斷深入,GPS接收機(jī)技術(shù)突飛猛進(jìn)地發(fā)展。目前,航天領(lǐng)域的應(yīng)用范圍在不斷拓展,主要表現(xiàn)在:利用GPS可以實現(xiàn)精確定軌、精確定姿、航天器的交會對接、航天器間相對定位、空中(空間)交通管制、目標(biāo)跟蹤測量、現(xiàn)代電子戰(zhàn)外場測試、自主導(dǎo)航控制、連續(xù)跟蹤定位、提供時間基準(zhǔn)和提供通信功能等,為航天器的制導(dǎo)和控制提供包括位置、速度、姿態(tài)、姿態(tài)變化率和時間標(biāo)準(zhǔn)等信息。利用GPS系統(tǒng)作為基礎(chǔ)構(gòu)成衛(wèi)星的自主定軌系統(tǒng)不但可以達(dá)到降低衛(wèi)星測控系統(tǒng)的費用、提高衛(wèi)星系統(tǒng)可靠性的目的,而且還具有減輕衛(wèi)星系統(tǒng)的重量和復(fù)雜程度等優(yōu)點?？沙浞职l(fā)揮其優(yōu)勢,而且設(shè)備簡單,精度高于地面和航天器上的測量設(shè)備。GPS用于現(xiàn)代電子戰(zhàn)外場測試具有以下特點:測量區(qū)域無限制、為未配置測量設(shè)備的地區(qū)提供低空測量、地面站少,能機(jī)動,不需勘測、大大增加被測目標(biāo)數(shù)目、控制威脅輻射源數(shù)目多,精度高。然而,空間用戶的運動狀態(tài)與地面用戶大相徑庭?？臻g用戶速度、加速度劇烈變化,同時,空間用戶的運動特點使其所觀測的GPS衛(wèi)星頻繁更換,因此,空間用戶對GPS衛(wèi)星的可見數(shù)目直接影響著GPS系統(tǒng)對空間用戶的可用性和完備性以及GPS為用戶提供的測量精度。3gps空間覆蓋特征分析3.1gps衛(wèi)星覆蓋地表GPS衛(wèi)星天線向地球發(fā)射信號,對地球表面及近地空間形成圓錐形信號覆蓋,衛(wèi)星天線有32°～46°左右的信號輻射角。為便于描述,某時刻GPS衛(wèi)星對地球表面及近地空間的覆蓋如圖1(a)所示。其中,軌道1即單顆GPS衛(wèi)星信號輻射角為32°時對地球表面及近地空間的幾何覆蓋范圍。3.2gps衛(wèi)星si傳播的動力學(xué)建模由于GPS衛(wèi)星天線有信號輻射角限制。因此,對于空間飛行器來講,GPS星座對它們的覆蓋情況會因單顆GPS衛(wèi)星信號輻射張角的不同而不同,如圖1(a)所示;由于空間用戶距離地面有一定的高度,空間飛行器對GPS衛(wèi)星有兩個可見區(qū):I區(qū)和II區(qū),如圖1(b)所示,在I區(qū)內(nèi)對GPS衛(wèi)星的觀測仰角為正,在II區(qū)內(nèi)為負(fù)。假設(shè)地球是一個半徑為R球體,空間用戶U距離地面的高度是h,GPS星座衛(wèi)星Si(假定軌道高度為H)形成圓錐形信號覆蓋張角為2β,空間用戶至衛(wèi)星Si的連線與地心至GPS衛(wèi)星Si夾角為α;那么,空間用戶至地球中心的距離為:r=R+h。在這里假定,空間用戶只能訪問到那些位于衛(wèi)星Si信號覆蓋弧段AB的衛(wèi)星,如圖2所示。由幾何關(guān)系,可以得到空間用戶對于單顆GPS衛(wèi)星Si可見的條件必須滿足如下關(guān)系:h≤(H+R)sinβ?R(1)h≤(Η+R)sinβ-R(1)為滿足這一條件,必須計算通過動力學(xué)方程解算出用戶與GPS衛(wèi)星的位置,由它們之間的可視條件來判斷。實際上,在仿真過程中可通過限定用戶U對于GPS衛(wèi)星Si的俯仰角來實現(xiàn)。用戶與GPS衛(wèi)星的位置動力學(xué)方程解算過程為:設(shè)航天器在慣性坐標(biāo)系下的坐標(biāo)為(x,y,z),由動力學(xué)方程可知:?????????x¨=?μr3x+Δgxy¨=?μr3y+Δgyz¨=?μr3z+Δgz(2){x¨=-μr3x+Δgxy¨=-μr3y+Δgyz¨=-μr3z+Δgz(2)由式(2)可以列出定位的動力學(xué)方程為:????????????X˙1X˙2X˙3X˙4X˙5X˙6????????????=?????????????000?μr3000000?μr3000000?μr3100000010000001000????????????????????????X1X2X3X4X5X6???????????+???????????000ΔgxΔgYΔgZ???????????(3)[X˙1X˙2X˙3X˙4X˙5X˙6]=[000100000010000001-μr3000000-μr3000000-μr3000][X1X2X3X4X5X6]+[000ΔgxΔgYΔgΖ](3)其中:(X1,X2,X3)、(X4,X5,X6)分別為用戶在慣性坐標(biāo)系下的三個位置,(x,y,z)和三個速度(vx,vy,vz);r=x2+y2+z2??????????√,μ=3.986005×1014m3/s2r=x2+y2+z2,μ=3.986005×1014m3/s2。攝動包括引力大氣光壓等,具體模型請參考相關(guān)文獻(xiàn)資料。4飛行路徑覆蓋分析的應(yīng)用STK對于導(dǎo)彈武器及軍事衛(wèi)星飛行性能仿真、飛行路徑覆蓋分析、覆蓋分析等方面都具有極大的應(yīng)用潛力。為了對GPS衛(wèi)星的空間可見性進(jìn)行定量分析,本文利用衛(wèi)星工具軟件STK進(jìn)行仿真。4.1邊界條件設(shè)置針對空間定位應(yīng)用的特點,采用STK5.0免費版中GPS星座場景設(shè)置相應(yīng)仿真條件:仿真起止時間:1Jan199900∶30∶00.00-1Jan199903∶41∶00.00UTCGGPS星座設(shè)置:安裝目錄＼ProgramFiles＼AGI＼STKSoftwareSuite5.0＼Data＼HtmlInterface＼Start＼Start.htm＼InstalledData＼Navigation＼GPS_const＼GPS_const.scGPS信號輻射角設(shè)置:通過設(shè)置俯仰角分32°、40°和46°三種情形模擬信號輻射角,考慮到觀測仰角為負(fù)時,用戶接收到的信號連續(xù)兩次穿過大氣層,在此,僅通過限定用戶與衛(wèi)星之間的距離來模擬觀測仰角為正的情形(圖1(b),I區(qū)內(nèi))。4.2gps可見星數(shù)目及覆蓋持續(xù)時間的仿真驗證由于受到GPS發(fā)射天線張角的限制,隨著高度的上升,衛(wèi)星信號覆蓋區(qū)域面積逐漸變小,這就意味著,在不同位置(時間)可見星數(shù)目將發(fā)生變化,當(dāng)可見星數(shù)目小于4的時候,GPS將無法實現(xiàn)對目標(biāo)的準(zhǔn)確定位。因此,考察可見星數(shù)目、對目標(biāo)的覆蓋時間是很有必要的。限于篇幅,主要對圖2所示的可觀測區(qū)I區(qū)空間目標(biāo)對GPS可見星數(shù)目以及GPS對目標(biāo)的覆蓋時間進(jìn)行了仿真驗證(II區(qū)仿真設(shè)置過程與I區(qū)類似)。對應(yīng)不同輻射角條件下,目標(biāo)對GPS衛(wèi)星可見星數(shù)目及覆蓋持續(xù)的時間仿真結(jié)果如下所示?！裥盘栞椛浣菫?2°時,不同高度上目標(biāo)對GPS可見星數(shù)目及GPS對目標(biāo)的覆蓋時間●信號輻射角為40°時,不同高度上目標(biāo)對GPS可見星數(shù)目及GPS對目標(biāo)的覆蓋時間●信號輻射角為46°時,不同高度上目標(biāo)對GPS可見星數(shù)目及GPS對目標(biāo)的覆蓋時間4.3顯示星數(shù)目2.從上述的仿真結(jié)果可以看出,假定信號輻射角為32°時,在1300km以下的高度,可見星數(shù)目在4顆以上,當(dāng)高度上升至1600km時,可見星數(shù)目最少的時候只有2顆,還有部分時段僅有3顆可見星;假定信號輻射角為40°時,在3000km以下的高度,絕大多數(shù)時間段的可見星數(shù)目在4顆以上,但是當(dāng)高度上升至3500km時,可見星數(shù)目最少的時候只有2顆,還有部分時段僅有3顆可見星;假定信號輻射角為46°時,在4000km以下的高度,絕大多數(shù)時間段的可見星數(shù)目在6顆以上,但是當(dāng)高度上升至4500km時,可見星數(shù)目最少的時候只有3顆,部分時段的可見星都在3顆以上,由于GPS衛(wèi)星要準(zhǔn)確完成定位功能可見星數(shù)目不能少于4顆,故此,可以根據(jù)仿真結(jié)果確定GPS衛(wèi)星對于不同軌道高度空間用戶的可用性。5信號輻射角度的影響空間定位應(yīng)用不同于地面應(yīng)用,由于用戶對GPS可見星數(shù)目小于4的時候,GPS將無法實現(xiàn)對目標(biāo)的準(zhǔn)確定位。通過對上述仿真結(jié)果分析,可得