基于STK的GLONASS系统与GPS系统DOP值的仿真分析

基于STK的GLONASS系统与GPS系统DOP值的仿真分
析
高晋宁;方源敏;杨展;张志斌
【摘要】GLONASS constellations based on STK and designs GPS constellation are simulated according to the designed parameters of GPS satellites. The visibility number and GDOP values of GPS , GLONASS, GPS / GLONASS combination in Kunming are compared , and then gives the corresponding results.%通过STK软件中的卫星数据库模拟了GLONASS卫星星座,根据GPS卫星的设计参数设计卫星星座.对GPS、GLO-NASS、
GPS/GLONASS组合的卫星可见数与GDOP值在昆明地区进行了比较,并给出了相应结果.
【期刊名称】《科学技术与工程》
【年(卷),期】2011(011)015
【总页数】5页(P3384-3387,3392)
【关键词】仿真;STK;GPS;GLONASS;卫星导航系统
【作者】高晋宁;方源敏;杨展;张志斌
【作者单位】昆明理工大学国土资源工程学院,昆明650093;昆明理工大学国土资源工程学院,昆明650093;昆明理工大学社会科学学院,昆明650500;国家天文台乌鲁木齐天文站,乌鲁木齐830011
【正文语种】中文
【中图分类】P128.15
GPS绝对定位是利用GPS卫星和用户接收机之间的距离观测值直接确定用户接收机天线在WGS—84坐标系中相对于坐标原点—地球质心的绝对位置。

GPS绝对
定位的误差与精度因子DOP值的大小成正比。

在伪距观测精度确定的情况下，尽可能的减小精度因子的数值，是提高定位精度的一个重要途径。

GPS/GLONASS
的共用相对与单一GPS卫星系统可大幅度提高卫星定位的准确性和可用性，可显
著改善卫星星座的DOP因子质量。

由于DOP因子与定位精度有着密切的关系，
所以本文将通过STK，建立GPS卫星系统和GLONASS卫星系统的空间卫星星座模型，并对影响定位精度的重要指标—几何精度因子(GDOP，Geometry Dilution of Precision)进行初步的研究。

1 STK软件简介
STK的全称是Satellite Tool Kit(卫星软件工具包)，是由美国AGI公司开发的一款在航天工业领域应用的商业化分析软件。

它作为一种可以方便快捷地分析复杂的陆、海、空、天、电(磁)任务的专业仿真平台，能够提供简单易懂的图表和文本形式的分析结果，来确定最优方案。

STK提供分析引擎用于计算数据，并可显示多种形
式的二维地图和对象目标等。

STK还可以提供三维可视化模块，进行生成位置和
姿态数据、可见性和覆盖分析。

STK专业版还提供了轨道预报算法、姿态定义、
遥感器类型和高级约束条件定义，以及卫星、城市、地面站和恒星数据库等，STK 是一款用于全球卫星定位系统仿真中的强大工具。

2 GPS/GLONASS卫星星座
GPS卫星星座由分布在6个轨道面上的24颗卫星组成，卫星轨道倾角为55°，轨道高度约为20 200 km，卫星运行的周期为11 h 58 min。

GLONASS卫星星座是由分布在三个等间隔椭圆轨道上，轨道面间的夹角为120°，
卫星轨道倾角为64.8°，每个轨道上等间隔的分布8颗卫星，轨道高度约为 19 100 km，绕地运行周期约为 11 h 15 min。

GPS卫星星座和GLONASS卫星星座的平面图如图1所示。

图1 GPS/GLONASS卫星星座分布
3 建立场景仿真
建立卫星星座仿真场景的方法有三种，在STK中建立所需要的卫星星座时，可以
任意选择三种方法的其中一种或几种共同使用，在AGI公司的网站中提供了一个
每周更新三次的卫星数据库，包括有约9 200个卫星星历数据。

可以直接从STK
的卫星星历数据库中加载进所需要的卫星星座数据，如GPS卫星和GLONASS卫星;另外一种方法就是利用STK本身带有的Orbit Wizard(轨道向导)输入卫星轨道的相关参数直接生成卫星对象;还有一种方法就是通过卫星数据库中的TLE(Two-Line Orbit Element Set Format，2行星历数据)格式导入，2行星历数据的文件
通常以.tce和.tle为后缀。

它是北美防空司令部根据其空间目标监测网获得的跟踪数据而生成的2行数据，是与通用摄动模型 SGP4(Simplified General Perturbations 4)预报器一起使用的，该模型考虑了地球扁率的长期和周期性影响、太阳月亮的引力作用、重力场谐振影响和阻力模型下的轨道衰减。

3.1 GPS/GLONASS卫星星座座的建立
在进行GPS卫星系统仿真时，采用了六个圆形轨道，每个轨道上均匀分布有4颗
卫星(真近点角相差90°，△M=90°)，仿真起始时刻为2010年7月1日12时，
仿真时间为1 d。

仿真的轨道基本参数为:长半轴a=20 200 km;轨道倾角i=55°;轨道偏心率e=0;近地点角距w=0°;升交点赤经(RAAN)Ω =0°，60°，120°，180°，240°，300°(分别为六个轨道);平近点角(True Anomaly)M=0°，15°，30°，45°，60°，75°(每个轨道上的第一颗卫星在仿真起始时刻的平近点角)。

表1 GLONASS卫星星座的组成轨道面卫星编号A 57 B M-1，M-3，M-2，84，
79，83，87，86 M-8，M-7，M-6，68，71，69，59，C M-4，M-5，76，88，82，81，80，54，75
在进行GLONASS卫星系统仿真时，在STK中的Satellite Databass卫星数据库中，选择GLONASS卫星星座中的正常工作卫星25颗如表1.仿真时间为2010年7月1日12时至2日12时。

卫星分布在三个椭圆轨道内，每个轨道面至少有8
颗卫星。

卫星轨道倾角约为64.8°，轨道面间的夹角约为120°。

3.2 地面站的建立
在STK中的地面站，可以是以城市的形式出现的，还可以是以跟踪站，发射场等
地面设施的形式出现的，新建地面设施可以从STK中的City Databass城市数据
库中调用，也可以在新建地面设施中的属性设置输入经纬度，高程等相关信息来建立。

在本文中以昆明站为例，来进行地面站的仿真建立。

4 卫星星座DOP因子和STK覆盖分析
对于大多数相关用户来说，位置的精确度与卫星数据的可信度是非常重要的。

精度衰减因子(Dilution of Precision，简称DOP)是重要的评定位置精度质量的参数。

DOP因子的数值大小取决于卫星星座的位置、可见卫星数目、卫星高度及方位这
几个因素，它用于反映地面站与可见卫星星座的几何关系。

通过精确测定DOP值，可以衡量卫星星座的位置精度。

DOP因子通常包括:平面位置精度因子(HDOP)、
高程精度因子(VDOP)、空间位置精度因子(PDOP)、接收机钟差精度因子(TDOP)
与几何精度因子(GDOP)。

一般来讲，可见卫星间夹角大则DOP值小，测量结果好。

DOP值小表明可见卫星星座几何构型好，测量条件佳。

也就是说，DOP值越小，测量结果的可信度越高。

DOP值的好坏可按表2分等。

表2 DOP等级分布DOP最优2—3 优4—6 良7—8 中9—20 合格21—25等级1差
利用以上各个精度因子，可以从不同的方面对位置精度质量做出评价。

本文以GDOP为例。

这里列出GDOP值的表达式:
其中，q11～q44为伪距绝对定位的权系数阵的对角线元素。

在STK中，利用覆盖分析模块，可以分析单个或星座对象的全局和区域覆盖问题。

在进行覆盖分析时，STK不仅可以提供详尽的分析报告和图表，能对覆盖的变化
进行同步仿真，而且还会充分考虑所有对象的访问约束，避免计算误差。

STK有两个专门对象:CoverageDefinition(覆盖定义)和FigureOfMerit(覆盖品质参数)。

覆盖定义对象允许定义或设置覆盖区域、可进行覆盖计算的对象，以及时
间周期。

4.1 单独卫星星座可见数和DOP值
通过场景中地面站的Facility Tools选项里的Coverage功能，把所有要残余仿真的卫星和昆明站进行关联。

在仿真时间内生成的各个卫星系统以及联合系统的可见卫星数和GDOP值的变化曲线如图2—图4所示。

图2 GPS卫星可见数和GDOP值
图3 GLONASS卫星可见数和GDOP值
在场景仿真时，有GPS的24颗卫星和GLO-NASS的25颗卫星。

GPS的卫星轨道分布均匀，GLONASS的卫星轨道面实际不完全在一个轨道面上，而且卫星的分布也不是均匀的。

如图2，图3，图4，所示，在昆明站GPS系统的 GDOP的变
化值在1.26～2.80之间分布，变化较为平缓，GDOP均值为1.72，GLONASS系统的GDOP 变化值在1.25 ～3.16之间分布，波动较大，GDOP均值为1.96，GPS/GLONASS系统的GDOP值的变化范围在0.94～1.55之间分布，GDOP均
值为1.18，看出组合之后的GDOP精度有明显的提高;在地面站的设置中，设置不
同截止高度角，分析得出，在单独的GPS和GLONASS系统定位中各个组的GDOP值可以看出有较大的波动，而在GPS/GLONASS组合系统的GDOP值有
非常好的抑制波动异常，使GDOP值的变化更加平滑。

两个系统的组合值比单独
系统的值平稳精度更高，它们的最大值、最小值、平均值、增强的百分比如表3
所示。

图4 GPS和GLONASS组合可见卫星数和GDOP值
表3 昆明各个系统的GDOP值对比表GDOP最大值 GDOP最小值 GDOP平均值GPS 2.80 1.26 1.72 GLONASS 3.16 1.25 1.96 GPS/GLONASS 1.55 0.94 1.18
由表3可以看出两个系统的组合比单独的GPS单独系统的GDOP值增强了18.7﹪，比单独GLONASS单独系统 GDOP值增强了24.8﹪。

最大GDOP值比GPS 系统下降了1.25，比 GLONASS系统下降了1.61。

最小GDOP值比GPS系统下降了0.32，比 GLONASS系统下降了 0.34。

平均 GDOP值比GPS系统下降了0.54，比GLONASS系统下降了0.78。

由此可以看出GPS导航系统和GLONASS 导航系统组合之后的导航系统达到了很好的定位精度。

在进行研究的过程中，同时也对其他的DOP值进行了分析对比研究，得出与上述结论相似的结果。

5 结束语
通过基于STK仿真的GLONASS系统、GPS系统和GPS/GLONASS系统，利用STK的覆盖分析功能，结合在昆明站的两系统卫星的可见性和GDOP值变化，对
全球卫星导航系统的性能做了简单的分析。

本文只是对STK的部分功能进行了研究，STK是一个很强大的分析和仿真的工具软件，还有比如对外部进行接口设计，与ArcGIS、VC、等进行拓展和连接等功能。

参考文献
【相关文献】
1 杨颖，王琦.STK在计算机仿真中的应用.北京:国防工业出版社.2005
2 徐绍栓，张华海，杨志强，等.GPS测量原理及应用.武汉:武汉大学出版社，2003
3 胡稳才，张杏谷，黄丽卿.全球定位系统的几何精度因子.大连海事大学学报，2002;(11):42—45
4 Gorski A，Gerten G.GNSSperformance possibilities.AnalyticalGraphics INC(AGI)，2007。