低轨星座能否实现全球导航服务？

该篇文章，以“一网（OneWeb）”为例，显然也想以现在的GPS的L波段为使用频段为依据，用卫星导航精度的几何因子（PDOP）来做比较研究。探讨用多少颗卫星才能达到与目前的GPS所达到的服务水平。实际上，文章抓住了GPS精度这一关键要素，而且可以进行定量化评判。判据有两个：一是低轨卫星星座的PDOP值是否满足GPS星座的要求？二是LEO星座的平均PDOP值是否小于或等于当前GPS星座的平均PDOP值？这里需要研究的就是根据建模和模拟分析，确定满足这两个标准所需的最小OneWeb LEO星座的规模（卫星数量）。

为实现全球覆盖，LEO星座通常由比MEO或地球同步轨道(GEO)星座更多的卫星组成，因为与MEO或GEO卫星相比，LEO卫星的地面足迹范围更小。LEO卫星的轨道周期也明显更短，以0.06°/s的平均运动速度掠过地球，而MEO卫星的平均运动速度为0.008°/s。LEO这种更快的运动可能比MEO卫星更具优势，因为它会导致对卫星信号的多径抑制更大。在同样的频段，LEO卫星因为离地面更近，通常会传输更强的信号给接收机。在GPS信号被拒绝或降级的环境中，这些更强的信号就成为重要的资产。

在该文的分析中，专注于由PDOP值确定的GPS性能。为了比较GPS星座的PDOP值与LEO星座的PDOP值，确定利用平均PDOP值概念。美国交通部的GPS民用监测性能规范 (U.S.DoT2009)详细说明了民用GPS信号要求指出：

• 在任何24小时间隔内，星座的全球PDOP值等于或小于6的时间百分比大于或等于服务量的98%，

• 以及在任何24小时间隔内，星座最差站点PDOP值为6或更低的时间百分比大于或等于服务量的88%。

标准或规范中没有要求特定数量的卫星在一个位置或在指定的时间段内可见。要使用GPS计算位置解，必须至少考虑四颗卫星来求解涉及四个未知数的四个方程。虽然这里没有确定可见卫星的数量，但GPS干扰和导航工具(GIANT)模型要求，必须至少有四颗卫星才能计算PDOP值。在计算PDOP值时，满足正式PDOP要求的星座将在每个站点和时间至少有四颗卫星在视野中。为了评估LEO星座性能，这里所采用的GIANT软件，使用了OneWeb提议的星座的基本配置创建了几个模型。同时创建了10个不同大小的LEO星座，并使用GIANT对这些模型进行了模拟，以评估PDOP值和可见卫星的数量。我们使用OneWeb星座的基本配置（倾角87.9°，18个轨道平面，卫星均匀分布在每个轨道平面），但改变每个轨道平面的卫星数量，以确定满足全球PDOP要求所需的最小星座尺寸。卫星导航。通过改变卫星数量，评估了90、108、126、144、162、180、198、216、234和360颗卫星的星座。我们从720颗卫星的OneWeb星座开始建模和仿真，然后对360颗卫星的半星座和180颗卫星的四分之一星座进行建模。根据四分之一星座的PDOP结果，然后通过在每个轨道平面上添加或减去一颗卫星来改变星座大小，以评估多个星座的PDOP结果。

测试和模拟研究分析表明，为了满足GPS正式的性能对于PDOP要求，至少需要180颗LEO卫星的星座。虽然180颗LEO卫星星座满足标准定位服务性能标准的基本要求，但180颗LEO卫星星座的平均PDOP值大于目前从GPS星座获得的平均PDOP值。对于 GPS 星座当前可用的可比PDOP值和由此产生的定位精度，必须需要360颗LEO卫星的星座。这方面研究的未来工作应该是，检验LEO星座的许多其他方面，以确定其是否适合提供卫星导航服务。未来的工作应该着眼于更快的轨道速度对GPS接收机捕获和跟踪这些卫星的影响；满足标准定位服务性能标准中的数龄要求；并满足服务绩效标准中的位置和时间精度度标准。未来的工作还应该分析LEO星座满足国防领域使用LEO星座进行定位、导航和授时的精确定位系统性能标准的能力。由上所述得到的结论是：通过建模、仿真和分析表明，在提供至少180颗LEO卫星，位于18个轨道平面（倾角均为87.9°），每个平面有10颗卫星时，LEO卫星星座可用于提供具有可比拟GPS的PDOP值的全球导航服务。计算出的位置的精度是该位置的PDOP值的函数，也是LEO星座中卫星数量的函数。但是这样条件下的全球卫星导航服务与当前的GPS星座相比精度有所下降，可以将其作为提供全球导航服务的最低要求。对于可与当前GPS星座提供的服务（包括精度）相媲美的全球导航服务，研究认为需要18个轨道平面（倾角均为87.9°）的360颗LEO卫星，每个平面需要20颗卫星。

《慧天地》敬告