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基于STK轨道预报数据的北斗卫星导航系统频谱监测选址分析

更新时间:2016-07-05

1 引言

北斗卫星导航系统(BeiDou navigation satellite system,BDS)是我国自主建设、独立运行的全球卫星导航系统,能够为全球用户提供全天候、全天时、高精度的定位、导航和授时服务,是我国重要的空间基础设施。

目前,我国北斗二代卫星导航定位系统已能够在亚太区域范围内为用户提供定位、导航和授时服务,按照计划,到2020年系统星座将包含 27颗中圆地球轨道(medium earth orbit,MEO)卫星(轨道高度21 528 km,轨道倾角55°)、5颗地球静止轨道(geosynchronous orbit,GEO)卫星(轨道高度35 786 km)和3颗倾斜地球同步轨道(inclined geosynchronous satellite orbit,IGSO)卫星(轨道高度35 786 km,轨道倾角55°)[1],能够在全球范围内提供服务,届时将与 GPS(global positioning system,全球定位系统)、GLONASS、Galileo共同形成全球四大卫星导航定位系统。可以预见,随着未来北斗卫星导航系统功能日益强大、用户数量日益增加,系统间包括来自地面无线电系统可能造成的频率干扰可能性也大幅提高。因此,对北斗卫星导航系统卫星进行有效的保护性频谱监测显得尤为重要。

国家无线电监测中心作为我国无线电管理技术机构,承担无线电监测和无线电频谱管理工作,目前在全国设有9个国家级监测站[2](北京、成都、哈尔滨、昆明、上海、深圳、乌鲁木齐、武夷山和西安)。本文对目前主流的几个卫星导航定位系统的地面监测站分布情况进行简单介绍,利用STK软件的轨道预测功能及R语言的数据分析功能,对可获得公开星历的20颗北斗导航卫星在连续10天内对于9个不同城市的监测可行性进行分析,根据分析结果得出初步选址建议,为完善北斗导航卫星系统监测设施提供参考。

2 主流卫星导航系统地面监测站分布情况

地面监测站作为卫星导航定位系统地面控制段的一个重要组成部分,一方面负责监控整个系统的运行状况,另一方面辅助主站完成系统功能[3]。值得注意的是,卫星导航定位系统的地面监测站需要通过无线电信号与地面主站进行通信,部分地面监测站还会向导航卫星发送上行信号,从而辅助卫星轨道和时钟估计并提供导航信号[4,5]。因此在选址上比本文所要研究的频谱监测功能需要考虑的因素更为复杂。

2.1 卫星导航系统自有的地面监测站

2.1.1 GPS的地面监测站

2.1.3 Galileo的地面监测站

城市是区域经济发展的火车头,对区域经济发展具有重要推动作用。一方面,城市发展对周围地区自然资源和社会经济资源的开发极大地促进了区域的工农业生产。通过吸收资金和技术,利用区域内外的资源进行生产,促进区域经济总量的扩大,并对区域内其他产业和部门带来乘数效应,推动区域整体经济的快速发展。另一方面,城市发展和工业化为城乡居民的就业提供了更多机会。城市发展对基础设施的巨额投资会带动相关产业的发展,工业与人口的集聚也带动乡村土地流转加快,进而耕地也得到了保护,促进江阴经济的良性发展。

2.1.2 GLONASS的地面监测站

根据工程资料分析与总图运输专业相关的投资项目约占发电工程静态投资的 10∽15%.总体规划设计的好坏对控制工程造价起着至关重要的作用,而影响最大的阶段是设计的前期工作,因此要抓住前期工作的重点,加大方案优化的力度,而且要贯穿于工程项目设计的全过程。

其中,R为地球半径,k为开普勒常数。

GLONASS系统是俄罗斯打造的全球卫星导航定位系统,其研发早在苏联时期(20世纪80—90年代)就开始了,直到1995年完成卫星发射形成既定星座,2007年开始为俄罗斯境内提供导航定位服务[6]。目前,GLONASS卫星导航定位系统已经能够在全球范围内提供导航定位服务,其手机用户量仅次于GPS。

GLONASS目前有4个地面监测站,还有6个即将启用,分布在俄罗斯境内。

GPS作为目前最成熟、使用范围最广的卫星导航系统,在全球范围内布设了 16个监测站[6],遍布七大洲,从而使得任何一颗卫星在任何时刻都至少有3个地面监测站能够与其进行通信。

Galileo卫星导航系统是欧洲宇航局和欧洲全球卫星导航局研发的全球卫星导航定位系统,于2016年12月15日开始提供早期的定位导航服务(early operational capability)[6]

Galileo系统目前没有单独的地面监测站,其功能由 1个位于德国的地面控制中心和 4个分别位于瑞典(2个)、法国和南美的测控站共同完成[7,8]

其他风味物质是多为美拉德反应产生的糖类。主要有:苯并噻唑、L-(-)岩藻糖等,里脊中苯并噻唑为1.39(106/g)。后腿中苯基-β-D-葡萄糖吡喃糖苷水合物峰面积数值为1.79(106/g),显著较高(p<0.05)。前腿中L-(-)岩藻糖峰面积数值大于里脊的峰面积,麦芽糖存在里脊中,峰面积数值为8.5(106/g)。

2.2 IGS的地面监测站

IGS(International GNSS Service)是一个能够为导航定位系统提供实时监测服务、测量卫星轨道和时间地理信息,从而辅助定位系统正常工作的全球性质公益组织[9]。目前,IGS包括分布在全球范围内的500多个地面监测站及若干个数据中心。由于具有数量庞大、遍布全球的地面监测站,IGS能够补充全球导航定位系统地面段的不足,对所有导航卫星进行实时监测,并在任何时间提供任意地点准确的时间地理信息数据,从而辅助卫星导航定位系统更好地工作。

其中,全部地面监测站都能够对GPS进行实时监测,362个地面监测站能够对GLONASS系统进行实时监测,219个能对 Galileo系统进行实时监测,169个能对北斗导航系统进行实时监测。

3 北斗卫星的监测可行性分析

按照北斗官方网站公布的卫星发射记录,截至2016年年底,我国共发射北斗卫星23颗,包括GEO卫星7颗、IGSO卫星8颗、MEO卫星8颗。其中,1颗GEO卫星BeiDou G2和2颗MEO卫星 BDS-M1、BDS-M5目前已停止服务,因此该系统现共有6颗GEO卫星(分别为BeiDou G1、BeiDou G3、BeiDou G4、BeiDou G5、BeiDou G6、BeiDou G7)、8颗IGSO卫星(分别为BeiDou IGSO 1、BeiDou IGSO 2、BeiDou IGSO 3、BeiDou IGSO 4、BeiDou IGSO 5、BeiDou IGSO 6、BeiDou I1-S、BeiDou I2-S)、6颗MEO卫星(分别为BeiDou M3、BeiDou M4、BeiDou M6、BeiDou-3_M1、BeiDou-3_M2、BeiDou M3-S)。

3.1 不同轨道卫星的监测可行性分析

3.1.1 GEO卫星监测可行性分析

根据星历信息,利用Orbitron软件对6颗GEO卫星轨道位置进行计算,得到G1、G3、G4、G5、G6、G7 分别位于 140°E、110.4°E、160°E、58.7°E、84°E、144°E。6颗卫星均位于上述9个候选城市站点可视弧范围内,由于 GEO卫星相对地球静止,全天可见,在选址分析时可不做考虑。

3.1.2 IGSO与MEO卫星监测可行性分析

北斗卫星导航系统的IGSO和MEO卫星轨道高度分别为35 786 km、21 528 km。根据开普勒定理,圆形轨道卫星高度h与运行周期Ts具有以下关系[10]

利用R语言对9个候选城市10天的数据进行分组统计分析,IGSO和MEO全天可视时间平均值分别为20.54 h和8.57 h,最大值分别为24 h和12.93 h,最小值分别为16.75 h和5.00 h,监测可视时间箱线图如图3(a)所示(箱线图是对数据分布情况的一种描述方式,图3中每个箱体对应5个值:箱体上方的直线对应最大值、箱体上、下边分别对应3/4位数和1/4位数、箱体中间的直线对应中位数、箱体下方的直线对应最小值,故箱线图能够很好地反映数据的总体分布情况)。

现代市场监管很大程度上是以消费者的权利保护为导向。从现有的网约车法律规定看,《网络预约出租车经营服务管理暂行办法》将很多实际的监管机制设定(比如数量、价格、资质等)赋予了地方政府,受制于现行权力、资源、资金的分布,也许在当下是符合客观实际和逻辑的。若不论地方政府在具体执行上的走样,这种监管方式理论表明行政监管层因势利导,在遵循法律层级效力的原则上充分考虑了监管的行业特色,不再盲目地以“管家婆”的身份出现在网约车管理领域。

参考式(1),计算得到北斗卫星导航系统IGSO、MEO卫星运行周期分别近似为23.94 h和12.90 h,与STK轨道预测数据近似。

本文利用STK软件的轨道预测功能[11,12],对2017年5月24日—6月2日连续10天IGSO和MEO卫星的可监测时段进行了预测计算。以2017年5月24日为例,北京的可监测时段和全天累计可监测时间如图1、图2所示。

YUAN Hui, YU Long-juan, XIE Shan, ZHA Yi, DENG Ben-qiang, WU Tao

以北京时间8:00—18:00为工作时间为例,考虑两类卫星在常规工作时段内可监测时间的差异,9个候选城市在10天内,IGSO和MEO在常规工作时间内监测可视时间平均值分别为9.80 h和3.36 h,最大值分别为10 h和9.11 h,最小值均为0 h(其中8颗IGSO卫星在10天、9个城市共720个时间数据,仅有两个0值,故系统认为是离群点,在图3(b)中以空心点表示)。

图1 北京非静止轨道卫星监测可视时间段

图2 北京非静止轨道卫星监测可视时间

图3 北斗导航系统IGSO和MEO监测可视时间统计

该方案的优点:①系统独立,降低外界干扰;②缩短自动燃烧控制系统的设计和制造工期;③自动燃烧控制系统组态编程(复杂的燃烧计算及控制逻辑) 和调试(相关程序根据现场情况需不断进行修正)由焚烧炉独立完成,成套集成度高,可有效缩短现场调整作业时间。ACC就地控制柜和DCS可以实现数据通信,常规设备运行状态监控也可以由DCS系统完成;④作业培训后,上位机操作及现场控制柜维护比较简单(ACC柜不需经常维护,核心PLC免维护)。

北京大学马克思学说研究会成立于1920年3月31日,由李大钊组织发起,设有三个特别研究组和十一个固定研究组,会员共六十余人。马克思学说研究会主要有以下活动:搜集马克思学说的各种外文、中文书籍;编辑、刊印马克思主义论著;组织讨论会;主办演说会等。马克思学说研究会在研究和宣传马克思主义著作的同时,开始把马克思主义与中国的具体实际联系起来。他们进行活动非常有效的形式就是辩论会。尤其是与张东荪、梁启超等人开展对基尔特社会主义的辩论,对马克思主义中国化的发展起了较大的推动作用。

3.2 不同卫星的监测可行性分析

利用R语言对9个候选城市10天的监测数据进行分组统计分析,全天及常规工作时间14颗非静止轨道卫星的监测可视时间箱线图分别如图4、图5所示。

由此可见,MEO卫星监测可视时间较IGSO卫星无论是全天还是常规工作时间内都有较大的差距,因此在监测站点选址上要重点考虑MEO卫星可视时间长短并根据不同地点的差异(见下文分析)进行合理布局。

由统计结果可知,不同类型卫星的监测可视时间有明显差别,IGSO可视时间远大于MEO,但同类型不同卫星之间差距不大。其中,I1-S、I2-S、IGSO_2、IGSO_5全部工作时间内可见,在选址分析时可不做考虑;M3-S和M6在常规工作时间内可视时间较短,需重点关注。

图4 14颗非静止轨道卫星全天监测可视时间箱线图

图5 14颗非静止轨道卫星工作时间监测可视时间箱线图

4 9个候选城市监测可行性分析

4.1 监测可视时间分析

4.1.2 不同城市对不同类型卫星监测可行性分析

利用R语言对不同城市10天的监测数据进行分组统计分析,全天及常规工作时间9个城市的监测可视时间箱线图分别如图6、图7所示。

图6、图7中,纵轴的取值范围(也即箱线图纵向取值范围)显示的是在给定城市条件下14颗非静止轨道卫星在10天内的监测可视时间的变化(即这140个监测可视时间数据的变化范围),可以看出无论是全天还是工作时间内,可视时间变化很大。对中位数进行比较,可视时间较长的是昆明、深圳和武夷山,较短的是哈尔滨和乌鲁木齐。另外,北京和西安虽然全天可视时间较长,但在常规工作时间内可视时间较短。可以发现,可视时间的长短与监测站点的纬度有较大关系,纬度越低可视时间越长。

图6 9个候选城市全天监测可视时间箱线图

图7 9个候选城市工作时间监测可视时间箱线图

4.1.1 总体分析

利用R语言对城市及卫星类型做分组统计,全天及工作时间内城市与卫星类型统计箱线图分别如图8、图9所示。

AIS的病因尚不明确,但是既往的流行病学研究显示,直系亲属中存在AIS患者,AIS发生风险较高,而且在双胞胎研究中,同卵双胞胎同时出现脊柱侧凸表型的比例(73%)明显高于异卵双胞胎(36%)[10],表明遗传因素在AIS发生过程中起到关键作用。近年研究已证实AKAP2、POC5为AIS的致病基因[5-6],GPR126、CHL1和LBX1基因也与AIS发生相关[7-8]。但是这些基因只能解释少部分AIS患者的发病机制,还有大部分患者的发病原因不能用已经报道的突变基因解释。

图8 全天时间内不同城市与卫星类型分组可视时间统计

图9 工作时间内不同城市与卫星类型分组可视时间统计

由统计结果可以看出,IGSO卫星的监测可视时间与监测地点有较大关系,深圳、昆明、武夷山这3个纬度较低的站点可视时间最长。而MEO卫星监测可视时间中位数随站点变化不大,但随日期和卫星变化较大。

4.2 不同候选城市相似度分析

将卫星的可视时间数据(单日内最多有3段可视时间,因此可处理为3对起始时间)视作一个数组,利用R语言对10天内不同城市的可视时间数据做相关分析,相关组图如图 10所示。

图10中斜向上条纹表示正相关(由于至少一半卫星在全天仅有1个可视时段,其余数据默认为0处理,因此各城市间相关性全为正相关,且相关数值普遍较高),且颜色越深相关性越大。但每天的统计数据仍然会有变化,可以看出,北京和西安、北京和哈尔滨、西安和乌鲁木齐这3对站点相似度很高,西安和成都、深圳和昆明相似度也较高。10天内各城市相关性系数均值见表1,均值数据也支持了上述结论。

5 结束语

本文利用 STK软件的轨道预测数据及 R语言的数据分析功能,收集了目前北斗卫星导航系统14颗非静止轨道卫星连续10日内对于9个候选城市(北京、成都、哈尔滨、昆明、上海、深圳、乌鲁木齐、武夷山和西安)的可视时间段数据,针对不同轨道卫星、不同卫星、不同城市、不同城市+不同卫星类型进行了分组统计分析,并对不同候选城市进行了相似度分析。

近年来,在大田中后期,贵州省黔东南州受持续高温多雨天气的影响,导致多数烟区集中连片爆发赤星病等叶斑类病害。如2018年,贵州省黔东南州的凯里市、施秉县和天柱县等烟区发生严重,虽进行药剂防治,但防治效果不理想,造成烟农弃烤或抢烤后烟叶等降低及级外烟叶较多,导致烟农经济损失严重。经初步统计,因病抢烤的比例达22.88%,因病弃烤的比例达1.97%。

表1 不同候选城市相关性系数10日均值

站点 北京 成都 哈尔滨 昆明 上海 深圳 乌鲁木齐 武夷山 西安北京 1.000 0.814 0.875 0.628 0.811 0.548 0.844 0.834 0.941成都 0.814 1.000 0.712 0.605 0.762 0.509 0.789 0.743 0.866哈尔滨 0.875 0.712 1.000 0.541 0.707 0.446 0.802 0.731 0.826昆明 0.628 0.605 0.541 1.000 0.563 0.822 0.556 0.599 0.644上海 0.811 0.762 0.707 0.563 1.000 0.596 0.692 0.845 0.788深圳 0.548 0.509 0.446 0.822 0.596 1.000 0.457 0.623 0.568乌鲁木齐 0.844 0.789 0.802 0.556 0.692 0.457 1.000 0.728 0.898武夷山 0.834 0.743 0.731 0.599 0.845 0.623 0.728 1.000 0.824西安 0.941 0.866 0.826 0.644 0.788 0.568 0.898 0.824 1.000

分析结果表示,6颗GSO卫星均位于9个候选城市可视弧范围内,选址时可不做特殊考虑;对于8颗IGSO卫星,9个候选城市在全天和工作时间内可视时间平均值分别可达到20.54 h和9.80 h,其中,深圳、昆明、武夷山这3个城市在常规工作时段内可视时间中位数可达到10 h,即几乎全部工作时间都可观测到;对于6颗MEO卫星,9个城市在全天和工作时间内可视时间平均值分别为8.57 h和3.36 h,并且随时间和卫星不同有较大变化,但整体来看,9个城市间差异不明显,需要不同地点配合进行监测。此外,城市间相似度分析表示,北京和西安、北京和哈尔滨、西安和乌鲁木齐这3对相似度很高,西安和成都、深圳和昆明相似度也较高。

综合上述分析结论,选址建议为深圳、武夷山、北京、上海、乌鲁木齐。

刘丽芳独自在办公室里呆了会,把情绪整理得差不多了才出来,出来时再次见到那位漂亮的女秘书,漂亮的女秘书冲刘丽笑了笑,笑得极其妩媚。

图10 9个候选城市相关组图(2017年5月24日-6月2日)

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张琪,林辉
《电信科学》 2018年第05期
《电信科学》2018年第05期文献

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