北斗卫星通信盲区形成机理与视域方程的建立与服务

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北斗卫星定位与通讯技术正逐步应用于我国地质调查领域，针对在高海拔区、无人区、森林覆盖区或手机信号盲区从事野外地质工作而言，采用北斗卫星技术可使野外一线工作模式发生变革，尤其体现在应急救援、安全保障、态势管理和信息推送等方面，但由于北斗一号卫星位于赤道面上空，受地球表面弯曲、山体或障碍物遮挡等因素制约而导致通讯报文的收发存在盲区，因此，建立北斗卫星至地球表面任意点间的视域方程可为盲区圈定或卫星捕获提供解算依据。

一、“北斗一号”卫星通讯盲区形成的原因

“北斗一号”地球同步卫星位于赤道面静止轨道，由东星（140°E 、1和2 波束）、西星（80°E、3和4波束）和一颗在轨备份星（110.50°E、5和6波束）组成，具备有源定位、报文通信和授时服务功能，其水平定位精度通常为100m（经标校可达20m），短报文单次传输可达77个字节，卫星距地高度约为35766922m，如图7-28所示。

图7-28 北斗一号卫星运行轨道示意图

由于北斗一号卫星位于赤道面静止轨道上空，受地球表面弯曲、山体或建筑物遮挡等因素制约而导致通讯报文的收发存在盲区（图7-29、图7-30），为获取最佳信号强度需使接收设备处于视域窗口范围内并按一定的倾角和方位直对卫星方向，在常规作业中均采取实地目估的方式对接收设备进行人为调整，致使视域范围无法预知、卫星位置难以确定、天线摆放随机性大。基于此因，推导地球同步卫星视域方程可为“北斗一号”的广泛应用提供解算手段和量化依据。

图7-29 地球弯曲对视域的影响

图7-30 山体遮挡对视域的影响

二、“北斗一号”卫星视域方程的建立

为便于推算视域方程，椭球参照系选用W GS84系统，相关常量的取值、视域参数的几何意义、辅助变量的厘定如图7-31所示。

椭球长半轴a＝6378137m；椭球短半轴b=6356752.3142451793m:G为万有引力常数；m为地球同步卫星质量；M为地球质量；地球自转周期 T=2 h356min4s；圆周率π＝3.1415926535897932；第一宇宙速度v=7.9km/s：卫星s距地高度为H；卫星s的经度为ω；地面任意点p的海拔高度为h; p点经度为λ；p点纬度为φ；p点至卫星s的视域仰角为β；p点至卫星s的方位角为α。

选定xoy平面为赤道面，x轴指向起始经度；z轴与旋转椭球体自转轴保持一致；e点为p点沿法线方向投影至椭球切平面处的交点；g点为过p点的法线向量与赤道面的交点；r为e点至原点o的距离；过p点的法截面与切平面的交线为ef；过p点且平行于切平面与os相交与q点；t 为切平面与过p点的子午面交汇处。为便于建立统一的数学模型，暂将大地水准面用椭球体切平面代替，两者差异（垂线偏差）对视域参数的计算结果影响不大。

图7-31 参考椭球与视域参数几何关系图

为便于排版，中间推导过程省略，直接给出计算公式：

1）地面点到卫星的视域仰角β（若h=0，则纬圈81°1 6'0.172 6＂以上均为绝对盲区）

，其中：

基于3S技术的野外地质调查工作管理与服务关键技术研究及应用示范

当β≤0 时视为绝对盲区：当β＞0 时，若地面点与卫星连线之间有障碍物遮挡，该点便视为盲点。

2）地面点到卫星的距离s

基于3S技术的野外地质调查工作管理与服务关键技术研究及应用示范

3）地面点到卫星的真北方位角α（±由λ－ω的正负号决定）

基于3S技术的野外地质调查工作管理与服务关键技术研究及应用示范

式中±当λ－ω＞0时取正，否则取负。

三、“北斗一号”卫星视域方程解算与接口函数

为便于采用上述公式对地面任意点进行视域解算或盲区分析，特提供C＃语言编写的函数源代码，运行结果以XM L格式返回。

XElementSynchronousSatellite（

double longitude,/指定点的经度（弧度制）

double latitude,/指定点的纬度（弧度制）

double elevation,/指定点的海拔高度（米制）

double a,/长半轴可取W GS84:6378137 m

double b,/短半轴可取W GS84:6356752.3142451793m

double satellitelongitude,/卫星经度（弧度制）

double height）/卫/星距地高度，可取35766922 m

{double r=1/M ath.Sqrt（M ath.Pow（M ath.Cos（latitude）/a,2）+M ath.Pow（M ath.Sin（latitude）/b,2））;

double sin _get_1=M ath.Sqrt（1+M ath.Pow（b/a,4）/M ath.Pow（M ath.Tan（latitude）,2）;//正弦函数的倒数

doubleeg=double.IsInfinity（sin_egt_1）？a:r*M ath.Sin（latitude）*sin_egt_1;/当地面点位于赤道线时

doubleog=double.IsInfi itny（sin_egt_1）?0:r*M ath.Cos（latitude+M ath.Atan2（M ath.Pow（b/a,2）,M ath.Tan（latitude））*sin_egt_l;

double et=eg*Math.Tan（latitude）*Math.Pow（a/b,2）;

doublegt=eg/M ath.Sin（M ath.Atan2（Mat.hPow（b/a,2）,M ath.Tan（latitude））;

doublogs=Math.Sqr（Maht.Pow（og,2）+M ath.Pow（a+height,2）-2*og*（a+height）*M ath.Cos（longitude-satellitelongitude）;

double angle_pgs=M ath.Acos（r*（a+height）*M ath.Cos（latitude）*M ath.Cos（longitude-satellitelongitude）-r*og*M ath.Cos（latitude）-og*（a+height）*M ath.Cos（longitude-satellitelongitude）+og*og）/Matb.Sqrt（M ath.Pow（a+height,2）+og*og-2*og*（a+height）*M ath.Cos（longitude-satellitelongitude）*（r* r+og *og-2 * r*og *Math.Cos（latitude））））;

double ps=M at.hSqrt（M ath.Pow（eg+elevation,）＋2gs*gs-2*gs*（eg+elevation）.M ath.Cos（angle_pgs））;//p点到卫星的距离，返回米制

double delta=Math.Asin（eg+elevation）＊Maht.Sin（angle_pgs）/ps）;

double beta=M ath.PI/2-angle_pgs-delta;//p点到卫星的仰角，返回弧度制

doubleangle_ogs=Math.Acos（og*og+gs*gs-M ath.Pow（a+height,2）/）（2*og*gs）;）

if（double.IsNaN（angle_ogs）angle_ogs=M ath.PI;/当/卫星、地面点、地心、旋转轴在同一平面时

double alpha=M ath.PI+M ath.Sign（longitude-satel tellongiitude）*M ath.Atan2（gt*Math.Tan（M ath.PI-angle_ogs）,et）;//p点到卫星的方位角，返回弧度制

feilds=new XElemen（t”beta”，beta*180/Math.PI）;s eallite.tAdd（fields）;

XElement satellite=new XElemen（t〝satellite〞）;

XElementfields=new XElemen（t〝alpha〞，alpha*180/M ath.PI;）satellite.Add（fields）;

fields=new XElemen（t”distance”，ps）;satellite.Add（fields;）

returnsatellite;）

中国地质调查局西安地质调查中心服务器提供了该函数REST模式调用接口，地址为：http://219.144.130.58/geositecoder/satellite?satellitelng={SATELLITELONGI UTDE｝＆lng={LONGITUDE｝＆lat={LATITUDE｝＆ele=v{ELEVATIoN｝＆fromat={XMLORJSON｝，外界可根据指定的地球同步卫星经度（satellitelng）和地面点的经度（lng）、纬度（lat）和海拔高度（elev：米制）并指定相应的输出格式（format=0为json、format＝非0为xml）获取W GS84系统下地球同步卫星的视域仰角（beta）、真北方位角（alpha）和视距（distance）。

典型地域视域参数计算见表7-3。

表7-3 典型地域视域参数计算表

四、视域方程的应用与结论

通过在不具备常规通信（手机、对讲机、卫星电话等）条件的区域（如：无人区、高山峡谷、森林覆盖区等）对北斗一号卫星手持终端设备进行实地测试并针对西安地质调查中心承担的区域地质调查、矿产远景调查和地质灾害详查、区域物化探扫面等野外项目进行多次示范，结果表明北斗一号卫星导航与通信能否在野外地质工作人员之间、野外人员与项目组驻地之间、野外人员与管理机构之间建立起“星级”服务通道取决于卫星终端设备是否处于视域范围之内。

事实上，北斗一号卫星在地球表面形成的通讯视域窗口是东星、西星和备份星视域空间的合集（图7-32）。若设海拔高度等于零，经视域仰角公式计算得出每颗卫星沿赤道线在地表的视域跨度约为162°35'28＂，还可得知受地球曲率影响使得纬度±81°16'0.16＂、西经°17 '43.95＂和东经221°17'43.9＂5 围范以外的区域均为绝对盲区。

图7.32 北斗一号卫星视域窗口

经实地验证，北斗一号卫星通讯盲区在山地和丘陵地貌单元中普遍存在。很显然，星下盲区的圈定仅通过野外测试或目估是无济于事的，推荐的做法是编制相应的计算机软件，利用视域方程对目标区域内DEM（数字高程模型）逐点计算其仰角，然后判断该点与卫星连线之间所有像素的海拔高度是否低于该仰角视线，从而确定该点是否为盲点。由此可见，视域方程数学模型的建立为解决此类问题提供了理论依据和实现手段。

利用视域方程，现已完成秦岭局部地区（东星）盲区分布图的圈定工作，如图7-33所示。

图7-33 秦岭局部地区盲区分布图

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静乐县15641104754： 卫星盲区怎么造成的 - ？
东方屠熊胆： 测控站有一个测控角度,在超出这个范围之后捕获不到或达不到功能要求,而中国的测控站和测控船数量少,不能实现无缝链接,因此就有了卫星测控盲区

静乐县15641104754： 即使有再多卫星也会有卫星盲区吗? 为什么? - ？
东方屠熊胆： 地球同步卫星再多有盲区.因为它在赤道上空与地球同步是相对静址的,南北二极就是盲区,与地球成一定夹角的移动卫星就无盲区.就象全球定位卫星

静乐县15641104754： 北斗系统原理 - ？
东方屠熊胆： 北斗卫星导航系统的工作过程是:首先由中心控制系统向卫星I和卫星II同时发送询问信号,经卫星转发器向服务区内的用户广播.用户响应其中一颗卫星的询问信号,并同时向两颗卫星发送响应信号,经卫星转发回中心控制系统.中心控制系统...

静乐县15641104754： 为什么会有网络盲区?是因为通信卫星吗? - ？
东方屠熊胆： 不是的,网络盲区,是网络没有覆盖到的地方,像地下室,有些没有信号的地铁,或者是很偏远的山区.都有可能没有网络.因为要么比较偏僻,没有搭建网络基站,要么就是地下信号传不到.一般是重要的地区都会有网络的,那些他们认为不重要的,太偏僻的就不会解决网络覆盖不到的问题的.与通信卫星没有关系.

静乐县15641104754： 为什么卫星在高纬度地区通信效果不好,两极地区为盲区 - ？
东方屠熊胆： 这是指静止卫星,该卫星应该在赤道上空,距离高纬度地区较远. 9)静止卫星:在地球高纬度地区通信效果不好,并且两极地区为通信盲区

静乐县15641104754： 卫星通信技术 - ？
东方屠熊胆： 卫星通信就是先将信号转换成微波发射到地球同步卫星,而后通过地球同步卫星发射到转发信号,从而将信号覆盖面扩大,达到信号的传输.一)什么是卫星通信 卫星通信是地球上(包括陆地、水面和低层大气中)无线电通信站之间利用人造卫...

静乐县15641104754： 北斗导航系统 - ？
东方屠熊胆： 北斗卫星导航系统﹝BeiDou(COMPASS)Navigation Satellite System﹞是中国正在实施的自主研发、独立运行的全球卫星导航系统. 北斗卫星导航系统由空间端、地面端和用户端三部分组成,空间端包括5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫...

静乐县15641104754： 北斗导航定位系统是如何导航和通信的? - ？
东方屠熊胆： 简单的从几个方面来介绍一下北斗导航定位系统的定位和通信功能. 1、北斗导航定位系统的组成 北斗导航定位系统是自主研发的全球四大导航之一,此系统主要是由空间端、地面端和用户端三部分组成.空间端主要有5颗静止轨道卫星和30颗...

静乐县15641104754： 通信卫星有什么缺点? - ？
东方屠熊胆： 通信卫星也不是没有缺点.通信卫星处于赤道上方约35860千米处,电话信号从地面到卫星再返回需花1/4秒钟的时间.如果一个电话经由两个卫星传送,延迟时间将大大延长.卫星寿命仅为8年,卫星发射常有失败的情况,卫星和地面站维修也增加了使用费用等.

静乐县15641104754： 北斗和gps哪个好 ？
东方屠熊胆： 北斗好.北斗应用有五大优势:一、它同时具备定位与通讯功能,不需要其他通讯系统支持.而GPS只能定位.二、覆盖范围大,没有通讯盲区.北斗系统覆盖了中国及周边国家和地区,不仅可为中国、也可为周边国家服务.三、特别适合于集团用户大范围监控管理和数据采集用户数据传输应用.四、融合北斗导航定位系统和卫星增强系统两大资源,因此也可利用GPS使之应用更加丰富.五、自主系统,安全、可靠、稳定,保密性强,适合关键部门应用.