BDS/GPS/GLONASS/GALILEO組合衛(wèi)星導航系統(tǒng)仿真分析

潛成勝，馬大喜

(江西理工大學建筑與測繪工程學院，江西贛州 341000)

BDS/GPS/GLONASS/GALILEO組合衛(wèi)星導航系統(tǒng)仿真分析

潛成勝?，馬大喜

(江西理工大學建筑與測繪工程學院，江西贛州 341000)

全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)因其高精度、全天候等優(yōu)點而被廣泛應用，但是單一導航系統(tǒng)容易受環(huán)境及人為干擾，導致在區(qū)域精度和連續(xù)性上有較大問題。本文對組合導航系統(tǒng)進行仿真，組合中國BDS、美國GPS、俄羅斯GLONASS和歐盟的GALILEO四個全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)，利用仿真數(shù)據(jù)對目前GPS單一系統(tǒng)、當前不完整組合系統(tǒng)、未來完整組合系統(tǒng)在贛州地區(qū)的幾何精度衰減因子(GDOP)值、可見衛(wèi)星數(shù)及導航精度進行對比分析。通過仿真結果可以發(fā)現(xiàn)，與單一的GPS系統(tǒng)相比，組合系統(tǒng)在可見衛(wèi)星數(shù)、GDOP和導航精度上都有非常大的優(yōu)勢。

全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)；組合導航系統(tǒng)；北斗導航系統(tǒng)；仿真分析

1 引 言

北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)(BDS)是我國正在實施的自主研發(fā)、獨立運行的全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)(GNSS)，與美國的GPS、俄羅斯的GLONASS、歐盟的GALILEO系統(tǒng)組成全球四大衛(wèi)星導航系統(tǒng)。2012年底，北斗系統(tǒng)(BDS)空間信號接口控制文件正式版正式公布，北斗導航業(yè)務正式對亞太地區(qū)提供無源定位、導航、授時服務。到2020年左右，北斗系統(tǒng)將完成全部35顆衛(wèi)星的組網(wǎng)工作，實現(xiàn)全球覆蓋，同時歐盟的GALILEO系統(tǒng)也將完成全部30顆衛(wèi)星的發(fā)射工作。屆時，地球上空將會有35顆北斗衛(wèi)星，30顆GPS衛(wèi)星(美國正在進行GPSIII項目)，24顆GLONASS衛(wèi)星和30顆GALILEO衛(wèi)星，全球用戶將可享受多星座提供的高精度定位和導航服務，大大降低了對單一導航系統(tǒng)的依賴[1]。

鑒于單一導航系統(tǒng)在使用中難免會出現(xiàn)特定時間特定區(qū)域內(nèi)可見衛(wèi)星數(shù)量少，精度差以及抗風險、抗異常誤差能力差等問題。而組合衛(wèi)星導航系統(tǒng)通過組合GPS、BDS、GLONASS、GALILEO四大導航系統(tǒng)，大大提高可見衛(wèi)星數(shù)目、減小精度衰減因子(DOP)，提高定位精度；最大限度減少導航盲區(qū)，提高導航服務的連續(xù)性。

本文通過對單一導航系統(tǒng)和組合導航系統(tǒng)的仿真分析，并且考慮到未來將要補充完整的衛(wèi)星星座，討論組合導航系統(tǒng)給全球導航定位用戶帶來多大的精度提升效果。組合導航系統(tǒng)帶來的衛(wèi)星資源數(shù)量的增多，必然導致觀測量的增加，而DOP值的確定將為測量任務以及數(shù)據(jù)處理帶來重要意義。

2 精度衰減因子(DOP)

DOP值有GDOP(幾何精度衰減因子)、PDOP(位置精度衰減因子)、TDOP(時間精度衰減因子)、HDOP(水平方向精度衰減因子)、VDOP(垂直方向精度衰減因子)等幾種定義，DOP值越低，衛(wèi)星星座結構越好。但是，GNSS的衛(wèi)星星座分布限制了其DOP值的最大和最小值。

式中，l為觀測向量，A為設計矩陣，x為參數(shù)向量。

則可得參數(shù)向量的最小二乘解:

假定權矩陣為單位矩陣，則參數(shù)的協(xié)因數(shù)矩陣可寫成:

協(xié)因數(shù)矩陣QX是一個[4×4]的矩陣。其矩陣元素的三個分量由測站坐標X、Y、Z組成，另外一個分量是由接收機鐘差構成，協(xié)因數(shù)矩陣具體表示為[2]:

根據(jù)其對角線元素可以得到幾種精度衰減因子:幾何精度衰減因子:

式(4)中的DOP值是在赤道坐標系中表達的，將其轉換到地平站心坐標系下，忽略其中與時間相關的分量，只包含幾何分量部分，則協(xié)因數(shù)矩陣為:

其中，旋轉矩陣RT=n e u []包含站心坐標系的三個坐標軸單位矢量。

進一步定義兩個DOP值:

計算DOP值并不需要觀測數(shù)據(jù)，可以事先利用星歷數(shù)據(jù)來計算DOP值，DOP值的確定對設計一項測量任務具有重要意義，并且有利于分析處理后的基線向量，用來剔除DOP值較差的數(shù)據(jù)。通過對衛(wèi)星星座的仿真分析，來計算其DOP值，為衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)的設計及應用帶來了便利。

3 衛(wèi)星導航系統(tǒng)仿真與分析

本次仿真時間從2012年12月6日04∶00～2012年12月7日04∶00為止，地面站選為贛州(北緯28.57°、東經(jīng)114.56°、高程500 m、高度截止角10°)，分別對GDOP值，可見衛(wèi)星數(shù)和導航精度進行計算。并對以下3個方案進行仿真分析:

方案一:目前運行的GPS系統(tǒng)；方案二:當前不完整組合衛(wèi)星導航系統(tǒng)；方案三:未來完整的組合衛(wèi)星導航系統(tǒng)。

方案一中目前(截止2012年12月)GPS系統(tǒng)有33顆衛(wèi)星正常工作。方案二中當前不完整組合衛(wèi)星導航系統(tǒng)由33顆GPS衛(wèi)星，24顆GLONASS衛(wèi)星，14顆北斗衛(wèi)星，4顆GALILEO衛(wèi)星組成。方案三中目前只有GPS和GLONASS實現(xiàn)全球組網(wǎng)，北斗和GALILEO還未能實現(xiàn)全球組網(wǎng)。故通過仿真來實現(xiàn)未來完整的組合導航系統(tǒng)。未來完整組合的仿真系統(tǒng)中GPS和GLONASS系統(tǒng)采用目前在軌正常工作衛(wèi)星(截止2012年12月)數(shù)據(jù)，其中GPS系統(tǒng)選用30顆，GLONASS系統(tǒng)24顆。北斗和GALILEO通過公布的軌道參數(shù)進行模擬，衛(wèi)星總數(shù)為119顆。

北斗導航系統(tǒng)空間星座由5顆地球靜止軌道(GEO)衛(wèi)星、27顆中圓地球軌道(MEO)衛(wèi)星和3顆傾斜地球同步軌道(IGSO)衛(wèi)星組成。5顆GEO定點與東經(jīng)58.75°、80°、110.5°、140°、160°，3顆IGSO衛(wèi)星在3個軌道面上，軌道傾角55°。GALILEO導航系統(tǒng)空間星座由30顆衛(wèi)星組成，均勻分布在3個軌道面上。

利用STK(衛(wèi)星軟件工具包)軟件對各方案進行仿真分析，STK是由美國Analytical Graphics公司開發(fā)的仿真分析軟件。方案一和方案二利用STK軟件衛(wèi)星數(shù)據(jù)庫中現(xiàn)有的衛(wèi)星數(shù)據(jù)(衛(wèi)星數(shù)據(jù)庫更新至2012年12月)，方案三中完整的北斗系統(tǒng)和Galileo系統(tǒng)根據(jù)公開的衛(wèi)星軌道參數(shù)進行仿真。北斗系統(tǒng)和Galileo系統(tǒng)詳細的參數(shù)設置見表1，圖1～圖3為各系統(tǒng)在贛州地區(qū)仿真時段內(nèi)的可見衛(wèi)星數(shù)，GDOP值和導航精度，表2為結果對比。

BDS和GALILEO衛(wèi)星參數(shù) 表1

圖1 各系統(tǒng)在贛州地圖的可見衛(wèi)星數(shù)

圖2 各系統(tǒng)在贛州地區(qū)的GDOP值

圖3 各系統(tǒng)在贛州地區(qū)的導航精度

以上3次仿真結果的統(tǒng)計數(shù)值如表2所示。

各導航系統(tǒng)在贛州地區(qū)各項數(shù)值對比 表2

從表2中可見:

(1)在GPS衛(wèi)星系統(tǒng)的基礎上加入當前的GLONASS、BDS、GALILEO后，可用衛(wèi)星總數(shù)增加到75顆，增加了127.27%。而平均GDOP值減少46.41%(其中GDOP最大值減少55.34%，最小值減小33.03%)。可見衛(wèi)星數(shù)量從平均9.4顆增長到29.4顆，增長20顆，增幅212.77%。而導航精度也從10.68 m提高到5.73 m，精度提高46.35%。

(2)將四大導航系統(tǒng)衛(wèi)星補充完整之后，衛(wèi)星總數(shù)達到119顆。平均GDOP值降到1以下的最優(yōu)級別，和單獨GPS系統(tǒng)相比平均GDOP值降幅達到56.83%(其中GDOP最大值減少67.48%，GDOP最小值減少43.18%)。平均可見星數(shù)增加到43.1顆，增幅358.51%。導航精度提高到4.61m，提高56.84%。可見完整組合衛(wèi)星導航系統(tǒng)對單一的GPS導航系統(tǒng)提升效果顯著，不論是精度和連續(xù)性上都有極大的改善。

(3)在當前組合衛(wèi)星導航系統(tǒng)的衛(wèi)星補充完整之后，其平均可見衛(wèi)星數(shù)從29.4顆增加到43.1顆，增加46.60%，但是其平均GDOP值只減小了19.44%(其中最大GDOP值減小27.17%，最小GDOP值減小15.16%)，導航精度也只是從5.73 m提高到4.61 m，僅提高19.55%。可見隨著衛(wèi)星總數(shù)以及可見衛(wèi)星數(shù)量增加到一定程度，GDOP值的減小幅度也開始變小，精度提升效果也隨之不明顯。

4 結 論

本文通過對目前GPS衛(wèi)星導航系統(tǒng)，當前不完整組合衛(wèi)星導航系統(tǒng)以及未來完整組合衛(wèi)星導航系統(tǒng)進行仿真，并分別計算了3個系統(tǒng)在贛州地區(qū)的GDOP值、可見衛(wèi)星數(shù)、導航精度。通過對比分析結果發(fā)現(xiàn)，隨著用戶可見衛(wèi)星數(shù)量的增加，GDOP值將逐漸減小，導航精度也隨之提高。但當可見衛(wèi)星數(shù)量增加到一定程度，其帶來的DOP值的減小以及導航精度的提升效果將越來越不明顯。此時，將要采取其他措施來增加衛(wèi)星導航定位的精度。

[1] 楊元喜，李金龍，徐君毅等.中國北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)對全球PNT用戶的貢獻[J].科學通報，2011，56(21):1734～ 1740.

[2] Hofmann-Wellenhof B，Lichtenegger H，Wasle E.全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)GPS，GLONASS，Galileo及其他系統(tǒng)[M].北京:測繪出版社，2009.

[3] 戴沖.衛(wèi)星導航系統(tǒng)空間段仿真關鍵技術研究[D].北京:國防科學技術大學，2011.

[5] 楊穎，王琦.STK在計算機仿真中的應用[M].北京:國防工業(yè)出版社，2005.

[6] 田八林，袁建平，岳曉奎.基于STK的GPS空間覆蓋特性仿真分析[J].計算機仿真，2008，25(6):46～49.

[7] 劉根友，郝曉光，陳曉峰.對我國二代衛(wèi)星導航系統(tǒng)覆蓋范圍向北擴展星座方案的探討[J].大地測量與地球動力學，2007，27(5):115～118.

[8] 王澤民，孟泱，伍岳等.GPS，Galileo及其組合系統(tǒng)導航定位的DOP值分析[J].武漢大學學報·信息科學版，2006，3(1):9～12.

[9] Adam Gorskiand Greg Gerten，GNSSPerformance Possibilities[M].AnalyticalGraphics INC(AGI)，2007.

歐洲宇航防務局技術專家來重慶市勘測院開展技術交流

(本刊訊)2013年9月3日，歐洲宇航防務局技術專家FRANK BIGNONE先生與重慶市勘測院技術人員就Pixel Factory(像素工廠)和Street Factory(街景工廠)等先進技術進行了交流。

會上，F(xiàn)RANK先生向我院技術人員介紹了Street Factory最新的3D MOSAIC功能，提出了地面測量車和航空攝影相結合的城市三維建模新理念，并展示了法國馬賽和日本橫濱、原宿等多個生動的案例。重慶市勘測院技術人員結合生產(chǎn)實際針對軟件與傳統(tǒng)測量手段的銜接等細節(jié)問題提出了改進意見。

據(jù)悉，重慶市勘測院自引進像素工廠以來，目前已完成了主城區(qū)0.1m高分辨率影像生產(chǎn)等多個重大項目，由于像素工廠強大的并行計算和高度自動化生產(chǎn)能力，大幅提升了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質量，體現(xiàn)出傳統(tǒng)測量手段不可比擬的優(yōu)勢。

(重慶市勘測院航測遙感所周智勇供稿)

Simulation and Analysis of BDS/GPS/GLONASS/GALILEO Integrated Satellite Navigation System

Qian Chengsheng，Ma Daxi
(College of Architecture and Geomatics Engineering，Jiangxi University of Science and Technology，Ganzhou 341000，China)

The Global satellite Positioning System is applied widely because of its advantages of high accuracy and all-weather operation.However，a single satellite positioning system ismore susceptible to environmental and human disturbance，which causes significant problems about precision and continuity in region.In this paper，an integrated navigation system which includes the Chinese BDS，the U.S.GPS，the Russian GLONASSand the EU’s GALILEO was applied to be simulated.And the simulated data was used to compare the current single GPS system，the current incomplete integrated system and the future complete integrated system’s GDOP，the number of visible satellites and navigation accuracy in Ganzhou area.The simulation results reveal that the integrated navigation system ismore advantage than the single GPS system in GDOP，the number of visible satellites and navigation accuracy.

GNSS；integrated navigation system；BDS；simulation

1672-8262(2013)05-97-04

P228

A

2013—02—24

潛成勝(1988—)，男，碩士研究生，主要研究方向為衛(wèi)星導航，組合導航。