對兩種衛星導航系統性能進行的幾點比較

胡曉粉，劉亞濤，張 沖，賈蕊溪

（解放軍裝備學院 研究生三隊，北京 101416）

1 引言

衛星導航是二十世紀八十年代出現的最具劃時代意義的航天信息技術，目前，衛星導航系統已成為一個國家重要的空間基礎設施，是現代化國家綜合國力的體現。世界各航天大國相繼發展自己的衛星導航系統，美國的全球定位系統（global positioning system，GPS）和俄羅斯的格洛納斯衛星導航系統 （global navigation satellite system，GLONASS）已經成功地部署并實現了全球導航，歐州伽利略衛星導航系統 （Galileo navigation satellite system，Galileo）的研究也取得了很大進展，我國的北斗一號導航系統已順利完成，北斗導航系統正穩步推進。北斗衛星導航系統（以下簡稱 “北斗系統”）是我國自主建設、獨立運行，并與世界其他衛星導航系統兼容共用的全球衛星導航系統，它的順利推進在一定程度上會出現與歐洲伽利略衛星導航系統競爭的局面，也沖淡了伽利略衛星導航系統未來的市場前景。

2 系統概述

2.1 北斗系統概述

北斗系 統 （BeiDou navigation satellite system，BDS）是我國自主研發并獨立運行的全球衛星導航系統，由空間段、地面段和用戶段三部分組成，空間段包括5顆靜止軌道衛星和30顆非靜止軌道衛星，地面段包括主控站、注入站和監測站等若干個地面站，用戶段由北斗用戶終端以及與其他衛星導航系統兼容的終端組成［1］。北斗系統衛星星座組成包括5顆地球靜止軌道 （geostationary earth orbits，GEO）衛星、3顆傾斜地球同步軌道（inclined geo－synchronous orbits，IGSO）衛星和27顆中圓地球軌道 （medium earth orbit，MEO）衛星，北斗系統提供開放服務和授權服務兩種服務。目前，北斗系統已發射了16顆衛星，已實現了為中國及周邊地區用戶提供快速定位、簡短數字報文通訊和授時服務。

北斗系統實施 “三步走”發展戰略：第一步，2000年建成衛星導航試驗系統，用少量衛星利用地球同步靜止軌道來完成試驗任務。第二步，2012年，建成覆蓋亞太區域的衛星導航系統，具備覆蓋亞太地區的定位、導航和授時以及短報文通信服務能力。第三步，2020年左右，建成由5顆靜止軌道和30顆非靜止軌道衛星組網而成的全球衛星導航系統［2］。

2.2 伽利略衛星導航系統概述

伽利略衛星導航系統是由歐盟委員會和歐洲空間局共同發起并組織實施的歐洲民用衛星導航系統，旨在建立歐洲自主、獨立的民用全球衛星導航體系。伽利略衛星導航系統由空間段和地面段組成，空間段由分布在三個軌道上的30顆中等高度軌道衛星構成，每個軌道面上10顆衛星，9顆正常工作，1顆運行備用，衛星軌道傾角56°，軌道高度為23 616km，軌道交點周期為14h22min［3］。地面段由完好性監控系統、軌道測控系統、時間同步系統和系統管理中心組成。伽利略衛星導航系統提供5種基本的服務方式：開放服務、商業服務、生命安全服務、公共管理服務和搜救服務。目前，伽利略衛星導航系統已發射4顆衛星，還處于在軌試驗階段，沒有提供正式的服務。

3 性能比較

3.1 北斗系統和伽利略衛星導航系統參數比較

表1 BDS和Galileo的參數對比

3.2 定位精度

定位精度是衛星導航系統最基本的性能指標之一，也是衛星導航系統的頂層性能指標，是指測量點位誤差分布的離散與密集程度，是測量點位與真值點位之差的概率統計幾何平均值，常用均方根誤差、圓概率誤差或球概率誤差來表示。精度一般通過用戶觀測偽距的等效距離誤差與表征觀測衛星幾何的精度因子 （dilution of precision，DOP）相乘得到，95%表示置信概率［4］。

目前，在我國及周邊地區，北斗系統可提供雙向高精度授時和短報文通信服務。以下是基于伽利略系統仿真設施軟件實現的定位精度情況。

圖1 北斗系統的水平定位精度

圖2 伽利略衛星導航系統的水平定位精度

由圖1和圖2可知，北斗系統和伽利略衛星導航系統在全球范圍內的水平定位精度都在10m左右。

圖3 北斗系統的垂直定位精度

從圖3和圖4可以看出，北斗系統和伽利略衛星導航系統的垂直定位精度在中低緯度地區在15m左右，高緯度地區垂直定位精度稍差，達到20m左右。

圖4 伽利略衛星導航系統的垂直定位精度

3.3 DOP值比較

幾何精度衰減因子 （gometric dilution of precision，GDOP）值是影響定位精度的一個重要參數，描述的是空間位置誤差和時間誤差綜合影響的幾何精度因子，它可將觀測的偽距觀測誤差轉換成用戶的位置誤差，由星座幾何構型決定。在實踐中根據不同的要求，可采用不同的精度評價和相應的精度因子［5］：平面位置精度因子，高程精度因子，空間位置精度因子 （position dilution of precision，PDOP），接收機鐘差精度因子。DOP值越小，定位精度越高。

圖5 伽利略衛星導航系統的GDOP平均值

由圖5可以看出，在赤道附近，GDOP值在2.2左右，隨著緯度的增加，在南北緯30°附近，GDOP值在2.45左右。緯度繼續增加，GDOP值則逐漸減少，在南北緯60°處，減小到最小，GDOP值在2.06，隨著緯度的繼續增加，GDOP值又逐漸增加，在南北緯90°附近，GDOP值達到最大值2.55。

圖6 北斗系統的GDOP平均值

由圖6可知，在亞太地區，北斗系統的GDOP值最小達到1.4，在南北美地區，GDOP值最大達到2.6。

圖7 伽利略衛星導航系統的PDOP平均值

由圖7可以看出，在赤道附近，PDOP值較小，在1.91左右，隨著緯度的增加，在南北緯30°附近，PDOP值達到2.14，隨著緯度的增加而減小，在南北緯60°處，PDOP值最小達到1.83，后又隨著緯度的增加而增加，南北緯90°處，最大值達到2.22。

圖8 北斗系統的PDOP平均值

由圖8可以看出，在亞太地區，北斗系統的PDOP值達到最小值1.23，在南北美地區PDOP值達到最大值2.28。

3.4 可見性比較

可見性指的是可觀測到的衛星個數，表現了系統在特定的區域和時間內為用戶提供服務的能力，主要通過可觀測到衛星的個數及其幾何分布來評定［5］。

圖9 伽利略衛星導航系統的衛星平均可見數

如圖9所示，在赤道附近地區，伽利略衛星導航系統的衛星平均可見數約為9顆，隨著緯度的增加，衛星的可見數逐漸減少，在南北緯度30°的附近區域，衛星平均可見數約為7顆，隨著緯度的增加，衛星的可見數又逐漸增加。在南北緯60°以上區域，衛星平均可見數約為9.5顆。

圖10 北斗系統仿真星座的衛星平均可見數

如圖10所示，在亞太地區，北斗系統的衛星平均可見數約為16顆，在南北美地區，衛星的可見數目較少。

4 結束語

通過對北斗系統和伽利略衛星導航系統的對比，得出一些結論：由于北斗系統的GEO衛星都分布在亞太地區，對我國及周邊地區有增強作用，所以在衛星可見數和DOP值方面，表現出明顯的優勢，在全球的其它地區與伽利略衛星導航系統相當，沒有明顯的區別。而伽利略衛星導航系統的可見星數和DOP值在全球范圍內隨緯度變化而變化，在赤道附近和中緯度地區效果最佳。

我國的北斗系統將在2020年左右建成覆蓋全球的衛星導航系統，它的主要亮點是：北斗系統用戶終端的短報文通信功能，可雙向報文通信，用戶最多可傳送120個漢字的短報文信息，解決了何人、何事、何地的問題。將短信和導航結合，將會帶來更好的應用前景，也將與歐洲的伽利略衛星導航系統形成一個競爭局面。

［1］高成發，胡伍生.衛星導航定位原理與應用［M］.北京：人民交通出版社，2011.

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［4］陳金平，周建華，趙薇薇.衛星導航系統性能要求的概念分析［J］.測控技術，2005，Vol.35（1）：30－32.

［5］翟桅，張國柱，雍少為.基本星座下北斗導航衛星系統服務性能分析［J］.全球定位系統，2011（4）：56－60.

［6］田曉振，陳正陽，馮光財，等.Galileo和GPS的幾點比較［J］.測繪信息與工程，2007，32（1）：41－43.

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