北斗區域衛星導航系統和GPS定位性能仿真分析*

孫　嵐　李厚樸　張植輝

(1.海軍司令部航海保證部　北京　100841)(2.海軍工程大學導航工程系　武漢　430033)

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北斗區域衛星導航系統和GPS定位性能仿真分析*

孫嵐1李厚樸2張植輝2

(1.海軍司令部航海保證部北京100841)(2.海軍工程大學導航工程系武漢430033)

摘要為掌握北斗區域衛星導航系統在國內外典型區域內的定位性能，同時與GPS進行比對，利用STK軟件建立了北斗區域星座和GPS星座，在此基礎上對武漢、北京、喀什、關島、索馬里、堪培拉等地區的衛星可見性和幾何精度因子進行了仿真分析。研究結果可為北斗衛星導航系統的建設與應用提供參考。

關鍵詞北斗區域衛星導航系統; GPS; STK; 可見性; 幾何精度因子

Class NumberTN967; V474

1引言

2012年12月27日，北斗區域衛星導航系統開始向中國及周邊地區提供連續的導航定位和授時服務[1]。北斗衛星導航系統的三步走發展戰略[2]完成了第二步，已有學者對該系統的定位性能進行了分析，以全面了解其定位精度、可見性。楊元喜[1]初步評估了北斗區域衛星導航系統建成運行后的基本導航定位性能，包括衛星可見性、位置精度衰減因子、偽距和載波相位觀測量精度、單點定位和差分定位精度以及模糊度解算性能等;張海忠[3]評估了該系統在中國各個地區的覆蓋情況，對該系統在中國境內的幾何精度因子GDOP進行了仿真分析;韓雪峰[4]對北斗區域衛星導航系統在中國地區的衛星可見性進行了仿真分析;范龍[5]引入了加權幾何精度因子(WGDOP)，利用模擬觀測數據對北斗二代衛星導航系統在中國境內的定位精度進行了分析;陳巖[6]從北斗區域衛星導航系統星座的整體覆蓋性能、對我國境內及我主要戰略方向的覆蓋情況、星座中三種衛星對于GDOP的影響情況和星座的冗余性四個方面進行了仿真分析。

總的看來，前人在北斗區域衛星導航系統的衛星可見性和幾何精度因子分析兩方面已經開展了一定的研究，并取得了不少有價值的成果，但這些研究主要集中在中國境內，對于國外區域的研究或者沒有涉及，或者僅從總體上進行概略分析，特別是對于該系統與GPS在國內外定位性能的差異缺乏分析比較。有鑒于此，本文運用衛星工具包STK(Satellite Tool Kit)軟件[8]對北斗區域衛星導航系統和GPS進行了星座仿真，并在此基礎上對二者的定位性能進行了系統分析。

2北斗區域衛星導航系統和GPS星座仿真

2.1北斗區域衛星導航系統星座仿真

北斗衛星導航系統由三類衛星星座組成，分別是五顆地球靜止同步軌道衛星(GEO)、五顆傾斜地球同步軌道衛星(IGSO)和四顆中軌道衛星(MEO)，其軌道高度和軌道平面位置不盡相同。根據北斗ICD文件[8～9]對軌道的描述：

1)GEO衛星的軌道高度為35786km，分別定點于東經58.75°、80°、110.5°、140°和160°;

2)IGSO衛星的軌道高度為35786km，軌道傾角為55°，分布在三個軌道面內，升交點赤經相差120°，其中三顆衛星的星下點軌跡重合，交叉點經度為東經118°，其余兩顆衛星星下點軌跡重合，交叉點經度為東經95°;

3)MEO衛星軌道高度為21500km，軌道傾角為55°，回歸周期為7天13圈，相位從Walker24/3/1星座中選擇，第一軌道面升交點赤經為0°。四顆MEO衛星位于第一軌道面7、8相位，第二軌道面3、4相位。

基于以上信息，本文利用STK軟件，建立了“5GEO+5IGSO+4MEO”的北斗區域衛星導航系統星座，其空間三維場景和地面二維場景分別如圖1和圖2所示。

圖1　北斗區域衛星導航系統星座空間三維場景

從圖1和圖2可以看出，五顆GEO衛星和五顆IGSO衛星主要位于我國的經度范圍之內，覆蓋區域主要在亞太地區。四顆MEO衛星由于數目較少、軌道較低、且星下點軌跡繞地球旋轉，對中國地區的覆蓋有限。

圖2　北斗區域衛星導航系統星座地面二維場景

2.2GPS星座仿真

GPS衛星星座由24顆衛星構成。這24顆衛星分布在6個地心軌道平面內，軌道接近于圓形，而且沿赤道以60°間隔均勻分布，相對于赤道面的傾斜角額定55°，軌道半徑(即從地球質心到衛星的額定距離)大約為26600km。

基于以上信息，在STK軟件中可以建立GPS空間三維場景和地面二維場景，分別如圖3和圖4所示。

圖3　GPS星座空間三維場景

圖4　GPS星座地面二維場景

3國內外典型區域選擇

本文選擇的國內外典型區域如圖5所示。在國內典型區域選擇方面，主要選取了武漢(30.35°N，114.17°E)、北京(39.55°N，116.24°E)、喀什(39.3°N，75.59°E)等三個地面站分別對北斗區域衛星導航系統和GPS的定位性能進行仿真分析，因為這些區域兼顧了我國的地域差異，具有較強的代表性。在國外典型區域選擇方面，主要針對當前關注較多的第一、二島鏈、澳大利亞和索馬里海域，選取關島(14°N，145°E)、索馬里(10°N，55°E)、堪培拉(32.56°S，148.33°E)等三個地面站進行仿真分析。

圖5　國內外典型區域

4國內外典型區域定位性能仿真分析

定位性能指標是衡量定位性能的一些基本參數，主要包括衛星可見性和幾何精度因子。通過這些指標可以直觀地了解系統的定位效果，為系統的實際應用提供參考。利用STK的Coverage Definition和Figure of Merit模塊可以定義覆蓋范圍和評估覆蓋資源的覆蓋品質參數。在鏈路對象中將各地面站與星座對象關聯，取觀測時間24小時，仿真時間設置為2014年5月1日12：00到2014年5月2日12:00，利用STK軟件中的report工具輸出得到各地面站的衛星可見數;將覆蓋品質參數(FOM)選為Dilution of Precision(DOP)，可得到北斗區域衛星導航系統和GPS在某一時刻的GDOP值分布情況。限于篇幅，國內區域方面主要給出北京的定位性能仿真圖，國外區域方面主要給出索馬里海域的定位性能仿真圖。

4.1可見性分析

北京的北斗區域衛星導航系統和GPS可見衛星數分別如圖6、圖7所示。

圖6　北京北斗區域衛星導航系統衛星可見數

由圖6、圖7并經計算可知，北京最少可見8顆、最多可見12顆北斗衛星，平均可見北斗星10顆;最少可見7顆、最多可見10顆GPS衛星，平均可見GPS星數在8.5顆左右。

圖7　北京GPS衛星可見數

索馬里北斗區域衛星導航系統和GPS可見衛星數分別如圖8、圖9所示。

圖8　索馬里北斗區域衛星導航系統衛星可見數

圖9　索馬里GPS衛星可見數

由圖8、圖9并經計算可知，索馬里海域最少可見7顆、最多可見12顆北斗衛星，平均可見北斗星為8.4顆;最少可見8顆、最多可見11顆GPS衛星，平均可見星數在9.6顆左右。

為便于進一步分析比較，將各站點北斗區域衛星導航系統和GPS衛星可見數進行統計，如表1所示。

由表1可知，在國內區域，武漢、北京北斗區域衛星導航系統衛星可見數比GPS衛星可見數多1～2顆，喀什北斗區域衛星導航系統與GPS衛星可見星數基本一致，這說明北斗區域衛星導航系統國內衛星可見性優于GPS;在國外區域，堪培拉和關島北斗區域衛星可見數略多于GPS衛星可見數，索馬里北斗區域衛星可見數略低于GPS衛星可見數。

表1　國內外典型區域衛星可見數對比

4.2幾何精度因子分析

北京站的北斗區域衛星導航系統和GPS的幾何精度因子GDOP分別如圖10、圖11所示。

圖10　北京北斗區域衛星導航系統GDOP值

圖11　北京GPS GDOP值

由圖10和圖11并經計算可知，北京北斗區域衛星導航系統GDOP最小值為1.68，最大值為3.50，平均值為2.67;北京GPS衛星GDOP最小值為1.33、最大值為2.94，平均值為1.82。

為便于進一步分析比較，將各站點北斗區域衛星導航系統和GPS GDOP值進行統計，如表2所示。

表2　國內外典型區域GDOP值比較

由表2可以看出，各站點GDOP無論是其相對應的最值還是平均值，北斗區域衛星導航系統的GDOP值均大于GPS，也就是說，在國內外典型區域站點幾何精度因子方面，GPS均優于北斗區域衛星導航系統。北斗區域衛星導航系統國外典型區域的GDOP值一般大于國內典型區域，而GPS GDOP值在國內外典型區域變化不大，分布比較均勻。

5結語

本文利用STK軟件對北斗“5GEO+5IGSO+4MEO”區域星座和GPS衛星星座進行了仿真，計算了武漢、北京、喀什、堪培拉、沖繩、關島和索馬里海域等國內外典型區域可見星數和GDOP分析，得到結論如下：

1)在衛星可見性方面，北斗區域衛星導航系統在國內典型區域衛星可見性優于GPS;在國外區域，北斗區域衛星導航系統在關島、索馬里和堪培拉的衛星可見數最小值為7，最大值為13，具備良好的定位條件，堪培拉和關島北斗區域衛星可見數略多于GPS衛星可見數，索馬里北斗區域衛星可見數略低于GPS衛星可見數。

2)在幾何精度因子方面，GPS在國內外典型區域均優于北斗區域衛星導航系統。北斗區域衛星導航系統國外典型區域的GDOP值一般大于國內典型區域，而GPS GDOP值在國內外典型區域變化不大，分布比較均勻。北斗區域衛星導航系統在國外典型區域平均值最小為2.71，最大為3.13，均達到優良水平，可以滿足導航定位需求。

參 考 文 獻

[1] 楊元喜,李金龍,王愛兵,等.北斗區域衛星導航系統基本導航定位性能初步評估[J].中國科學:地球科學,2014,44:72-81.

[2] 楊元喜.北斗衛星導航系統的進展、貢獻與挑戰[J].測繪學報,2010,39(1):1-5.

[3] 張海忠,劉雪瑞,蓋鵬飛,等.基于STK的北斗區域系統GDOP仿真分析[J].海洋測繪,2013,33(5):31-33.

[4] 韓雪峰,李建文,于勝利,等.區域衛星導航系統覆蓋性能分析[J].測繪與空間地理信息,2014,37(3):149-150.

[5] 范龍,柴洪州.北斗二號衛星導航系統定位精度分析方法研究[J].海洋測繪,2009,29(1):25-27.

[6] 陳巖,董淑福,陳暉,等.BD-2幾何精度因子仿真分析[J].通信技術,2010,43(3):112-114.

[7] 楊穎,王琦.STK在計算機仿真中的應用[M].北京:國防工業出版社,2005:1-14.

[8] 中國衛星導航系統管理辦公室.北斗衛星導航系統空間接口控制文件(公共服務信號BI(1.0版))[S].2012:1-2.

[9] 邊少鋒,紀兵,李厚樸.衛星導航系統概論[M].北京:測繪出版社,2015:162-164.

收稿日期：2016年1月8日,修回日期：2016年2月16日

基金項目：國家自然科學基金項目(編號：41274013；41471387)資助。

作者簡介：孫嵐，女，博士，工程師，研究方向：海洋測繪。李厚樸，男，博士，講師，研究方向：衛星導航。張植輝，男，研究方向：衛星導航。

中圖分類號TN967; V474

DOI：10.3969/j.issn.1672-9730.2016.07.020

Positioning Performance Simulation Analysis of BeiDou Regional Navigation Satellite System and GPS

SUN Lan1LI Houpu2ZHANG Zhihui2

(1.Navigation Guarantee Department of Chinese Navy Headquarters, Beijing100841)(2.Department of Navigation, Naval University of Engineering, Wuhan430033)

AbstractIn order to master the positioning performance of the BeiDou regional navigation satellite system and its comparison with GPS, the “5GEO+5IGSO+4MEO” BeiDou regional and GPS constellations using STK software are simulated. Based on this simulation, the satellite visibility and GDOP value in some typical foreign regions such as Wuhan, Beijing, Kashi, Canberra, Guam and Somalia sea area are systematically analyzed. The results can provide reference for the construction and application of BeiDou navigation satellite system.

Key WordsBeiDou regional navigation satellite system, GPS, STK, visibility, GDOP