探析衛(wèi)星導航系統(tǒng)的性能監(jiān)測及評估方法

呂京龍 周鋒 和毅東

摘 要：在衛(wèi)星導航研究領域中，系統(tǒng)性能監(jiān)測和評估方法的研究已經成為眾多科研院所研究的重點，這是為了在眾多激烈的競爭中獲取衛(wèi)星導航系統(tǒng)技術的制高點。本文基于衛(wèi)星導航系統(tǒng)的相關內容，淺要論述北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的性能監(jiān)測方法和評估方法。

關鍵詞：衛(wèi)星導航系統(tǒng)；性能監(jiān)測；評估方法

0 引言

衛(wèi)星導航系統(tǒng)的性能監(jiān)測和評估方法是衛(wèi)星導航研究領域中的重點內容，良好的監(jiān)測效果可以為高精度的監(jiān)測工作提供便利，完善的評估方法可以為各個領域的研究提供有力的技術的支持和數據信息，因此探析衛(wèi)星導航系統(tǒng)的性能監(jiān)測和評估方法是現階段十分必要而又十分迫切的工作。

1 北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)發(fā)展概述

北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)最初是陳芳院士在1983年提出的，隨后我國中國科學院眾多科學家在經歷數次失敗的試驗后建立了初步的北斗試驗衛(wèi)星系統(tǒng)。從2003年到2012年北斗試驗衛(wèi)星系統(tǒng)運行順利，并且經過不斷的升級和進步后，于2012年底，北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)正式在亞太地區(qū)投入使用，這是我國在衛(wèi)星導航領域中的重大突破[1]。

2 北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)性能監(jiān)測分析

我國北斗導航系統(tǒng)投入使用的時間尚短，信息網建立并不完善，但是隨著研究的深入發(fā)展，對衛(wèi)星導航的性能監(jiān)測研究也取得了進一步的成果。

北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)完好性性能分析：

衛(wèi)星導航系統(tǒng)的完好性能能夠為監(jiān)測者在規(guī)定時間內提供具體的警報，如果導航系統(tǒng)性能受損，就會出現兩種現象，其一是導航系統(tǒng)性能受損，但是可以向監(jiān)測者發(fā)出警報，但是警報的精確度有所下降，其二是導航系統(tǒng)性能受損，而且無法向監(jiān)測者發(fā)出警報的概率增加。對此需要加強對北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的性能監(jiān)測研究和分析，提出能夠增加北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)完好性性能的監(jiān)測方法。

通過分析不同設備接收到的GPS衛(wèi)星信號和北斗衛(wèi)星信號，研究雙方在各自位置的坐標，對比GPS衛(wèi)星信號坐標“真值”，分析北斗完好性性能指標[2]。

首先，準備GPS接收機天線、BD用戶機天線，與基準站同時接通GPS衛(wèi)星信號和北斗衛(wèi)星信號（如圖1），GPS接收機天線、BD用戶機天線接收GPS衛(wèi)星信號，基準站、BD用戶機天線接通北斗衛(wèi)星信號。其次將獲取的信號坐標確定，記錄相應的信息，包括GPS載波相位、北斗型號定位時刻、HPL、VPL等。之后，將GPS位置坐標計算出來，將其作為與北斗位置坐標進行參照的“真值”，利用BD用戶機接收到的北斗衛(wèi)星導航發(fā)射的信號確定北斗位置坐標，將其與之前得出的GPS位置坐標“真值”進行比對，此時只是進行第一步的比對。接下來利用基準站接收到的北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)發(fā)送的信號坐標，以及GPS測量數據進行精確計算，求出更加確切的北斗信號坐標，再將其與GPS位置坐標“真值”進行比對，記錄北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)完好性性能。

當北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)出現故障，使其完好性性能受損時，北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)發(fā)送的信號坐標定位結果是會與GPS位置坐標值出現較大差異，此時可以需要記錄下來兩者之間的坐標，以及北斗信號發(fā)出時的時間，由此推算北斗系統(tǒng)遭受故障的時間，并記錄接收機接收到告警信息的時刻。此時需要注意，如果在測試過程中并沒有確定告警時刻的范圍，那么通常是以用戶機計算出的誤差保護級時間作為告警時刻。在獲得北斗系統(tǒng)發(fā)生故障時刻和告警信息時刻后，利用現有的數據分析系統(tǒng)的告警時間，進而評估北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的完好性性能。

3 北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)評估方法分析

北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)能夠為底面研究提供全天候、高精度的導航服務和定位服務，當前關于北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)性能評估方法研究多是在GPS性能評估方法的基礎上，我國導航科研院所致力于研究出適合北斗系統(tǒng)的性能評估方法，雖然尚未取得關鍵性的成果，但是也得到了一定發(fā)展[3]。

3.1 北斗系統(tǒng)星座及覆蓋性能評估方法

衛(wèi)星星座由多顆衛(wèi)星構成，我國北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的星座是由14個衛(wèi)星構成，其中包括5顆GEO、5顆IGSO、4顆MEO，這些衛(wèi)星共同組成北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)星座。相互間可以互相合作，也具備各自獨特的任務，例如I1和I4衛(wèi)星相互之間可以傳輸數據，形成備份，這些構成星座的衛(wèi)星都會為地面?zhèn)鬟_數據和信息，發(fā)揮導航與定位作用。

衛(wèi)星星座構建起來后，就開始對底面形成覆蓋性，其覆蓋性的變化多和衛(wèi)星的坐標和空間位置有關，地面接收機要想接收到質量較高的信號，就需要北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的衛(wèi)星星座覆蓋范圍擴大，能夠使地面接收機接收到衛(wèi)星星座 傳輸出來的信號。目前北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)星座覆蓋范圍中的高度截止角角度為0°、5°、10°、15°等，在這些高度截止角度下，地面接收機都會成功接收到來自北斗系統(tǒng)的衛(wèi)星信號，不過需要注意的是，高度截止角的不同會對接收的衛(wèi)星信號質量有所影響，如果需要較高質量的信號，就要在確定的高度截止角度下接收衛(wèi)星信號。

3.2 北斗系統(tǒng)空間信號精度性能評估方法

北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)空間信號精度性能評估包括對用戶測距誤差的評估、對用戶測距速率誤差的評估、對用戶測距加速度誤差的評估以及對世界協(xié)調時補償誤差的評估。北斗系統(tǒng)在具體的評估中會應用北斗URAE計算法、URRE計算法、URE計算法，這些方法都是北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)為了確定空間信號精確度而設計的計算方法，是當前較為突出的性能評估方法組成部分。

4 結論

時至今日，我國自行研發(fā)的北斗區(qū)域衛(wèi)星導航系統(tǒng)已經運作4年之久，成為我國現階段應用的最先進的監(jiān)測技術之一。未來還要繼續(xù)加強對北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)性能監(jiān)測和評估方法的研究，促進北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的良好運行。

參考文獻

[1]王天.北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)授時性能評估研究[D].長安大學，2014.

[2]帥平，曲廣吉，陳忠貴.衛(wèi)星導航系統(tǒng)性能指標與評估方法[A].中國自動化學會空間及運動體控制專業(yè)委員會.全國第十二屆空間及運動體控制技術學術會議論文集[C].2006：8.

[3]丁盼，席瑞杰，肖玉鋼.北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)用于東北地區(qū)高精度變形監(jiān)測性能分析[J].測繪通報，2016，（4）：33-37.

（作者單位：北京衛(wèi)星導航中心）