QZSS/IRNSS對BDS在中國定位性能增強的評估

徐 煒,賈 雪,王 濤

(安徽理工大學 測繪學院，安徽 淮南 232001)

QZSS/IRNSS對BDS在中國定位性能增強的評估

徐 煒,賈 雪,王 濤

(安徽理工大學 測繪學院，安徽 淮南 232001)

通過STK軟件對BDS、QZSS、IRNSS衛星星座結構仿真的基礎上，選擇BDS、BDS/QZSS、BDS/IRNSS、BDS/QZSS/IRNSS、QZSS/IRNSS等定位方式對中國大陸單觀測站與整體范圍最小可見衛星數、GDOP值、定位誤差進行覆蓋分析，確定了QZSS與IRNSS在我國的覆蓋范圍及對BDS定位性能增強作用的評估。結果表明，BDS/QZSS/IRNSS組合在我國的最小可見衛星數可達16～21顆，GDOP值在1.4～1.7之間，定位誤差達5.5～7.5 m，相比單BDS定位最小可見衛星數增加了6～8顆，GDOP值減小了0.3～0.5，定位精度提升了2.0～3.0 m，對華南地區的定位性能有明顯提升，而對東北等地區定位性能的提升較小。

STK；覆蓋范圍；定位性能；評估

隨著日本準天頂衛星系統(Quasi-Zenith satellite System, QZSS)與印度區域導航衛星系統(Indian Regional Navigation Satellite System, RNSS)的建設，全球定位系統(Global Positioning System, GPS)在日本與印度的可用性將得到提升。鑒于中國與印度和日本的距離較近，QZSS與IRNSS也能實現對中國部分地區的覆蓋，對中國北斗衛星導航系統(Bei Dou Navigation Satellite System, BDS)的定位能力也能夠提供增強作用。現階段BDS已近實現對亞太地區的覆蓋，GPS和GLONASS都有許多在軌衛星，也可以與BDS組合定位，但QZSS、IRNSS相比GPS、GLONASS更注重對亞太附近地區的覆蓋，雖然目前QZSS/IRNSS/BDS組合定位的研究較少，但今后QZSS/IRNSS及其他系統的組合定位將會成為一種必然趨勢，評估QZSS/IRNSS對BDS在我國定位性能的增強作用將更有意義。

目前，能同時接收QZSS、IRNSS、BDS衛星信號的多系統接收機較為有限，對BDS系統在我國定位性能的增強作用并不能給出定量的評估。因此，本文通過STK軟件仿真出QZSS、IRNSS的衛星星座結構，計算出各定位系統在我國的覆蓋范圍、定位精度及對BDS定位性能的提升作用，為QZSS/IRNSS/BDS多系統的組合定位提供參考。

1 STK簡介

STK軟件的全稱是Satellite Tool Kit(衛星仿真工具包)，是由美國AGI公司開發，并在航天工業領先的商品化分析軟件。STK可以快速方便地分析復雜的陸、海、空、天任務，并提供易于理解的圖表和文本形式的分析結果，用于確定最佳解決方案。它支持航天任務周期的全過程，包括概念、需求、設計、制造、測試、發射、運行和應用等。其主功能包括：分析能力、計算軌道和彈道、衛星數據庫、可見性分析、傳感器分析、姿態分析、可視化結果、提供詳盡的數據報告等[1-3]。

2 BDS、QZSS、IRNSS星座結構仿真

BDS設計在軌衛星數到達35顆，現已實現對亞太地區的覆蓋，計劃2020年左右，建成覆蓋全球的北斗衛星導航系統。目前，BDS在軌衛星數達到23顆，21顆衛星具有提供導航定位服務的能力，包括6顆GEO衛星，7顆MEO衛星，8顆IGSO衛星，MEO衛星的軌道高度為35 786 km，6顆GEO衛星實現了對亞太地區的6重覆蓋，IGSO衛星的軌道高度為35 786 km，軌道傾角為55°，該衛星克服了高緯度始終低仰角的問題，MEO衛星軌道高度為21 528 km，軌道傾角位55°[4-6]。

QZSS設計在軌衛星達到3顆，分別置于相隔120°的3個軌道面上，每個軌道面與赤道的夾角為45°，軌道高度為31 500～40 000 km，并確保在日本區域內至少可見1顆準天頂衛星(QZS)，目前QZSS在軌運行只有1顆[7-9]。

IRNSS系統由7顆位于GEO和GSO軌道的衛星組成，IRNSS系統的7顆衛星中，3顆采用GEO軌道，分別定位于東經34°，83°和132°，另外4顆采用GSO軌道，傾斜軌道衛星遠地點高度為24 000 km，近地點高度250 km，軌道傾角為29°，其中兩顆位于東經55°，另外兩顆位于東經111°，以確保7顆衛星都可以持續地與印度控制站保持連絡[10]。

選用2016年9月20日BDS、QZSS、IRNSS衛星的TLE(Two Line Element)軌道星歷數據，采用簡化常規攝動模型(SGP4,Simplified General Perturbations 4)預報器仿真BDS、QZSS、IRNSS系統星座結構，BDS、QZSS、IRNSS衛星的星下點軌跡如圖1所示。

圖1 BDS、QZSS、IRNSS星下點軌跡圖

BDS衛星星下點軌跡分布在55°N～55°S之間，GEO衛星相對靜止于東南亞赤道上空，IGSO衛星的星下點軌跡如“8”字形，IGEO衛星分布在兩個不同的軌道上，其余的藍色實線為MEO衛星的星下點軌跡；綠色實線為QZSS衛星的星下點軌跡，軌跡如大橢圓非對稱“8”字形，在靠近日本附近的橢圓較大，靠近澳大利亞附近的橢圓較小；紅色實線為IRNSS衛星星下點軌跡，3顆GEO衛星靜止于東經34°、83°和132°，4顆GSO衛星的軌跡如“8”字形，每2顆衛星分布在2個不同的軌道面，衛星布局相對印度呈對稱結構。

3 定位性能評估與分析

仿真時間從2016年9月20日至2016年9月21日，采樣間隔為300 s，按照3°×3°的網格劃分全球，設置截止衛星高度角為5°，約束衛星天線輻射角為46°，分為單個觀測站與中國整體范圍對BDS、QZSS、IRNSS的定位性能進行覆蓋分析[11]，其三維分布圖見圖2。

圖2 BDS、IRNSS、QZSS衛星星座三維分布圖

3.1 定位性能評價指標

在進行單點定位時，定位性能可以用最小可見衛星數目、空間幾何精度因子(DOP值)以及定位誤差來表示[12]。

3.1.1 最小可見衛星數

可見衛星數反映了衛星能夠被觀測到的情況，若可見衛星數小于4顆，將不能實現導航定位服務，故取最小可見衛星數作為定位性能的評價指標之一。

3.1.2 精度衰減因子

精度衰減因子(DOP)由接收機位置和衛星的幾何形狀分布決定的，DOP值越小，代表的衛星的空間幾何分布越合理和較高的定位精度概率；DOP值越大，則代表衛星的空間幾何分布不合理與較低的定位精度概率，本文選取幾何精度因子(GDOP)作為定位性能評價指標之一。

3.1.3 定位誤差

在進行衛星導航定位時，定位誤差主要取決于接收機等效距離誤差與精度衰減因子(DOP)，其關系可以用下式表示[13-14]。

δ=UERE×PDOP.

其中：δ為定位誤差，UERE為用戶等效距離誤差，PDOP為空間位置精度因子。等效距離誤差是衛星至接收機路徑上的各種影響因素預測出的偽距觀測量變化值，若等效距離誤差確定，那么定位誤差將僅決定于衛星星座結構，故定位誤差也就是衛星星座性能的體現[15]。

3.2 單觀測站定位性能評估與分析

選取北京、上海、廣州、蘭州、拉薩、哈爾濱為觀測站，這些觀測站基本實現了對中國大陸地區的覆蓋，觀測站點分布情況如圖3所示。

圖3 觀測站點分布圖

3.2.1 最小可見衛星數評估

最小可見衛星數變化曲線如圖4所示。

圖4 最小可見衛星數變化曲線

由圖4可知，最小可見衛星數隨著組合系統的增加而逐漸增加，北京、上海、廣州、蘭州、拉薩、哈爾濱站IRNSS/QZSS組合定位的最小可見衛星數都大于等于4顆，已經能夠達到定位的要求；單BDS最小可見衛星數在10～17顆之間，BDS/IRNSS/QZSS組合定位的最小可見衛星數處于17～25顆之間，IRNSS與BDS實現了對中國區域部分地區的覆蓋，這將提高衛星的空間幾何分布，在定位時有更多的衛星能夠選擇，定位精度也能得到相應的提升。

3.2.2 GDOP值評估

GDOP值變化曲線如圖5所示。

圖5 GDOP值變化曲線

由圖5可知，IRNSS/QZSS組合定位時，北京、上海、廣州、蘭州、哈爾濱觀測站的GDOP值的波動幅度較大，北京站、上海站的GDOP值的最大值達到了18.0左右，哈爾濱站在15:00左右的GDOP值出現了突變，只有拉薩的GDOP值波動幅度稍微平緩；BDS/QZSS組合定位的GDOP值始終比單BDS定位時的GDOP值小，說明QZSS起到了一定的作用，但GDOP值減少的幅度卻較小，說明QZSS的作用有限；BDS/IRNSS組合定位時的GDOP值較單BDS定位使得GDOP值減小的最明顯，得益于IRNSS的衛星數較多，對上述觀測站實現了覆蓋；BDS/IRNSS/QZSS組合定位時的GDOP值最小，6個觀測站的GDOP值波動的最平緩，GDOP值穩定于1.5～2.0之間；通過對比發現，IRNSS相比QZSS對中國地區的覆蓋范圍要大，對定位精度的提高作用更加明顯。

3.2.3 定位誤差評估

定位誤差變化曲線如圖6所示。

圖6 定位誤差變化曲線

由圖6可知，6個觀測站處定位誤差的波動與GDOP值的波動始終保持一致；IRNSS/QZSS組合定位時北京、上海、廣州、蘭州、哈爾濱站的定位誤差波動較大，北京站、上海站的定位誤差最大達到70.0 m左右，哈爾濱站在15:00左右的定位誤差出現了突變，拉薩站的定位誤差分布則較為穩定，保持在16～18 m之間；單BDS定位時北京站、上海站、蘭州站、哈爾濱站的定位誤差波動幅度較小，蘭州與拉薩站的定位誤差波動幅度稍大些，單BDS相比IRNSS/QZSS組合的定位精度有了顯著提升，其原因在于BDS GEO衛星與IGSO衛星主要實現對我國的覆蓋，能夠保持較高的衛星高度角，具有較好的可見性，彌補其他系統幾何圖形變化幅度大的缺點，降低GDOP值的波動，從而提高定位精度；BDS/QZSS組合相比單BDS的定位誤差要小，說明QZSS起到了一定的作用，然而定位誤差變化減小的幅度卻較少，說明QZSS在我國的覆蓋范圍有限，定位作用較小；BDS/IRNSS組合較單BDS定位的定位誤差減小的最明顯，定位精度有了顯著的提升；BDS/IRNSS/QZSS組合定位時的定位誤差最小，定位誤差波動的最平緩，6個觀測站的定位誤差都處于6.0～10.0 m之間；通過對比發現，IRNSS相比QZSS對中國地區的覆蓋范圍要大，對定位精度的提高作用更加明顯。

3.3 中國區域總體定位性能評估與分析

利用STK的覆蓋模塊，對BDS、BDS/IRNSS、BDS/QZSS、IRNSS/QZSS、BDS/IRNSS/QZSS組合定位方式進行覆蓋分析，由于篇幅有限只給出BDS/IRNSS/QZSS組合定位的覆蓋效果圖，覆蓋情況如圖7所示，對BDS、BDS/IRNSS、BDS/QZSS、IRNSS/QZSS的覆蓋情況僅作統計，我國范圍內最小可見衛星數、GDOP值、定位誤差的統計情況如表1所示。

表1 各系統定位性能統計

圖7 BDS/IRNSS/QZSS定位性能覆蓋情況

從圖7可知，BDS/IRNSS/QZSS組合定位在東北地區的最小可見衛星數達到16顆，華南地區的最小可見衛星數最多達到21顆，西北、西南地區的最小可見衛星數可達到18～19顆，華北、華中、華東大部分地區的最小可見衛星數達到19～20顆；BDS/IRNSS/QZSS組合定位在華南與西南部分地區的GDOP值最小，GDOP值基本保持在1.4左右，華東、華北大部、東北小部地區的GDOP值在1.6左右，東北大部分地區的GDOP值達到1.7左右，其余地區的GDOP值在1.5左右；BDS/IRNSS/QZSS組合定位誤差的覆蓋情況與GDOP值的覆蓋情況基本一致，其中，華南、西南、華中大部分地區的定位誤差最小，保持在5.5～6.0 m左右，西北、西南小部分地區、華北、華東部分地區定位誤差在6.5～7.0 m之間，其余地區的定位誤差達到7.0～7.5 m。

通過比較發現，BDS/IRNSS/QZSS組合比單BDS定位的最小可見衛星數增加了6～8顆，GDOP值減小了0.3～0.5，定位誤差減小了2.0～3.0 m；BDS/QZSS組合與單BDS定位的定位性能基本相同，沒有大的提升；BDS/IRNSS組合比單BDS定位時最小可見衛星數增加了5～7顆，GDOP值減小了0.4～0.6，定位誤差減小了1～2 m；IRNSS相比QZSS系統對BDS在我國定位性能的提升作用要大，在華南地區的定位精度提升的最為明顯，華中、西北、東北地區的定位精度提升則較小；BDS/IRNSS/QZSS組合定位無論在最小可見衛星數、GDOP值、定位精度上都優于BDS/IRNSS組合，BDS/IRNSS組合優于BDS/QZSS組合定位精度，BDS/QZSS組合優于單BDS定位精度，IRNSS/QZSS組合定位精度最差；RNSS與QZSS的加入，增加了可見衛星數，空間衛星幾何分布得到了優化，定位精度得到了提高，GDOP值與定位誤差變化的更加平緩，組合后的定位性能更加穩定。

4 結 論

1)通過對北京、上海、廣州、蘭州、拉薩、哈爾濱觀測站的覆蓋分析發現，BDS/IRNSS/QZSS組合定位，增加了最小可見衛星數，降低了GDOP值，抑制了單BDS定位時GDOP值與定位誤差的波動異常，提高了導航定位的精度與系統穩定性。

2)BDS/IRNSS/QZSS組合定位時，我國的最小可見衛星數可達16～21顆，華南地區的衛星數最大能達到21顆，東北地區的最小可見衛星數最少有16顆；GDOP值在1.4～1.7之間，華南與西南部分地區的GDOP值最小，東北大部分地區的GDOP值最大；定位誤差處于5.5～7.5 m之間，華南、西南、華中大部分地區的定位誤差最小，保持在5.5～6.0 m左右，東北地區定位誤差最大，達到7.0～7.5 m。

3)BDS/QZSS組合與單BDS的定位性能基本相同，BDS/IRNSS組合比單BDS最小可見衛星數增加了5～7顆，GDOP值減小了0.4～0.6，定位誤差減小了1～2 m，BDS/IRNSS/QZSS組合比單BDS定位的最小可見衛星數增加了6～8顆，GDOP值減小了0.3～0.5，定位誤差減小了2.0～3.0 m，說明RNSS比QZSS對我國定位性能的提高作用較大，組合定位對華南地區的定位精度提升的最為明顯，華中、西北、東北等地區的定位精度提升則較小。

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EvaluationofQZSS/IRNSSonpositioningperformanceenhancementofBDSinChina

XU Wei,JIA Xue,WANG Tao

(School of Geodesy and Geomatics, Anhui University of Science and Technology, Huainan 232001,China)

This paper, based on BDS, QZSS and IRNSS satellite constellations simulation by STK software, selects BDS, BDS/QZSS, BDS/IRNSS, BDS/QZSS/IRNSS, QZSS/IRNSS and other positioning methods for China's single observation station and the overall minimum visible satellite number, GDOP value, positioning error coverage analysis, in order to determine the coverage of QZSS and IRNSS in our country and evaluate the performance of BDS positioning. The result shows that the BDS/QZSS/IRNSS combination in the smallest visible satellite in China can reach to the number of up to 16～21, in which the GDOP value is between 1.4～1.7, the positioning error of 5.5～7.5 m, compared with the single BDS minimum visible satellite the number increases by 6～8, and GDOP decreases by 0.3～0.5, to enhance the positioning accuracy of 2.0～3.0 m; it significantly enhances the positioning performance in Southern China while small in Northeast China.

STK; coverage; positioning performance; evaluation

著錄：徐煒,賈雪,王濤.QZSS/IRNSS對BDS在中國定位性能增強的評估[J].測繪工程，2018，27(1)：31-36.

10.19349/j.cnki.issn1006-7949.2018.01.007

2016-07-08

國家自然科學基金資助項目(41474026)；淮南礦業(集團)有限責任公司項目(HNKY-JTJS(2013)-28)；安徽省國土資源廳科技項目(2011-K-22；2011-K-18)

徐 煒(1992-)，男，碩士研究生.

P228

A

1006-7949(2018)01-0031-06

劉文霞]