通信導航定位系統的精度評估方法及其對比

曾海濤

（西南交通大學，四川 成都 611756）

0 引 言

隨著現代社會的快速發展和科技進步，人們對于精確定位和導航的需求越來越高。通信導航定位系統作為實現精確定位與導航的重要手段，在民用和軍事領域都具有廣泛的應用前景。特別是隨著全球定位系統（Global Positioning System，GPS）的普及和發展，通信導航定位系統已成為GPS 的重要補充，可以滿足更多的應用需求和場景。通信導航定位系統是利用衛星定位和測量原理實現定位與導航功能的系統，包括GPS、全球導航衛星系統（Global Navigation Satellite System，GLONASS）、北斗導航系統等。這些系統不僅可以提供高精度的位置和導航服務，還可以廣泛應用于交通運輸、智能制造、智慧城市等領域，為社會和經濟的發展提供有力支撐[1]。然而，通信導航定位系統的定位精度和性能受到多種因素的影響，如衛星幾何結構、大氣層延遲、多路徑效應等。因此，對通信導航定位系統的精度進行評估和對比分析，對于保證系統性能和應用效果具有重要意義。

1 研究現狀

1.1 通信導航定位系統的基本原理和分類

通信導航定位系統是利用衛星定位和測量原理實現定位與導航功能的系統，基本原理是通過衛星發射信號，接收機接收信號并測量信號傳播時間，通過計算信號傳播時間和衛星位置信息來確定接收機的位置。其中，衛星位置信息通過衛星定位測量和地面控制系統來獲取。

通信導航定位系統主要包括GPS、GLONASS 和北斗導航系統等。其中，GPS 是由美國發起的全球衛星定位系統，由一組衛星、地面控制系統和用戶接收機組成，主要用于提供民用和軍事領域的位置及導航服務。GPS 系統中的衛星軌道傾角為55°，軌道高度為20 200 km，每個衛星的軌道周期為12 h。GLONASS 是由前蘇聯發起的全球衛星定位系統，由一組衛星、地面控制系統和用戶接收機組成，主要用于軍事領域的位置和導航服務。GLONASS 系統中的衛星軌道傾角為64.8°，軌道高度為19 100 km，每個衛星的軌道周期為11 h。北斗導航系統是中國自主研發的全球衛星定位系統，也是由一組衛星、地面控制系統和用戶接收機組成，主要用于提供民用和軍事領域的位置及導航服務。北斗導航系統中的衛星軌道傾角為55°，軌道高度為35 800 km，每個衛星的軌道周期為12 h。

這些系統都是通過衛星定位技術實現精確定位和導航，但它們的技術細節與特點略有不同。例如，GPS 系統的定位精度和信號傳輸速度較高，但覆蓋范圍和信號強度等方面不如GLONASS 和北斗導航系統。因此，在實際應用中需要根據具體的場景和需求選擇最適合的通信導航定位系統。

1.2 現有研究的發展現狀和趨勢

目前，通信導航定位系統的研究主要集中在系統性能的提升和應用拓展方面。隨著技術的不斷發展和應用需求的增加，通信導航定位系統的定位精度、覆蓋范圍以及魯棒性等性能指標得到了不斷提升和完善。一方面，針對定位精度的提升，目前研究主要集中在減小多路徑效應、抑制信號干擾、提高衛星信號精度等方面。例如，通過使用多頻信號和更高精度的接收機來提高定位精度；通過使用多普勒定位技術來抑制多路徑效應；通過使用差分GPS 技術來提高定位精度等方法。另一方面，針對覆蓋范圍和魯棒性的提升，目前研究主要集中在增加衛星數量、提高信號傳輸速度以及增強魯棒性等方面。例如，通過增加衛星數量來提高覆蓋范圍和可用性；通過加快信號傳輸速度和增強魯棒性來增強系統的抗干擾能力，提升系統的穩定性。

除了性能提升方面的研究，通信導航定位系統在交通運輸、智能制造、智慧城市等領域的應用也得到了廣泛拓展。例如，在智能交通領域，通信導航定位系統可以實現車輛定位和導航，提高道路交通的效率和安全性；在智慧制造領域，通信導航定位系統可以實現工廠內物流和設備定位，提高生產效率和質量；在智慧城市領域，通信導航定位系統可以實現城市公共交通和緊急救援等服務，提高城市的便捷性和安全性。

總的來說，通信導航定位系統在性能提升與應用拓展方面仍有許多研究空間和發展潛力，未來的研究方向主要包括抑制系統的多路徑效應、加快信號傳輸速度、增強系統的魯棒性和安全性、拓展系統的應用領域和場景等方面。

2 常見的定位誤差指標和評估方法

通信導航定位系統的定位精度是系統性能的關鍵指標之一，其誤差大小直接影響著系統的定位精度和應用效果。為了對通信導航定位系統的定位精度進行評估和對比分析，需要選定合適的誤差指標和評估方法。常見的定位誤差指標主要包括水平誤差、垂直誤差以及時間誤差等。水平誤差和垂直誤差指定位結果與真實位置之間在水平和垂直方向上的距離誤差。水平誤差通常用水平定位誤差表示，垂直誤差通常用垂直定位誤差表示，時間誤差指定位結果與真實時間之間的差值，通常用時間定位誤差表示。

常用的評估方法包括精度評估、偏差評估以及穩定性評估等。其中，精度評估是評估系統定位誤差大小的主要方法，通常采用均方誤差（Mean Squared Error，MSE）、均方根誤差（Root Mean Square Error，RMSE）和平均絕對誤差（Mean Absolute Error，MAE）等指標進行評估。MSE 是所有誤差平方和的平均值，RMSE是MSE 的平方根，MAE 是所有誤差絕對值的平均值。精度評估可以全面反映系統定位誤差的大小和分布情況，是評估系統性能的重要指標。偏差評估指評估定位誤差與真實值之間的偏差大小，通常采用均值偏差（Mean Error，ME）和百分誤差（Percentage Error，PE）等指標進行評估。ME 是定位誤差與真實值之間的平均偏差，PE 是定位誤差與真實值之間的相對偏差。穩定性評估指評估系統定位誤差的穩定性和可靠性，通常采用標準差（Standard Deviation，STD）和置信區間（Confidence Interval，CI）等指標進行評估。STD是定位誤差的標準差，CI是定位誤差的置信區間。穩定性評估可以反映系統定位誤差的波動情況和可信度，是評估系統性能的重要補充。對通信導航定位系統的定位精度進行評估和對比分析，需要選定合適的誤差指標與評估方法。

3 不同通信導航定位系統的精度評估

通信導航定位系統的精度是評價其性能的關鍵指標之一。本節將評估3 個主要的全球衛星導航系統，即美國的GPS、俄羅斯的GLONASS 以及中國的北斗導航系統。

3.1 GPS 定位系統

GPS 是美國的衛星導航系統，由分布在 6 個軌道平面上的24 顆衛星組成，可以確保地球上任何時刻、任何地點都能接收到至少4 顆衛星的信號。GPS 的應用范圍相當廣泛，涵蓋了交通、農業、測繪、地質勘探等眾多領域。在無干擾的情況下，普通民用GPS接收機的定位精度可以達到3 ～5 m，這種精度對于大多數日常導航和定位任務來說已經足夠。而對于軍事和高精度專業應用，GPS 系統提供了更高精度的服務。通過使用精密測量和數據處理技術，如實時動態測量（Real Time Kinematic，RTK）和后差分測量（Post Processed Kinematic，PPK），專業接收機的定位精度甚至可以達到厘米級別。

但是，在實際應用中，GPS 定位精度可能受到多種因素的影響。首先，大氣條件（如電離層和對流層）會對衛星信號產生延遲，導致定位誤差。盡管現代GPS 接收機內置了大氣模型以減少這種影響，但仍會存在一定的誤差。其次，建筑物、山體、樹木等遮擋物可能阻礙衛星信號的接收，尤其是在城市和森林環境中，這種影響更為顯著。此外，信號多徑效應可能導致定位誤差。

為了提高GPS 定位精度，地面增強系統被設計用于提供實時誤差校正。這些系統通過地面基站接收衛星信號，計算誤差并通過地面基站或地球靜止軌道衛星向用戶廣播。增強系統的使用可以將GPS 定位精度提高到1 ～2 m。盡管GPS 定位精度受到多種因素的影響，但通過使用增強系統和專業接收機，可以實現厘米級別的精度。此外，與其他全球衛星導航系統的集成也有助于進一步提高定位精度和可靠性[2]。

3.2 GLONASS 定位系統

GLONASS 是俄羅斯的衛星導航系統，起源于20世紀70 年代。該系統由24 顆衛星組成，分布在3 個軌道平面上，每個軌道平面有8 顆衛星。這種配置確保了地球上任何地點都能接收到至少4顆衛星的信號。與GPS 類似，GLONASS 廣泛應用于交通、航空、海運、測繪以及科研等領域。在正常條件下，GLONASS 的定位精度約為5 ～10 m，已足夠滿足大部分民用應用的需求。但是，專業接收機和一些高精度應用領域可能需要更高的定位精度。通過使用實時運動測量和后處理運動測量等技術，GLONASS 的精度可以達到厘米級別。然而，實際應用中GLONASS 的定位精度可能受到多種因素的影響。大氣條件（如電離層和對流層）對衛星信號產生延遲，從而導致定位誤差。此外，建筑物、山體、樹木等遮擋物會阻礙衛星信號的接收，尤其在城市和森林環境中，信號多徑效應也可能導致定位誤差。

GLONASS 系統在高緯度地區的性能可能優于GPS，因為其衛星軌道布局更適合這些地區。這意味著在俄羅斯北部地區，GLONASS 信號覆蓋可能比GPS更加穩定和可靠。為了提高GLONASS的定位精度，俄羅斯建設了地面增強系統。這些系統通過地面基站接收衛星信號，計算誤差并通過地面基站或地球靜止軌道衛星向用戶廣播，可以將GLONASS 的定位精度提高到1 ～2 m。

盡管GLONASS 定位精度受到多種因素的影響，但通過使用增強系統和專業接收機，可以實現厘米級別的精度，而且與其他全球衛星導航系統（如GPS和北斗）的集成也有助于進一步提高定位精度和可靠性[3]。

3.3 北斗導航定位系統

北斗導航系統是中國的衛星導航系統，目前已成功發展為一個全球覆蓋的導航系統，共由35 顆衛星組成，包括3 個不同軌道類型的衛星：地球靜止軌道（Geosynchronous Eearth Orbit，GEO）衛星、傾斜地球同步軌道（Inclined GeoSynchronous Orbit，IGSO）衛星和中圓地球軌道（Medium Earth Orbit，MEO）衛星。這種混合軌道布局有助于提供高精度和高可靠性的導航服務。

在正常條件下，北斗系統的定位精度約為2.5 ～5 m，已經足夠應對大多數民用導航和定位任務。同時，在專業領域和高精度應用場景中，北斗系統可以提供更高精度的服務，達到厘米級別。在一些區域，如亞洲地區，北斗的性能可能優于GPS[4]。這主要歸功于北斗系統的混合軌道布局和定位信號結構設計，使其在東經84°至東經160°、北緯55°以南的地區具有更好的信號覆蓋和可靠性。此外，北斗系統提供了一些獨特的增值服務，如短報文通信（Short Message Service，SMS）和衛星基準增強服務（Satellite-Based Augmentation System，SBAS）。SMS 服務允許用戶發送和接收包含位置信息的文本消息，而SBAS 通過地面基站接收衛星信號，計算誤差并通過地球靜止軌道衛星向用戶廣播，從而提高定位精度和可靠性。

需要注意的是，實際應用中北斗定位精度可能受到大氣條件、建筑物遮擋、信號多徑效應等因素的影響。然而，通過使用增強系統和與其他全球衛星導航系統（如GPS 和GLONASS）的集成，北斗定位精度和可靠性可以得到顯著提高[5]。許多現代智能手機和導航設備已支持GPS、GLONASS、北斗系統，從而實現提供更高精度的定位服務。

4 對比分析

在對GPS、GLONASS 以及北斗導航系統的精度進行比較時，可以看到它們在性能和應用方面存在一定程度的差異。在正常條件下，GPS 的精度約為3 ～5 m，GLONASS 的精度約為5 ～10 m，而北斗系統的精度約為2.5 ～5 m。這表明，在一般民用導航和定位任務中，這3 個系統的表現相差無幾。然而，在專業領域和高精度應用場景中，通過使用RTK、PPK 等技術，這些系統都可以實現厘米級別的精度。值得注意的是，這些導航系統在不同地區的性能可能存在差異。例如，GLONASS 在高緯度地區（如俄羅斯北部地區）的表現可能優于GPS，而北斗系統在亞洲地區的性能可能優于GPS。這些差異主要源于衛星軌道布局和定位信號結構設計。

另外，GPS、GLONASS 以及北斗系統均受到大氣條件、建筑物遮擋、信號多徑效應等因素的影響。為了提高定位精度，各系統都采用了地面增強系統，如美國的廣域增強系統（Wide Area Augmentation System，WAAS）、俄羅斯的標準配色偏差（Standard Deviation of Coloe Matching，SDCM）和中國的北斗衛星基準增強服務，這些增強系統有助于將定位精度提高到1 ～2 m。

綜合來看，這3 個全球衛星導航系統在精度和性能上均表現出較高的水平。在實際應用中，為了實現更高精度的定位服務，許多現代智能手機和導航設備已支持GPS、GLONASS 以及北斗系統的集成。通過融合這些系統的優勢，用戶可以獲得更加精確和可靠的定位信息，滿足不同領域和應用場景的需求。

5 結 論

文章對通信導航定位系統的精度評估方法及其對比進行了研究。通過對GPS、GLONASS 以及北斗導航系統的精度評估和對比分析，可以發現不同系統在定位精度、覆蓋范圍、信號強度以及應用范圍等方面存在差異。因此，在實際應用中，需要綜合考慮多個性能指標，并進行優化和選擇，以滿足不同應用場景的需求。

隨著技術的不斷發展和應用需求的增加，通信導航定位系統的性能指標也在不斷提高和完善。因此，未來需要繼續加強對通信導航定位系統的研究和優化，以提高其定位精度、覆蓋范圍以及穩定性等性能指標，從而更好地滿足社會發展和應用需求。此外，需要注意到通信導航定位系統在使用過程中可能會遭受一些干擾和攻擊，如電磁干擾、衛星信號偽裝和惡意攻擊等。因此，未來的研究還需要關注系統的安全性和魯棒性，以應對這些潛在的風險與挑戰。