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(xué)導(dǎo)航工程系　武漢　430033)

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北斗區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)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(xué)導(dǎo)航工程系武漢430033)

摘要為掌握北斗區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)外典型區(qū)域內(nèi)的定位性能，同時(shí)與GPS進(jìn)行比對(duì)，利用STK軟件建立了北斗區(qū)域星座和GPS星座，在此基礎(chǔ)上對(duì)武漢、北京、喀什、關(guān)島、索馬里、堪培拉等地區(qū)的衛(wèi)星可見(jiàn)性和幾何精度因子進(jìn)行了仿真分析。研究結(jié)果可為北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的建設(shè)與應(yīng)用提供參考。

關(guān)鍵詞北斗區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng); GPS; STK; 可見(jiàn)性; 幾何精度因子

Class NumberTN967; V474

1引言

2012年12月27日，北斗區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)開(kāi)始向中國(guó)及周邊地區(qū)提供連續(xù)的導(dǎo)航定位和授時(shí)服務(wù)[1]。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的三步走發(fā)展戰(zhàn)略[2]完成了第二步，已有學(xué)者對(duì)該系統(tǒng)的定位性能進(jìn)行了分析，以全面了解其定位精度、可見(jiàn)性。楊元喜[1]初步評(píng)估了北斗區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)建成運(yùn)行后的基本導(dǎo)航定位性能，包括衛(wèi)星可見(jiàn)性、位置精度衰減因子、偽距和載波相位觀測(cè)量精度、單點(diǎn)定位和差分定位精度以及模糊度解算性能等;張海忠[3]評(píng)估了該系統(tǒng)在中國(guó)各個(gè)地區(qū)的覆蓋情況，對(duì)該系統(tǒng)在中國(guó)境內(nèi)的幾何精度因子GDOP進(jìn)行了仿真分析;韓雪峰[4]對(duì)北斗區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在中國(guó)地區(qū)的衛(wèi)星可見(jiàn)性進(jìn)行了仿真分析;范龍[5]引入了加權(quán)幾何精度因子(WGDOP)，利用模擬觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)北斗二代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在中國(guó)境內(nèi)的定位精度進(jìn)行了分析;陳巖[6]從北斗區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)星座的整體覆蓋性能、對(duì)我國(guó)境內(nèi)及我主要戰(zhàn)略方向的覆蓋情況、星座中三種衛(wèi)星對(duì)于GDOP的影響情況和星座的冗余性四個(gè)方面進(jìn)行了仿真分析。

總的看來(lái)，前人在北斗區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的衛(wèi)星可見(jiàn)性和幾何精度因子分析兩方面已經(jīng)開(kāi)展了一定的研究，并取得了不少有價(jià)值的成果，但這些研究主要集中在中國(guó)境內(nèi)，對(duì)于國(guó)外區(qū)域的研究或者沒(méi)有涉及，或者僅從總體上進(jìn)行概略分析，特別是對(duì)于該系統(tǒng)與GPS在國(guó)內(nèi)外定位性能的差異缺乏分析比較。有鑒于此，本文運(yùn)用衛(wèi)星工具包STK(Satellite Tool Kit)軟件[8]對(duì)北斗區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)和GPS進(jìn)行了星座仿真，并在此基礎(chǔ)上對(duì)二者的定位性能進(jìn)行了系統(tǒng)分析。

2北斗區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)和GPS星座仿真

2.1北斗區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)星座仿真

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

1)GEO衛(wèi)星的軌道高度為35786km，分別定點(diǎn)于東經(jīng)58.75°、80°、110.5°、140°和160°;

2)IGSO衛(wèi)星的軌道高度為35786km，軌道傾角為55°，分布在三個(gè)軌道面內(nèi)，升交點(diǎn)赤經(jīng)相差120°，其中三顆衛(wèi)星的星下點(diǎn)軌跡重合，交叉點(diǎn)經(jīng)度為東經(jīng)118°，其余兩顆衛(wèi)星星下點(diǎn)軌跡重合，交叉點(diǎn)經(jīng)度為東經(jīng)95°;

3)MEO衛(wèi)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(diǎn)赤經(jīng)為0°。四顆MEO衛(wèi)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(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)星座，其空間三維場(chǎng)景和地面二維場(chǎng)景分別如圖1和圖2所示。

圖1　北斗區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)星座空間三維場(chǎng)景

從圖1和圖2可以看出，五顆GEO衛(wèi)星和五顆IGSO衛(wèi)星主要位于我國(guó)的經(jīng)度范圍之內(nèi)，覆蓋區(qū)域主要在亞太地區(qū)。四顆MEO衛(wèi)星由于數(shù)目較少、軌道較低、且星下點(diǎn)軌跡繞地球旋轉(zhuǎn)，對(duì)中國(guó)地區(qū)的覆蓋有限。

圖2　北斗區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)星座地面二維場(chǎng)景

2.2GPS星座仿真

GPS衛(wèi)星星座由24顆衛(wèi)星構(gòu)成。這24顆衛(wèi)星分布在6個(gè)地心軌道平面內(nèi)，軌道接近于圓形，而且沿赤道以60°間隔均勻分布，相對(duì)于赤道面的傾斜角額定55°，軌道半徑(即從地球質(zhì)心到衛(wèi)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(chǎng)景和地面二維場(chǎng)景，分別如圖3和圖4所示。

圖3　GPS星座空間三維場(chǎng)景

圖4　GPS星座地面二維場(chǎng)景

3國(guó)內(nèi)外典型區(qū)域選擇

本文選擇的國(guó)內(nèi)外典型區(qū)域如圖5所示。在國(guó)內(nèi)典型區(qū)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(gè)地面站分別對(duì)北斗區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)和GPS的定位性能進(jìn)行仿真分析，因?yàn)檫@些區(qū)域兼顧了我國(guó)的地域差異，具有較強(qiáng)的代表性。在國(guó)外典型區(qū)域選擇方面，主要針對(duì)當(dāng)前關(guān)注較多的第一、二島鏈、澳大利亞和索馬里海域，選取關(guān)島(14°N，145°E)、索馬里(10°N，55°E)、堪培拉(32.56°S，148.33°E)等三個(gè)地面站進(jìn)行仿真分析。

圖5　國(guó)內(nèi)外典型區(qū)域

4國(guó)內(nèi)外典型區(qū)域定位性能仿真分析

定位性能指標(biāo)是衡量定位性能的一些基本參數(shù)，主要包括衛(wèi)星可見(jiàn)性和幾何精度因子。通過(guò)這些指標(biāo)可以直觀地了解系統(tǒng)的定位效果，為系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)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(píng)估覆蓋資源的覆蓋品質(zhì)參數(shù)。在鏈路對(duì)象中將各地面站與星座對(duì)象關(guān)聯(lián)，取觀測(cè)時(shí)間24小時(shí)，仿真時(shí)間設(shè)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(wèi)星可見(jiàn)數(shù);將覆蓋品質(zhì)參數(shù)(FOM)選為Dilution of Precision(DOP)，可得到北斗區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)和GPS在某一時(shí)刻的GDOP值分布情況。限于篇幅，國(guó)內(nèi)區(qū)域方面主要給出北京的定位性能仿真圖，國(guó)外區(qū)域方面主要給出索馬里海域的定位性能仿真圖。

4.1可見(jiàn)性分析

北京的北斗區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)和GPS可見(jiàn)衛(wèi)星數(shù)分別如圖6、圖7所示。

圖6　北京北斗區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)衛(wèi)星可見(jiàn)數(shù)

由圖6、圖7并經(jīng)計(jì)算可知，北京最少可見(jiàn)8顆、最多可見(jiàn)12顆北斗衛(wèi)星，平均可見(jiàn)北斗星10顆;最少可見(jiàn)7顆、最多可見(jiàn)10顆GPS衛(wèi)星，平均可見(jiàn)GPS星數(shù)在8.5顆左右。

圖7　北京GPS衛(wèi)星可見(jiàn)數(shù)

索馬里北斗區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)和GPS可見(jiàn)衛(wèi)星數(shù)分別如圖8、圖9所示。

圖8　索馬里北斗區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)衛(wèi)星可見(jiàn)數(shù)

圖9　索馬里GPS衛(wèi)星可見(jiàn)數(shù)

由圖8、圖9并經(jīng)計(jì)算可知，索馬里海域最少可見(jiàn)7顆、最多可見(jiàn)12顆北斗衛(wèi)星，平均可見(jiàn)北斗星為8.4顆;最少可見(jiàn)8顆、最多可見(jiàn)11顆GPS衛(wèi)星，平均可見(jiàn)星數(shù)在9.6顆左右。

為便于進(jìn)一步分析比較，將各站點(diǎn)北斗區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)和GPS衛(wèi)星可見(jiàn)數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如表1所示。

由表1可知，在國(guó)內(nèi)區(qū)域，武漢、北京北斗區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)衛(wèi)星可見(jiàn)數(shù)比GPS衛(wèi)星可見(jiàn)數(shù)多1～2顆，喀什北斗區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)與GPS衛(wèi)星可見(jiàn)星數(shù)基本一致，這說(shuō)明北斗區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)國(guó)內(nèi)衛(wèi)星可見(jiàn)性?xún)?yōu)于GPS;在國(guó)外區(qū)域，堪培拉和關(guān)島北斗區(qū)域衛(wèi)星可見(jiàn)數(shù)略多于GPS衛(wèi)星可見(jiàn)數(shù)，索馬里北斗區(qū)域衛(wèi)星可見(jiàn)數(shù)略低于GPS衛(wèi)星可見(jiàn)數(shù)。

表1　國(guó)內(nèi)外典型區(qū)域衛(wèi)星可見(jiàn)數(shù)對(duì)比

4.2幾何精度因子分析

北京站的北斗區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)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(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)GDOP值

圖11　北京GPS GDOP值

由圖10和圖11并經(jīng)計(jì)算可知，北京北斗區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)GDOP最小值為1.68，最大值為3.50，平均值為2.67;北京GPS衛(wèi)星GDOP最小值為1.33、最大值為2.94，平均值為1.82。

為便于進(jìn)一步分析比較，將各站點(diǎn)北斗區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)和GPS GDOP值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如表2所示。

表2　國(guó)內(nèi)外典型區(qū)域GDOP值比較

由表2可以看出，各站點(diǎn)GDOP無(wú)論是其相對(duì)應(yīng)的最值還是平均值，北斗區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的GDOP值均大于GPS，也就是說(shuō)，在國(guó)內(nèi)外典型區(qū)域站點(diǎn)幾何精度因子方面，GPS均優(yōu)于北斗區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。北斗區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)國(guó)外典型區(qū)域的GDOP值一般大于國(guó)內(nèi)典型區(qū)域，而GPS GDOP值在國(guó)內(nèi)外典型區(qū)域變化不大，分布比較均勻。

5結(jié)語(yǔ)

本文利用STK軟件對(duì)北斗“5GEO+5IGSO+4MEO”區(qū)域星座和GPS衛(wèi)星星座進(jìn)行了仿真，計(jì)算了武漢、北京、喀什、堪培拉、沖繩、關(guān)島和索馬里海域等國(guó)內(nèi)外典型區(qū)域可見(jiàn)星數(shù)和GDOP分析，得到結(jié)論如下：

1)在衛(wèi)星可見(jiàn)性方面，北斗區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)典型區(qū)域衛(wèi)星可見(jiàn)性?xún)?yōu)于GPS;在國(guó)外區(qū)域，北斗區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在關(guān)島、索馬里和堪培拉的衛(wèi)星可見(jiàn)數(shù)最小值為7，最大值為13，具備良好的定位條件，堪培拉和關(guān)島北斗區(qū)域衛(wèi)星可見(jiàn)數(shù)略多于GPS衛(wèi)星可見(jiàn)數(shù)，索馬里北斗區(qū)域衛(wèi)星可見(jiàn)數(shù)略低于GPS衛(wèi)星可見(jiàn)數(shù)。

2)在幾何精度因子方面，GPS在國(guó)內(nèi)外典型區(qū)域均優(yōu)于北斗區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。北斗區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)國(guó)外典型區(qū)域的GDOP值一般大于國(guó)內(nèi)典型區(qū)域，而GPS GDOP值在國(guó)內(nèi)外典型區(qū)域變化不大，分布比較均勻。北斗區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在國(guó)外典型區(qū)域平均值最小為2.71，最大為3.13，均達(dá)到優(yōu)良水平，可以滿足導(dǎo)航定位需求。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 楊元喜,李金龍,王愛(ài)兵,等.北斗區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)基本導(dǎo)航定位性能初步評(píng)估[J].中國(guó)科學(xué):地球科學(xué),2014,44:72-81.

[2] 楊元喜.北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的進(jìn)展、貢獻(xiàn)與挑戰(zhàn)[J].測(cè)繪學(xué)報(bào),2010,39(1):1-5.

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[4] 韓雪峰,李建文,于勝利,等.區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)覆蓋性能分析[J].測(cè)繪與空間地理信息,2014,37(3):149-150.

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收稿日期：2016年1月8日,修回日期：2016年2月16日

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(編號(hào)：41274013；41471387)資助。

作者簡(jiǎn)介：孫嵐，女，博士，工程師，研究方向：海洋測(cè)繪。李厚樸，男，博士，講師，研究方向：衛(wèi)星導(dǎo)航。張植輝，男，研究方向：衛(wèi)星導(dǎo)航。

中圖分類(lèi)號(hào)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