張海峰 蘇偉斌 于成金 李厚樸

（1.92987部隊(duì) 賀州 542813）（2.海軍工程大學(xué)導(dǎo)航工程教研室 武漢 430033）

1 引言

北斗區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)已經(jīng)向中國(guó)及周邊地區(qū)提供了五年連續(xù)的定位與授時(shí)服務(wù)［1］，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航的三步走發(fā)展戰(zhàn)略［2～3］正在積極地邁出第三步。國(guó)內(nèi)外已有許多學(xué)者對(duì)北斗區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的定位性能進(jìn)行了評(píng)估，對(duì)其可見性、定位精度有了一定的研究。楊元喜［1］評(píng)估了北斗區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)建成運(yùn)行后的各項(xiàng)基本導(dǎo)航定位性能；張海忠［4］對(duì)該系統(tǒng)在中國(guó)各個(gè)地區(qū)的覆蓋情況進(jìn)行評(píng)估，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；王曉波［5］則對(duì)北斗二號(hào)系統(tǒng)、GPS系統(tǒng)以及GPS/北斗組合系統(tǒng)偽距單點(diǎn)定位的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，分析了3種導(dǎo)航系統(tǒng)的DOP值。陳巖［6］對(duì)北斗區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)及其所采用的三種導(dǎo)航衛(wèi)星進(jìn)行了介紹，通過對(duì)所選區(qū)域及六個(gè)有代表性城市的幾何精度衰減因子和可見星數(shù)進(jìn)行仿真，驗(yàn)證系統(tǒng)可用性，也論證了系統(tǒng)中覆蓋范圍的不足。

北極地區(qū)蘊(yùn)藏著豐富的資源，其巨大的商業(yè)價(jià)值和科考價(jià)值已成為當(dāng)前國(guó)際關(guān)注的新焦點(diǎn)，同時(shí)其具有非常重要的戰(zhàn)略價(jià)值［7］，掌握我國(guó)的北斗以及俄羅斯GLONASS等衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在北極地區(qū)的定位性能非常重要［8］。楊元喜［9］對(duì)北斗在北極地區(qū)的定位性能進(jìn)行了分析，為我們提供了很好的參考，但目前這方面的研究還比較少，特別是對(duì)于定位性能綜合分析的研究還不夠深入。STK軟件是一款由美國(guó)Analytical Graphics公司開發(fā)的在航天領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位的商業(yè)分析軟件，廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星導(dǎo)航仿真分析［10］。本文利用STK軟件對(duì)北斗區(qū)域系統(tǒng)系統(tǒng)、GLONASS系統(tǒng)以及北斗區(qū)域/GLONASS組合系統(tǒng)在北極地區(qū)的定位性能進(jìn)行較為全面系統(tǒng)的分析，可為掌握北斗區(qū)域和GLONASS系統(tǒng)在北極地區(qū)的定位性能提供參考。

2 定位性能分析

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的定位性能衡量指標(biāo)主要包括衛(wèi)星可見星數(shù)、幾何精度因子和導(dǎo)航精度［11］。利用STK的 Coverage Definition、Line Target和 Figure of Merit模塊分別定義仿真區(qū)域、線目標(biāo)和覆蓋品質(zhì)參數(shù)。本文設(shè)置仿真區(qū)域?yàn)?0°N～90°N，覆蓋品質(zhì)參數(shù)以GDOP值為例。觀測(cè)時(shí)間為24h，仿真時(shí)間為2016年3月21日04：00～2016年3月22日04：00。選取北極地區(qū)有代表性的三個(gè)點(diǎn)：黃河站（78.92°N，11.93°E）、雷克站（64.15°N，21.57W）、3站（85°N，30°E），計(jì)算中高度截止角設(shè)為15°，通過STK的報(bào)表輸出以及動(dòng)態(tài)視頻輸出的功能，可分析北斗區(qū)域系統(tǒng)、GLONASS系統(tǒng)和北斗區(qū)域/GLONASS組合系統(tǒng)在北極地區(qū)的定位性能。

2.1 可見星數(shù)分析

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)定位導(dǎo)航的首要條件是同一時(shí)間定位點(diǎn)可見衛(wèi)星數(shù)在四顆以上?？梢娦菙?shù)越多，定位精度越高，但衛(wèi)星可見星數(shù)會(huì)隨著時(shí)間不斷變化，所以進(jìn)行可見星數(shù)分析具有重要的意義。各系統(tǒng)在各站點(diǎn)的可見星數(shù)如圖1～圖3所示，限于篇幅，只展示北斗區(qū)域/GLONASS組合系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)視頻截圖，如圖4所示。各站點(diǎn)可見星數(shù)具體情況如表1所示。

圖1 北斗區(qū)域系統(tǒng)各站點(diǎn)全天可見星數(shù)變化

圖2 GLONASS系統(tǒng)各站點(diǎn)全天可見星數(shù)變化

圖3 北斗區(qū)域/GLONASS組合系統(tǒng)各站點(diǎn)全天可見星數(shù)變化

圖4 北斗區(qū)域/GLONASS組合系統(tǒng)北極地區(qū)可見星數(shù)動(dòng)態(tài)視頻截屏

表1 衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)北極地區(qū)各站點(diǎn)的可見星數(shù)

由圖1～圖4及表1可以看出：

1）北斗區(qū)域系統(tǒng)在3站和黃河站平均可見星數(shù)少于4顆，在雷科站最小值為3顆，難以連續(xù)穩(wěn)定定位。

2）GLONASS系統(tǒng)在同時(shí)間同站點(diǎn)可見星數(shù)多于北斗區(qū)域系統(tǒng)，各站點(diǎn)平均可見星數(shù)在7顆以上，具備良好的定位條件。

3）北斗區(qū)域/GLONASS組合系統(tǒng)可見星數(shù)最多，各站點(diǎn)平均衛(wèi)星可見數(shù)在9顆以上。

2.2 幾何精度因子分析

為了評(píng)價(jià)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的定位精度，可引入DOP精度因子［12］，包括幾何精度因子（GDOP）、位置精度因子（PDOP）、水平精度因子（HDOP）、垂直精度因子（VDOP）和時(shí)間精度因子（TDOP）。限于篇幅，本文以GDOP為例進(jìn)行分析，只展示北斗區(qū)域/GLONASS組合系統(tǒng)GDOP值的動(dòng)態(tài)視頻截圖，如圖5所示。各站點(diǎn)GDOP值具體情況如表2所示。

由圖5及表2可以看出：

圖5 北斗區(qū)域/GLONASS組合系統(tǒng)北極地區(qū)GDOP值動(dòng)態(tài)視頻截屏

表2 北極地區(qū)各站點(diǎn)的GDOP值

北斗區(qū)域系統(tǒng)在三站點(diǎn)GDOP平均值均大于8，在緯度較高的3站高達(dá)13.57，

無(wú)法提供定位需要的良好幾何分布；

2）GLONASS系統(tǒng)在三站點(diǎn)GDOP平均值較北斗區(qū)域系統(tǒng)小很多，最大為3.07，最小為2.91，組合系統(tǒng)GDOP平均值最小為2.43，即使在緯度較高的3站也僅為2.67，具備良好的衛(wèi)星幾何分布。

2.3 導(dǎo)航精度分析

STK軟件提供了導(dǎo)航精度仿真功能，將覆蓋品質(zhì)參數(shù)（FOM）選為Navigation Accuracy，可直接仿真得到站點(diǎn)或區(qū)域的定位精度變化情況。限于篇幅，只展示北斗區(qū)域/GLONASS組合系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)視頻截圖，如圖6所示。各站點(diǎn)導(dǎo)航精度具體情況如表3所示。

圖6 北斗/GLONASS系統(tǒng)北極地區(qū)導(dǎo)航精度動(dòng)態(tài)視頻截屏

表3 北極地區(qū)各站點(diǎn)導(dǎo)航的精度值（單位：m）

由圖6及表3可以看出：

1）北斗區(qū)域系統(tǒng)在三站點(diǎn)導(dǎo)航精度較低，在緯度較高的3站達(dá)227m，難以滿足精確導(dǎo)航定位需求。

2）GLONASS系統(tǒng)在三站點(diǎn)導(dǎo)航精度平均值約為14m左右；組合系統(tǒng)導(dǎo)航精度較北斗區(qū)域和GLONASS單系統(tǒng)提高明顯，平均值最高為14.07m，最低為12.16m。

3 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)北斗區(qū)域系統(tǒng)、GLONASS系統(tǒng)以及北斗區(qū)域/GLONASS組合一同在北極地區(qū)的定位性能進(jìn)行了系統(tǒng)分析，利用STK軟件分別對(duì)可見星數(shù)、GDOP值以及導(dǎo)航精度進(jìn)行了仿真，并對(duì)仿真得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果表明：

1）北斗區(qū)域系統(tǒng)在3站和黃河站平均可見星數(shù)少于4顆，在雷科站最小值為3顆，在三站點(diǎn)GDOP平均值均大于8，難以連續(xù)穩(wěn)定定位，不能滿足北極科考等任務(wù)的要求。

2）GLONASS系統(tǒng)在三站點(diǎn)的可見星數(shù)在9顆以上，導(dǎo)航精度平均值約為14m，能夠滿足一般的導(dǎo)航定位需要。

3）北斗區(qū)域/GLONASS組合系統(tǒng)在三站點(diǎn)可見星數(shù)在13顆以上，導(dǎo)航精度平均值約為13m，GDOP值保持在3左右，定位性能較單系統(tǒng)有很大提高。

4）北斗系統(tǒng)尚在發(fā)展成熟階段，我們要看到與先進(jìn)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的差距，盡快發(fā)展完善北斗全球系統(tǒng)，增強(qiáng)北斗系統(tǒng)在北極地區(qū)的定位性能。