曾海濤
(西南交通大學(xué),四川 成都 611756)
隨著現(xiàn)代社會的快速發(fā)展和科技進步,人們對于精確定位和導(dǎo)航的需求越來越高。通信導(dǎo)航定位系統(tǒng)作為實現(xiàn)精確定位與導(dǎo)航的重要手段,在民用和軍事領(lǐng)域都具有廣泛的應(yīng)用前景。特別是隨著全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System,GPS)的普及和發(fā)展,通信導(dǎo)航定位系統(tǒng)已成為GPS 的重要補充,可以滿足更多的應(yīng)用需求和場景。通信導(dǎo)航定位系統(tǒng)是利用衛(wèi)星定位和測量原理實現(xiàn)定位與導(dǎo)航功能的系統(tǒng),包括GPS、全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(Global Navigation Satellite System,GLONASS)、北斗導(dǎo)航系統(tǒng)等。這些系統(tǒng)不僅可以提供高精度的位置和導(dǎo)航服務(wù),還可以廣泛應(yīng)用于交通運輸、智能制造、智慧城市等領(lǐng)域,為社會和經(jīng)濟的發(fā)展提供有力支撐[1]。然而,通信導(dǎo)航定位系統(tǒng)的定位精度和性能受到多種因素的影響,如衛(wèi)星幾何結(jié)構(gòu)、大氣層延遲、多路徑效應(yīng)等。因此,對通信導(dǎo)航定位系統(tǒng)的精度進行評估和對比分析,對于保證系統(tǒng)性能和應(yīng)用效果具有重要意義。
通信導(dǎo)航定位系統(tǒng)是利用衛(wèi)星定位和測量原理實現(xiàn)定位與導(dǎo)航功能的系統(tǒng),基本原理是通過衛(wèi)星發(fā)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(wèi)星位置信息來確定接收機的位置。其中,衛(wèi)星位置信息通過衛(wèi)星定位測量和地面控制系統(tǒng)來獲取。
通信導(dǎo)航定位系統(tǒng)主要包括GPS、GLONASS 和北斗導(dǎo)航系統(tǒng)等。其中,GPS 是由美國發(fā)起的全球衛(wèi)星定位系統(tǒng),由一組衛(wèi)星、地面控制系統(tǒng)和用戶接收機組成,主要用于提供民用和軍事領(lǐng)域的位置及導(dǎo)航服務(wù)。GPS 系統(tǒng)中的衛(wèi)星軌道傾角為55°,軌道高度為20 200 km,每個衛(wèi)星的軌道周期為12 h。GLONASS 是由前蘇聯(lián)發(fā)起的全球衛(wèi)星定位系統(tǒng),由一組衛(wèi)星、地面控制系統(tǒng)和用戶接收機組成,主要用于軍事領(lǐng)域的位置和導(dǎo)航服務(wù)。GLONASS 系統(tǒng)中的衛(wèi)星軌道傾角為64.8°,軌道高度為19 100 km,每個衛(wèi)星的軌道周期為11 h。北斗導(dǎo)航系統(tǒng)是中國自主研發(fā)的全球衛(wèi)星定位系統(tǒng),也是由一組衛(wèi)星、地面控制系統(tǒng)和用戶接收機組成,主要用于提供民用和軍事領(lǐng)域的位置及導(dǎo)航服務(wù)。北斗導(dǎo)航系統(tǒng)中的衛(wèi)星軌道傾角為55°,軌道高度為35 800 km,每個衛(wèi)星的軌道周期為12 h。
這些系統(tǒng)都是通過衛(wèi)星定位技術(shù)實現(xiàn)精確定位和導(dǎo)航,但它們的技術(shù)細(xì)節(jié)與特點略有不同。例如,GPS 系統(tǒng)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(dǎo)航系統(tǒng)。因此,在實際應(yīng)用中需要根據(jù)具體的場景和需求選擇最適合的通信導(dǎo)航定位系統(tǒng)。
目前,通信導(dǎo)航定位系統(tǒng)的研究主要集中在系統(tǒng)性能的提升和應(yīng)用拓展方面。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用需求的增加,通信導(dǎo)航定位系統(tǒng)的定位精度、覆蓋范圍以及魯棒性等性能指標(biāo)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(yīng)、抑制信號干擾、提高衛(wèi)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(shù)來抑制多路徑效應(yīng);通過使用差分GPS 技術(shù)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(wèi)星數(shù)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(wèi)星數(shù)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(tǒng)的抗干擾能力,提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
除了性能提升方面的研究,通信導(dǎo)航定位系統(tǒng)在交通運輸、智能制造、智慧城市等領(lǐng)域的應(yīng)用也得到了廣泛拓展。例如,在智能交通領(lǐng)域,通信導(dǎo)航定位系統(tǒng)可以實現(xiàn)車輛定位和導(dǎo)航,提高道路交通的效率和安全性;在智慧制造領(lǐng)域,通信導(dǎo)航定位系統(tǒng)可以實現(xiàn)工廠內(nèi)物流和設(shè)備定位,提高生產(chǎn)效率和質(zhì)量;在智慧城市領(lǐng)域,通信導(dǎo)航定位系統(tǒng)可以實現(xiàn)城市公共交通和緊急救援等服務(wù),提高城市的便捷性和安全性。
總的來說,通信導(dǎo)航定位系統(tǒng)在性能提升與應(yīng)用拓展方面仍有許多研究空間和發(fā)展?jié)摿?,未來的研究方向主要包括抑制系統(tǒng)的多路徑效應(yīng)、加快信號傳輸速度、增強系統(tǒng)的魯棒性和安全性、拓展系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域和場景等方面。
通信導(dǎo)航定位系統(tǒng)的定位精度是系統(tǒng)性能的關(guān)鍵指標(biāo)之一,其誤差大小直接影響著系統(tǒng)的定位精度和應(yīng)用效果。為了對通信導(dǎo)航定位系統(tǒng)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(biāo)和評估方法。常見的定位誤差指標(biāo)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(jié)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(jié)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(wěn)定性評估等。其中,精度評估是評估系統(tǒng)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(biāo)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(tǒng)定位誤差的大小和分布情況,是評估系統(tǒng)性能的重要指標(biāo)。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(biāo)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(wěn)定性評估指評估系統(tǒng)定位誤差的穩(wěn)定性和可靠性,通常采用標(biāo)準(zhǔn)差(Standard Deviation,STD)和置信區(qū)間(Confidence Interval,CI)等指標(biāo)進行評估。STD是定位誤差的標(biāo)準(zhǔn)差,CI是定位誤差的置信區(qū)間。穩(wěn)定性評估可以反映系統(tǒng)定位誤差的波動情況和可信度,是評估系統(tǒng)性能的重要補充。對通信導(dǎo)航定位系統(tǒng)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(biāo)與評估方法。
通信導(dǎo)航定位系統(tǒng)的精度是評價其性能的關(guān)鍵指標(biāo)之一。本節(jié)將評估3 個主要的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),即美國的GPS、俄羅斯的GLONASS 以及中國的北斗導(dǎo)航系統(tǒng)。
GPS 是美國的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),由分布在 6 個軌道平面上的24 顆衛(wèi)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(wèi)星的信號。GPS 的應(yīng)用范圍相當(dāng)廣泛,涵蓋了交通、農(nóng)業(yè)、測繪、地質(zhì)勘探等眾多領(lǐng)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(shù)日常導(dǎo)航和定位任務(wù)來說已經(jīng)足夠。而對于軍事和高精度專業(yè)應(yīng)用,GPS 系統(tǒng)提供了更高精度的服務(wù)。通過使用精密測量和數(shù)據(jù)處理技術(shù),如實時動態(tài)測量(Real Time Kinematic,RTK)和后差分測量(Post Processed Kinematic,PPK),專業(yè)接收機的定位精度甚至可以達到厘米級別。
但是,在實際應(yīng)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(wèi)星信號產(chǎn)生延遲,導(dǎo)致定位誤差。盡管現(xiàn)代GPS 接收機內(nèi)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(wèi)星信號的接收,尤其是在城市和森林環(huán)境中,這種影響更為顯著。此外,信號多徑效應(yīng)可能導(dǎo)致定位誤差。
為了提高GPS 定位精度,地面增強系統(tǒng)被設(shè)計用于提供實時誤差校正。這些系統(tǒng)通過地面基站接收衛(wèi)星信號,計算誤差并通過地面基站或地球靜止軌道衛(wèi)星向用戶廣播。增強系統(tǒng)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(tǒng)和專業(yè)接收機,可以實現(xiàn)厘米級別的精度。此外,與其他全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的集成也有助于進一步提高定位精度和可靠性[2]。
GLONASS 是俄羅斯的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),起源于20世紀(jì)70 年代。該系統(tǒng)由24 顆衛(wèi)星組成,分布在3 個軌道平面上,每個軌道平面有8 顆衛(wèi)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(wèi)星的信號。與GPS 類似,GLONASS 廣泛應(yīng)用于交通、航空、海運、測繪以及科研等領(lǐng)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(yīng)用的需求。但是,專業(yè)接收機和一些高精度應(yīng)用領(lǐng)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(shù),GLONASS 的精度可以達到厘米級別。然而,實際應(yīng)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(wèi)星信號產(chǎn)生延遲,從而導(dǎo)致定位誤差。此外,建筑物、山體、樹木等遮擋物會阻礙衛(wèi)星信號的接收,尤其在城市和森林環(huán)境中,信號多徑效應(yīng)也可能導(dǎo)致定位誤差。
GLONASS 系統(tǒng)在高緯度地區(qū)的性能可能優(yōu)于GPS,因為其衛(wèi)星軌道布局更適合這些地區(qū)。這意味著在俄羅斯北部地區(qū),GLONASS 信號覆蓋可能比GPS更加穩(wěn)定和可靠。為了提高GLONASS的定位精度,俄羅斯建設(shè)了地面增強系統(tǒng)。這些系統(tǒng)通過地面基站接收衛(wèi)星信號,計算誤差并通過地面基站或地球靜止軌道衛(wèi)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(tǒng)和專業(yè)接收機,可以實現(xiàn)厘米級別的精度,而且與其他全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(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]。
北斗導(dǎo)航系統(tǒng)是中國的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),目前已成功發(fā)展為一個全球覆蓋的導(dǎo)航系統(tǒng),共由35 顆衛(wèi)星組成,包括3 個不同軌道類型的衛(wèi)星:地球靜止軌道(Geosynchronous Eearth Orbit,GEO)衛(wèi)星、傾斜地球同步軌道(Inclined GeoSynchronous Orbit,IGSO)衛(wèi)星和中圓地球軌道(Medium Earth Orbit,MEO)衛(wèi)星。這種混合軌道布局有助于提供高精度和高可靠性的導(dǎo)航服務(wù)。
在正常條件下,北斗系統(tǒng)的定位精度約為2.5 ~5 m,已經(jīng)足夠應(yīng)對大多數(shù)民用導(dǎo)航和定位任務(wù)。同時,在專業(yè)領(lǐng)域和高精度應(yīng)用場景中,北斗系統(tǒng)可以提供更高精度的服務(wù),達到厘米級別。在一些區(qū)域,如亞洲地區(qū),北斗的性能可能優(yōu)于GPS[4]。這主要歸功于北斗系統(tǒng)的混合軌道布局和定位信號結(jié)構(gòu)設(shè)計,使其在東經(jīng)84°至東經(jīng)160°、北緯55°以南的地區(qū)具有更好的信號覆蓋和可靠性。此外,北斗系統(tǒng)提供了一些獨特的增值服務(wù),如短報文通信(Short Message Service,SMS)和衛(wèi)星基準(zhǔn)增強服務(wù)(Satellite-Based Augmentation System,SBAS)。SMS 服務(wù)允許用戶發(fā)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(wèi)星信號,計算誤差并通過地球靜止軌道衛(wèi)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(yīng)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(yīng)等因素的影響。然而,通過使用增強系統(tǒng)和與其他全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(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(xiàn)代智能手機和導(dǎo)航設(shè)備已支持GPS、GLONASS、北斗系統(tǒng),從而實現(xiàn)提供更高精度的定位服務(wù)。
在對GPS、GLONASS 以及北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的精度進行比較時,可以看到它們在性能和應(yīng)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(tǒng)的精度約為2.5 ~5 m。這表明,在一般民用導(dǎo)航和定位任務(wù)中,這3 個系統(tǒng)的表現(xiàn)相差無幾。然而,在專業(yè)領(lǐng)域和高精度應(yīng)用場景中,通過使用RTK、PPK 等技術(shù),這些系統(tǒng)都可以實現(xiàn)厘米級別的精度。值得注意的是,這些導(dǎo)航系統(tǒng)在不同地區(qū)的性能可能存在差異。例如,GLONASS 在高緯度地區(qū)(如俄羅斯北部地區(qū))的表現(xiàn)可能優(yōu)于GPS,而北斗系統(tǒng)在亞洲地區(qū)的性能可能優(yōu)于GPS。這些差異主要源于衛(wèi)星軌道布局和定位信號結(jié)構(gòu)設(shè)計。
另外,GPS、GLONASS 以及北斗系統(tǒng)均受到大氣條件、建筑物遮擋、信號多徑效應(yīng)等因素的影響。為了提高定位精度,各系統(tǒng)都采用了地面增強系統(tǒng),如美國的廣域增強系統(tǒng)(Wide Area Augmentation System,WAAS)、俄羅斯的標(biāo)準(zhǔn)配色偏差(Standard Deviation of Coloe Matching,SDCM)和中國的北斗衛(wèi)星基準(zhǔn)增強服務(wù),這些增強系統(tǒng)有助于將定位精度提高到1 ~2 m。
綜合來看,這3 個全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在精度和性能上均表現(xiàn)出較高的水平。在實際應(yīng)用中,為了實現(xiàn)更高精度的定位服務(wù),許多現(xiàn)代智能手機和導(dǎo)航設(shè)備已支持GPS、GLONASS 以及北斗系統(tǒng)的集成。通過融合這些系統(tǒng)的優(yōu)勢,用戶可以獲得更加精確和可靠的定位信息,滿足不同領(lǐng)域和應(yīng)用場景的需求。
文章對通信導(dǎo)航定位系統(tǒng)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(dǎo)航系統(tǒng)的精度評估和對比分析,可以發(fā)現(xiàn)不同系統(tǒng)在定位精度、覆蓋范圍、信號強度以及應(yīng)用范圍等方面存在差異。因此,在實際應(yīng)用中,需要綜合考慮多個性能指標(biāo),并進行優(yōu)化和選擇,以滿足不同應(yīng)用場景的需求。
隨著技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用需求的增加,通信導(dǎo)航定位系統(tǒng)的性能指標(biāo)也在不斷提高和完善。因此,未來需要繼續(xù)加強對通信導(dǎo)航定位系統(tǒng)的研究和優(yōu)化,以提高其定位精度、覆蓋范圍以及穩(wěn)定性等性能指標(biāo),從而更好地滿足社會發(fā)展和應(yīng)用需求。此外,需要注意到通信導(dǎo)航定位系統(tǒng)在使用過程中可能會遭受一些干擾和攻擊,如電磁干擾、衛(wèi)星信號偽裝和惡意攻擊等。因此,未來的研究還需要關(guān)注系統(tǒng)的安全性和魯棒性,以應(yīng)對這些潛在的風(fēng)險與挑戰(zhàn)。