北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)民用單頻定位性能分析

申俊飛，鄭 沖，何海波，張 鋒

(北京衛(wèi)星導(dǎo)航中心，北京 100094)

0 引 言

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)可提供高精度、全天候、全天時的導(dǎo)航定位服務(wù)，已成為國家安全和經(jīng)濟發(fā)展不可或缺的信息基礎(chǔ)設(shè)施。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是我國自主發(fā)展、獨立運行的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)[1,2]，由5顆GEO衛(wèi)星、5顆IGSO衛(wèi)星和4顆MEO衛(wèi)星組成，于2012年12月27日正式開通，為亞太地區(qū)用戶提供導(dǎo)航定位服務(wù)。

國內(nèi)許多學(xué)者對北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)基本星座(3GEO+3IGSO)、區(qū)域(5GEO+5IGSO+4MEO)和全球星座條件下中國不同地區(qū)的DOP值、覆蓋區(qū)域和定位精度等性能進行了仿真分析[3-11]；以及對GNSS系統(tǒng)中的星座構(gòu)形貢獻和定位性能也進行了融合仿真研究?；谖覈鴥?nèi)陸均勻分布的9個試驗點的B1I民用頻點實測數(shù)據(jù)，對PDOP值、可見衛(wèi)星數(shù)進行統(tǒng)計分析，同時對定位精度及可用性和連續(xù)性進行評估，為北斗系統(tǒng)在各行業(yè)的應(yīng)用推廣提供參考。

1 評估方法

針對北斗導(dǎo)航接收機在各地區(qū)采集的B1I觀測數(shù)據(jù)，對各地區(qū)PDOP值、定位精度、可用性、連續(xù)性等進行統(tǒng)計。DOP值統(tǒng)計參考部分文獻[12]和[13]，這里僅對定位精度及可用性和連續(xù)性進行說明。

1.1 定位精度

定位精度指系統(tǒng)服務(wù)提供給用戶的位置與用戶實際位置之差(包含水平定位精度、高程定位精度)，取定位誤差的95%，具體統(tǒng)計方法如下。

1.2 可用性[14,16]

主要考核系統(tǒng)能為用戶提供滿足定位精度需求的時間百分比。定位精度可用性按照下式計算

(1)

式中：tstart和tend分別為一組測試數(shù)據(jù)的起始和結(jié)束歷元時刻；inc為數(shù)據(jù)采樣間隔；T為固定的歷元時間間隔，通常為1 s；如果當(dāng)前歷元t的定位精度滿足對應(yīng)要求(水平定位精度≤15 m，高程定位精度≤15 m)，則Bool(t)=1,否則Bool(t)=0.

測試中，采集了不同時段、不同地點的定位測試數(shù)據(jù)m組，每組數(shù)據(jù)對應(yīng)的歷元數(shù)分別為n1,n2,…，nm，每組數(shù)據(jù)計算的可用性分別為P1,P2,…，Pm.利用m數(shù)據(jù)統(tǒng)計系統(tǒng)定位精度的可用性為

(2)

1.3 連續(xù)性[15-16]

主要考核在規(guī)定的時間Top內(nèi)按照規(guī)定的定位精度要求完成其功能的概率。定位精度的連續(xù)性按照下式計算：

(3)

式中：tstart和tend分別為一組測試數(shù)據(jù)的起始和結(jié)束歷元時刻；inc為數(shù)據(jù)采樣間隔；T為固定的歷元時間間隔，通常為1 s；如果當(dāng)前歷元t的定位精度滿足對應(yīng)要求(水平定位精度≤15 m，高程定位精度≤15 m)，則Bool(t)=1,否則Bool(t)=0.

測試中，采集了不同時段、不同地點的定位測試數(shù)據(jù)m組，每組數(shù)據(jù)對應(yīng)的歷元數(shù)分別為n1,n2,…nm，每組數(shù)據(jù)計算的連續(xù)性概率分別為P1,P2,…，Pm，利用組測試數(shù)據(jù)統(tǒng)計系統(tǒng)定位精度的連續(xù)性為

(4)

2 試驗評估分析

2.1 試驗情況

在北京、三亞、汕頭、拉薩、寧波、成都、烏魯木齊、哈爾濱、青島等九個地區(qū)同步開展了靜態(tài)定位試驗，如圖1所示。試驗設(shè)備為北斗B1I導(dǎo)航接收機，架設(shè)在開闊空曠的已知點上。觀測時間為2012年12月1日至12月8日，接收機衛(wèi)星截止高度角為5°，數(shù)據(jù)采樣間隔1 s，記錄接收機所有歷元定位結(jié)果及原始觀測數(shù)據(jù)信息。

圖1 試驗地區(qū)分布

2.2 評估分析

根據(jù)記錄的星歷信息，仿真分析了當(dāng)前系統(tǒng)覆蓋區(qū)域內(nèi)觀測時段的PDOP值(95%)分布，結(jié)果如圖2所示，并根據(jù)試驗期間接收機輸出的所有結(jié)果對可用衛(wèi)星數(shù)和PDOP值(置信度95%)進行統(tǒng)計，結(jié)果如表1、表2所示。

圖2 系統(tǒng)覆蓋區(qū)域PDOP值(95%)分布

表1 試驗地區(qū)可用衛(wèi)星數(shù)統(tǒng)計

表2 試驗地區(qū)PDOP值(95%)統(tǒng)計

從圖2和表1及表2試驗統(tǒng)計結(jié)果可看出，在當(dāng)前星座條件下，國內(nèi)區(qū)域的可見衛(wèi)星數(shù)至少在7顆以上，國內(nèi)區(qū)域PDOP(95%)優(yōu)于4.

對試驗地區(qū)的定位精度、可用性和連續(xù)性統(tǒng)計。結(jié)果如表3所示。

表3 定位精度、可用性和連續(xù)性統(tǒng)計

從表3中結(jié)果可以看出，各試驗地區(qū)水平定位精度(95%)優(yōu)于7 m ，高程定位精度優(yōu)于10 m；在“水平定位精度≤15 m、高程定位精度≤15 m”的指標要求下，B1I單頻定位精度可用性均在99%以上，連續(xù)性在98%以上。

3 結(jié) 論

在“5GEO+5IGSO+4MEO”星座條件下，綜合北斗導(dǎo)航接收機靜態(tài)定位試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計和分析結(jié)果，可以得出以下結(jié)論：

1)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)工作正常，性能穩(wěn)定，可以滿足廣大北斗用戶導(dǎo)航定位需求；

2)國內(nèi)各地區(qū)可見衛(wèi)星至少在7顆以上，PDOP值(95%)優(yōu)于4；

3)在國內(nèi)各地區(qū)，民用單頻(B1I)定位精度(95%)，水平優(yōu)于7 m，高程優(yōu)于10 m；

4)在“水平定位精度≤15 m、高程定位精度≤15 m”的條件下，民用單頻定位精度的可用性達到99%以上，連續(xù)性達到98%以上。

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