呂京龍 周鋒 和毅東
摘 要:在衛(wèi)星導(dǎo)航研究領(lǐng)域中,系統(tǒng)性能監(jiān)測(cè)和評(píng)估方法的研究已經(jīng)成為眾多科研院所研究的重點(diǎn),這是為了在眾多激烈的競(jìng)爭(zhēng)中獲取衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)技術(shù)的制高點(diǎn)。本文基于衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的相關(guān)內(nèi)容,淺要論述北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的性能監(jiān)測(cè)方法和評(píng)估方法。
關(guān)鍵詞:衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng);性能監(jiān)測(cè);評(píng)估方法
0 引言
衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的性能監(jiān)測(cè)和評(píng)估方法是衛(wèi)星導(dǎo)航研究領(lǐng)域中的重點(diǎn)內(nèi)容,良好的監(jiān)測(cè)效果可以為高精度的監(jiān)測(cè)工作提供便利,完善的評(píng)估方法可以為各個(gè)領(lǐng)域的研究提供有力的技術(shù)的支持和數(shù)據(jù)信息,因此探析衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的性能監(jiān)測(cè)和評(píng)估方法是現(xiàn)階段十分必要而又十分迫切的工作。
1 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展概述
北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)最初是陳芳院士在1983年提出的,隨后我國(guó)中國(guó)科學(xué)院眾多科學(xué)家在經(jīng)歷數(shù)次失敗的試驗(yàn)后建立了初步的北斗試驗(yàn)衛(wèi)星系統(tǒng)。從2003年到2012年北斗試驗(yàn)衛(wèi)星系統(tǒng)運(yùn)行順利,并且經(jīng)過(guò)不斷的升級(jí)和進(jìn)步后,于2012年底,北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)正式在亞太地區(qū)投入使用,這是我國(guó)在衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域中的重大突破[1]。
2 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)性能監(jiān)測(cè)分析
我國(guó)北斗導(dǎo)航系統(tǒng)投入使用的時(shí)間尚短,信息網(wǎng)建立并不完善,但是隨著研究的深入發(fā)展,對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航的性能監(jiān)測(cè)研究也取得了進(jìn)一步的成果。
北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)完好性性能分析:
衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的完好性能能夠?yàn)楸O(jiān)測(cè)者在規(guī)定時(shí)間內(nèi)提供具體的警報(bào),如果導(dǎo)航系統(tǒng)性能受損,就會(huì)出現(xiàn)兩種現(xiàn)象,其一是導(dǎo)航系統(tǒng)性能受損,但是可以向監(jiān)測(cè)者發(fā)出警報(bào),但是警報(bào)的精確度有所下降,其二是導(dǎo)航系統(tǒng)性能受損,而且無(wú)法向監(jiān)測(cè)者發(fā)出警報(bào)的概率增加。對(duì)此需要加強(qiáng)對(duì)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的性能監(jiān)測(cè)研究和分析,提出能夠增加北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)完好性性能的監(jiān)測(cè)方法。
通過(guò)分析不同設(shè)備接收到的GPS衛(wèi)星信號(hào)和北斗衛(wèi)星信號(hào),研究雙方在各自位置的坐標(biāo),對(duì)比GPS衛(wèi)星信號(hào)坐標(biāo)“真值”,分析北斗完好性性能指標(biāo)[2]。
首先,準(zhǔn)備GPS接收機(jī)天線、BD用戶機(jī)天線,與基準(zhǔn)站同時(shí)接通GPS衛(wèi)星信號(hào)和北斗衛(wèi)星信號(hào)(如圖1),GPS接收機(jī)天線、BD用戶機(jī)天線接收GPS衛(wèi)星信號(hào),基準(zhǔn)站、BD用戶機(jī)天線接通北斗衛(wèi)星信號(hào)。其次將獲取的信號(hào)坐標(biāo)確定,記錄相應(yīng)的信息,包括GPS載波相位、北斗型號(hào)定位時(shí)刻、HPL、VPL等。之后,將GPS位置坐標(biāo)計(jì)算出來(lái),將其作為與北斗位置坐標(biāo)進(jìn)行參照的“真值”,利用BD用戶機(jī)接收到的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航發(fā)射的信號(hào)確定北斗位置坐標(biāo),將其與之前得出的GPS位置坐標(biāo)“真值”進(jìn)行比對(duì),此時(shí)只是進(jìn)行第一步的比對(duì)。接下來(lái)利用基準(zhǔn)站接收到的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)送的信號(hào)坐標(biāo),以及GPS測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行精確計(jì)算,求出更加確切的北斗信號(hào)坐標(biāo),再將其與GPS位置坐標(biāo)“真值”進(jìn)行比對(duì),記錄北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)完好性性能。
當(dāng)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)出現(xiàn)故障,使其完好性性能受損時(shí),北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)送的信號(hào)坐標(biāo)定位結(jié)果是會(huì)與GPS位置坐標(biāo)值出現(xiàn)較大差異,此時(shí)可以需要記錄下來(lái)兩者之間的坐標(biāo),以及北斗信號(hào)發(fā)出時(shí)的時(shí)間,由此推算北斗系統(tǒng)遭受故障的時(shí)間,并記錄接收機(jī)接收到告警信息的時(shí)刻。此時(shí)需要注意,如果在測(cè)試過(guò)程中并沒(méi)有確定告警時(shí)刻的范圍,那么通常是以用戶機(jī)計(jì)算出的誤差保護(hù)級(jí)時(shí)間作為告警時(shí)刻。在獲得北斗系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)刻和告警信息時(shí)刻后,利用現(xiàn)有的數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)的告警時(shí)間,進(jìn)而評(píng)估北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的完好性性能。
3 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)評(píng)估方法分析
北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)能夠?yàn)榈酌嫜芯刻峁┤旌颉⒏呔鹊膶?dǎo)航服務(wù)和定位服務(wù),當(dāng)前關(guān)于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)性能評(píng)估方法研究多是在GPS性能評(píng)估方法的基礎(chǔ)上,我國(guó)導(dǎo)航科研院所致力于研究出適合北斗系統(tǒng)的性能評(píng)估方法,雖然尚未取得關(guān)鍵性的成果,但是也得到了一定發(fā)展[3]。
3.1 北斗系統(tǒng)星座及覆蓋性能評(píng)估方法
衛(wèi)星星座由多顆衛(wèi)星構(gòu)成,我國(guó)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的星座是由14個(gè)衛(wèi)星構(gòu)成,其中包括5顆GEO、5顆IGSO、4顆MEO,這些衛(wèi)星共同組成北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)星座。相互間可以互相合作,也具備各自獨(dú)特的任務(wù),例如I1和I4衛(wèi)星相互之間可以傳輸數(shù)據(jù),形成備份,這些構(gòu)成星座的衛(wèi)星都會(huì)為地面?zhèn)鬟_(dá)數(shù)據(jù)和信息,發(fā)揮導(dǎo)航與定位作用。
衛(wèi)星星座構(gòu)建起來(lái)后,就開(kāi)始對(duì)底面形成覆蓋性,其覆蓋性的變化多和衛(wèi)星的坐標(biāo)和空間位置有關(guān),地面接收機(jī)要想接收到質(zhì)量較高的信號(hào),就需要北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的衛(wèi)星星座覆蓋范圍擴(kuò)大,能夠使地面接收機(jī)接收到衛(wèi)星星座 傳輸出來(lái)的信號(hào)。目前北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)星座覆蓋范圍中的高度截止角角度為0°、5°、10°、15°等,在這些高度截止角度下,地面接收機(jī)都會(huì)成功接收到來(lái)自北斗系統(tǒng)的衛(wèi)星信號(hào),不過(guò)需要注意的是,高度截止角的不同會(huì)對(duì)接收的衛(wèi)星信號(hào)質(zhì)量有所影響,如果需要較高質(zhì)量的信號(hào),就要在確定的高度截止角度下接收衛(wèi)星信號(hào)。
3.2 北斗系統(tǒng)空間信號(hào)精度性能評(píng)估方法
北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)空間信號(hào)精度性能評(píng)估包括對(duì)用戶測(cè)距誤差的評(píng)估、對(duì)用戶測(cè)距速率誤差的評(píng)估、對(duì)用戶測(cè)距加速度誤差的評(píng)估以及對(duì)世界協(xié)調(diào)時(shí)補(bǔ)償誤差的評(píng)估。北斗系統(tǒng)在具體的評(píng)估中會(huì)應(yīng)用北斗URAE計(jì)算法、URRE計(jì)算法、URE計(jì)算法,這些方法都是北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)為了確定空間信號(hào)精確度而設(shè)計(jì)的計(jì)算方法,是當(dāng)前較為突出的性能評(píng)估方法組成部分。
4 結(jié)論
時(shí)至今日,我國(guó)自行研發(fā)的北斗區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)已經(jīng)運(yùn)作4年之久,成為我國(guó)現(xiàn)階段應(yīng)用的最先進(jìn)的監(jiān)測(cè)技術(shù)之一。未來(lái)還要繼續(xù)加強(qiáng)對(duì)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)性能監(jiān)測(cè)和評(píng)估方法的研究,促進(jìn)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的良好運(yùn)行。
參考文獻(xiàn)
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(作者單位:北京衛(wèi)星導(dǎo)航中心)