GPS/BDS/GLONASS/Galileo多系統(tǒng)融合在中國區(qū)域的仿真分析

徐 煒,劉 揚,嚴 超,王 濤,耿加偉

(安徽理工大學 測繪學院，安徽 淮南 232001)

GPS/BDS/GLONASS/Galileo多系統(tǒng)融合在中國區(qū)域的仿真分析

徐 煒,劉 揚,嚴 超,王 濤,耿加偉

(安徽理工大學 測繪學院，安徽 淮南 232001)

通過STK軟件對GPS、BDS、GLONASS、Galileo四個系統(tǒng)的星座結(jié)構進行仿真，并選擇單系統(tǒng)與多系統(tǒng)組合定位的方式對中國區(qū)域內(nèi)的可見衛(wèi)星數(shù)、GDOP值和定位精度進行覆蓋分析。結(jié)果表明，GPS/BDS/GLONASS/Galileo四系統(tǒng)組合定位在我國的GDOP值可達0.7～0.8，定位精度可達3～4 m，優(yōu)于其他方式的組合定位；同時四系統(tǒng)組合定位下的GDOP值降低，定位精度更好，GDOP值與定位精度的波動異常得到了抑制，導航定位的性能與穩(wěn)定性也得到了相應的提升。

STK；可見衛(wèi)星數(shù)；GDOP值；定位精度

隨著GPS現(xiàn)代化的持續(xù)推進，BDS二代面向全球的組網(wǎng)，俄羅斯GLONASS的恢復，歐盟Galileo的組建，現(xiàn)在已經(jīng)是一個GNSS多系統(tǒng)融合定位的時代。多系統(tǒng)的融合對可見衛(wèi)星數(shù)的增加、衛(wèi)星定位結(jié)構空間的優(yōu)化、定位精度的提升以及系統(tǒng)的穩(wěn)定性具有重大意義。

單系統(tǒng)定位在某些特定時刻會出現(xiàn)可見衛(wèi)星數(shù)量少、定位精度低、穩(wěn)定性差等問題，而基于GPS/BDS/GLONASS/Galileo組合的定位系統(tǒng)能夠顯著提高定位性能，減少定位盲區(qū)，增強導航定位的連續(xù)性。當前，GPS/BDS/GLONASS/Galileo四系統(tǒng)組合定位對某區(qū)域的研究較少，有關研究的多系統(tǒng)融合仿真都是針對理論設計的GNSS星座構型，與當前的實際情況相差甚遠[1]。因此，本文在通過STK仿真出GPS、BDS、GLONASS、Galileo星座的基礎上，對GPS、BDS、GPS/BDS、GPS/BDS/GLONASS、GPS/BDS/GLONASS/Galileo五種組合方式在中國區(qū)域的可見衛(wèi)星數(shù)、GDOP和定位精度進行了對比，并對各組合系統(tǒng)在中國區(qū)域內(nèi)的覆蓋情況進行了分析。

1 星座結(jié)構仿真

目前，GPS在軌工作衛(wèi)星達到31顆，分布在傾角為55°的軌道面內(nèi)，每個軌道面的內(nèi)衛(wèi)星的數(shù)目不盡相同[2-3]。BDS二代在軌工作衛(wèi)星共21顆，由6顆GEO衛(wèi)星，8顆IGSO衛(wèi)星，7顆MEO衛(wèi)星組成，6顆GEO衛(wèi)星實現(xiàn)了對中國區(qū)域的6重增強覆蓋，8顆IGSO衛(wèi)星則既充分利用GEO衛(wèi)星的優(yōu)點又克服了在高緯度地區(qū)低仰角的問題[4-7]。GLONASS 有24顆在軌衛(wèi)星具有定位功能，GLONASS衛(wèi)星均勻分布在傾角為64.8°的3個軌道面上，互成120°，同平面內(nèi)的衛(wèi)星之間相隔45°[2-3]。Galileo在軌工作衛(wèi)星共9顆，Galileo衛(wèi)星分布在3個高度為23 616 km，軌道傾角為45°的軌道上[8-10]。

GPS/BDS/GLONASS/Galileo仿真星座的星下點軌跡圖如圖1所示。其中，圖中黑色虛線為GLONASS衛(wèi)星的星下點軌跡，白色實線為BDS衛(wèi)星的星下點軌跡圖，綠色實線為GPS衛(wèi)星的星下點軌跡圖，紅色間隔線為Galileo衛(wèi)星的星下點軌跡，GEO衛(wèi)星相對靜止于東南亞赤道上空，如“8”字形的是IGSO衛(wèi)星的星下點軌跡。

圖1 GPS/BDS/GLONASS/Galileo星座的星下點軌跡圖

2 系統(tǒng)仿真分析

在進行絕對定位時，衛(wèi)星的連續(xù)覆蓋情況可以用可見衛(wèi)星數(shù)來反映，其精度可以由空間幾何精度因子(GDOP)值和定位精度δ來表示[11]。

δ=UERE×PDOP.

其中:δ為定位精度，UERE為用戶等效距離誤差,PDOP為空間位置精度因子。等效距離誤差是衛(wèi)星至接收機的路徑上的各種影響因素預測的偽距觀測值的變化值，各定位系統(tǒng)的用戶等效距離誤差如表1所示[12]。

表1 各定位系統(tǒng)的用戶等效距離誤差

通過STK軟件仿真GPS、BDS、GLONASS、GALILEO單系統(tǒng)與組合系統(tǒng)的可見衛(wèi)星數(shù)、GDOP和定位精度，并對各定位系統(tǒng)在中國區(qū)域的覆蓋情況進行分析。仿真時間為2016年9月2日0時至2016年9月3日0時，共24 h，設置采樣間隔為300 s，按照3°×3°的分辨率來劃分中國區(qū)域，設置截止衛(wèi)星高度角為5°，并約束衛(wèi)星天線輻射角度為46°[13-14]。

2.1 單站點性能分析

根據(jù)對圖1的星下點軌跡的初步分析，選取中國大陸地區(qū)的6個觀測站(廣州、上海、鄭州、西安、哈爾濱、烏魯木齊)，這些觀測站基本覆蓋了中國大陸的整個區(qū)域，站點的具體位置如表2所示。

表2 站點詳細分布

2.1.1 可見衛(wèi)星數(shù)對比分析

由圖2可以看出，6個觀測站上的單GPS可見衛(wèi)星數(shù)都在10～15顆之間，而單BDS可見衛(wèi)星數(shù)在15～18顆之間，BDS可見衛(wèi)星數(shù)比GPS稍多，歸因于北斗在中國區(qū)域?qū)崿F(xiàn)了GEO衛(wèi)星與IGSO衛(wèi)星的覆蓋。GPS/BDS/GLONASS/Galileo四系統(tǒng)組合的可見衛(wèi)星數(shù)最多可達42顆，最少也有30顆，這將大大增加衛(wèi)星的空間幾何分布，在定位時將有更多的衛(wèi)星可供選擇。

圖2 各站點的可見衛(wèi)星個數(shù)

2.1.2 GDOP值對比分析

由圖3可以得出，6個觀測站GPS、BDS單系統(tǒng)定位時的GDOP值波動較大，特別是BDS系統(tǒng)，GDOP值最大值達到3.0左右。GPS/BDS雙系統(tǒng)組合定位時GDOP值有所下降，且變化稍微平緩，但仍然會出現(xiàn)一些小波動。GPS/BDS/GLONASS

圖3 各站點的GDOP值

三系統(tǒng)組合定位時，GLONASS系統(tǒng)的加入使得GDOP值變化的更加平緩，沒有出現(xiàn)較大的波動。GPS/BDS/GLONASS/Galileo四系統(tǒng)組合定位時的GDOP值分布在0.6～1.0之間，GDOP值的變化最為平緩，說明此時的衛(wèi)星空間幾何分布達到最佳狀態(tài)。

2.1.3 定位精度對比分析

由圖4知，6個觀測站在GPS、BDS單系統(tǒng)定位時的定位精度波動較大，分布在6～12 m之間，BDS的波動比GPS的波動更大，在上海站、鄭州站、西安站的最大值達到12 m。GPS/BDS雙系統(tǒng)組合定位使得定位能力大幅提高，定位精度分布整體平緩，但仍然會出現(xiàn)一些小的波動，如上海站的最大值可達7 m左右。GPS/BDS/GLONASS三系統(tǒng)組合定位時，GLONASS系統(tǒng)的加入使得定位精度變化更平緩，無大的波動。GPS/BDS/GLONASS/Galileo四系統(tǒng)組和定位的定位精度在4 m以內(nèi)，定位精度變化最為平緩。

圖4 站點的定位精度

在導航定位時，GDOP值大幅度的波動將導致衛(wèi)星空間分布結(jié)構的不穩(wěn)定，進而直接導致定位精度的下降，影響用戶的實際使用。BDS系統(tǒng)因其具有GEO衛(wèi)星與IGSO衛(wèi)星，在定位時能夠保持較高的高度角，因而具有較好的可見性，能夠彌補其他系統(tǒng)幾何圖形變化幅度大的缺點，降低GDOP值的波動，從而提高定位的穩(wěn)定性。但是，在分析上述6個觀測站時發(fā)現(xiàn)，四系統(tǒng)組合時各站的可見衛(wèi)星數(shù)最小30顆，最大可以達到42顆，而GDOP值并沒有明顯下降，說明通過增加可見衛(wèi)星數(shù)量并不都能提高定位精度，究其原因，在于不同系統(tǒng)衛(wèi)星對空間的幾何構型與定位精度的影響是不同的[15]。

2.2 中國區(qū)域性能分析

在對GPS、BDS、GLONASS、Galileo各單一系統(tǒng)以及多系統(tǒng)組合仿真后，我國大陸地區(qū)可見衛(wèi)星數(shù)、GDOP值、定位精度的統(tǒng)計情況如表3所示。

表3 各系統(tǒng)在中國區(qū)域的可見衛(wèi)星數(shù)、GDOP值、定位精度統(tǒng)計

隨著衛(wèi)星導航系統(tǒng)的不斷完善，多系統(tǒng)間的融合將會成為一種必然趨勢，四系統(tǒng)組合定位在中國區(qū)域的仿真覆蓋情況如圖5所示。

圖5 GPS/BDS/GLONASS/Galileo在中國區(qū)域的覆蓋情況

從表3、圖5可知，GPS/BDS/GLONASS/Galileo四系統(tǒng)組合定位在中國大陸區(qū)域的可見衛(wèi)星數(shù)將達到38～39顆，GDOP值在0.7～0.8之間，定位精度可達到3～4 m。四系統(tǒng)組合定位無論在可見衛(wèi)星數(shù)、GDOP值、定位精度上都優(yōu)于GPS/BDS/GLONASS三系統(tǒng)，GPS/BDS/GLONASS三系統(tǒng)的覆蓋性能又優(yōu)于GPS/BDS雙系統(tǒng)，GPS/BDS雙系統(tǒng)的覆蓋能力優(yōu)于GPS、BDS單系統(tǒng)。相對于單系統(tǒng)，多系統(tǒng)融合定位能夠增加可見衛(wèi)星數(shù)，使衛(wèi)星空間幾何分布更合理，提高定位精度。同時，中國區(qū)域內(nèi)的GDOP與定位精度的變化更加平緩，組合后的定位系統(tǒng)將更加穩(wěn)定。

2.3 各系統(tǒng)隨經(jīng)緯度變化性能分析

使用STK的覆蓋模塊，對中國大陸區(qū)域(緯度19°～53°N經(jīng)度73°～135°E)進行單系統(tǒng)與多系統(tǒng)組合定位的覆蓋分析，中國大陸區(qū)域內(nèi)GDOP值、定位精度隨經(jīng)緯度的變化情況如圖6—圖9所示。

圖6 GDOP值隨經(jīng)度的變化

圖7 GDOP值隨緯度的變化

圖8 定位精度隨經(jīng)度的變化

圖9 定位精度隨緯度的變化

從上圖可知，無論是隨著經(jīng)度還是緯度的變化，GPS/BDS/GLONASS/Galileo四系統(tǒng)組合定位的GDOP值、定位精度都優(yōu)于GPS/BDS/GLONASS三系統(tǒng)組合定位，GPS/BDS/GLONASS三系統(tǒng)組合定位的GDOP值、定位精度優(yōu)于GPS/BDS雙系統(tǒng)組合定位，GPS/BDS雙系統(tǒng)組合定位的GDOP值、定位精度優(yōu)于單GPS、BDS系統(tǒng)定位。同時，多系統(tǒng)組合的GDOP值、定位精度變化更為平緩，說明多系統(tǒng)的組合能夠很好地抑制單系統(tǒng)的GDOP值、定位精度的異常波動，能夠提高定位的精度與系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

在單系統(tǒng)定位時，單BDS系統(tǒng)的GDOP值、定位精度都隨經(jīng)度的變化出現(xiàn)一些波動，GDOP值在1.5～3.0之間，定位精度在7.0～12.0 m之間，在81°E、107°E處的波動達到最大，這在GPS/BDS雙系統(tǒng)組合定位時也有所體現(xiàn)，這是由于GEO在該區(qū)域的覆蓋能力較弱些。相反，BDS系統(tǒng)的GDOP值、定位精度隨著緯度的變化則較為平緩，是由于GEO與IGSO在緯度19°～58°N實現(xiàn)了完全覆蓋，增強了衛(wèi)星分布的幾何空間結(jié)構，提高了定位精度。

3 結(jié) 論

1)GPS/BDS/GLONASS/Galileo四系統(tǒng)組合定位在中國區(qū)域的可見衛(wèi)星數(shù)能夠達到37～38顆，GDOP值達0.7～0.8，定位精度達3～4 m，GDOP值與定位精度的波動也更加平緩，相對其他方式的組合定位具有較大優(yōu)勢。

2)多系統(tǒng)組合定位時，隨著可見衛(wèi)星數(shù)量的增加，GDOP值隨之減小，定位精度也逐步提高。但是，當可見衛(wèi)星數(shù)量達到一定值時，隨著可見衛(wèi)星數(shù)量的增加，GDOP值與定位精度變化的并不明顯，說明單純增加觀測衛(wèi)星數(shù)并不能完全提高定位精度。

3)多系統(tǒng)組合定位，增加了可見衛(wèi)星的數(shù)目，降低了GDOP值，使得GDOP值和定位精度隨經(jīng)緯度的變化更加平緩，抑制了單系統(tǒng)定位時GDOP值與定位精度的波動異常，提高了導航定位的精度與系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

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[責任編輯：劉文霞]

Simulation analysis of GPS/BDS/GLONASS/Galileo multi-constellation satellite system in China

XU Wei，LIU Yang，YAN Chao，WANG Tao，GENG Jiawei

(School of Geodesy and Geomatics，Anhui University of Science and Technology，Huainan 232001,China)

In this paper, the constellation structures of GPS, BDS, GLONASS and Galileo are simulated with STK software, then analysis is made on the visible satellite, GDOP value and positioning accuracy in China areas with single-system and multi-system combination positioning method. The result shows that the value of GDOP can reach 0.7～0.8 when the combination of four systems is chosen in our country, and the positioning accuracy can reach 3～4 meters, which is better than other combination systems. Meanwhile, the GDOP value decreases, the positioning accuracy is higher and the abnormal fluctuation of the GDOP value and the positioning accuracy are restrained. In addition, the performance and stability of the navigation and positioning are also improved accordingly.

STK; number of visible satellites; GDOP value; positioning accuracy

著錄：徐煒,劉揚,嚴超,等.GPS/BDS/GLONASS/Galileo多系統(tǒng)融合在中國區(qū)域的仿真分析[J].測繪工程，2017，26(10)：63-69.

10.19349/j.cnki.issn1006-7949.2017.10.012

2016-09-26

國家自然科學基金資助項目(41474026)

徐 煒(1992-)，男，碩士研究生.

P228

A

1006-7949(2017)10-0063-07