GPS系統(tǒng)與BDS系統(tǒng)導(dǎo)航定位性能對(duì)比分析

徐煒,嚴(yán)超,杜文選,張廣漢,王濤,徐梅

(安徽理工大學(xué) 測(cè)繪學(xué)院,安徽 淮南 232001)

GPS系統(tǒng)與BDS系統(tǒng)導(dǎo)航定位性能對(duì)比分析

徐煒,嚴(yán)超,杜文選,張廣漢,王濤,徐梅

(安徽理工大學(xué) 測(cè)繪學(xué)院,安徽 淮南 232001)

本文在仿真出GPS系統(tǒng)與BDS系統(tǒng)衛(wèi)星星座的基礎(chǔ)上,對(duì)兩種定位系統(tǒng)下的哈爾濱、武漢、廣州、拉薩單個(gè)站點(diǎn)以及全球范圍的衛(wèi)星可見(jiàn)性、DOP值、定位精度進(jìn)行了覆蓋分析,并比較了兩個(gè)系統(tǒng)定位性能的差異。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,當(dāng)前BDS系統(tǒng)在亞太地區(qū)與GPS系統(tǒng)的定位性能基本一致,可見(jiàn)衛(wèi)星數(shù)比GPS系統(tǒng)稍多,但BDS系統(tǒng)的DOP值的波動(dòng)卻比GPS系統(tǒng)的要大,尤其在GEO與IGSO衛(wèi)星覆蓋的邊緣區(qū)域,BDS的導(dǎo)航定位性能較差,在某些地區(qū)仍不能提供導(dǎo)航定位服務(wù)。

GPS;BDS;衛(wèi)星可見(jiàn)性;DOP值;定位精度

0 引 言

當(dāng)前,我國(guó)設(shè)計(jì)建設(shè)的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BDS)已經(jīng)能夠在周邊區(qū)域提供導(dǎo)航定位服務(wù),并按照“三步走”的發(fā)展戰(zhàn)略,計(jì)劃2020年完成35顆衛(wèi)星發(fā)射組網(wǎng),為全球用戶提供服務(wù)[1-3]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)BDS/GPS組合定位研究的較多,而對(duì)BDS與GPS導(dǎo)航導(dǎo)航定位性能的對(duì)比研究較少。鑒于此,本文對(duì)GPS系統(tǒng)與BDS系統(tǒng)在單點(diǎn)和全球范圍內(nèi)的衛(wèi)星可見(jiàn)性、DOP值、定位精度等性能指標(biāo)進(jìn)行了詳細(xì)的覆蓋分析,對(duì)比了兩者的定位性能的差異。

1 STK簡(jiǎn)介

軟件的全稱為衛(wèi)星仿真工具包(STK),是由美國(guó)AGI公司開(kāi)發(fā),并在航天工業(yè)領(lǐng)先的商品化分析軟件[4]。該軟件提供了分析引擎用于計(jì)算數(shù)據(jù),并可以顯示多種形式的二維地圖,顯示衛(wèi)星和其他對(duì)象如運(yùn)載火箭、導(dǎo)彈、飛機(jī)、地面車輛、目標(biāo)等。該軟件還有三維可視化模塊,為STK和其他附加的模塊提供領(lǐng)先的三維顯示環(huán)境,可以快速方便地分析復(fù)雜的陸、海、空、天任務(wù),并提供易于理解的圖表和文本形式的分析結(jié)果,用于確定最佳的解決方案。

2 GPS、BDS星座結(jié)構(gòu)仿真

截至2016年9月,GPS衛(wèi)星星座在軌工作衛(wèi)星為31顆,分布在傾角為55°的軌道面內(nèi),軌道高度約為20 200 km,每個(gè)軌道面的內(nèi)的衛(wèi)星數(shù)目并不相同,衛(wèi)星的運(yùn)行周期約為12 h[5];BDS衛(wèi)星星座在軌衛(wèi)星達(dá)到23顆,其中21顆衛(wèi)星具有定位功能,包括6顆GEO衛(wèi)星,7顆MEO衛(wèi)星,8顆IGSO衛(wèi)星,6顆GEO衛(wèi)星還實(shí)現(xiàn)了對(duì)亞太地區(qū)的6重覆蓋,IGSO衛(wèi)星的軌道高度為35 786 km,軌道傾角為55°,該衛(wèi)星對(duì)中國(guó)區(qū)域增強(qiáng)的同時(shí)也克服了高緯度地區(qū)始終低仰角的問(wèn)題,MEO衛(wèi)星軌道高度為21 528 km,軌道傾角為55°[6-7].

在導(dǎo)航定位中,GPS系統(tǒng)采用的坐標(biāo)系統(tǒng)是WGS-84坐標(biāo)系,BDS系統(tǒng)采用的是CGCS2000大地坐標(biāo)系(China Geodetic Coordinate System 2000),由于兩個(gè)系統(tǒng)的差異基本在厘米級(jí),在非精密測(cè)量的場(chǎng)合可以近似地認(rèn)為兩者相同,因此將GPS與BDS的空間坐標(biāo)系都統(tǒng)一到WGS-84坐標(biāo)系下[8]。選用2016年9月2日GPS、BDS衛(wèi)星的TLE(Two Line Element)軌道星歷數(shù)據(jù),設(shè)置仿真時(shí)間為2016年9月2日0時(shí)至2016年9月3日0時(shí),共24 h,采樣間隔為300 s,截止衛(wèi)星高度角為5°,約束衛(wèi)星天線輻射角度為46°,并按照3°×3°的分辨率來(lái)劃分全球。

3 導(dǎo)航定位性能評(píng)估與分析

3.1定位性能指標(biāo)

在進(jìn)行導(dǎo)航定位時(shí),定位性能的指標(biāo)主要包括可用性、連續(xù)性、完好性、精度、覆蓋范圍等。本文選用衛(wèi)星可見(jiàn)數(shù)、空間幾何精度因子以及定位精度來(lái)進(jìn)行評(píng)價(jià)[9]。

3.1.1 衛(wèi)星可見(jiàn)性

衛(wèi)星可見(jiàn)性是指接收機(jī)在一定的高度角情況下能夠觀測(cè)到的衛(wèi)星個(gè)數(shù),體現(xiàn)為在一定的區(qū)域與時(shí)間內(nèi)導(dǎo)航定位的能力,主要通過(guò)可觀測(cè)到的衛(wèi)星個(gè)數(shù)與衛(wèi)星的空間幾何分布來(lái)評(píng)定[10]。若可見(jiàn)衛(wèi)星數(shù)小于4顆,將不能實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航定位服務(wù),取平均可見(jiàn)衛(wèi)星數(shù)作為定位性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)之一。

3.1.2 精度衰減因子

精度衰減因子(DOP)的大小與衛(wèi)星星座的位置、可見(jiàn)衛(wèi)星數(shù)目、空間衛(wèi)星的幾何分布有關(guān),通過(guò)精確的測(cè)定DOP值,能夠衡量出衛(wèi)星星座的位置精度,DOP值越小,定位精度越高。DOP值通常包括:平面位置精度因子(HDOP)、高程精度因子(VDOP)、空間位置精度因子(PDOP)、接收機(jī)鐘差精度因子(TDOP)、幾何精度因子(GDOP),本文選取幾何精度因子(GDOP)作為定位性能指標(biāo)之一,DOP值與定位精度的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1所示。

表1 DOP值與定位精度的對(duì)應(yīng)關(guān)系

3.1.3 定位精度

定位精度主要取決于所觀測(cè)到衛(wèi)星的空間幾何分布與觀測(cè)量的精度,定位精度可以表示為

δ=UERE×PDOP,

式中: δ為定位精度;PDOP為空間位置精度因子;UERE為用戶等效距離誤差(User Equivalent Rang Error),是根據(jù)衛(wèi)星至接收機(jī)路徑上的各種影響因素(如衛(wèi)星星歷誤差、電離層延遲等)預(yù)測(cè)的偽距觀測(cè)量變化值,在標(biāo)準(zhǔn)定位時(shí)GPS與BDS各種類型衛(wèi)星的用戶等效距離誤差情況如表2所示。

表2 各定位系統(tǒng)的用戶等效距離誤差

3.2單點(diǎn)情況

根據(jù)GPS與BDS系統(tǒng)的星下點(diǎn)軌跡圖,在中國(guó)大陸區(qū)域選取緯度由高到低的站點(diǎn)(哈爾濱、武漢、廣州),以對(duì)比GPS與BDS在低中高緯度的定位性能;同時(shí),選取同一緯度的不同經(jīng)度的站點(diǎn)(武漢、拉薩),以對(duì)比GPS與BDS在不同經(jīng)度定位性能的變化,各站點(diǎn)的詳細(xì)分布情況如表3所示。

表3 站點(diǎn)詳細(xì)分布情況

3.2.1 衛(wèi)星可見(jiàn)性對(duì)比分析

從圖1可以得出,24小時(shí)內(nèi)GPS系統(tǒng)下的衛(wèi)星分布較為均勻,哈爾濱站GPS可見(jiàn)衛(wèi)星數(shù)在7～11顆,平均值達(dá)8.7顆,BDS可見(jiàn)衛(wèi)星數(shù)在10～14顆,平均值達(dá)12.4顆;武漢站GPS可見(jiàn)衛(wèi)星數(shù)在7～11顆,平均值達(dá)8.7顆,BDS可見(jiàn)衛(wèi)星數(shù)在12～17顆,平均值達(dá)14.4顆;廣州站GPS可見(jiàn)衛(wèi)星數(shù)在6～11顆,平均值達(dá)9.0顆,BDS可見(jiàn)衛(wèi)星數(shù)在12～19顆,平均值達(dá)15.0顆;拉薩站GPS可見(jiàn)衛(wèi)星數(shù)在7～11顆,平均值達(dá)8.7顆,BDS可見(jiàn)衛(wèi)星數(shù)在12～18顆,平均值達(dá)13.8顆。

圖1 單站可見(jiàn)衛(wèi)星數(shù)變化 (a)哈爾濱;(b)武漢;(c)廣州;(d)拉薩

通過(guò)對(duì)比可知,四個(gè)站點(diǎn)下GPS的可見(jiàn)衛(wèi)星數(shù)都在9.0左右,BDS系統(tǒng)下廣州站的可見(jiàn)衛(wèi)星數(shù)最多,哈爾濱站的可見(jiàn)衛(wèi)星數(shù)最少,BDS的可見(jiàn)衛(wèi)星數(shù)目較GPS的可見(jiàn)衛(wèi)星數(shù)要多4～6顆。但GPS的可見(jiàn)衛(wèi)星的變化幅度較小,說(shuō)明GPS的覆蓋要均勻些,而B(niǎo)DS系統(tǒng)在有GEO與IGSO衛(wèi)星覆蓋的區(qū)域范圍內(nèi)可以觀測(cè)到較多的可見(jiàn)衛(wèi)星數(shù),沒(méi)有覆蓋到的地區(qū)可見(jiàn)衛(wèi)星數(shù)目的變化幅度較大,說(shuō)明BDS衛(wèi)星的分布不太穩(wěn)定。

3.2.2 DOP值對(duì)比分析

從圖2可以得出,GPS系統(tǒng)下的四個(gè)站點(diǎn)的GDOP基本處于1.0～4.0之間,有部分時(shí)間的GDOP值出現(xiàn)了極大值,四個(gè)測(cè)站的GDOP平均值分別為2.19、2.21、2.16、2.22,各站點(diǎn)間的GDOP值差異很小; BDS系統(tǒng)下各個(gè)站點(diǎn)的GDOP值基本處于1.0～5.0之間,四個(gè)站點(diǎn)的GDOP平均值為3.11、2.32、2.15、2.58,廣州站的GDOP值優(yōu)于武漢站,武漢站的GDOP值優(yōu)于哈爾濱站、拉薩站。

通過(guò)對(duì)比可知,除廣州站BDS系統(tǒng)與GPS系統(tǒng)GDOP值基本相同外,哈爾濱、武漢、拉薩站BDS系統(tǒng)的GDOP值都比GPS系統(tǒng)的GDOP值要略大,說(shuō)明GPS系統(tǒng)相對(duì)BDS系統(tǒng)更加的均勻穩(wěn)定,BDS系統(tǒng)在靠近GEO與IGEO覆蓋邊緣地區(qū)時(shí)的定位性能較差。

圖2 單站GDOP值變化 (a)哈爾濱;(b)武漢;(c)廣州;(d)拉薩

3.2.3 定位精度對(duì)比分析

從圖3可以得出,各站點(diǎn)24 h定位精度的變化特點(diǎn)與GDOP的變化完全一致。BDS系統(tǒng)下的四個(gè)站點(diǎn)的定位精度平均值為12.79 m、9.65 m、9.00 m、10.64 m,哈爾濱站的定位精度波動(dòng)較大,最大值達(dá)到了20 m,廣州站的定位精度波動(dòng)最為平緩,基本處于10 m左右;BDS系統(tǒng)下的廣州站的波動(dòng)比武漢的波動(dòng)小,武漢站的波動(dòng)比哈爾濱站和拉薩站的小;GPS系統(tǒng)下的四個(gè)站點(diǎn)的定位精度平均值為9.55 m、9.64 m、9.46 m、9.69 m,總體變化趨于一致;各個(gè)站點(diǎn)GPS的定位精度與BDS的定位精度基本相同,但在靠近GEO與IGEO覆蓋邊緣地區(qū)時(shí)BDS系統(tǒng)的定位精度較差,波動(dòng)較大。

圖3 定位精度變化曲線 (a)哈爾濱;(b)武漢;(c)廣州;(d)拉薩

通過(guò)對(duì)上述單站點(diǎn)的定位分析可知,GPS系統(tǒng)下無(wú)論隨著緯度還是經(jīng)度的變化,各站點(diǎn)的定位精度基本相同;而在BDS系統(tǒng)下,隨著經(jīng)、緯度的增加,各站點(diǎn)的可見(jiàn)衛(wèi)星逐漸減少,定位精度逐漸減弱;GEO與IGSO衛(wèi)星重點(diǎn)覆蓋的地區(qū)BDS系統(tǒng)的定位性能與GPS的定位性能相當(dāng),邊緣地區(qū)BDS系統(tǒng)的定位性能較GPS的定位性能稍差。

3.3我國(guó)大陸及全球情況

利用STK軟件的覆蓋模塊,對(duì)GPS、BDS在24 h內(nèi)全球范圍的可見(jiàn)衛(wèi)星數(shù)、GDOP值、定位精度進(jìn)行覆蓋分析,結(jié)果如圖4～圖10所示。

由于現(xiàn)階段BDS只能實(shí)現(xiàn)亞太地區(qū)的覆蓋,因此只對(duì)GPS、BDS系統(tǒng)在我國(guó)大陸的定位性能分析,我國(guó)大陸各系統(tǒng)定位性能如表4所示。

共發(fā)放調(diào)查問(wèn)卷1 200份，回收有效問(wèn)卷1 077份，有效回收率89.75%。977名醫(yī)學(xué)生中，男403例，女574例，其中18歲以下者占2.97%，18～25歲者占比96.93%，2017級(jí)227例（23.23%），2016級(jí)275例（28.15%），2015級(jí)263例（26.92%），2014級(jí)212例（21.7%）；參與過(guò)醫(yī)患溝通課程者93例（2014級(jí)麻醉專業(yè)46例、2014級(jí)臨床專業(yè)47例），未參加過(guò)者884例，及100名非醫(yī)學(xué)生。

表4 我國(guó)大陸GPS、BDS系統(tǒng)定位性能

3.3.1 衛(wèi)星可見(jiàn)性分析

圖4 GPS全球可見(jiàn)衛(wèi)星數(shù)分布圖

由圖4、圖5的對(duì)比可知,兩種導(dǎo)航定位系統(tǒng)的全球平均可見(jiàn)衛(wèi)星數(shù)沿著經(jīng)度方向呈現(xiàn)出帶狀的分布,從赤道向南北兩極呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢(shì);GPS在全球范圍內(nèi)的可見(jiàn)衛(wèi)星數(shù)為12～13顆,在全球分布的較為均勻。BDS在我國(guó)及周邊區(qū)域的覆蓋較好,已實(shí)現(xiàn)了對(duì)亞太地區(qū)的覆蓋,但在其他區(qū)域的可見(jiàn)衛(wèi)星數(shù)仍少于4顆,并不能進(jìn)行導(dǎo)航與定位。造成這種分布的原因在于BDS考慮到了系統(tǒng)建設(shè)的階段性以及對(duì)我國(guó)及周邊區(qū)域的系統(tǒng)增強(qiáng),從而在亞太地區(qū)上空布設(shè)了GEO與IGSO衛(wèi)星。

圖5 BDS全球可見(jiàn)衛(wèi)星數(shù)分布圖

3.3.2GDOP值分析

由圖6、圖7的對(duì)比可知,GPS與BDS定位系統(tǒng)在全球范圍內(nèi)的GDOP值與可見(jiàn)衛(wèi)星數(shù)有著相似的分布規(guī)律,都沿著經(jīng)度方向呈現(xiàn)出條帶狀的變化趨勢(shì)。GDOP值隨著緯度的增加先增加后變小,其中GPS系統(tǒng)顯現(xiàn)出片段狀的變化趨勢(shì),而B(niǎo)DS系統(tǒng)則在亞太地區(qū)呈現(xiàn)出GDOP值從中心最小處沿經(jīng)緯度不斷增加的趨勢(shì)。GPS系統(tǒng)在全球范圍內(nèi)的GDOP值處于1.3～1.7間變化,BDS系統(tǒng)在中國(guó)附近區(qū)域的GDOP值處于1.8～2.0之間,亞太地區(qū)的GDOP值在3.0以內(nèi),其他地區(qū)的GDOP值都大于3.0,BDS相對(duì)于GPS系統(tǒng)的定位性能稍弱。

圖6 GPS全球GDOP值分布圖

圖7 BDS全球GDOP值分布圖

3.3.3 定位精度分析

由圖8、圖9的對(duì)比分析可知,GPS、BDS系統(tǒng)在全球定位精度的分布特點(diǎn)與衛(wèi)星可見(jiàn)數(shù)和GDOP值的分布特點(diǎn)一致;GPS與BDS的定位精度都從中心向南北兩極逐漸增大,其中GPS系統(tǒng)在南北兩極的條帶區(qū)域定位精度約為8.0 ～9.0 m,其余地區(qū)的定位精度約為7.0 ～8.0 m,BDS我國(guó)及周邊區(qū)域定位精度約6.0～8.0 m,亞太地區(qū)的定位精度優(yōu)于13 m;BDS總體定位精度要較GPS稍差,在中國(guó)及周邊地區(qū)由于GEO與IGSO衛(wèi)星的增強(qiáng)作用,定位性能與GPS系統(tǒng)相當(dāng),隨著B(niǎo)DS的進(jìn)一步建設(shè),BDS將實(shí)現(xiàn)全球范圍的覆蓋,定位精度也將得到提升。

圖8 GPS全球定位精度分布圖

圖9 BDS全球定位精度分布圖

4 結(jié)束語(yǔ)

BDS在中國(guó)區(qū)域的可見(jiàn)衛(wèi)星數(shù)目、PDOP值、定位精度與GPS系統(tǒng)的定位性能基本相同。但在靠近GEO與IGSO衛(wèi)星覆蓋的邊緣地區(qū),BDS系統(tǒng)的定位性能比GPS系統(tǒng)的定位性能稍差,而在GEO與IGSO衛(wèi)星沒(méi)有覆蓋到的地區(qū),可見(jiàn)衛(wèi)星數(shù)目少于4顆,并沒(méi)有滿足導(dǎo)航定位所需的衛(wèi)星數(shù)目,仍不能實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航定位的功能。

隨著B(niǎo)DS系統(tǒng)面向全球的組網(wǎng)建設(shè),BDS將實(shí)現(xiàn)全球范圍內(nèi)的覆蓋,在全球也將可達(dá)到GPS系統(tǒng)的定位性能,特別在中國(guó)區(qū)域由于GEO與IGSO衛(wèi)星的增強(qiáng)作用,BDS系統(tǒng)的定位性能將明顯優(yōu)于GPS系統(tǒng)。

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ComparativeAnalysisofPositioningPerformanceBetweenGPSSystemandBDSSystem

XUWei,YANChao,DUWenxuan,ZHANGGuanghan,WANGTao,XUMei

(SchoolofGeodesyandGeomatics,AnhuiUniversityofScienceandTechnology,Huainan232001，China)

Based on the simulation of GPS and BDS satellite constellations, this paper analyzes the satellite visibility, DOP value, and positioning accuracy of Harbin, Wuhan, Guangzhou, Lasa and the global satellite visibility, DOP value and positioning precision of the two positioning systems. The results show that the positioning performance of the BDS system in the Asia-Pacific region is basically the same as that of the GPS system. The number of satellites is slightly larger than that of the GPS system, but the fluctuation of the DOP value of the BDS system is larger than that of the GPS system, especially in GEO and IGSO to cover the area, BDS navigation and positioning performance is poor, in some areas BDS can not provide the realization of navigation and positioning services.

GPS; BDS; Satellite visibility; DOP value; positioning accuracy

10.13442/j.gnss.1008-9268.2017.04.014

P228.4

A

1008-9268(2017)04-0077-06

2017-05-06

國(guó)家自然科學(xué)基金(批準(zhǔn)號(hào):41474026); 淮南礦業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司項(xiàng)目(編號(hào):HNKY-JTJS(2013)-28); 安徽理工大學(xué)2017年研究生創(chuàng)新基金(項(xiàng)目編號(hào):2017CX2056)

聯(lián)系人: 徐煒 E-mail:austxwei@163.com

徐煒(1992-),男,碩士研究生;研究方向?yàn)镚NSS導(dǎo)航與數(shù)據(jù)處理。

嚴(yán)超(1993-),男,碩士研究生,研究方向?yàn)镚NSS導(dǎo)航與數(shù)據(jù)處理。

杜文選(1992-),男,碩士研究生,研究方向?yàn)镚NSS導(dǎo)航與定位。