QZSS/IRNSS對BDS在中國定位性能增強的評估

徐 煒,賈 雪,王 濤

(安徽理工大學 測繪學院，安徽 淮南 232001)

QZSS/IRNSS對BDS在中國定位性能增強的評估

徐 煒,賈 雪,王 濤

(安徽理工大學 測繪學院，安徽 淮南 232001)

通過STK軟件對BDS、QZSS、IRNSS衛(wèi)星星座結(jié)構(gòu)仿真的基礎上，選擇BDS、BDS/QZSS、BDS/IRNSS、BDS/QZSS/IRNSS、QZSS/IRNSS等定位方式對中國大陸單觀測站與整體范圍最小可見衛(wèi)星數(shù)、GDOP值、定位誤差進行覆蓋分析，確定了QZSS與IRNSS在我國的覆蓋范圍及對BDS定位性能增強作用的評估。結(jié)果表明，BDS/QZSS/IRNSS組合在我國的最小可見衛(wèi)星數(shù)可達16～21顆，GDOP值在1.4～1.7之間，定位誤差達5.5～7.5 m，相比單BDS定位最小可見衛(wèi)星數(shù)增加了6～8顆，GDOP值減小了0.3～0.5，定位精度提升了2.0～3.0 m，對華南地區(qū)的定位性能有明顯提升，而對東北等地區(qū)定位性能的提升較小。

STK；覆蓋范圍；定位性能；評估

隨著日本準天頂衛(wèi)星系統(tǒng)(Quasi-Zenith satellite System, QZSS)與印度區(qū)域?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(Indian Regional Navigation Satellite System, RNSS)的建設，全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System, GPS)在日本與印度的可用性將得到提升。鑒于中國與印度和日本的距離較近，QZSS與IRNSS也能實現(xiàn)對中國部分地區(qū)的覆蓋，對中國北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)(Bei Dou Navigation Satellite System, BDS)的定位能力也能夠提供增強作用。現(xiàn)階段BDS已近實現(xiàn)對亞太地區(qū)的覆蓋，GPS和GLONASS都有許多在軌衛(wèi)星，也可以與BDS組合定位，但QZSS、IRNSS相比GPS、GLONASS更注重對亞太附近地區(qū)的覆蓋，雖然目前QZSS/IRNSS/BDS組合定位的研究較少，但今后QZSS/IRNSS及其他系統(tǒng)的組合定位將會成為一種必然趨勢，評估QZSS/IRNSS對BDS在我國定位性能的增強作用將更有意義。

目前，能同時接收QZSS、IRNSS、BDS衛(wèi)星信號的多系統(tǒng)接收機較為有限，對BDS系統(tǒng)在我國定位性能的增強作用并不能給出定量的評估。因此，本文通過STK軟件仿真出QZSS、IRNSS的衛(wèi)星星座結(jié)構(gòu)，計算出各定位系統(tǒng)在我國的覆蓋范圍、定位精度及對BDS定位性能的提升作用，為QZSS/IRNSS/BDS多系統(tǒng)的組合定位提供參考。

1 STK簡介

STK軟件的全稱是Satellite Tool Kit(衛(wèi)星仿真工具包)，是由美國AGI公司開發(fā)，并在航天工業(yè)領先的商品化分析軟件。STK可以快速方便地分析復雜的陸、海、空、天任務，并提供易于理解的圖表和文本形式的分析結(jié)果，用于確定最佳解決方案。它支持航天任務周期的全過程，包括概念、需求、設計、制造、測試、發(fā)射、運行和應用等。其主功能包括：分析能力、計算軌道和彈道、衛(wèi)星數(shù)據(jù)庫、可見性分析、傳感器分析、姿態(tài)分析、可視化結(jié)果、提供詳盡的數(shù)據(jù)報告等[1-3]。

2 BDS、QZSS、IRNSS星座結(jié)構(gòu)仿真

BDS設計在軌衛(wèi)星數(shù)到達35顆，現(xiàn)已實現(xiàn)對亞太地區(qū)的覆蓋，計劃2020年左右，建成覆蓋全球的北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)。目前，BDS在軌衛(wèi)星數(shù)達到23顆，21顆衛(wèi)星具有提供導航定位服務的能力，包括6顆GEO衛(wèi)星，7顆MEO衛(wèi)星，8顆IGSO衛(wèi)星，MEO衛(wèi)星的軌道高度為35 786 km，6顆GEO衛(wèi)星實現(xiàn)了對亞太地區(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)星克服了高緯度始終低仰角的問題，MEO衛(wèi)星軌道高度為21 528 km，軌道傾角位55°[4-6]。

QZSS設計在軌衛(wèi)星達到3顆，分別置于相隔120°的3個軌道面上，每個軌道面與赤道的夾角為45°，軌道高度為31 500～40 000 km，并確保在日本區(qū)域內(nèi)至少可見1顆準天頂衛(wèi)星(QZS)，目前QZSS在軌運行只有1顆[7-9]。

IRNSS系統(tǒng)由7顆位于GEO和GSO軌道的衛(wèi)星組成，IRNSS系統(tǒng)的7顆衛(wèi)星中，3顆采用GEO軌道，分別定位于東經(jīng)34°，83°和132°，另外4顆采用GSO軌道，傾斜軌道衛(wèi)星遠地點高度為24 000 km，近地點高度250 km，軌道傾角為29°，其中兩顆位于東經(jīng)55°，另外兩顆位于東經(jīng)111°，以確保7顆衛(wèi)星都可以持續(xù)地與印度控制站保持連絡[10]。

選用2016年9月20日BDS、QZSS、IRNSS衛(wèi)星的TLE(Two Line Element)軌道星歷數(shù)據(jù)，采用簡化常規(guī)攝動模型(SGP4,Simplified General Perturbations 4)預報器仿真BDS、QZSS、IRNSS系統(tǒng)星座結(jié)構(gòu)，BDS、QZSS、IRNSS衛(wèi)星的星下點軌跡如圖1所示。

圖1 BDS、QZSS、IRNSS星下點軌跡圖

BDS衛(wèi)星星下點軌跡分布在55°N～55°S之間，GEO衛(wèi)星相對靜止于東南亞赤道上空，IGSO衛(wèi)星的星下點軌跡如“8”字形，IGEO衛(wèi)星分布在兩個不同的軌道上，其余的藍色實線為MEO衛(wèi)星的星下點軌跡；綠色實線為QZSS衛(wèi)星的星下點軌跡，軌跡如大橢圓非對稱“8”字形，在靠近日本附近的橢圓較大，靠近澳大利亞附近的橢圓較小；紅色實線為IRNSS衛(wèi)星星下點軌跡，3顆GEO衛(wèi)星靜止于東經(jīng)34°、83°和132°，4顆GSO衛(wèi)星的軌跡如“8”字形，每2顆衛(wèi)星分布在2個不同的軌道面，衛(wèi)星布局相對印度呈對稱結(jié)構(gòu)。

3 定位性能評估與分析

仿真時間從2016年9月20日至2016年9月21日，采樣間隔為300 s，按照3°×3°的網(wǎng)格劃分全球，設置截止衛(wèi)星高度角為5°，約束衛(wèi)星天線輻射角為46°，分為單個觀測站與中國整體范圍對BDS、QZSS、IRNSS的定位性能進行覆蓋分析[11]，其三維分布圖見圖2。

圖2 BDS、IRNSS、QZSS衛(wèi)星星座三維分布圖

3.1 定位性能評價指標

在進行單點定位時，定位性能可以用最小可見衛(wèi)星數(shù)目、空間幾何精度因子(DOP值)以及定位誤差來表示[12]。

3.1.1 最小可見衛(wèi)星數(shù)

可見衛(wèi)星數(shù)反映了衛(wèi)星能夠被觀測到的情況，若可見衛(wèi)星數(shù)小于4顆，將不能實現(xiàn)導航定位服務，故取最小可見衛(wèi)星數(shù)作為定位性能的評價指標之一。

3.1.2 精度衰減因子

精度衰減因子(DOP)由接收機位置和衛(wèi)星的幾何形狀分布決定的，DOP值越小，代表的衛(wèi)星的空間幾何分布越合理和較高的定位精度概率；DOP值越大，則代表衛(wèi)星的空間幾何分布不合理與較低的定位精度概率，本文選取幾何精度因子(GDOP)作為定位性能評價指標之一。

3.1.3 定位誤差

在進行衛(wèi)星導航定位時，定位誤差主要取決于接收機等效距離誤差與精度衰減因子(DOP)，其關系可以用下式表示[13-14]。

δ=UERE×PDOP.

其中：δ為定位誤差，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)星至接收機路徑上的各種影響因素預測出的偽距觀測量變化值，若等效距離誤差確定，那么定位誤差將僅決定于衛(wèi)星星座結(jié)構(gòu)，故定位誤差也就是衛(wèi)星星座性能的體現(xiàn)[15]。

3.2 單觀測站定位性能評估與分析

選取北京、上海、廣州、蘭州、拉薩、哈爾濱為觀測站，這些觀測站基本實現(xiàn)了對中國大陸地區(qū)的覆蓋，觀測站點分布情況如圖3所示。

圖3 觀測站點分布圖

3.2.1 最小可見衛(wèi)星數(shù)評估

最小可見衛(wèi)星數(shù)變化曲線如圖4所示。

圖4 最小可見衛(wèi)星數(shù)變化曲線

由圖4可知，最小可見衛(wèi)星數(shù)隨著組合系統(tǒng)的增加而逐漸增加，北京、上海、廣州、蘭州、拉薩、哈爾濱站IRNSS/QZSS組合定位的最小可見衛(wèi)星數(shù)都大于等于4顆，已經(jīng)能夠達到定位的要求；單BDS最小可見衛(wèi)星數(shù)在10～17顆之間，BDS/IRNSS/QZSS組合定位的最小可見衛(wèi)星數(shù)處于17～25顆之間，IRNSS與BDS實現(xiàn)了對中國區(qū)域部分地區(qū)的覆蓋，這將提高衛(wèi)星的空間幾何分布，在定位時有更多的衛(wèi)星能夠選擇，定位精度也能得到相應的提升。

3.2.2 GDOP值評估

GDOP值變化曲線如圖5所示。

圖5 GDOP值變化曲線

由圖5可知，IRNSS/QZSS組合定位時，北京、上海、廣州、蘭州、哈爾濱觀測站的GDOP值的波動幅度較大，北京站、上海站的GDOP值的最大值達到了18.0左右，哈爾濱站在15:00左右的GDOP值出現(xiàn)了突變，只有拉薩的GDOP值波動幅度稍微平緩；BDS/QZSS組合定位的GDOP值始終比單BDS定位時的GDOP值小，說明QZSS起到了一定的作用，但GDOP值減少的幅度卻較小，說明QZSS的作用有限；BDS/IRNSS組合定位時的GDOP值較單BDS定位使得GDOP值減小的最明顯，得益于IRNSS的衛(wèi)星數(shù)較多，對上述觀測站實現(xiàn)了覆蓋；BDS/IRNSS/QZSS組合定位時的GDOP值最小，6個觀測站的GDOP值波動的最平緩，GDOP值穩(wěn)定于1.5～2.0之間；通過對比發(fā)現(xiàn)，IRNSS相比QZSS對中國地區(qū)的覆蓋范圍要大，對定位精度的提高作用更加明顯。

3.2.3 定位誤差評估

定位誤差變化曲線如圖6所示。

圖6 定位誤差變化曲線

由圖6可知，6個觀測站處定位誤差的波動與GDOP值的波動始終保持一致；IRNSS/QZSS組合定位時北京、上海、廣州、蘭州、哈爾濱站的定位誤差波動較大，北京站、上海站的定位誤差最大達到70.0 m左右，哈爾濱站在15:00左右的定位誤差出現(xiàn)了突變，拉薩站的定位誤差分布則較為穩(wěn)定，保持在16～18 m之間；單BDS定位時北京站、上海站、蘭州站、哈爾濱站的定位誤差波動幅度較小，蘭州與拉薩站的定位誤差波動幅度稍大些，單BDS相比IRNSS/QZSS組合的定位精度有了顯著提升，其原因在于BDS GEO衛(wèi)星與IGSO衛(wèi)星主要實現(xiàn)對我國的覆蓋，能夠保持較高的衛(wèi)星高度角，具有較好的可見性，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，從而提高定位精度；BDS/QZSS組合相比單BDS的定位誤差要小，說明QZSS起到了一定的作用，然而定位誤差變化減小的幅度卻較少，說明QZSS在我國的覆蓋范圍有限，定位作用較?。籅DS/IRNSS組合較單BDS定位的定位誤差減小的最明顯，定位精度有了顯著的提升；BDS/IRNSS/QZSS組合定位時的定位誤差最小，定位誤差波動的最平緩，6個觀測站的定位誤差都處于6.0～10.0 m之間；通過對比發(fā)現(xiàn)，IRNSS相比QZSS對中國地區(qū)的覆蓋范圍要大，對定位精度的提高作用更加明顯。

3.3 中國區(qū)域總體定位性能評估與分析

利用STK的覆蓋模塊，對BDS、BDS/IRNSS、BDS/QZSS、IRNSS/QZSS、BDS/IRNSS/QZSS組合定位方式進行覆蓋分析，由于篇幅有限只給出BDS/IRNSS/QZSS組合定位的覆蓋效果圖，覆蓋情況如圖7所示，對BDS、BDS/IRNSS、BDS/QZSS、IRNSS/QZSS的覆蓋情況僅作統(tǒng)計，我國范圍內(nèi)最小可見衛(wèi)星數(shù)、GDOP值、定位誤差的統(tǒng)計情況如表1所示。

表1 各系統(tǒng)定位性能統(tǒng)計

圖7 BDS/IRNSS/QZSS定位性能覆蓋情況

從圖7可知，BDS/IRNSS/QZSS組合定位在東北地區(qū)的最小可見衛(wèi)星數(shù)達到16顆，華南地區(qū)的最小可見衛(wèi)星數(shù)最多達到21顆，西北、西南地區(qū)的最小可見衛(wèi)星數(shù)可達到18～19顆，華北、華中、華東大部分地區(qū)的最小可見衛(wèi)星數(shù)達到19～20顆；BDS/IRNSS/QZSS組合定位在華南與西南部分地區(qū)的GDOP值最小，GDOP值基本保持在1.4左右，華東、華北大部、東北小部地區(qū)的GDOP值在1.6左右，東北大部分地區(qū)的GDOP值達到1.7左右，其余地區(qū)的GDOP值在1.5左右；BDS/IRNSS/QZSS組合定位誤差的覆蓋情況與GDOP值的覆蓋情況基本一致，其中，華南、西南、華中大部分地區(qū)的定位誤差最小，保持在5.5～6.0 m左右，西北、西南小部分地區(qū)、華北、華東部分地區(qū)定位誤差在6.5～7.0 m之間，其余地區(qū)的定位誤差達到7.0～7.5 m。

通過比較發(fā)現(xiàn)，BDS/IRNSS/QZSS組合比單BDS定位的最小可見衛(wèi)星數(shù)增加了6～8顆，GDOP值減小了0.3～0.5，定位誤差減小了2.0～3.0 m；BDS/QZSS組合與單BDS定位的定位性能基本相同，沒有大的提升；BDS/IRNSS組合比單BDS定位時最小可見衛(wèi)星數(shù)增加了5～7顆，GDOP值減小了0.4～0.6，定位誤差減小了1～2 m；IRNSS相比QZSS系統(tǒng)對BDS在我國定位性能的提升作用要大，在華南地區(qū)的定位精度提升的最為明顯，華中、西北、東北地區(qū)的定位精度提升則較?。籅DS/IRNSS/QZSS組合定位無論在最小可見衛(wèi)星數(shù)、GDOP值、定位精度上都優(yōu)于BDS/IRNSS組合，BDS/IRNSS組合優(yōu)于BDS/QZSS組合定位精度，BDS/QZSS組合優(yōu)于單BDS定位精度，IRNSS/QZSS組合定位精度最差；RNSS與QZSS的加入，增加了可見衛(wèi)星數(shù)，空間衛(wèi)星幾何分布得到了優(yōu)化，定位精度得到了提高，GDOP值與定位誤差變化的更加平緩，組合后的定位性能更加穩(wěn)定。

4 結(jié) 論

1)通過對北京、上海、廣州、蘭州、拉薩、哈爾濱觀測站的覆蓋分析發(fā)現(xiàn)，BDS/IRNSS/QZSS組合定位，增加了最小可見衛(wèi)星數(shù)，降低了GDOP值，抑制了單BDS定位時GDOP值與定位誤差的波動異常，提高了導航定位的精度與系統(tǒng)穩(wěn)定性。

2)BDS/IRNSS/QZSS組合定位時，我國的最小可見衛(wèi)星數(shù)可達16～21顆，華南地區(qū)的衛(wèi)星數(shù)最大能達到21顆，東北地區(qū)的最小可見衛(wèi)星數(shù)最少有16顆；GDOP值在1.4～1.7之間，華南與西南部分地區(qū)的GDOP值最小，東北大部分地區(qū)的GDOP值最大；定位誤差處于5.5～7.5 m之間，華南、西南、華中大部分地區(qū)的定位誤差最小，保持在5.5～6.0 m左右，東北地區(qū)定位誤差最大，達到7.0～7.5 m。

3)BDS/QZSS組合與單BDS的定位性能基本相同，BDS/IRNSS組合比單BDS最小可見衛(wèi)星數(shù)增加了5～7顆，GDOP值減小了0.4～0.6，定位誤差減小了1～2 m，BDS/IRNSS/QZSS組合比單BDS定位的最小可見衛(wèi)星數(shù)增加了6～8顆，GDOP值減小了0.3～0.5，定位誤差減小了2.0～3.0 m，說明RNSS比QZSS對我國定位性能的提高作用較大，組合定位對華南地區(qū)的定位精度提升的最為明顯，華中、西北、東北等地區(qū)的定位精度提升則較小。

[1] 張大力.基于STK軟件的北斗導航衛(wèi)星軌道模擬[J].測繪工程,2015,24(7):10-19.

[2] 郭斐,張小紅,于興旺,等.基于STK軟件的GALILEO系統(tǒng)仿真與分析[J].測繪信息與工程,2009,34(1):3-6.

[3] 胡彩波,王宏兵,胡麗麗.STK軟件衛(wèi)星可見性和覆蓋分析[J].全球定位系統(tǒng),2009(4):39-43.

[4] 楊元喜.北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的發(fā)展、貢獻與挑戰(zhàn)[J].測繪學報,2010,39(1):1-5.

[5] 楊元喜,李征航,吳云.北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的星座及XPL性能分析[J].測繪學報,2011,40(6):68-72.

[6] 楊鑫金,徐必禮,胡楊.北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的星座性能分析[J].測繪科學,2013,38(2):8-12.

[7] 樓益棟,鄭福,龔曉鵬,等.QZSS系統(tǒng)在中國區(qū)域增強服務性能評估與分析[J].武漢大學學報(信息科學版)，2016,41(3):298-303.

[8] 李作虎,郝金明,李建文,等.QZSS對GPS區(qū)域性能增強分析[J].武漢大學學報(信息科學版)，2010,35(1):18-20.

[9] 孫宏偉,李玉莉,袁海波.日本準天頂衛(wèi)星概要[J].武漢大學學報(信息科學版)，2010,35(8):1004-1006.

[10] 馮來平,張洪,賈小林,等.IRNSS區(qū)域衛(wèi)星導航系統(tǒng)服務性能分析[J].大地測量學與地球動力學，2010,30(4):92-97.

[11] 張海忠,劉雪瑞,蓋鵬,等.基于STK的北斗區(qū)域系統(tǒng)GDOP仿真分析[J].海洋測繪,2013,33(5):31-33.

[12] 潛成勝,馬大喜.BDS/GPS/GLONASS/GALILEO組合衛(wèi)星導航系統(tǒng)仿真分析[J].城市勘測，2013(5):97-100.

[13] 李彬，李征航，劉萬科.COMPASS/GPS/GLONASS系統(tǒng)組合在中國區(qū)域的仿真分析[J].大地測量學與地球動力學,2013,33(6):94-97.

[14] 肖樂杰,孫付平,李亞萍,等.IGSO/GEO衛(wèi)星對北斗導航性能的貢獻分析[J].全球定位系統(tǒng),2016,41(3):16-20.

[15] 馬宏陽,程鵬飛,李冉,等.一種多系統(tǒng)導航快速選星方法[J].測繪工程,2016,25(1):59-64.

EvaluationofQZSS/IRNSSonpositioningperformanceenhancementofBDSinChina

XU Wei,JIA Xue,WANG Tao

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

This paper, based on BDS, QZSS and IRNSS satellite constellations simulation by STK software, selects BDS, BDS/QZSS, BDS/IRNSS, BDS/QZSS/IRNSS, QZSS/IRNSS and other positioning methods for China's single observation station and the overall minimum visible satellite number, GDOP value, positioning error coverage analysis, in order to determine the coverage of QZSS and IRNSS in our country and evaluate the performance of BDS positioning. The result shows that the BDS/QZSS/IRNSS combination in the smallest visible satellite in China can reach to the number of up to 16～21, in which the GDOP value is between 1.4～1.7, the positioning error of 5.5～7.5 m, compared with the single BDS minimum visible satellite the number increases by 6～8, and GDOP decreases by 0.3～0.5, to enhance the positioning accuracy of 2.0～3.0 m; it significantly enhances the positioning performance in Southern China while small in Northeast China.

STK; coverage; positioning performance; evaluation

著錄：徐煒,賈雪,王濤.QZSS/IRNSS對BDS在中國定位性能增強的評估[J].測繪工程，2018，27(1)：31-36.

10.19349/j.cnki.issn1006-7949.2018.01.007

2016-07-08

國家自然科學基金資助項目(41474026)；淮南礦業(yè)(集團)有限責任公司項目(HNKY-JTJS(2013)-28)；安徽省國土資源廳科技項目(2011-K-22；2011-K-18)

徐 煒(1992-)，男，碩士研究生.

P228

A

1006-7949(2018)01-0031-06

劉文霞]