通信導航定位系統(tǒng)的精度評估方法及其對比

曾海濤

（西南交通大學，四川 成都 611756）

0 引 言

隨著現(xiàn)代社會的快速發(fā)展和科技進步，人們對于精確定位和導航的需求越來越高。通信導航定位系統(tǒng)作為實現(xiàn)精確定位與導航的重要手段，在民用和軍事領(lǐng)域都具有廣泛的應用前景。特別是隨著全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System，GPS）的普及和發(fā)展，通信導航定位系統(tǒng)已成為GPS 的重要補充，可以滿足更多的應用需求和場景。通信導航定位系統(tǒng)是利用衛(wèi)星定位和測量原理實現(xiàn)定位與導航功能的系統(tǒng)，包括GPS、全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（Global Navigation Satellite System，GLONASS）、北斗導航系統(tǒng)等。這些系統(tǒng)不僅可以提供高精度的位置和導航服務，還可以廣泛應用于交通運輸、智能制造、智慧城市等領(lǐng)域，為社會和經(jīng)濟的發(fā)展提供有力支撐[1]。然而，通信導航定位系統(tǒng)的定位精度和性能受到多種因素的影響，如衛(wèi)星幾何結(jié)構(gòu)、大氣層延遲、多路徑效應等。因此，對通信導航定位系統(tǒng)的精度進行評估和對比分析，對于保證系統(tǒng)性能和應用效果具有重要意義。

1 研究現(xiàn)狀

1.1 通信導航定位系統(tǒng)的基本原理和分類

通信導航定位系統(tǒng)是利用衛(wèi)星定位和測量原理實現(xiàn)定位與導航功能的系統(tǒng)，基本原理是通過衛(wèi)星發(fā)射信號，接收機接收信號并測量信號傳播時間，通過計算信號傳播時間和衛(wèi)星位置信息來確定接收機的位置。其中，衛(wèi)星位置信息通過衛(wèi)星定位測量和地面控制系統(tǒng)來獲取。

通信導航定位系統(tǒng)主要包括GPS、GLONASS 和北斗導航系統(tǒng)等。其中，GPS 是由美國發(fā)起的全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)，由一組衛(wèi)星、地面控制系統(tǒng)和用戶接收機組成，主要用于提供民用和軍事領(lǐng)域的位置及導航服務。GPS 系統(tǒng)中的衛(wèi)星軌道傾角為55°，軌道高度為20 200 km，每個衛(wèi)星的軌道周期為12 h。GLONASS 是由前蘇聯(lián)發(fā)起的全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)，由一組衛(wèi)星、地面控制系統(tǒng)和用戶接收機組成，主要用于軍事領(lǐng)域的位置和導航服務。GLONASS 系統(tǒng)中的衛(wèi)星軌道傾角為64.8°，軌道高度為19 100 km，每個衛(wèi)星的軌道周期為11 h。北斗導航系統(tǒng)是中國自主研發(fā)的全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)，也是由一組衛(wèi)星、地面控制系統(tǒng)和用戶接收機組成，主要用于提供民用和軍事領(lǐng)域的位置及導航服務。北斗導航系統(tǒng)中的衛(wèi)星軌道傾角為55°，軌道高度為35 800 km，每個衛(wèi)星的軌道周期為12 h。

這些系統(tǒng)都是通過衛(wèi)星定位技術(shù)實現(xiàn)精確定位和導航，但它們的技術(shù)細節(jié)與特點略有不同。例如，GPS 系統(tǒng)的定位精度和信號傳輸速度較高，但覆蓋范圍和信號強度等方面不如GLONASS 和北斗導航系統(tǒng)。因此，在實際應用中需要根據(jù)具體的場景和需求選擇最適合的通信導航定位系統(tǒng)。

1.2 現(xiàn)有研究的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢

目前，通信導航定位系統(tǒng)的研究主要集中在系統(tǒng)性能的提升和應用拓展方面。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展和應用需求的增加，通信導航定位系統(tǒng)的定位精度、覆蓋范圍以及魯棒性等性能指標得到了不斷提升和完善。一方面，針對定位精度的提升，目前研究主要集中在減小多路徑效應、抑制信號干擾、提高衛(wèi)星信號精度等方面。例如，通過使用多頻信號和更高精度的接收機來提高定位精度；通過使用多普勒定位技術(shù)來抑制多路徑效應；通過使用差分GPS 技術(shù)來提高定位精度等方法。另一方面，針對覆蓋范圍和魯棒性的提升，目前研究主要集中在增加衛(wèi)星數(shù)量、提高信號傳輸速度以及增強魯棒性等方面。例如，通過增加衛(wèi)星數(shù)量來提高覆蓋范圍和可用性；通過加快信號傳輸速度和增強魯棒性來增強系統(tǒng)的抗干擾能力，提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

除了性能提升方面的研究，通信導航定位系統(tǒng)在交通運輸、智能制造、智慧城市等領(lǐng)域的應用也得到了廣泛拓展。例如，在智能交通領(lǐng)域，通信導航定位系統(tǒng)可以實現(xiàn)車輛定位和導航，提高道路交通的效率和安全性；在智慧制造領(lǐng)域，通信導航定位系統(tǒng)可以實現(xiàn)工廠內(nèi)物流和設備定位，提高生產(chǎn)效率和質(zhì)量；在智慧城市領(lǐng)域，通信導航定位系統(tǒng)可以實現(xiàn)城市公共交通和緊急救援等服務，提高城市的便捷性和安全性。

總的來說，通信導航定位系統(tǒng)在性能提升與應用拓展方面仍有許多研究空間和發(fā)展?jié)摿Γ磥淼难芯糠较蛑饕ㄒ种葡到y(tǒng)的多路徑效應、加快信號傳輸速度、增強系統(tǒng)的魯棒性和安全性、拓展系統(tǒng)的應用領(lǐng)域和場景等方面。

2 常見的定位誤差指標和評估方法

通信導航定位系統(tǒng)的定位精度是系統(tǒng)性能的關(guān)鍵指標之一，其誤差大小直接影響著系統(tǒng)的定位精度和應用效果。為了對通信導航定位系統(tǒng)的定位精度進行評估和對比分析，需要選定合適的誤差指標和評估方法。常見的定位誤差指標主要包括水平誤差、垂直誤差以及時間誤差等。水平誤差和垂直誤差指定位結(jié)果與真實位置之間在水平和垂直方向上的距離誤差。水平誤差通常用水平定位誤差表示，垂直誤差通常用垂直定位誤差表示，時間誤差指定位結(jié)果與真實時間之間的差值，通常用時間定位誤差表示。

常用的評估方法包括精度評估、偏差評估以及穩(wěn)定性評估等。其中，精度評估是評估系統(tǒng)定位誤差大小的主要方法，通常采用均方誤差（Mean Squared Error，MSE）、均方根誤差（Root Mean Square Error，RMSE）和平均絕對誤差（Mean Absolute Error，MAE）等指標進行評估。MSE 是所有誤差平方和的平均值，RMSE是MSE 的平方根，MAE 是所有誤差絕對值的平均值。精度評估可以全面反映系統(tǒng)定位誤差的大小和分布情況，是評估系統(tǒng)性能的重要指標。偏差評估指評估定位誤差與真實值之間的偏差大小，通常采用均值偏差（Mean Error，ME）和百分誤差（Percentage Error，PE）等指標進行評估。ME 是定位誤差與真實值之間的平均偏差，PE 是定位誤差與真實值之間的相對偏差。穩(wěn)定性評估指評估系統(tǒng)定位誤差的穩(wěn)定性和可靠性，通常采用標準差（Standard Deviation，STD）和置信區(qū)間（Confidence Interval，CI）等指標進行評估。STD是定位誤差的標準差，CI是定位誤差的置信區(qū)間。穩(wěn)定性評估可以反映系統(tǒng)定位誤差的波動情況和可信度，是評估系統(tǒng)性能的重要補充。對通信導航定位系統(tǒng)的定位精度進行評估和對比分析，需要選定合適的誤差指標與評估方法。

3 不同通信導航定位系統(tǒng)的精度評估

通信導航定位系統(tǒng)的精度是評價其性能的關(guān)鍵指標之一。本節(jié)將評估3 個主要的全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)，即美國的GPS、俄羅斯的GLONASS 以及中國的北斗導航系統(tǒng)。

3.1 GPS 定位系統(tǒng)

GPS 是美國的衛(wèi)星導航系統(tǒng)，由分布在 6 個軌道平面上的24 顆衛(wèi)星組成，可以確保地球上任何時刻、任何地點都能接收到至少4 顆衛(wèi)星的信號。GPS 的應用范圍相當廣泛，涵蓋了交通、農(nóng)業(yè)、測繪、地質(zhì)勘探等眾多領(lǐng)域。在無干擾的情況下，普通民用GPS接收機的定位精度可以達到3 ～5 m，這種精度對于大多數(shù)日常導航和定位任務來說已經(jīng)足夠。而對于軍事和高精度專業(yè)應用，GPS 系統(tǒng)提供了更高精度的服務。通過使用精密測量和數(shù)據(jù)處理技術(shù)，如實時動態(tài)測量（Real Time Kinematic，RTK）和后差分測量（Post Processed Kinematic，PPK），專業(yè)接收機的定位精度甚至可以達到厘米級別。

但是，在實際應用中，GPS 定位精度可能受到多種因素的影響。首先，大氣條件（如電離層和對流層）會對衛(wèi)星信號產(chǎn)生延遲，導致定位誤差。盡管現(xiàn)代GPS 接收機內(nèi)置了大氣模型以減少這種影響，但仍會存在一定的誤差。其次，建筑物、山體、樹木等遮擋物可能阻礙衛(wèi)星信號的接收，尤其是在城市和森林環(huán)境中，這種影響更為顯著。此外，信號多徑效應可能導致定位誤差。

為了提高GPS 定位精度，地面增強系統(tǒng)被設計用于提供實時誤差校正。這些系統(tǒng)通過地面基站接收衛(wèi)星信號，計算誤差并通過地面基站或地球靜止軌道衛(wèi)星向用戶廣播。增強系統(tǒng)的使用可以將GPS 定位精度提高到1 ～2 m。盡管GPS 定位精度受到多種因素的影響，但通過使用增強系統(tǒng)和專業(yè)接收機，可以實現(xiàn)厘米級別的精度。此外，與其他全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)的集成也有助于進一步提高定位精度和可靠性[2]。

3.2 GLONASS 定位系統(tǒng)

GLONASS 是俄羅斯的衛(wèi)星導航系統(tǒng)，起源于20世紀70 年代。該系統(tǒng)由24 顆衛(wèi)星組成，分布在3 個軌道平面上，每個軌道平面有8 顆衛(wèi)星。這種配置確保了地球上任何地點都能接收到至少4顆衛(wèi)星的信號。與GPS 類似，GLONASS 廣泛應用于交通、航空、海運、測繪以及科研等領(lǐng)域。在正常條件下，GLONASS 的定位精度約為5 ～10 m，已足夠滿足大部分民用應用的需求。但是，專業(yè)接收機和一些高精度應用領(lǐng)域可能需要更高的定位精度。通過使用實時運動測量和后處理運動測量等技術(shù)，GLONASS 的精度可以達到厘米級別。然而，實際應用中GLONASS 的定位精度可能受到多種因素的影響。大氣條件（如電離層和對流層）對衛(wèi)星信號產(chǎn)生延遲，從而導致定位誤差。此外，建筑物、山體、樹木等遮擋物會阻礙衛(wèi)星信號的接收，尤其在城市和森林環(huán)境中，信號多徑效應也可能導致定位誤差。

GLONASS 系統(tǒng)在高緯度地區(qū)的性能可能優(yōu)于GPS，因為其衛(wèi)星軌道布局更適合這些地區(qū)。這意味著在俄羅斯北部地區(qū)，GLONASS 信號覆蓋可能比GPS更加穩(wěn)定和可靠。為了提高GLONASS的定位精度，俄羅斯建設了地面增強系統(tǒng)。這些系統(tǒng)通過地面基站接收衛(wèi)星信號，計算誤差并通過地面基站或地球靜止軌道衛(wèi)星向用戶廣播，可以將GLONASS 的定位精度提高到1 ～2 m。

盡管GLONASS 定位精度受到多種因素的影響，但通過使用增強系統(tǒng)和專業(yè)接收機，可以實現(xiàn)厘米級別的精度，而且與其他全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)（如GPS和北斗）的集成也有助于進一步提高定位精度和可靠性[3]。

3.3 北斗導航定位系統(tǒng)

北斗導航系統(tǒng)是中國的衛(wèi)星導航系統(tǒng)，目前已成功發(fā)展為一個全球覆蓋的導航系統(tǒng)，共由35 顆衛(wèi)星組成，包括3 個不同軌道類型的衛(wèi)星：地球靜止軌道（Geosynchronous Eearth Orbit，GEO）衛(wèi)星、傾斜地球同步軌道（Inclined GeoSynchronous Orbit，IGSO）衛(wèi)星和中圓地球軌道（Medium Earth Orbit，MEO）衛(wèi)星。這種混合軌道布局有助于提供高精度和高可靠性的導航服務。

在正常條件下，北斗系統(tǒng)的定位精度約為2.5 ～5 m，已經(jīng)足夠應對大多數(shù)民用導航和定位任務。同時，在專業(yè)領(lǐng)域和高精度應用場景中，北斗系統(tǒng)可以提供更高精度的服務，達到厘米級別。在一些區(qū)域，如亞洲地區(qū)，北斗的性能可能優(yōu)于GPS[4]。這主要歸功于北斗系統(tǒng)的混合軌道布局和定位信號結(jié)構(gòu)設計，使其在東經(jīng)84°至東經(jīng)160°、北緯55°以南的地區(qū)具有更好的信號覆蓋和可靠性。此外，北斗系統(tǒng)提供了一些獨特的增值服務，如短報文通信（Short Message Service，SMS）和衛(wèi)星基準增強服務（Satellite-Based Augmentation System，SBAS）。SMS 服務允許用戶發(fā)送和接收包含位置信息的文本消息，而SBAS 通過地面基站接收衛(wèi)星信號，計算誤差并通過地球靜止軌道衛(wèi)星向用戶廣播，從而提高定位精度和可靠性。

需要注意的是，實際應用中北斗定位精度可能受到大氣條件、建筑物遮擋、信號多徑效應等因素的影響。然而，通過使用增強系統(tǒng)和與其他全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)（如GPS 和GLONASS）的集成，北斗定位精度和可靠性可以得到顯著提高[5]。許多現(xiàn)代智能手機和導航設備已支持GPS、GLONASS、北斗系統(tǒng)，從而實現(xiàn)提供更高精度的定位服務。

4 對比分析

在對GPS、GLONASS 以及北斗導航系統(tǒng)的精度進行比較時，可以看到它們在性能和應用方面存在一定程度的差異。在正常條件下，GPS 的精度約為3 ～5 m，GLONASS 的精度約為5 ～10 m，而北斗系統(tǒng)的精度約為2.5 ～5 m。這表明，在一般民用導航和定位任務中，這3 個系統(tǒng)的表現(xiàn)相差無幾。然而，在專業(yè)領(lǐng)域和高精度應用場景中，通過使用RTK、PPK 等技術(shù)，這些系統(tǒng)都可以實現(xiàn)厘米級別的精度。值得注意的是，這些導航系統(tǒng)在不同地區(qū)的性能可能存在差異。例如，GLONASS 在高緯度地區(qū)（如俄羅斯北部地區(qū)）的表現(xiàn)可能優(yōu)于GPS，而北斗系統(tǒng)在亞洲地區(qū)的性能可能優(yōu)于GPS。這些差異主要源于衛(wèi)星軌道布局和定位信號結(jié)構(gòu)設計。

另外，GPS、GLONASS 以及北斗系統(tǒng)均受到大氣條件、建筑物遮擋、信號多徑效應等因素的影響。為了提高定位精度，各系統(tǒng)都采用了地面增強系統(tǒng)，如美國的廣域增強系統(tǒng)（Wide Area Augmentation System，WAAS）、俄羅斯的標準配色偏差（Standard Deviation of Coloe Matching，SDCM）和中國的北斗衛(wèi)星基準增強服務，這些增強系統(tǒng)有助于將定位精度提高到1 ～2 m。

綜合來看，這3 個全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)在精度和性能上均表現(xiàn)出較高的水平。在實際應用中，為了實現(xiàn)更高精度的定位服務，許多現(xiàn)代智能手機和導航設備已支持GPS、GLONASS 以及北斗系統(tǒng)的集成。通過融合這些系統(tǒng)的優(yōu)勢，用戶可以獲得更加精確和可靠的定位信息，滿足不同領(lǐng)域和應用場景的需求。

5 結(jié) 論

文章對通信導航定位系統(tǒng)的精度評估方法及其對比進行了研究。通過對GPS、GLONASS 以及北斗導航系統(tǒng)的精度評估和對比分析，可以發(fā)現(xiàn)不同系統(tǒng)在定位精度、覆蓋范圍、信號強度以及應用范圍等方面存在差異。因此，在實際應用中，需要綜合考慮多個性能指標，并進行優(yōu)化和選擇，以滿足不同應用場景的需求。

隨著技術(shù)的不斷發(fā)展和應用需求的增加，通信導航定位系統(tǒng)的性能指標也在不斷提高和完善。因此，未來需要繼續(xù)加強對通信導航定位系統(tǒng)的研究和優(yōu)化，以提高其定位精度、覆蓋范圍以及穩(wěn)定性等性能指標，從而更好地滿足社會發(fā)展和應用需求。此外，需要注意到通信導航定位系統(tǒng)在使用過程中可能會遭受一些干擾和攻擊，如電磁干擾、衛(wèi)星信號偽裝和惡意攻擊等。因此，未來的研究還需要關(guān)注系統(tǒng)的安全性和魯棒性，以應對這些潛在的風險與挑戰(zhàn)。