北斗區(qū)域和GPS組合系統(tǒng)國(guó)內(nèi)典型地區(qū)定位性能分析?

鄭 彤

（海軍駐武漢四三八廠軍事代表室 武漢 430000）

1 引言

目前，我國(guó)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)正在加緊組網(wǎng)建設(shè)當(dāng)中，并于2012年底完成了北斗區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的建設(shè)。我國(guó)已經(jīng)擁有由14顆衛(wèi)星組成的區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，可為我國(guó)本土和周邊地區(qū)提供高精度的導(dǎo)航定位服務(wù)［1～2］。國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)該系統(tǒng)的定位性能進(jìn)行了深入研究，取得了一批顯著成果［3～10］。楊元喜［3～4］從衛(wèi)星可見性、位置精度衰減因子、偽距和載波相位觀測(cè)量精度、單點(diǎn)定位和差分定位精度以及模糊度解算性能等方面評(píng)估了北斗區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)建成運(yùn)行后的基本導(dǎo)航性能；范龍［5］、郁聰沖［6］、韓雪峰［7］、張海忠［8］、Montenbruck［9］等主要針對(duì)該系統(tǒng)在亞太地區(qū)的衛(wèi)星可見性和幾何精度因子（GDOP）進(jìn)行了仿真分析，對(duì)于了解和使用該系統(tǒng)具有一定的參考價(jià)值。

總的看來，前人在北斗區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)定位性能分析方面已經(jīng)取得了不少有價(jià)值的成果，但在該系統(tǒng)與GPS組合定位性能分析方面，更多表現(xiàn)為從總體上進(jìn)行概略分析［11～12］，特別是對(duì)于組合系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)典型地區(qū)定位性能的差異缺乏深入具體的分析。鑒于此，本文運(yùn)用衛(wèi)星工具包STK（Satellite Tool Kit）軟件［13］建立了北斗區(qū)域和GPS組合系統(tǒng)星座仿真場(chǎng)景，并在此基礎(chǔ)上對(duì)該組合系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)典型地區(qū)的定位性能進(jìn)行了系統(tǒng)分析。

2 北斗區(qū)域和GPS組合系統(tǒng)星座仿真

北斗區(qū)域?qū)Ш较到y(tǒng)由5顆GEO衛(wèi)星、5顆IGSO衛(wèi)星和4顆MEO衛(wèi)星組成。GEO衛(wèi)星的軌道高度為 35786km，分別定點(diǎn)于東經(jīng)58.75°、80°、110.5°、140°和160°。IGSO衛(wèi)星的軌道高度為35786km，軌道傾角為55°，分布在三個(gè)軌道面內(nèi)，升交點(diǎn)赤經(jīng)分別相差120°，其中三顆衛(wèi)星的星下點(diǎn)軌跡重合，交叉點(diǎn)經(jīng)度為東經(jīng)118°，其余兩顆衛(wèi)星星下點(diǎn)軌跡重合，交叉點(diǎn)經(jīng)度為東經(jīng)95°。MEO衛(wèi)星軌道高度為21528km，軌道傾角為55°，回歸周期為7天13圈，相位從Walker24/3/1星座中選擇，第一軌道面升交點(diǎn)赤經(jīng)為0°。四顆MEO衛(wèi)星位于第一軌道面7、8相位、第二軌道面3、4相位。

GPS全球定位系統(tǒng)星座由6個(gè)軌道平面24顆衛(wèi)星組成，每個(gè)軌道平面4顆衛(wèi)星，而且沿赤道以60°間隔均勻分布，相對(duì)于赤道面的傾斜角額定55°，軌道半徑大約為26600km。

在STK軟件中新建空白場(chǎng)景，根據(jù)以上信息設(shè)置北斗區(qū)域和GPS系統(tǒng)衛(wèi)星軌道參數(shù)，

可以構(gòu)建北斗區(qū)域和GPS組合系統(tǒng)空間三維場(chǎng)景和地面二維場(chǎng)景，分別如圖1和圖2所示。

圖1 北斗區(qū)域和GPS組合系統(tǒng)空間三維場(chǎng)景

圖2 北斗區(qū)域和GPS組合系統(tǒng)地面二維場(chǎng)景

3 國(guó)內(nèi)典型區(qū)域定位性能分析

在國(guó)內(nèi)典型區(qū)域選擇方面，主要選取了北京、昆明、漠河、武漢、拉薩、烏魯木齊、曾母暗沙等7個(gè)地面站，這些站點(diǎn)分布代表了我國(guó)不同地域差異，如圖3所示。

在STK鏈路對(duì)象中將各地面站與星座對(duì)象關(guān)聯(lián)，仿真時(shí)間設(shè)置為2016年1月13日04：00-2016年1月14日04：00，衛(wèi)星截止高度角取為10°，仿真時(shí)間條件下進(jìn)行單點(diǎn)DOP值、可見衛(wèi)星數(shù)分析。定位性能仿真分析主要分為區(qū)域分析和站點(diǎn)分析，區(qū)域分析基于STK軟件的Coverage Definition模塊，用戶可以定義覆蓋區(qū)域，并將區(qū)域劃分為等間隔的格網(wǎng)。再利用Figure Of Merit模塊計(jì)算出每個(gè)網(wǎng)格特定的覆蓋品質(zhì)因子，仿真得到當(dāng)前衛(wèi)星星座觀測(cè)周期內(nèi)該區(qū)域的可見衛(wèi)星數(shù)、平均GDOP值和導(dǎo)航精度動(dòng)態(tài)視頻。

圖3 國(guó)內(nèi)地面站分布示意圖

3.1 可見性分析

北斗區(qū)域和GPS組合系統(tǒng)在各地面站點(diǎn)可見衛(wèi)星數(shù)如圖4所示。

圖4 北斗區(qū)域和GPS組合系統(tǒng)在中國(guó)各站點(diǎn)的可見衛(wèi)星數(shù)

由圖4可知，北斗區(qū)域和GPS組合系統(tǒng)在中國(guó)各站點(diǎn)的可見星數(shù)最少11顆，最多21顆。

為便于分析比較，將各站點(diǎn)北斗區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)、GPS以及二者組合后可見衛(wèi)星數(shù)分別進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如表1和表2所示。

由表1和表2可知，在國(guó)內(nèi)各站點(diǎn)，北斗區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)平均可見衛(wèi)星數(shù)比GPS多2～4顆，這說明北斗區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)國(guó)內(nèi)衛(wèi)星可見性優(yōu)于GPS；二者組合后衛(wèi)星可見性明顯增強(qiáng)，平均可見衛(wèi)星數(shù)在15～19顆，比北斗區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)至少多6顆，比GPS系統(tǒng)至少多8顆。

表1 各站點(diǎn)單系統(tǒng)可見衛(wèi)星數(shù)

表2 各站點(diǎn)組合系統(tǒng)可見衛(wèi)星數(shù)

3.2 幾何精度因子分析

利用STK可以制作北斗區(qū)域和GPS組合系統(tǒng)在中國(guó)區(qū)域GDOP值動(dòng)態(tài)變化視頻，圖5為該視頻截圖，武漢站點(diǎn)GDOP值變化如圖6所示。

圖5 北斗區(qū)域和GPS系統(tǒng)在中國(guó)區(qū)域GDOP值動(dòng)態(tài)變化截屏

圖6 北斗區(qū)域和GPS組合系統(tǒng)武漢站GDOP值變化圖線

圖5 表明，北斗區(qū)域和GPS組合系統(tǒng)在中國(guó)區(qū)域GDOP值均在4以下，由圖6并經(jīng)計(jì)算可知，北斗區(qū)域和GPS組合系統(tǒng)在武漢站GDOP最小值為1.22，最大值為2.02。

為便于分析比較，將各站點(diǎn)北斗區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)、GPS以及二者組合后GDOP值分別進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如表3和表4所示。

表3 各站點(diǎn)單系統(tǒng)GDOP值

由表3和表4可以看出，在GDOP平均值方面，北斗區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)略大于GPS，平均值最小為2.28，最大為3.85，組合系統(tǒng)GDOP平均值均在2.0以下，最小僅為1.39，相比單系統(tǒng)提高非常明顯。

4 結(jié)語

本文利用STK軟件對(duì)北斗區(qū)域和GPS組合系統(tǒng)衛(wèi)星星座進(jìn)行了仿真，計(jì)算了北京、昆明、漠河、武漢、拉薩、烏魯木齊、曾母暗沙等國(guó)內(nèi)典型地區(qū)的可見衛(wèi)星數(shù)和GDOP值，得到結(jié)論如下：

1）在國(guó)內(nèi)各站點(diǎn)，北斗區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)國(guó)內(nèi)衛(wèi)星可見性優(yōu)于GPS，平均可見衛(wèi)星數(shù)比GPS多2～4顆；在GDOP平均值方面，北斗區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)略大于GPS。

2）北斗區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)和GPS組合后衛(wèi)星可見性明顯增強(qiáng)，平均可見衛(wèi)星數(shù)在15～19顆，GDOP平均值均在2.0以下，最小僅為1.39，定位性能相比單系統(tǒng)有顯著提高。