北斗区域卫星导航系统和GPS定位性能仿真分析*

孙　岚　李厚朴　张植辉

(1.海军司令部航海保证部　北京　100841)(2.海军工程大学导航工程系　武汉　430033)



北斗区域卫星导航系统和GPS定位性能仿真分析*

孙岚1李厚朴2张植辉2

(1.海军司令部航海保证部北京100841)(2.海军工程大学导航工程系武汉430033)

摘要为掌握北斗区域卫星导航系统在国内外典型区域内的定位性能，同时与GPS进行比对，利用STK软件建立了北斗区域星座和GPS星座，在此基础上对武汉、北京、喀什、关岛、索马里、堪培拉等地区的卫星可见性和几何精度因子进行了仿真分析。研究结果可为北斗卫星导航系统的建设与应用提供参考。

关键词北斗区域卫星导航系统; GPS; STK; 可见性; 几何精度因子

Class NumberTN967; V474

1引言

2012年12月27日，北斗区域卫星导航系统开始向中国及周边地区提供连续的导航定位和授时服务[1]。北斗卫星导航系统的三步走发展战略[2]完成了第二步，已有学者对该系统的定位性能进行了分析，以全面了解其定位精度、可见性。杨元喜[1]初步评估了北斗区域卫星导航系统建成运行后的基本导航定位性能，包括卫星可见性、位置精度衰减因子、伪距和载波相位观测量精度、单点定位和差分定位精度以及模糊度解算性能等;张海忠[3]评估了该系统在中国各个地区的覆盖情况，对该系统在中国境内的几何精度因子GDOP进行了仿真分析;韩雪峰[4]对北斗区域卫星导航系统在中国地区的卫星可见性进行了仿真分析;范龙[5]引入了加权几何精度因子(WGDOP)，利用模拟观测数据对北斗二代卫星导航系统在中国境内的定位精度进行了分析;陈岩[6]从北斗区域卫星导航系统星座的整体覆盖性能、对我国境内及我主要战略方向的覆盖情况、星座中三种卫星对于GDOP的影响情况和星座的冗余性四个方面进行了仿真分析。

总的看来，前人在北斗区域卫星导航系统的卫星可见性和几何精度因子分析两方面已经开展了一定的研究，并取得了不少有价值的成果，但这些研究主要集中在中国境内，对于国外区域的研究或者没有涉及，或者仅从总体上进行概略分析，特别是对于该系统与GPS在国内外定位性能的差异缺乏分析比较。有鉴于此，本文运用卫星工具包STK(Satellite Tool Kit)软件[8]对北斗区域卫星导航系统和GPS进行了星座仿真，并在此基础上对二者的定位性能进行了系统分析。

2北斗区域卫星导航系统和GPS星座仿真

2.1北斗区域卫星导航系统星座仿真

北斗卫星导航系统由三类卫星星座组成，分别是五颗地球静止同步轨道卫星(GEO)、五颗倾斜地球同步轨道卫星(IGSO)和四颗中轨道卫星(MEO)，其轨道高度和轨道平面位置不尽相同。根据北斗ICD文件[8～9]对轨道的描述：

1)GEO卫星的轨道高度为35786km，分别定点于东经58.75°、80°、110.5°、140°和160°;

2)IGSO卫星的轨道高度为35786km，轨道倾角为55°，分布在三个轨道面内，升交点赤经相差120°，其中三颗卫星的星下点轨迹重合，交叉点经度为东经118°，其余两颗卫星星下点轨迹重合，交叉点经度为东经95°;

3)MEO卫星轨道高度为21500km，轨道倾角为55°，回归周期为7天13圈，相位从Walker24/3/1星座中选择，第一轨道面升交点赤经为0°。四颗MEO卫星位于第一轨道面7、8相位，第二轨道面3、4相位。

基于以上信息，本文利用STK软件，建立了“5GEO+5IGSO+4MEO”的北斗区域卫星导航系统星座，其空间三维场景和地面二维场景分别如图1和图2所示。

图1　北斗区域卫星导航系统星座空间三维场景

从图1和图2可以看出，五颗GEO卫星和五颗IGSO卫星主要位于我国的经度范围之内，覆盖区域主要在亚太地区。四颗MEO卫星由于数目较少、轨道较低、且星下点轨迹绕地球旋转，对中国地区的覆盖有限。

图2　北斗区域卫星导航系统星座地面二维场景

2.2GPS星座仿真

GPS卫星星座由24颗卫星构成。这24颗卫星分布在6个地心轨道平面内，轨道接近于圆形，而且沿赤道以60°间隔均匀分布，相对于赤道面的倾斜角额定55°，轨道半径(即从地球质心到卫星的额定距离)大约为26600km。

基于以上信息，在STK软件中可以建立GPS空间三维场景和地面二维场景，分别如图3和图4所示。

图3　GPS星座空间三维场景

图4　GPS星座地面二维场景

3国内外典型区域选择

本文选择的国内外典型区域如图5所示。在国内典型区域选择方面，主要选取了武汉(30.35°N，114.17°E)、北京(39.55°N，116.24°E)、喀什(39.3°N，75.59°E)等三个地面站分别对北斗区域卫星导航系统和GPS的定位性能进行仿真分析，因为这些区域兼顾了我国的地域差异，具有较强的代表性。在国外典型区域选择方面，主要针对当前关注较多的第一、二岛链、澳大利亚和索马里海域，选取关岛(14°N，145°E)、索马里(10°N，55°E)、堪培拉(32.56°S，148.33°E)等三个地面站进行仿真分析。

图5　国内外典型区域

4国内外典型区域定位性能仿真分析

定位性能指标是衡量定位性能的一些基本参数，主要包括卫星可见性和几何精度因子。通过这些指标可以直观地了解系统的定位效果，为系统的实际应用提供参考。利用STK的Coverage Definition和Figure of Merit模块可以定义覆盖范围和评估覆盖资源的覆盖品质参数。在链路对象中将各地面站与星座对象关联，取观测时间24小时，仿真时间设置为2014年5月1日12：00到2014年5月2日12:00，利用STK软件中的report工具输出得到各地面站的卫星可见数;将覆盖品质参数(FOM)选为Dilution of Precision(DOP)，可得到北斗区域卫星导航系统和GPS在某一时刻的GDOP值分布情况。限于篇幅，国内区域方面主要给出北京的定位性能仿真图，国外区域方面主要给出索马里海域的定位性能仿真图。

4.1可见性分析

北京的北斗区域卫星导航系统和GPS可见卫星数分别如图6、图7所示。

图6　北京北斗区域卫星导航系统卫星可见数

由图6、图7并经计算可知，北京最少可见8颗、最多可见12颗北斗卫星，平均可见北斗星10颗;最少可见7颗、最多可见10颗GPS卫星，平均可见GPS星数在8.5颗左右。

图7　北京GPS卫星可见数

索马里北斗区域卫星导航系统和GPS可见卫星数分别如图8、图9所示。

图8　索马里北斗区域卫星导航系统卫星可见数

图9　索马里GPS卫星可见数

由图8、图9并经计算可知，索马里海域最少可见7颗、最多可见12颗北斗卫星，平均可见北斗星为8.4颗;最少可见8颗、最多可见11颗GPS卫星，平均可见星数在9.6颗左右。

为便于进一步分析比较，将各站点北斗区域卫星导航系统和GPS卫星可见数进行统计，如表1所示。

由表1可知，在国内区域，武汉、北京北斗区域卫星导航系统卫星可见数比GPS卫星可见数多1～2颗，喀什北斗区域卫星导航系统与GPS卫星可见星数基本一致，这说明北斗区域卫星导航系统国内卫星可见性优于GPS;在国外区域，堪培拉和关岛北斗区域卫星可见数略多于GPS卫星可见数，索马里北斗区域卫星可见数略低于GPS卫星可见数。

表1　国内外典型区域卫星可见数对比

4.2几何精度因子分析

北京站的北斗区域卫星导航系统和GPS的几何精度因子GDOP分别如图10、图11所示。

图10　北京北斗区域卫星导航系统GDOP值

图11　北京GPS GDOP值

由图10和图11并经计算可知，北京北斗区域卫星导航系统GDOP最小值为1.68，最大值为3.50，平均值为2.67;北京GPS卫星GDOP最小值为1.33、最大值为2.94，平均值为1.82。

为便于进一步分析比较，将各站点北斗区域卫星导航系统和GPS GDOP值进行统计，如表2所示。

表2　国内外典型区域GDOP值比较

由表2可以看出，各站点GDOP无论是其相对应的最值还是平均值，北斗区域卫星导航系统的GDOP值均大于GPS，也就是说，在国内外典型区域站点几何精度因子方面，GPS均优于北斗区域卫星导航系统。北斗区域卫星导航系统国外典型区域的GDOP值一般大于国内典型区域，而GPS GDOP值在国内外典型区域变化不大，分布比较均匀。

5结语

本文利用STK软件对北斗“5GEO+5IGSO+4MEO”区域星座和GPS卫星星座进行了仿真，计算了武汉、北京、喀什、堪培拉、冲绳、关岛和索马里海域等国内外典型区域可见星数和GDOP分析，得到结论如下：

1)在卫星可见性方面，北斗区域卫星导航系统在国内典型区域卫星可见性优于GPS;在国外区域，北斗区域卫星导航系统在关岛、索马里和堪培拉的卫星可见数最小值为7，最大值为13，具备良好的定位条件，堪培拉和关岛北斗区域卫星可见数略多于GPS卫星可见数，索马里北斗区域卫星可见数略低于GPS卫星可见数。

2)在几何精度因子方面，GPS在国内外典型区域均优于北斗区域卫星导航系统。北斗区域卫星导航系统国外典型区域的GDOP值一般大于国内典型区域，而GPS GDOP值在国内外典型区域变化不大，分布比较均匀。北斗区域卫星导航系统在国外典型区域平均值最小为2.71，最大为3.13，均达到优良水平，可以满足导航定位需求。

参 考 文 献

[1] 杨元喜,李金龙,王爱兵,等.北斗区域卫星导航系统基本导航定位性能初步评估[J].中国科学:地球科学,2014,44:72-81.

[2] 杨元喜.北斗卫星导航系统的进展、贡献与挑战[J].测绘学报,2010,39(1):1-5.

[3] 张海忠,刘雪瑞,盖鹏飞,等.基于STK的北斗区域系统GDOP仿真分析[J].海洋测绘,2013,33(5):31-33.

[4] 韩雪峰,李建文,于胜利,等.区域卫星导航系统覆盖性能分析[J].测绘与空间地理信息,2014,37(3):149-150.

[5] 范龙,柴洪州.北斗二号卫星导航系统定位精度分析方法研究[J].海洋测绘,2009,29(1):25-27.

[6] 陈岩,董淑福,陈晖,等.BD-2几何精度因子仿真分析[J].通信技术,2010,43(3):112-114.

[7] 杨颖,王琦.STK在计算机仿真中的应用[M].北京:国防工业出版社,2005:1-14.

[8] 中国卫星导航系统管理办公室.北斗卫星导航系统空间接口控制文件(公共服务信号BI(1.0版))[S].2012:1-2.

[9] 边少锋,纪兵,李厚朴.卫星导航系统概论[M].北京:测绘出版社,2015:162-164.

收稿日期：2016年1月8日,修回日期：2016年2月16日

基金项目：国家自然科学基金项目(编号：41274013；41471387)资助。

作者简介：孙岚，女，博士，工程师，研究方向：海洋测绘。李厚朴，男，博士，讲师，研究方向：卫星导航。张植辉，男，研究方向：卫星导航。

中图分类号TN967; V474

DOI：10.3969/j.issn.1672-9730.2016.07.020

Positioning Performance Simulation Analysis of BeiDou Regional Navigation Satellite System and GPS

SUN Lan1LI Houpu2ZHANG Zhihui2

(1.Navigation Guarantee Department of Chinese Navy Headquarters, Beijing100841)(2.Department of Navigation, Naval University of Engineering, Wuhan430033)

AbstractIn order to master the positioning performance of the BeiDou regional navigation satellite system and its comparison with GPS, the “5GEO+5IGSO+4MEO” BeiDou regional and GPS constellations using STK software are simulated. Based on this simulation, the satellite visibility and GDOP value in some typical foreign regions such as Wuhan, Beijing, Kashi, Canberra, Guam and Somalia sea area are systematically analyzed. The results can provide reference for the construction and application of BeiDou navigation satellite system.

Key WordsBeiDou regional navigation satellite system, GPS, STK, visibility, GDOP