探析卫星导航系统的性能监测及评估方法

吕京龙 周锋 和毅东

摘 要：在卫星导航研究领域中，系统性能监测和评估方法的研究已经成为众多科研院所研究的重点，这是为了在众多激烈的竞争中获取卫星导航系统技术的制高点。本文基于卫星导航系统的相关内容，浅要论述北斗卫星导航系统的性能监测方法和评估方法。

关键词：卫星导航系统；性能监测；评估方法

0 引言

卫星导航系统的性能監测和评估方法是卫星导航研究领域中的重点内容，良好的监测效果可以为高精度的监测工作提供便利，完善的评估方法可以为各个领域的研究提供有力的技术的支持和数据信息，因此探析卫星导航系统的性能监测和评估方法是现阶段十分必要而又十分迫切的工作。

1 北斗卫星导航系统发展概述

北斗卫星导航系统最初是陈芳院士在1983年提出的，随后我国中国科学院众多科学家在经历数次失败的试验后建立了初步的北斗试验卫星系统。从2003年到2012年北斗试验卫星系统运行顺利，并且经过不断的升级和进步后，于2012年底，北斗卫星导航系统正式在亚太地区投入使用，这是我国在卫星导航领域中的重大突破[1]。

2 北斗卫星导航系统性能监测分析

我国北斗导航系统投入使用的时间尚短，信息网建立并不完善，但是随着研究的深入发展，对卫星导航的性能监测研究也取得了进一步的成果。

北斗卫星导航系统完好性性能分析：

卫星导航系统的完好性能能够为监测者在规定时间内提供具体的警报，如果导航系统性能受损，就会出现两种现象，其一是导航系统性能受损，但是可以向监测者发出警报，但是警报的精确度有所下降，其二是导航系统性能受损，而且无法向监测者发出警报的概率增加。对此需要加强对北斗卫星导航系统的性能监测研究和分析，提出能够增加北斗卫星导航系统完好性性能的监测方法。

通过分析不同设备接收到的GPS卫星信号和北斗卫星信号，研究双方在各自位置的坐标，对比GPS卫星信号坐标“真值”，分析北斗完好性性能指标[2]。

首先，准备GPS接收机天线、BD用户机天线，与基准站同时接通GPS卫星信号和北斗卫星信号（如图1），GPS接收机天线、BD用户机天线接收GPS卫星信号，基准站、BD用户机天线接通北斗卫星信号。其次将获取的信号坐标确定，记录相应的信息，包括GPS载波相位、北斗型号定位时刻、HPL、VPL等。之后，将GPS位置坐标计算出来，将其作为与北斗位置坐标进行参照的“真值”，利用BD用户机接收到的北斗卫星导航发射的信号确定北斗位置坐标，将其与之前得出的GPS位置坐标“真值”进行比对，此时只是进行第一步的比对。接下来利用基准站接收到的北斗卫星导航系统发送的信号坐标，以及GPS测量数据进行精确计算，求出更加确切的北斗信号坐标，再将其与GPS位置坐标“真值”进行比对，记录北斗卫星导航系统完好性性能。

当北斗卫星导航系统出现故障，使其完好性性能受损时，北斗卫星导航系统发送的信号坐标定位结果是会与GPS位置坐标值出现较大差异，此时可以需要记录下来两者之间的坐标，以及北斗信号发出时的时间，由此推算北斗系统遭受故障的时间，并记录接收机接收到告警信息的时刻。此时需要注意，如果在测试过程中并没有确定告警时刻的范围，那么通常是以用户机计算出的误差保護级时间作为告警时刻。在获得北斗系统发生故障时刻和告警信息时刻后，利用现有的数据分析系统的告警时间，进而评估北斗卫星导航系统的完好性性能。

3 北斗卫星导航系统评估方法分析

北斗卫星导航系统能够为底面研究提供全天候、高精度的导航服务和定位服务，当前关于北斗卫星导航系统性能评估方法研究多是在GPS性能评估方法的基础上，我国导航科研院所致力于研究出适合北斗系统的性能评估方法，虽然尚未取得关键性的成果，但是也得到了一定发展[3]。

3.1 北斗系统星座及覆盖性能评估方法

卫星星座由多颗卫星构成，我国北斗卫星导航系统的星座是由14个卫星构成，其中包括5颗GEO、5颗IGSO、4颗MEO，这些卫星共同组成北斗卫星导航系统星座。相互间可以互相合作，也具备各自独特的任务，例如I1和I4卫星相互之间可以传输数据，形成备份，这些构成星座的卫星都会为地面传达数据和信息，发挥导航与定位作用。

卫星星座构建起来后，就开始对底面形成覆盖性，其覆盖性的变化多和卫星的坐标和空间位置有关，地面接收机要想接收到质量较高的信号，就需要北斗卫星导航系统的卫星星座覆盖范围扩大，能够使地面接收机接收到卫星星座 传输出来的信号。目前北斗卫星导航系统星座覆盖范围中的高度截止角角度为0°、5°、10°、15°等，在这些高度截止角度下，地面接收机都会成功接收到来自北斗系统的卫星信号，不过需要注意的是，高度截止角的不同会对接收的卫星信号质量有所影响，如果需要较高质量的信号，就要在确定的高度截止角度下接收卫星信号。

3.2 北斗系统空间信号精度性能评估方法

北斗卫星导航系统空间信号精度性能评估包括对用户测距误差的评估、对用户测距速率误差的评估、对用户测距加速度误差的评估以及对世界协调时补偿误差的评估。北斗系统在具体的评估中会应用北斗URAE计算法、URRE计算法、URE计算法，这些方法都是北斗卫星导航系统为了确定空间信号精确度而设计的计算方法，是当前较为突出的性能评估方法组成部分。

4 结论

时至今日，我国自行研发的北斗区域卫星导航系统已经运作4年之久，成为我国现阶段应用的最先进的监测技术之一。未来还要继续加强对北斗卫星导航系统性能监测和评估方法的研究，促进北斗卫星导航系统的良好运行。

参考文献

[1]王天.北斗卫星导航系统授时性能评估研究[D].长安大学，2014.

[2]帅平，曲广吉，陈忠贵.卫星导航系统性能指标与评估方法[A].中国自动化学会空间及运动体控制专业委员会.全国第十二届空间及运动体控制技术学术会议论文集[C].2006：8.

[3]丁盼，席瑞杰，肖玉钢.北斗卫星导航系统用于东北地区高精度变形监测性能分析[J].测绘通报，2016，（4）：33-37.

（作者单位：北京卫星导航中心）