GPS/BDS/GLONASS/Galileo多系统融合在中国区域的仿真分析

徐 炜,刘 扬,严 超,王 涛,耿加伟

(安徽理工大学 测绘学院，安徽 淮南 232001)

GPS/BDS/GLONASS/Galileo多系统融合在中国区域的仿真分析

徐 炜,刘 扬,严 超,王 涛,耿加伟

(安徽理工大学 测绘学院，安徽 淮南 232001)

通过STK软件对GPS、BDS、GLONASS、Galileo四个系统的星座结构进行仿真，并选择单系统与多系统组合定位的方式对中国区域内的可见卫星数、GDOP值和定位精度进行覆盖分析。结果表明，GPS/BDS/GLONASS/Galileo四系统组合定位在我国的GDOP值可达0.7～0.8，定位精度可达3～4 m，优于其他方式的组合定位；同时四系统组合定位下的GDOP值降低，定位精度更好，GDOP值与定位精度的波动异常得到了抑制，导航定位的性能与稳定性也得到了相应的提升。

STK；可见卫星数；GDOP值；定位精度

随着GPS现代化的持续推进，BDS二代面向全球的组网，俄罗斯GLONASS的恢复，欧盟Galileo的组建，现在已经是一个GNSS多系统融合定位的时代。多系统的融合对可见卫星数的增加、卫星定位结构空间的优化、定位精度的提升以及系统的稳定性具有重大意义。

单系统定位在某些特定时刻会出现可见卫星数量少、定位精度低、稳定性差等问题，而基于GPS/BDS/GLONASS/Galileo组合的定位系统能够显著提高定位性能，减少定位盲区，增强导航定位的连续性。当前，GPS/BDS/GLONASS/Galileo四系统组合定位对某区域的研究较少，有关研究的多系统融合仿真都是针对理论设计的GNSS星座构型，与当前的实际情况相差甚远[1]。因此，本文在通过STK仿真出GPS、BDS、GLONASS、Galileo星座的基础上，对GPS、BDS、GPS/BDS、GPS/BDS/GLONASS、GPS/BDS/GLONASS/Galileo五种组合方式在中国区域的可见卫星数、GDOP和定位精度进行了对比，并对各组合系统在中国区域内的覆盖情况进行了分析。

1 星座结构仿真

目前，GPS在轨工作卫星达到31颗，分布在倾角为55°的轨道面内，每个轨道面的内卫星的数目不尽相同[2-3]。BDS二代在轨工作卫星共21颗，由6颗GEO卫星，8颗IGSO卫星，7颗MEO卫星组成，6颗GEO卫星实现了对中国区域的6重增强覆盖，8颗IGSO卫星则既充分利用GEO卫星的优点又克服了在高纬度地区低仰角的问题[4-7]。GLONASS 有24颗在轨卫星具有定位功能，GLONASS卫星均匀分布在倾角为64.8°的3个轨道面上，互成120°，同平面内的卫星之间相隔45°[2-3]。Galileo在轨工作卫星共9颗，Galileo卫星分布在3个高度为23 616 km，轨道倾角为45°的轨道上[8-10]。

GPS/BDS/GLONASS/Galileo仿真星座的星下点轨迹图如图1所示。其中，图中黑色虚线为GLONASS卫星的星下点轨迹，白色实线为BDS卫星的星下点轨迹图，绿色实线为GPS卫星的星下点轨迹图，红色间隔线为Galileo卫星的星下点轨迹，GEO卫星相对静止于东南亚赤道上空，如“8”字形的是IGSO卫星的星下点轨迹。

图1 GPS/BDS/GLONASS/Galileo星座的星下点轨迹图

2 系统仿真分析

在进行绝对定位时，卫星的连续覆盖情况可以用可见卫星数来反映，其精度可以由空间几何精度因子(GDOP)值和定位精度δ来表示[11]。

δ=UERE×PDOP.

其中:δ为定位精度，UERE为用户等效距离误差,PDOP为空间位置精度因子。等效距离误差是卫星至接收机的路径上的各种影响因素预测的伪距观测值的变化值，各定位系统的用户等效距离误差如表1所示[12]。

表1 各定位系统的用户等效距离误差

通过STK软件仿真GPS、BDS、GLONASS、GALILEO单系统与组合系统的可见卫星数、GDOP和定位精度，并对各定位系统在中国区域的覆盖情况进行分析。仿真时间为2016年9月2日0时至2016年9月3日0时，共24 h，设置采样间隔为300 s，按照3°×3°的分辨率来划分中国区域，设置截止卫星高度角为5°，并约束卫星天线辐射角度为46°[13-14]。

2.1 单站点性能分析

根据对图1的星下点轨迹的初步分析，选取中国大陆地区的6个观测站(广州、上海、郑州、西安、哈尔滨、乌鲁木齐)，这些观测站基本覆盖了中国大陆的整个区域，站点的具体位置如表2所示。

表2 站点详细分布

2.1.1 可见卫星数对比分析

由图2可以看出，6个观测站上的单GPS可见卫星数都在10～15颗之间，而单BDS可见卫星数在15～18颗之间，BDS可见卫星数比GPS稍多，归因于北斗在中国区域实现了GEO卫星与IGSO卫星的覆盖。GPS/BDS/GLONASS/Galileo四系统组合的可见卫星数最多可达42颗，最少也有30颗，这将大大增加卫星的空间几何分布，在定位时将有更多的卫星可供选择。

图2 各站点的可见卫星个数

2.1.2 GDOP值对比分析

由图3可以得出，6个观测站GPS、BDS单系统定位时的GDOP值波动较大，特别是BDS系统，GDOP值最大值达到3.0左右。GPS/BDS双系统组合定位时GDOP值有所下降，且变化稍微平缓，但仍然会出现一些小波动。GPS/BDS/GLONASS

图3 各站点的GDOP值

三系统组合定位时，GLONASS系统的加入使得GDOP值变化的更加平缓，没有出现较大的波动。GPS/BDS/GLONASS/Galileo四系统组合定位时的GDOP值分布在0.6～1.0之间，GDOP值的变化最为平缓，说明此时的卫星空间几何分布达到最佳状态。

2.1.3 定位精度对比分析

由图4知，6个观测站在GPS、BDS单系统定位时的定位精度波动较大，分布在6～12 m之间，BDS的波动比GPS的波动更大，在上海站、郑州站、西安站的最大值达到12 m。GPS/BDS双系统组合定位使得定位能力大幅提高，定位精度分布整体平缓，但仍然会出现一些小的波动，如上海站的最大值可达7 m左右。GPS/BDS/GLONASS三系统组合定位时，GLONASS系统的加入使得定位精度变化更平缓，无大的波动。GPS/BDS/GLONASS/Galileo四系统组和定位的定位精度在4 m以内，定位精度变化最为平缓。

图4 站点的定位精度

在导航定位时，GDOP值大幅度的波动将导致卫星空间分布结构的不稳定，进而直接导致定位精度的下降，影响用户的实际使用。BDS系统因其具有GEO卫星与IGSO卫星，在定位时能够保持较高的高度角，因而具有较好的可见性，能够弥补其他系统几何图形变化幅度大的缺点，降低GDOP值的波动，从而提高定位的稳定性。但是，在分析上述6个观测站时发现，四系统组合时各站的可见卫星数最小30颗，最大可以达到42颗，而GDOP值并没有明显下降，说明通过增加可见卫星数量并不都能提高定位精度，究其原因，在于不同系统卫星对空间的几何构型与定位精度的影响是不同的[15]。

2.2 中国区域性能分析

在对GPS、BDS、GLONASS、Galileo各单一系统以及多系统组合仿真后，我国大陆地区可见卫星数、GDOP值、定位精度的统计情况如表3所示。

表3 各系统在中国区域的可见卫星数、GDOP值、定位精度统计

随着卫星导航系统的不断完善，多系统间的融合将会成为一种必然趋势，四系统组合定位在中国区域的仿真覆盖情况如图5所示。

图5 GPS/BDS/GLONASS/Galileo在中国区域的覆盖情况

从表3、图5可知，GPS/BDS/GLONASS/Galileo四系统组合定位在中国大陆区域的可见卫星数将达到38～39颗，GDOP值在0.7～0.8之间，定位精度可达到3～4 m。四系统组合定位无论在可见卫星数、GDOP值、定位精度上都优于GPS/BDS/GLONASS三系统，GPS/BDS/GLONASS三系统的覆盖性能又优于GPS/BDS双系统，GPS/BDS双系统的覆盖能力优于GPS、BDS单系统。相对于单系统，多系统融合定位能够增加可见卫星数，使卫星空间几何分布更合理，提高定位精度。同时，中国区域内的GDOP与定位精度的变化更加平缓，组合后的定位系统将更加稳定。

2.3 各系统随经纬度变化性能分析

使用STK的覆盖模块，对中国大陆区域(纬度19°～53°N经度73°～135°E)进行单系统与多系统组合定位的覆盖分析，中国大陆区域内GDOP值、定位精度随经纬度的变化情况如图6—图9所示。

图6 GDOP值随经度的变化

图7 GDOP值随纬度的变化

图8 定位精度随经度的变化

图9 定位精度随纬度的变化

从上图可知，无论是随着经度还是纬度的变化，GPS/BDS/GLONASS/Galileo四系统组合定位的GDOP值、定位精度都优于GPS/BDS/GLONASS三系统组合定位，GPS/BDS/GLONASS三系统组合定位的GDOP值、定位精度优于GPS/BDS双系统组合定位，GPS/BDS双系统组合定位的GDOP值、定位精度优于单GPS、BDS系统定位。同时，多系统组合的GDOP值、定位精度变化更为平缓，说明多系统的组合能够很好地抑制单系统的GDOP值、定位精度的异常波动，能够提高定位的精度与系统的稳定性。

在单系统定位时，单BDS系统的GDOP值、定位精度都随经度的变化出现一些波动，GDOP值在1.5～3.0之间，定位精度在7.0～12.0 m之间，在81°E、107°E处的波动达到最大，这在GPS/BDS双系统组合定位时也有所体现，这是由于GEO在该区域的覆盖能力较弱些。相反，BDS系统的GDOP值、定位精度随着纬度的变化则较为平缓，是由于GEO与IGSO在纬度19°～58°N实现了完全覆盖，增强了卫星分布的几何空间结构，提高了定位精度。

3 结 论

1)GPS/BDS/GLONASS/Galileo四系统组合定位在中国区域的可见卫星数能够达到37～38颗，GDOP值达0.7～0.8，定位精度达3～4 m，GDOP值与定位精度的波动也更加平缓，相对其他方式的组合定位具有较大优势。

2)多系统组合定位时，随着可见卫星数量的增加，GDOP值随之减小，定位精度也逐步提高。但是，当可见卫星数量达到一定值时，随着可见卫星数量的增加，GDOP值与定位精度变化的并不明显，说明单纯增加观测卫星数并不能完全提高定位精度。

3)多系统组合定位，增加了可见卫星的数目，降低了GDOP值，使得GDOP值和定位精度随经纬度的变化更加平缓，抑制了单系统定位时GDOP值与定位精度的波动异常，提高了导航定位的精度与系统的稳定性。

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[责任编辑：刘文霞]

Simulation analysis of GPS/BDS/GLONASS/Galileo multi-constellation satellite system in China

XU Wei，LIU Yang，YAN Chao，WANG Tao，GENG Jiawei

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

In this paper, the constellation structures of GPS, BDS, GLONASS and Galileo are simulated with STK software, then analysis is made on the visible satellite, GDOP value and positioning accuracy in China areas with single-system and multi-system combination positioning method. The result shows that the value of GDOP can reach 0.7～0.8 when the combination of four systems is chosen in our country, and the positioning accuracy can reach 3～4 meters, which is better than other combination systems. Meanwhile, the GDOP value decreases, the positioning accuracy is higher and the abnormal fluctuation of the GDOP value and the positioning accuracy are restrained. In addition, the performance and stability of the navigation and positioning are also improved accordingly.

STK; number of visible satellites; GDOP value; positioning accuracy

著录：徐炜,刘扬,严超,等.GPS/BDS/GLONASS/Galileo多系统融合在中国区域的仿真分析[J].测绘工程，2017，26(10)：63-69.

10.19349/j.cnki.issn1006-7949.2017.10.012

2016-09-26

国家自然科学基金资助项目(41474026)

徐 炜(1992-)，男，硕士研究生.

P228

A

1006-7949(2017)10-0063-07