北斗星座导航服务性能仿真与分析

2018-07-16王菁田秋丽王晓璐

电子技术与软件工程 2018年10期

文/王菁　田秋丽　王晓璐

北斗系统是完全由我国自主研究开发的全球卫星导航系统，已于2012年实现主要针对亚太地区的导航定位服务，并计划在2020年完成共35颗卫星的星座组网建设。由于北斗系统处于建设阶段，目前尚不能实现全球范围内的全天候导航服务。

卫星导航系统的服务性能主要由可见性、精度、完好性、连续性和可用性等参数进行衡量。而用户可见卫星的数量以及几何精度衰减因子（Geometric Dilution Of Precision,简称GDOP）对上述性能指标有着重要影响。因此，本文通过对北斗系统的星座可见性和几何精度衰减因子进行研究分析，为北斗系统进一步实现全球定位提供更多的参考依据。

本文基于北斗系统现有的卫星信息，建立星座轨道仿真模型，对北斗系统的卫星可见性及几何精度衰减因子进行仿真计算，进一步实现对系统定位精度的计算，从而分析北斗星座现阶段的导航服务性能。

1　北斗星座建立

卫星导航系统主要由空间卫星星座、地面控制监测系统和用户接收机三部分组成，其中空间卫星星座主要完成各种导航信息的发射。北斗系统空间段最终将由35颗卫星组成，其中包括5颗地球静止轨道（GEO）卫星、27颗中圆地球轨道（MEO）卫星和3颗倾斜地球同步轨道（IGSO）卫星组成。目前北斗系统已发射的在轨工作卫星包括6颗GEO，8颗IGSO和8颗MEO。

参考上述星座轨道信息以及由北美防空司令部（North American Aerospace Defense Command，简称NORAD）公布的在轨卫星信息，仿真当前北斗星座轨道，如图1示。

由图1可明显观察到，现阶段的在轨工作的卫星主要覆盖在亚太地区，其中8颗IGSO卫星以“8”字形分布在中国上空，6颗GEO卫星静止的较为均匀的分布在东经58.7°到160°范围内的赤道上空，8颗MEO卫星覆盖全球。

图1：北斗全球星座分布

图2：全球卫星可见数量

2　卫星可见性分析

卫星可见性是指在最小仰角情况下，地表某点能稳定地接收到卫星发出的信号，是卫星导航定位的必要条件。利用卫星和地心以及用户三者间所形成的夹角，可用作判断卫星是否对用户可见的依据，当夹角为锐角，表明卫星对用户可见；而夹角为钝角，即卫星不可见。

对全球范围的北斗卫星系统可见性进行仿真分析，结果如图2所示。在全球范围内北斗系统可见性存在较大差距，全天平均可见星数量在2到18颗之间，这是由于北斗星座处于建设阶段造成的。在西半球部分地区中低维度地区，全天平均可见星数量低于4，完全不能实现导航定位服务。而在东半球中低纬度地区可见卫星数量较高，全天可见星平均值可达到10颗以上，这与北斗星座分布特点完全一致，分布在这一区域内的IGSO和GEO卫星对地区内的可见性有着显著的增强作用。

3　定位精度分析

卫星导航系统的精度取决于两个方面：伪距测量误差以及几何精度衰减因子（GDOP）。GDOP反映了由于卫星导航系统星座几何位置的影响造成的伪距测量误差与用户位置误差间的比例关系。GDOP值越小，表明系统提供的定位服务精度越高。通常要求GDOP值小于6，才能满足卫星系统定位服务的需求。

利于北斗星座轨道信息对观测站点的GDOP值进行计算，得到中国区域内选定几个站点的位置信息和全天GDOP值如表1所示。

由表1可知，所选站点位于中国区域内不同的经纬度，其全天GDOP值分布在1.1到3.3之间，平均值在2以下，完全满足导航服务的需求。同时在所选站点中，广州的GDOP平均值最小，哈尔滨平均值最大，GDOP平均值随着站点维度的上升而增大。

进而对整个中国区域的GDOP值进行计算，得到北斗系统在中国区域内GDOP值随经纬度的变化情况，如图3示。

由图3（a）可明显看出北斗系统在中国区域（3°N～53°N，81°E～135°E）内的GDOP平均值在2.1以下，全国均可使用北斗系统进行导航定位服务。同时，在经度方向，GDOP呈振荡变化，在81°E附近GDOP值最高，在110°E附近最低。在维度方向，GDOP值呈先上升后下降趋势，在3°N～45°N范围内，GDOP值随维度的上升而降低，在45°N～53°N，GDOP值逐渐下降，且GDOP值在低纬度范围内较低，最小GDOP值出现在3°N位置，这与北斗星座的GEO卫星排布有关。

对观测站点的全天的定位精度进行仿真计算，图4为北京站点的全天定位精度结果。

北京站点的定位精度在5.84m到14.84m之间，全天平均值为9.42m。水平定位精度平均值为4.86m，垂直定位精度平均值为6.37m。其它四个站点的定位精度值如表2示。

由表2可知，所选站点全天定位精度分布在5.4m到16.2m之间，平均值在8.02m～9.57m。其中，广州的精度平均值最小，哈尔滨平均值最大，精度随着站点维度的上升而增大，与GDOP值规律一致。