基于BDSim的BDS与GPS仿真分析

王益山 王直 束秋霞

摘 要：为了对尚未组网完成的北斗卫星导航系统（BDS）进行性能评估，使用BDSim软件对BDS与GPS的各项定位性能进行仿真和对比，为BDS组合定位提供一定的理论参考。通过对仿真结果中可见星数与GDOP值的分析，确定BDS的定位性能。与GPS仿真结果相比，BDS的可见星数与GDOP值略有不足，但BDS依旧有不错的性能表现。可见BDS虽然尚未组网完成，但依旧可为全球提供较为精确的定位服务。

关键词：BDSim;GDOP值;北斗导航系统;GPS导航系统;组合导航

DOI：10. 11907/rjdk. 182224

中图分类号：TP319文献标识码：A文章编号：1672-7800（2019）003-0139-04

0 引言

北斗卫星导航系统（BeiDou Navigation Satellite System）是继美国 GPS、俄罗斯 GLONASS 后第3个进入 GNSS（全球定位导航系统）俱乐部的导航系统，它是具有完全自主知识产权并被世界卫星导航委员会认可的系统[1]。2012年底我国宣布正式运行服务亚太地区的区域性卫星导航系统，北斗全球卫星导航系统仍在建设中，预计2020 年完成[2]。我国已充分认识到BDS对国家经济发展和战略安全的至关重要性[3]。虽然北斗三代卫星导航系统尚未完全建成，但北斗已經开始提供导航服务。北斗三号增加了星间链路、全球搜索救援等新功能，播发更优的导航信号，采用了新一代铷原子钟和被动型氢原子钟结合方式，稳定度达到E-15量级，整体性能大幅提升[4]。目前正在进行组网卫星的在轨测试、系统集成与性能评估，初步结果表明卫星在轨状态良好，性能满足指标要求。北斗区域卫星导航系统在亚太地区具有良好的几何覆盖， 可满足不同用户的导航定位需求[5]。系统建成后，将提供授权、公开、广域差分和短报文4种服务[6]，定位精度优于10m，授时精度优于20n，测速精度0.2m/s[7]，多星座数据融合有很多优势[8]。

BDS/GPS融合定位已有很多研究成果[9-13]，但大多针对单点定位或短基线相对定位，且实验区域较小。鉴于上述背景，本文通过BDSim仿真软件对BDS与GPS在世界主要区域的可见性及覆盖品质进行仿真与分析，为北斗实际应用提供分析参考。

1 BDSim软件

北斗开放实验室发起单位之一的湖南省工程研究中心天衡团队耗时两年精心研制了BDSim，是国内首个卫星导航仿真试验平台，也是全球首款系统仿真开源软件。BDSim可模拟卫星运行真实环境，提供多样化仿真场景服务以及数据分析、数据共享和多种模型验证服务，能直观、全面地展现卫星导航系统的运作机理及运行流程。BDSim以专业特色、兼容并包为理念，构建了系统级仿真对象，具备空间段、地面段、用户段和环境段等全系统仿真功能，支持全系统场景设计和仿真;具备丰富全面的仿真产品，可生成轨道、钟差、电离层、各类观测数据等，支持Rinex格式和自定义数据文本格式数据的存储导出;此外，BDSim还具备与卫星导航信号模拟源及与现有卫星导航数据处理软件兼容及交互功能[14]。本文使用BDSim软件进行仿真，仿真时间为24h，仿真步长为300s。

2 定位精度因子DOP

在卫星导航定位系统中，定位误差主要取决于接收机等效测距误差和精度衰减因子DOP。本文使用几何精度因子（Dilution of Precision，DOP也翻译为精度衰减因子）衡量观测卫星的空间几何分布对定位精度的影响。DOP分为以下几种：三维位置精度因子（Position Dilution of Precision，PDOP）：为纬度、经度和高程等误差平方和的开根号值;钟差精度因子（Time Dilution of Precision，TDOP）：为接收机内时表偏移误差值;水平分量精度因子（Horizontal Dilution of Precision，HDOP）：为纬度和经度等误差平方和的开根号值;垂直分量精度因子（Vertical Dilution of Precision，VDOP）。DOP值的大小与定位的误差成正比，DOP值越大，定位误差越大，定位精度越低。

多系统组合定位具有可见卫星数（Visible Satellite Number，VSN）多、定位精度高等优点，所以多系统组合研究显得尤为重要[16]。研究过程中不仅对比BDS和GPS的定位能力，还加入了组合定位的仿真对比。

3 卫星导航系统可见星数分析

导入BDSim自带的北斗导航卫星星座后，可得到如图 1 的卫星二维分布、星下轨迹图及可见星数评估。

研究过程中， 将截止高度角设置为5°，仿真可见星数，如图2是测试时段内某时刻位于北京的接收机的可见卫星数。

对日常生活进行定位时，地面接收至少4个位置卫星所发送的卫星广播信号，便能联立定位方程组，解算出自己所处位置[17]。图3是北京附近测试区域24h内的北斗卫星导航系统的可见星数仿真，全时段最小值为6，最大值为12，平均值为8.5，始终保持大于4颗，达到定位的可见星数要求。

图4是北京附近测试区域24h内的GPS卫星导航系统的可见卫星数仿真，对比图3可以看出，GPS可见星数略多于BDS的可见星数，并且可见星数的曲线更加平缓。仿真期间，GPS的可见星数全时段最小值为8，最大值为15，平均值为11.3，GPS的可见星数明显优于BDS。不过因为北斗尚未组网完成，这种情况也是可预见的。

图5是北京附近测试区域24h内BDS和GPS组合可见卫星数，很明显，在BDS和GPS组合定位的情况下，可以保证可见星数始终大于14，全时段的可见星数平均值为19.8，在可见星数充足的情况下保证在定位时段可选择的卫星更多。仿真表明在北斗组网尚未完成时，利用BDS和GPS的组合定位既可保证定位的独立性，又可在某些BDS单独定位效果不好时进行BDS和GPS的组合定位，以保证定位精度。

4 GDOP性能仿真分析

精度衰减因子（Dilution of Precision，简称 DOP）是位置质量的重要参数。DOP 直接受被接收卫星和接收机的几何形状影响，所以通过 DOP 值可以衡量该星座得到的位置精度。小的 DOP 值代表较好的卫星几何位置和较高的精度概率，大的 DOP 值代表较差卫星几何位置和较低精度概率。DOP 值的好坏按表 1 分等级[18]。定位精度是人们最关心的问题之一，而影响定位精度高低的关键因素是空间卫星的几何分布。几何精度因子（GDOP）是反映定位精度与卫星几何分布关系的指标[19]。

对北京附近测试区域的GDOP性能进行仿真分析。图6是北京附近测试区域24h内BDS的GDOP性能仿真分析，GDOP全时段最小值为1.268，全时段最大值为2.75，全时段平均值为1.91，一天之内GDOP 变化幅度不大，总体GDOP性能良好。根据表1与图6可以看出，一般情况下可通过BDS获得较为精确的定位信息。图7是北京附近测试区域24h内GPS的GDOP性能仿真分析，GDOP全时段最小值为1.06，最大值为2.63，平均值为1.496。对比BDS的GDOP仿真结果可以看出，虽然BDS的GDOP仿真结果略差于GPS的GDOP仿真结果，但两者差距并不大。图8是北京附近测试区域24h内的BDS和GPS组合定位时的GDOP性能仿真分析，GDOP全时段最小值为0.816，最大值为1.62，平均值为1.094。从BDS与GPS的组合定位GDOP仿真结果可以看出， GDOP性能显著提升，根据表1可以看出全时段的GDOP平均值接近最优。

5 卫星导航系统性能仿真分析

我国境内大部分地区GEO卫星的可见性为100%，星座对定位结果贡献最大。虽然GEO卫星的可见性不随位置的改变而变化，但因为其空间位置相对固定，不同纬度测站传播距离、卫星高度角等不同，定位性能也会有差异[20]，因此本文对全球范围内的GDOP性能表现进行了仿真研究。表2为24h内世界主要区域使用BDS定位仿真的GDOP，总体来看BDS在全球范围内定位效果较为稳定， BDS在所有的测试区域可保证GDOP值不超过3，这表明BDS在全球范围可以提供较为精确的定位结果。

表3 是24h内世界主要区域使用GPS定位仿真的GDOP，对比表2，GPS的覆盖性能均优于BDS，说明在未组网完成时BDS的定位效果是略低于GPS的。表4 是BDS与GPS组合定位下，24h内世界主要区域的GDOP仿真结果，很显然，组合定位可以提供更为稳定和精确的定位效果。在组合定位的情况下，几乎可以获得最优的GDOP值。

6 截至角对BDS定位的影响

实际定位中某些环境对卫星的个数以及仰角要求更加严格，卫星信号可能会被高楼等建筑物遮挡，同时到达接收机的卫星信号也可能夹杂着多路径误差的反射信号，对定位结果造成影响[21]。为了仿真实际情况下的接收机定位效果，本文通过不同截至角的定位仿真来对比。图9是位于北京截止高度角设置为5°的接收机24h内BDS的GDOP性能的仿真结果，仿真时间内GDOP值始终小于3，可以提供优秀的定位效果。

但实际定位过程中由于有各种遮挡物，会对接收到的卫星数目有影响，这种情况下把接收机截止高度设置为7°，得到图10。在截止高度角为7°的情况下，GDOP值仍可保持小于4，并且除了部分时间外，GDOP的值变化也较为平缓，可以提供良好的较为稳定的定位效果。当将截止高度角提高到10°時， GDOP值会在一段时间内明显增大，说明在这段时间内可见卫星的空间分布不好。如果使用组合定位，更多的可见卫星加入计算将会减轻这种情况。以上说明，即使在北斗卫星导航系统尚未组网完成的情况下，BDS也能基本满足日常定位需求，而如果使用组合定位则可满足更高的要求。

7 结语

本文使用BDSim软件，对尚未组网完成的北斗三代导航系统、GPS导航系统以及BDS和GPS组合定位进行了仿真，得到了尚未组网完成的北斗三代星座二维星下轨迹图。对BDS、GPS以及BDS和GPS组合定位的可见星数进行了仿真分析。从仿真结果可以看出星座的可见星数均大于4，满足最少可见星数的定位要求。对GDOP值进行了仿真计算，BDS虽然在稳定性和精度上和GPS相比略有不足，但BDS依旧能为用户提供较高精度的导航定位服务。根据仿真结果，在BDS尚未组网完成时，选择以BDS与GPS的组合可达到更为精确的定位，并可预防GPS停止提供定位服务时导致的无法定位情况，本文所做工作可为全球定位服务提供参考。

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（责任编辑：杜能钢）