北斗区域和GPS组合系统国内典型地区定位性能分析∗

郑 彤

（海军驻武汉四三八厂军事代表室 武汉 430000）

1 引言

目前，我国北斗卫星导航系统正在加紧组网建设当中，并于2012年底完成了北斗区域卫星导航系统的建设。我国已经拥有由14颗卫星组成的区域卫星导航系统，可为我国本土和周边地区提供高精度的导航定位服务［1～2］。国内外许多学者对该系统的定位性能进行了深入研究，取得了一批显著成果［3～10］。杨元喜［3～4］从卫星可见性、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方面评估了北斗区域卫星导航系统建成运行后的基本导航性能；范龙［5］、郁聪冲［6］、韩雪峰［7］、张海忠［8］、Montenbruck［9］等主要针对该系统在亚太地区的卫星可见性和几何精度因子（GDOP）进行了仿真分析，对于了解和使用该系统具有一定的参考价值。

总的看来，前人在北斗区域卫星导航系统定位性能分析方面已经取得了不少有价值的成果，但在该系统与GPS组合定位性能分析方面，更多表现为从总体上进行概略分析［11～12］，特别是对于组合系统在国内典型地区定位性能的差异缺乏深入具体的分析。鉴于此，本文运用卫星工具包STK（Satellite Tool Kit）软件［13］建立了北斗区域和GPS组合系统星座仿真场景，并在此基础上对该组合系统在国内典型地区的定位性能进行了系统分析。

2 北斗区域和GPS组合系统星座仿真

北斗区域导航系统由5颗GEO卫星、5颗IGSO卫星和4颗MEO卫星组成。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°。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，升交点赤经分别相差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°。MEO卫星轨道高度为21528km，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。

GPS全球定位系统星座由6个轨道平面24颗卫星组成，每个轨道平面4颗卫星，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°，轨道半径大约为26600km。

在STK软件中新建空白场景，根据以上信息设置北斗区域和GPS系统卫星轨道参数，

可以构建北斗区域和GPS组合系统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 北斗区域和GPS组合系统空间三维场景

图2 北斗区域和GPS组合系统地面二维场景

3 国内典型区域定位性能分析

在国内典型区域选择方面，主要选取了北京、昆明、漠河、武汉、拉萨、乌鲁木齐、曾母暗沙等7个地面站，这些站点分布代表了我国不同地域差异，如图3所示。

在STK链路对象中将各地面站与星座对象关联，仿真时间设置为2016年1月13日04：00-2016年1月14日04：00，卫星截止高度角取为10°，仿真时间条件下进行单点DOP值、可见卫星数分析。定位性能仿真分析主要分为区域分析和站点分析，区域分析基于STK软件的Coverage Definition模块，用户可以定义覆盖区域，并将区域划分为等间隔的格网。再利用Figure Of Merit模块计算出每个网格特定的覆盖品质因子，仿真得到当前卫星星座观测周期内该区域的可见卫星数、平均GDOP值和导航精度动态视频。

图3 国内地面站分布示意图

3.1 可见性分析

北斗区域和GPS组合系统在各地面站点可见卫星数如图4所示。

图4 北斗区域和GPS组合系统在中国各站点的可见卫星数

由图4可知，北斗区域和GPS组合系统在中国各站点的可见星数最少11颗，最多21颗。

为便于分析比较，将各站点北斗区域卫星导航系统、GPS以及二者组合后可见卫星数分别进行统计，结果如表1和表2所示。

由表1和表2可知，在国内各站点，北斗区域卫星导航系统平均可见卫星数比GPS多2～4颗，这说明北斗区域卫星导航系统国内卫星可见性优于GPS；二者组合后卫星可见性明显增强，平均可见卫星数在15～19颗，比北斗区域卫星导航系统至少多6颗，比GPS系统至少多8颗。

表1 各站点单系统可见卫星数

表2 各站点组合系统可见卫星数

3.2 几何精度因子分析

利用STK可以制作北斗区域和GPS组合系统在中国区域GDOP值动态变化视频，图5为该视频截图，武汉站点GDOP值变化如图6所示。

图5 北斗区域和GPS系统在中国区域GDOP值动态变化截屏

图6 北斗区域和GPS组合系统武汉站GDOP值变化图线

图5 表明，北斗区域和GPS组合系统在中国区域GDOP值均在4以下，由图6并经计算可知，北斗区域和GPS组合系统在武汉站GDOP最小值为1.22，最大值为2.02。

为便于分析比较，将各站点北斗区域卫星导航系统、GPS以及二者组合后GDOP值分别进行统计，结果如表3和表4所示。

表3 各站点单系统GDOP值

由表3和表4可以看出，在GDOP平均值方面，北斗区域卫星导航系统略大于GPS，平均值最小为2.28，最大为3.85，组合系统GDOP平均值均在2.0以下，最小仅为1.39，相比单系统提高非常明显。

4 结语

本文利用STK软件对北斗区域和GPS组合系统卫星星座进行了仿真，计算了北京、昆明、漠河、武汉、拉萨、乌鲁木齐、曾母暗沙等国内典型地区的可见卫星数和GDOP值，得到结论如下：

1）在国内各站点，北斗区域卫星导航系统国内卫星可见性优于GPS，平均可见卫星数比GPS多2～4颗；在GDOP平均值方面，北斗区域卫星导航系统略大于GPS。

2）北斗区域卫星导航系统和GPS组合后卫星可见性明显增强，平均可见卫星数在15～19颗，GDOP平均值均在2.0以下，最小仅为1.39，定位性能相比单系统有显著提高。