论文专区▏“一带一路”区域北斗卫星导航系统定位性能分析
【编者按】为掌握北斗系统在一带一路区域定位性能，利用STK软件分别仿真北斗区域和北斗全球星座。通过建立地面观测站和观测区域，对一带一路区域可见性和几何精度因子进行了系统分析。结果表明北斗区域系统无法全面满足“一带一路”战略需要，而北斗全球系统将为战略的实施提供有力的支撑。本文发表在《海洋测绘》2017年第2期上，现编发给朋友们阅读了解。高端阳，男，1995年出生，湖南邵阳人，硕士研究生，主要从事组合导航的研究。
文/高端阳 李厚朴 段慧娟
一、引言
“一带一路”战略的提出为我国经济转型升级提供了有力支撑[1-2]，对我国现代化建设和国际地位具有深远的影响。2012年10月25日北斗区域导航系统宣告建成，2012年12月27日开始向中国及周边地区提供连续的导航定位和授时服务[3]。北斗卫星导航系统的三步走战略已完成了第二步[4-5]。随着北斗全球导航系统建设的推进，已开始服务于“一带一路”战略。为进一步深化和推进我国“一带一路”战略的实施，对北斗系统进行定位性能分析，以全面了解其在“一带一路”区域的定位性能，就显得非常及时和必要了。杨元喜[3]初步评估了北斗区域卫星导航系统建成运行后的基本导航定位性能，包括卫星可见性、位置精度衰减因子、差分定位精度等；张海忠[6]对北斗区域系统进行了几何精度因子（GDOP）仿真分析；韩雪峰[7]对北斗区域系统在中国地区的可见性进行了仿真分析；张大力[8]对北斗全球系统在中国的几个主要城市的可见性和卫星覆盖进行了仿真分析；范龙[9]引入了加权几何精度因子（WGDOP），利用模拟观测数据对北斗二代卫星系统的定位精度进行了分析；陈岩[10]从北斗区域卫星导航系统的整体覆盖性能、对我国境内及主要战略方向的覆盖情况、星座中三种卫星对于GDOP的影响情况和星座的冗余性四个方面进行了仿真分析。
总的来看，前人对北斗区域系统在中国地区的可见性和几何精度因子方面开展了一定的研究，取得了不少的成果，但这些研究主要集中在北斗区域系统，对于北斗全球系统的研究涉及较少，或者仅从宏观上分析，同时研究的范围主要集中在中国地区。随着“一带一路”战略的推进，研究分析北斗区域系统及北斗全球系统在一带一路区域的定位性能，就显得非常有必要了。运用卫星工具包STK（Satellite Tool Kit）软件[11]分别对北斗区域和全球系统进行了仿真，并在此基础上对该系统在一带一路区域的定位性能进行了系统分析。
二、北斗系统星座仿真
北斗卫星导航系统由地球同步轨道卫星(GEO)、倾斜同步轨道卫星(IGSO)和中高轨道卫星(MEO)组成，轨道高度和轨道位置不尽相同。基于STK软件分别建立不同的卫星星座。
⒈ 北斗区域系统星座仿真
北斗区域系统由5颗GEO卫星、5颗IGSO卫星和4颗MEO卫星组成。根据北斗ICD文件[12]，对轨道的描述如下。
⑴GEO卫星的轨道高度为35786km，分别定点于东经58.75°、80°、110.5°、140°和160°。
⑵IGSO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°。
⑶MEO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。根据上述参数，由STK仿真得到北斗区域系统星座的三维示意图以及星下点轨迹图，见图1。
图1 北斗区域系统的星座仿真图
⒉ 北斗全球系统星座仿真
北斗区域系统由5颗GEO卫星、3颗IGSO卫星和27颗MEO卫星组成。5颗GEO卫星与北斗区域系统相同，在此不做过多叙述。3颗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°。27颗MEO卫星，MEO卫星轨道高度为21500km，轨道倾角为55度，回归周期为7天13圈，相位从Walker27/3/9星座中选择，第一轨道面升交点赤经为0度。根据上述参数，由STK仿真即可得到北斗全球系统星座三维示意图和星下点轨迹图。
三、定位性能分析
卫星导航系统的定位性能通常由定位性能指标来衡量，主要包括卫星可见性和几何精度因子，通过这些指标可以直观的得出系统的定位性能。利用STK的Coverage Definition、Line Target和Figure of Merit模块分别定义覆盖范围、线目标和覆盖品质参数。本文覆盖范围为（10°S，70°N）、（10°W，135°E），线目标为“陆上丝绸之路”和“海上丝绸之路”，站点选取为北京、海口、阿拉木图、莫斯科、鹿特丹、内罗毕和吉隆坡，这些站点既考虑了一带一路区域的关键位置，同时兼顾了东西、南北的地域差异。覆盖品质参数以DOP值为例，观测时间为24小时，仿真时间为2016年1月12日04:00～2016年1月13日04:00，卫星截止角设置为10°。通过STK的报表输出以及动态视频输出，可得到北斗卫星导航系统在“一带一路”区域定位性能分布情况。
⒈ 可见性分析
卫星导航系统实现定位导航的首要条件是可见卫星数达到一定的数量，在无其他的辅助设备情况下，至少需要4颗可见卫星。一般情况下卫星可见数越多，定位精度就会越高，而卫星的可见性会随着时间不断变化，为了解不同时刻卫星可见数，进行可见性分析具有重要意义。
由STK仿真可以得到北斗区域系统“一带一路”区域可见星数变化的动态视频，视频截屏见图2，同时对各站点可见星数进行统计，分别计算出一天中的最大值、最小值和平均值，见表1。对北斗全球系统做同样处理，见图3和表2。表1、2的截止角为10°。
图2 北斗区域系统一带一路区域可见星数动态视频截屏
表1 北斗区域系统一带一路各站点可见星数值
可见星数 | 最大值 | 最小值 | 平均值 |
北京 | 13 | 9 | 10.5 |
海口 | 14 | 10 | 11.5 |
阿拉木图 | 12 | 8 | 9.5 |
莫斯科 | 10 | 5 | 7 |
鹿特丹 | 8 | 3 | 5.5 |
内罗毕 | 11 | 6 | 8 |
吉隆坡 | 14 | 10 | 11.5 |
图3 北斗全球系统一带一路可见星数动态视频截屏
表2 北斗全球系统一带一路各站点可见星数值
可见星数 | 最大值 | 最小值 | 平均值 |
北京 | 17 | 13 | 14.8 |
海口 | 19 | 14 | 15.8 |
阿拉木图 | 17 | 12 | 13.5 |
莫斯科 | 13 | 9 | 11.2 |
鹿特丹 | 12 | 7 | 9.4 |
内罗毕 | 13 | 10 | 10.9 |
吉隆坡 | 18 | 16 | 16.7 |
由图2、3及表1、2可以看出：
⑴北斗区域系统在中国境内可见星数较多，可达7颗以上，远离中国的“一带一路”区域可见星数相对较差，甚至在有些时候可见星数少于4颗，无法实现定位服务。
⑵待北斗全球系统建成后，可见星数有了较大的提高，“一带一路”区域可见星数均值都能达到9颗以上，能够实现全天候的导航服务。
⒉ 几何精度因子分析
为了评价卫星导航系统的定位精度，可引入DOP因子。DOP参数包括几何精度因子（GDOP）、位置精度因子（PDOP）、水平精度因子（HDOP）、垂直精度因子（VDOP）和时间精度因子（TDOP）。限于篇幅，本文以GDOP为例。GDOP是从测量误差到定位径向误差的放大倍数，与用户和卫星的相对几何关系有关，GDOP值越小定位精度越好。
由STK仿真可以得到北斗区域系统一带一路区域GDOP值变化的动态视频，同时对各站点GDOP值进行统计，分别计算出一天中的最大值、最小值、平均值和标准差，见表3。对北斗全球系统做同样处理，统计结果见表4。表3、4的截止角为10°。
表3 北斗区域系统一带一路各站点GDOP值
GDOP | 最大值 | 最小值 | 平均值 | 标准差 |
北京 | 3.47 | 1.67 | 2.79 | 0.32 |
海口 | 3.17 | 1.70 | 2.29 | 0.39 |
阿拉木图 | 5.30 | 1.42 | 3.60 | 1.08 |
莫斯科 | 14.78 | 1.82 | 5.49 | 3.21 |
鹿特丹 | 4067.366 | 2.28 | 15.88 | 115,893 |
内罗毕 | 9.50 | 1.37 | 3.06 | 1.76 |
吉隆坡 | 3.07 | 1.44 | 2.10 | 0.38 |
表4 北斗全球系统一带一路各站点GDOP值
GDOP | 最大值 | 最小值 | 平均值 | 标准差 |
北京 | 2.33 | 1.30 | 1.64 | 0.18 |
海口 | 2.26 | 1.21 | 1.62 | 0.26 |
阿拉木图 | 2.23 | 1.30 | 1.74 | 0.22 |
莫斯科 | 3.01 | 1.42 | 1.82 | 0.28 |
鹿特丹 | 2.91 | 1.45 | 1.94 | 0.37 |
内罗毕 | 2.53 | 1.47 | 1.99 | 0.34 |
吉隆坡 | 1.70 | 1.27 | 1.52 | 0.43 |
由表3、4可以看出：
⑴北斗区域系统在“一带一路”区域GDOP值较大，即使在中国境内，最大值有时都会超过3.0，而远离中国区域，GDOP值变得更大，有时甚至无法计算GDOP。
⑵北斗全球系统在“一带一路”区域GDOP最大值一般都小于3.0，平均值小于2.0，且GDOP值变化较稳定，波动较小。
⒊ 导航精度分析
STK软件提供了导航精度仿真功能，将覆盖品质参数（FOM）选为Navigation Accuracy，直接仿真得到站点或区域的定位精度变化情况。
由STK仿真可以得到北斗区域系统“一带一路”区域导航精度变化的动态视频，同时对各站点导航精度进行统计，分别计算出一天中的最大值、最小值、平均值和标准差，如表5所示。对北斗全球系统做同样处理，统计结果如表6。表5、6的截止角为10°。
表5 北斗区域系统一带一路各站点导航精度值
导航精度 | 最大值 | 最小值 | 平均值 | 标准差 |
北京 | 17.37 | 8.37 | 13.93 | 1.60 |
海口 | 15.86 | 8.48 | 11.43 | 1.97 |
阿拉木图 | 26.48 | 7.12 | 18.02 | 5.40 |
莫斯科 | 73.92 | 9.10 | 27.45 | 16.05 |
鹿特丹 | 5865.81 | 11.39 | 65.30 | 224.97 |
内罗毕 | 47.49 | 6.87 | 15.28 | 8.79 |
吉隆坡 | 15.34 | 7.19 | 10.48 | 1.91 |
表6 北斗全球系统一带一路各站点导航精度值
导航精度 | 最大值 | 最小值 | 平均值 | 标准差 |
北京 | 11.66 | 6.52 | 8.23 | 0.90 |
海口 | 11.32 | 6.03 | 8.12 | 1.31 |
阿拉木图 | 11.16 | 6.49 | 8.70 | 1.12 |
莫斯科 | 15.02 | 7.11 | 10.21 | 1.32 |
鹿特丹 | 14.56 | 7.23 | 9.71 | 1.86 |
内罗毕 | 12.66 | 7.33 | 9.95 | 1.72 |
吉隆坡 | 8.52 | 6.33 | 7.58 | 0.72 |
由表5、6可以看出：
⑴北斗区域系统在中国境内基本可实现10m以内的定位精度，但有时定位精度也会超过10m，达到15m以上，而远离中国的“一带一路”区域，定位精度出现很大波动，有时无法准确定位。
⑵北斗全球系统在“一带一路”区域，定位精度最大值一般小于15m，平均值基本小于10m，且定位精度较稳定，无较大波动。
四、结束语
本文对“一带一路”区域定位性能进行了系统分析。利用STK软件分别对北斗区域星座和北斗全球星座进行仿真，通过建立站点和区域即点和面的方式，对可见星数、DOP值和导航精度进行了仿真，并对仿真得到的数据统计分析，结果显示：
⑴北斗区域系统在中国区域可见星数平均值在10颗左右，而远离中国的一带一路区域可见星数较少，有些时候甚至小于4颗，无法满足实现定位的最少卫星数。建成后的北斗全球系统在一带一路区域可见星数平均值基本都大于10颗，性能有较大改善。
⑵北斗区域系统在中国区域GDOP平均值都大于2.0，远离中国的区域值更大，北斗全球系统在整个“一带一路”区域GDOP平均值都小于2.0。
⑶北斗区域系统只能在较小区域提供精度优于10m的导航定位，无法实现一带一路区域的全覆盖，无法满足“一带一路”战略实施的要求，需利用其它GNSS进行组合导航。北斗全球系统导航精度有了较大提高，在整个“一带一路”区域导航精度都优于10m。
⑷未来的北斗全球系统在定位性能上较北斗区域系统有了较大的提高，完全满足“一带一路”战略。推进北斗全球导航系统建设，全面服务“一带一路”战略，加速北斗走向世界。
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