雷俊科

（西安科技大学电控学院，西安 710054）

BDS和GPS导航系统亚太地区定位性能分析

雷俊科

（西安科技大学电控学院，西安 710054）

通过仿真在轨的北斗卫星和GPS卫星，利用STK覆盖功能分析北斗、GPS和北斗/GPS组合导航系统在亚太地区的定位性能，并比较北斗/GPS组合卫星导航系统与单系统相比的优势。仿真结果表明北斗/GPS组合卫星导航系统在亚太地区有更好的可用性，能提供更高精度的导航定位服务。

北斗二代，亚太地区，DOP，仿真

0 引言

北斗卫星导航系统（BeiDou Navigation Satellite System）是中国正在实施的自主发展、独立运行的全球卫星导航系统。2012年10月25日23时33分，我国在西昌卫星发射中心用“长征三号丙”运载火箭，成功将第十六颗北斗导航卫星发射升空并送入预定转移轨道。这是一颗地球静止轨道卫星，将与先期发射的十五颗北斗导航卫星组网运行，形成区域服务能力。按照“三步走”的总体规划，北斗卫星导航系统将于2013年初向亚太大部分地区提供正式服务。鉴于上述背景，本文通过STK仿真软件对目前在轨的北斗卫星和GPS卫星进行建模，仿真北斗系统、GPS系统和北斗/GPS组合系统在亚太地区的定位性能，为后续北斗卫星的进一步发展使用提供依据。

1 STK软件简介

STK的全称是（Satellite Tool Kit卫星软件工具包），是由美国AGI公司开发的一款在航天工业领域应用的商业化分析软件。它作为一种可以方便快捷地分析复杂的陆、海、空、天、电（磁）任务的专业仿真平台，能够提供简单易懂的图表和文本形式的分析结果，来确定最优方案。STK提供分析引擎用于计算数据，并可显示多种形式的二维地图和对象目标等。STK还可以提供三维可视化模块，进行生成位置和姿态数据、可见性和覆盖分析。STK专业版还提供了轨道预报算法、姿态定义、遥感器类型和高级约束条件定义，以及卫星、城市、地面站和恒星数据库等，STK是一款用于全球卫星定位系统仿真中的强大工具［1］。

2 定位精度因子DOP分析

精度衰减因子（Dilution of Precision，DOP）是位置质量的重要参数。DOP直接受被接收的卫星和接收机的几何形状的影响。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。

精度衰减因子包括几何精度因子（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）［2］。

在卫星导航定位系统中，定位误差主要取决于两个方面：接收机等效测距误差和精度衰减因子DOP，其关系如下面公式所示：

假设

由式（1）可得：

σUERE为接收机伪距误差，σU（x）、σU（y）、σU（z）为接收机三维位置估计的均方根误差分量，σU（t）为接收机时钟的均方根误差。由式（3）～式（5）比较可知，可以通过GDOP或PDOP来衡量接收机定位精度［3］。

DOP值的好坏可按表1分等级。

3 卫星导航系统的建立

北斗卫星导航系统由5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星组成，北斗卫星导航系统对地静止卫星位于58.75°E、80°E、110.5°E、140°E和160°E，倾斜的对地同步轨道交叉节点为118°E。BDS系统在2007年4月13日发射第一颗MEO卫星，截至2013年12月，共发射14颗卫星，其中GEO卫星5颗、IGSO卫星5颗以及MEO卫星4颗。北斗卫星星座如图1所示。

表1 DOP值的等级分布

图1 北斗卫星星座

图2 GPS卫星星座

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，而且该基线星座是可以扩展的。截至2013年12月，GPS可用卫星中包括8颗Block IIA卫星、12颗Block IIR卫星、7颗Block IIR-M卫星以及4颗Block IIF卫星，总共31颗卫星在轨。GPS卫星星座如图2所示。

北斗/GPS组合卫星系统如图3所示。

图3 北斗/GPS卫星星座

4 导航系统覆盖仿真分析

利用STK中覆盖分析模块，可以分析单个或星座对象的全局和区域覆盖问题。在进行覆盖分析时，STK不仅可以提供详尽的分析报告和图表，能对覆盖的变化进行同步仿真，而且还会充分考虑所有对象的访问约束，减小计算误差［4］。

本文的仿真时间为2014年1月16日0时至2014年1月17日0时，共24 h，采样间隔为120 s。考虑到计算机性能和覆盖区域大小，本次仿真按照经纬度2.5°×2.5°的分辨率划分亚太地区，其经纬度范围为55°S～55°N，70°E～150°E，如图4所示。

图4 北斗服务区示意图

北斗/GPS组合系统在亚太地区GDOP值随时间、经度、纬度变化图如图5～图7所示。

图5 亚太地区GDOP随时间变化图

图6 亚太地区GDOP随纬度变化图

图7 亚太地区GDOP随经度变化图

由图5～图7可以得出，BDS/GPS组合卫星导航系统在亚太地区有很好地覆盖。可以达到全天候、任意位置的出色定位效果。从图中可以看出，GDOP的最大值都小于2，定位等级为优。

表2和表3为亚太地区主要城市在接收机截止高度角为10°的情况下，仿真得到BDS/GPS组合系统、BDS系统和GPS系统分别对于该城市的可见卫星数和最大GDOP值情况。

表2 亚太地区主要城市最小可见卫星数

表3 亚太地区主要城市最大DOP值

从表2和表3可以得出：BDS/GPS组合导航系统在亚太地区各主要城市都有10颗以上的最小可见卫星数，平均最大GDOP值为2.497，这为组合系统在该城市提供优良导航定位服务打下了基础。从卫星的位置分布来讲，BDS卫星在空间的分布相比GPS要好，这是由于BDS系统专门设置了GEO和IGSO为亚太地区服务。因此，在亚太地区，单系统定位BDS系统总体上要优于GPS系统。

同时可以看到，建设中的BDS系统在亚太地区边缘（例如堪培拉35°S，149°E）就无法保证有出色的定位效果。这些区域的定位主要依靠成熟的GPS系统。相信在不久的将来，随着BDS系统的全球化发展，在全球任意位置、任何时刻BDS系统都能提供良好的服务。

5 结束语

本文利用STK对北斗、GPS和北斗/GPS组合系统进行了覆盖仿真分析，通过时间、经度、纬度的GDOP变化，表明组合系统在亚太地区定位性能出色，组合导航系统比单一系统有更好的性能。亚太地区的主要城市都能得到优秀的导航定位服务。

［1］Engel T.STK User’s Manual Version 4.2.1［M］.Analytical Graphics INC（AGI），2000.

［2］邱致和，王万义.GPS原理与应用［M］.北京：电子工业出版社，2004.

［3］谢钢.GPS原理与接收机设计［M］.北京：电子工业出版社，2009.

［4］杨颖，王琦.STK在计算机仿真中的应用［M］.北京：国防工业出版社，2005.

Analysis of BDS/GPS Integrated Navigation System in Asia-Pacific Region

LEI Jun-ke
（School of Electrical and Control Engineering，Xi’an University of Science and Technology，Xi’an 710054，China）

The working BDS and GPS satellites are simulated in this paper.The performance of BDS，GPS and BDS/GPS integrated navigation system is analyzed by using STK coverage tools.The result shows that BDS/GPS integrated navigation system has a better availability and it can provide more precise poisoning service.

BDS，asia-pacific region，DOP，simulation

V271.4+92

A

1002-0640（2015）06-0088-03

2014-04-19

2014-06-07

雷俊科（1960- ），男，陕西渭南人，高级工程师。研究方向：电工实验教学及实验技术、无线通信技术。