对两种卫星导航系统性能进行的几点比较

胡晓粉，刘亚涛，张 冲，贾蕊溪

（解放军装备学院 研究生三队，北京 101416）

1 引言

卫星导航是二十世纪八十年代出现的最具划时代意义的航天信息技术，目前，卫星导航系统已成为一个国家重要的空间基础设施，是现代化国家综合国力的体现。世界各航天大国相继发展自己的卫星导航系统，美国的全球定位系统（global positioning system，GPS）和俄罗斯的格洛纳斯卫星导航系统 （global navigation satellite system，GLONASS）已经成功地部署并实现了全球导航，欧州伽利略卫星导航系统 （Galileo navigation satellite system，Galileo）的研究也取得了很大进展，我国的北斗一号导航系统已顺利完成，北斗导航系统正稳步推进。北斗卫星导航系统（以下简称 “北斗系统”）是我国自主建设、独立运行，并与世界其他卫星导航系统兼容共用的全球卫星导航系统，它的顺利推进在一定程度上会出现与欧洲伽利略卫星导航系统竞争的局面，也冲淡了伽利略卫星导航系统未来的市场前景。

2 系统概述

2.1 北斗系统概述

北斗系 统 （BeiDou navigation satellite system，BDS）是我国自主研发并独立运行的全球卫星导航系统，由空间段、地面段和用户段三部分组成，空间段包括5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星，地面段包括主控站、注入站和监测站等若干个地面站，用户段由北斗用户终端以及与其他卫星导航系统兼容的终端组成［1］。北斗系统卫星星座组成包括5颗地球静止轨道 （geostationary earth orbits，GEO）卫星、3颗倾斜地球同步轨道（inclined geo－synchronous orbits，IGSO）卫星和27颗中圆地球轨道 （medium earth orbit，MEO）卫星，北斗系统提供开放服务和授权服务两种服务。目前，北斗系统已发射了16颗卫星，已实现了为中国及周边地区用户提供快速定位、简短数字报文通讯和授时服务。

北斗系统实施 “三步走”发展战略：第一步，2000年建成卫星导航试验系统，用少量卫星利用地球同步静止轨道来完成试验任务。第二步，2012年，建成覆盖亚太区域的卫星导航系统，具备覆盖亚太地区的定位、导航和授时以及短报文通信服务能力。第三步，2020年左右，建成由5颗静止轨道和30颗非静止轨道卫星组网而成的全球卫星导航系统［2］。

2.2 伽利略卫星导航系统概述

伽利略卫星导航系统是由欧盟委员会和欧洲空间局共同发起并组织实施的欧洲民用卫星导航系统，旨在建立欧洲自主、独立的民用全球卫星导航体系。伽利略卫星导航系统由空间段和地面段组成，空间段由分布在三个轨道上的30颗中等高度轨道卫星构成，每个轨道面上10颗卫星，9颗正常工作，1颗运行备用，卫星轨道倾角56°，轨道高度为23 616km，轨道交点周期为14h22min［3］。地面段由完好性监控系统、轨道测控系统、时间同步系统和系统管理中心组成。伽利略卫星导航系统提供5种基本的服务方式：开放服务、商业服务、生命安全服务、公共管理服务和搜救服务。目前，伽利略卫星导航系统已发射4颗卫星，还处于在轨试验阶段，没有提供正式的服务。

3 性能比较

3.1 北斗系统和伽利略卫星导航系统参数比较

表1 BDS和Galileo的参数对比

3.2 定位精度

定位精度是卫星导航系统最基本的性能指标之一，也是卫星导航系统的顶层性能指标，是指测量点位误差分布的离散与密集程度，是测量点位与真值点位之差的概率统计几何平均值，常用均方根误差、圆概率误差或球概率误差来表示。精度一般通过用户观测伪距的等效距离误差与表征观测卫星几何的精度因子 （dilution of precision，DOP）相乘得到，95%表示置信概率［4］。

目前，在我国及周边地区，北斗系统可提供双向高精度授时和短报文通信服务。以下是基于伽利略系统仿真设施软件实现的定位精度情况。

图1 北斗系统的水平定位精度

图2 伽利略卫星导航系统的水平定位精度

由图1和图2可知，北斗系统和伽利略卫星导航系统在全球范围内的水平定位精度都在10m左右。

图3 北斗系统的垂直定位精度

从图3和图4可以看出，北斗系统和伽利略卫星导航系统的垂直定位精度在中低纬度地区在15m左右，高纬度地区垂直定位精度稍差，达到20m左右。

图4 伽利略卫星导航系统的垂直定位精度

3.3 DOP值比较

几何精度衰减因子 （gometric dilution of precision，GDOP）值是影响定位精度的一个重要参数，描述的是空间位置误差和时间误差综合影响的几何精度因子，它可将观测的伪距观测误差转换成用户的位置误差，由星座几何构型决定。在实践中根据不同的要求，可采用不同的精度评价和相应的精度因子［5］：平面位置精度因子，高程精度因子，空间位置精度因子 （position dilution of precision，PDOP），接收机钟差精度因子。DOP值越小，定位精度越高。

图5 伽利略卫星导航系统的GDOP平均值

由图5可以看出，在赤道附近，GDOP值在2.2左右，随着纬度的增加，在南北纬30°附近，GDOP值在2.45左右。纬度继续增加，GDOP值则逐渐减少，在南北纬60°处，减小到最小，GDOP值在2.06，随着纬度的继续增加，GDOP值又逐渐增加，在南北纬90°附近，GDOP值达到最大值2.55。

图6 北斗系统的GDOP平均值

由图6可知，在亚太地区，北斗系统的GDOP值最小达到1.4，在南北美地区，GDOP值最大达到2.6。

图7 伽利略卫星导航系统的PDOP平均值

由图7可以看出，在赤道附近，PDOP值较小，在1.91左右，随着纬度的增加，在南北纬30°附近，PDOP值达到2.14，随着纬度的增加而减小，在南北纬60°处，PDOP值最小达到1.83，后又随着纬度的增加而增加，南北纬90°处，最大值达到2.22。

图8 北斗系统的PDOP平均值

由图8可以看出，在亚太地区，北斗系统的PDOP值达到最小值1.23，在南北美地区PDOP值达到最大值2.28。

3.4 可见性比较

可见性指的是可观测到的卫星个数，表现了系统在特定的区域和时间内为用户提供服务的能力，主要通过可观测到卫星的个数及其几何分布来评定［5］。

图9 伽利略卫星导航系统的卫星平均可见数

如图9所示，在赤道附近地区，伽利略卫星导航系统的卫星平均可见数约为9颗，随着纬度的增加，卫星的可见数逐渐减少，在南北纬度30°的附近区域，卫星平均可见数约为7颗，随着纬度的增加，卫星的可见数又逐渐增加。在南北纬60°以上区域，卫星平均可见数约为9.5颗。

图10 北斗系统仿真星座的卫星平均可见数

如图10所示，在亚太地区，北斗系统的卫星平均可见数约为16颗，在南北美地区，卫星的可见数目较少。

4 结束语

通过对北斗系统和伽利略卫星导航系统的对比，得出一些结论：由于北斗系统的GEO卫星都分布在亚太地区，对我国及周边地区有增强作用，所以在卫星可见数和DOP值方面，表现出明显的优势，在全球的其它地区与伽利略卫星导航系统相当，没有明显的区别。而伽利略卫星导航系统的可见星数和DOP值在全球范围内随纬度变化而变化，在赤道附近和中纬度地区效果最佳。

我国的北斗系统将在2020年左右建成覆盖全球的卫星导航系统，它的主要亮点是：北斗系统用户终端的短报文通信功能，可双向报文通信，用户最多可传送120个汉字的短报文信息，解决了何人、何事、何地的问题。将短信和导航结合，将会带来更好的应用前景，也将与欧洲的伽利略卫星导航系统形成一个竞争局面。

［1］高成发，胡伍生.卫星导航定位原理与应用［M］.北京：人民交通出版社，2011.

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［5］翟桅，张国柱，雍少为.基本星座下北斗导航卫星系统服务性能分析［J］.全球定位系统，2011（4）：56－60.

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