北斗卫星导航系统民用单频定位性能分析

申俊飞，郑 冲，何海波，张 锋

(北京卫星导航中心，北京 100094)

0 引 言

卫星导航系统可提供高精度、全天候、全天时的导航定位服务，已成为国家安全和经济发展不可或缺的信息基础设施。北斗卫星导航系统是我国自主发展、独立运行的卫星导航系统[1,2]，由5颗GEO卫星、5颗IGSO卫星和4颗MEO卫星组成，于2012年12月27日正式开通，为亚太地区用户提供导航定位服务。

国内许多学者对北斗卫星导航系统基本星座(3GEO+3IGSO)、区域(5GEO+5IGSO+4MEO)和全球星座条件下中国不同地区的DOP值、覆盖区域和定位精度等性能进行了仿真分析[3-11]；以及对GNSS系统中的星座构形贡献和定位性能也进行了融合仿真研究。基于我国内陆均匀分布的9个试验点的B1I民用频点实测数据，对PDOP值、可见卫星数进行统计分析，同时对定位精度及可用性和连续性进行评估，为北斗系统在各行业的应用推广提供参考。

1 评估方法

针对北斗导航接收机在各地区采集的B1I观测数据，对各地区PDOP值、定位精度、可用性、连续性等进行统计。DOP值统计参考部分文献[12]和[13]，这里仅对定位精度及可用性和连续性进行说明。

1.1 定位精度

定位精度指系统服务提供给用户的位置与用户实际位置之差(包含水平定位精度、高程定位精度)，取定位误差的95%，具体统计方法如下。

1.2 可用性[14,16]

主要考核系统能为用户提供满足定位精度需求的时间百分比。定位精度可用性按照下式计算

(1)

式中：tstart和tend分别为一组测试数据的起始和结束历元时刻；inc为数据采样间隔；T为固定的历元时间间隔，通常为1 s；如果当前历元t的定位精度满足对应要求(水平定位精度≤15 m，高程定位精度≤15 m)，则Bool(t)=1,否则Bool(t)=0.

测试中，采集了不同时段、不同地点的定位测试数据m组，每组数据对应的历元数分别为n1,n2,…，nm，每组数据计算的可用性分别为P1,P2,…，Pm.利用m数据统计系统定位精度的可用性为

(2)

1.3 连续性[15-16]

主要考核在规定的时间Top内按照规定的定位精度要求完成其功能的概率。定位精度的连续性按照下式计算：

(3)

式中：tstart和tend分别为一组测试数据的起始和结束历元时刻；inc为数据采样间隔；T为固定的历元时间间隔，通常为1 s；如果当前历元t的定位精度满足对应要求(水平定位精度≤15 m，高程定位精度≤15 m)，则Bool(t)=1,否则Bool(t)=0.

测试中，采集了不同时段、不同地点的定位测试数据m组，每组数据对应的历元数分别为n1,n2,…nm，每组数据计算的连续性概率分别为P1,P2,…，Pm，利用组测试数据统计系统定位精度的连续性为

(4)

2 试验评估分析

2.1 试验情况

在北京、三亚、汕头、拉萨、宁波、成都、乌鲁木齐、哈尔滨、青岛等九个地区同步开展了静态定位试验，如图1所示。试验设备为北斗B1I导航接收机，架设在开阔空旷的已知点上。观测时间为2012年12月1日至12月8日，接收机卫星截止高度角为5°，数据采样间隔1 s，记录接收机所有历元定位结果及原始观测数据信息。

图1 试验地区分布

2.2 评估分析

根据记录的星历信息，仿真分析了当前系统覆盖区域内观测时段的PDOP值(95%)分布，结果如图2所示，并根据试验期间接收机输出的所有结果对可用卫星数和PDOP值(置信度95%)进行统计，结果如表1、表2所示。

图2 系统覆盖区域PDOP值(95%)分布

表1 试验地区可用卫星数统计

表2 试验地区PDOP值(95%)统计

从图2和表1及表2试验统计结果可看出，在当前星座条件下，国内区域的可见卫星数至少在7颗以上，国内区域PDOP(95%)优于4.

对试验地区的定位精度、可用性和连续性统计。结果如表3所示。

表3 定位精度、可用性和连续性统计

从表3中结果可以看出，各试验地区水平定位精度(95%)优于7 m ，高程定位精度优于10 m；在“水平定位精度≤15 m、高程定位精度≤15 m”的指标要求下，B1I单频定位精度可用性均在99%以上，连续性在98%以上。

3 结 论

在“5GEO+5IGSO+4MEO”星座条件下，综合北斗导航接收机静态定位试验数据统计和分析结果，可以得出以下结论：

1)北斗卫星导航系统工作正常，性能稳定，可以满足广大北斗用户导航定位需求；

2)国内各地区可见卫星至少在7颗以上，PDOP值(95%)优于4；

3)在国内各地区，民用单频(B1I)定位精度(95%)，水平优于7 m，高程优于10 m；

4)在“水平定位精度≤15 m、高程定位精度≤15 m”的条件下，民用单频定位精度的可用性达到99%以上，连续性达到98%以上。

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