GPS系统与BDS系统导航定位性能对比分析

徐炜,严超,杜文选,张广汉,王涛,徐梅

(安徽理工大学 测绘学院,安徽 淮南 232001)

GPS系统与BDS系统导航定位性能对比分析

徐炜,严超,杜文选,张广汉,王涛,徐梅

(安徽理工大学 测绘学院,安徽 淮南 232001)

本文在仿真出GPS系统与BDS系统卫星星座的基础上,对两种定位系统下的哈尔滨、武汉、广州、拉萨单个站点以及全球范围的卫星可见性、DOP值、定位精度进行了覆盖分析,并比较了两个系统定位性能的差异。实验结果表明,当前BDS系统在亚太地区与GPS系统的定位性能基本一致,可见卫星数比GPS系统稍多,但BDS系统的DOP值的波动却比GPS系统的要大,尤其在GEO与IGSO卫星覆盖的边缘区域,BDS的导航定位性能较差,在某些地区仍不能提供导航定位服务。

GPS;BDS;卫星可见性;DOP值;定位精度

0 引 言

当前,我国设计建设的北斗卫星导航系统(BDS)已经能够在周边区域提供导航定位服务,并按照“三步走”的发展战略,计划2020年完成35颗卫星发射组网,为全球用户提供服务[1-3]。国内外学者对BDS/GPS组合定位研究的较多,而对BDS与GPS导航导航定位性能的对比研究较少。鉴于此,本文对GPS系统与BDS系统在单点和全球范围内的卫星可见性、DOP值、定位精度等性能指标进行了详细的覆盖分析,对比了两者的定位性能的差异。

1 STK简介

软件的全称为卫星仿真工具包(STK),是由美国AGI公司开发,并在航天工业领先的商品化分析软件[4]。该软件提供了分析引擎用于计算数据,并可以显示多种形式的二维地图,显示卫星和其他对象如运载火箭、导弹、飞机、地面车辆、目标等。该软件还有三维可视化模块,为STK和其他附加的模块提供领先的三维显示环境,可以快速方便地分析复杂的陆、海、空、天任务,并提供易于理解的图表和文本形式的分析结果,用于确定最佳的解决方案。

2 GPS、BDS星座结构仿真

截至2016年9月,GPS卫星星座在轨工作卫星为31颗,分布在倾角为55°的轨道面内,轨道高度约为20 200 km,每个轨道面的内的卫星数目并不相同,卫星的运行周期约为12 h[5];BDS卫星星座在轨卫星达到23颗,其中21颗卫星具有定位功能,包括6颗GEO卫星,7颗MEO卫星,8颗IGSO卫星,6颗GEO卫星还实现了对亚太地区的6重覆盖,IGSO卫星的轨道高度为35 786 km,轨道倾角为55°,该卫星对中国区域增强的同时也克服了高纬度地区始终低仰角的问题,MEO卫星轨道高度为21 528 km,轨道倾角为55°[6-7].

在导航定位中,GPS系统采用的坐标系统是WGS-84坐标系,BDS系统采用的是CGCS2000大地坐标系(China Geodetic Coordinate System 2000),由于两个系统的差异基本在厘米级,在非精密测量的场合可以近似地认为两者相同,因此将GPS与BDS的空间坐标系都统一到WGS-84坐标系下[8]。选用2016年9月2日GPS、BDS卫星的TLE(Two Line Element)轨道星历数据,设置仿真时间为2016年9月2日0时至2016年9月3日0时,共24 h,采样间隔为300 s,截止卫星高度角为5°,约束卫星天线辐射角度为46°,并按照3°×3°的分辨率来划分全球。

3 导航定位性能评估与分析

3.1定位性能指标

在进行导航定位时,定位性能的指标主要包括可用性、连续性、完好性、精度、覆盖范围等。本文选用卫星可见数、空间几何精度因子以及定位精度来进行评价[9]。

3.1.1 卫星可见性

卫星可见性是指接收机在一定的高度角情况下能够观测到的卫星个数,体现为在一定的区域与时间内导航定位的能力,主要通过可观测到的卫星个数与卫星的空间几何分布来评定[10]。若可见卫星数小于4颗,将不能实现导航定位服务,取平均可见卫星数作为定位性能的评价指标之一。

3.1.2 精度衰减因子

精度衰减因子(DOP)的大小与卫星星座的位置、可见卫星数目、空间卫星的几何分布有关,通过精确的测定DOP值,能够衡量出卫星星座的位置精度,DOP值越小,定位精度越高。DOP值通常包括:平面位置精度因子(HDOP)、高程精度因子(VDOP)、空间位置精度因子(PDOP)、接收机钟差精度因子(TDOP)、几何精度因子(GDOP),本文选取几何精度因子(GDOP)作为定位性能指标之一,DOP值与定位精度的对应关系如表1所示。

表1 DOP值与定位精度的对应关系

3.1.3 定位精度

定位精度主要取决于所观测到卫星的空间几何分布与观测量的精度,定位精度可以表示为

δ=UERE×PDOP,

式中: δ为定位精度;PDOP为空间位置精度因子;UERE为用户等效距离误差(User Equivalent Rang Error),是根据卫星至接收机路径上的各种影响因素(如卫星星历误差、电离层延迟等)预测的伪距观测量变化值,在标准定位时GPS与BDS各种类型卫星的用户等效距离误差情况如表2所示。

表2 各定位系统的用户等效距离误差

3.2单点情况

根据GPS与BDS系统的星下点轨迹图,在中国大陆区域选取纬度由高到低的站点(哈尔滨、武汉、广州),以对比GPS与BDS在低中高纬度的定位性能;同时,选取同一纬度的不同经度的站点(武汉、拉萨),以对比GPS与BDS在不同经度定位性能的变化,各站点的详细分布情况如表3所示。

表3 站点详细分布情况

3.2.1 卫星可见性对比分析

从图1可以得出,24小时内GPS系统下的卫星分布较为均匀,哈尔滨站GPS可见卫星数在7～11颗,平均值达8.7颗,BDS可见卫星数在10～14颗,平均值达12.4颗;武汉站GPS可见卫星数在7～11颗,平均值达8.7颗,BDS可见卫星数在12～17颗,平均值达14.4颗;广州站GPS可见卫星数在6～11颗,平均值达9.0颗,BDS可见卫星数在12～19颗,平均值达15.0颗;拉萨站GPS可见卫星数在7～11颗,平均值达8.7颗,BDS可见卫星数在12～18颗,平均值达13.8颗。

图1 单站可见卫星数变化 (a)哈尔滨;(b)武汉;(c)广州;(d)拉萨

通过对比可知,四个站点下GPS的可见卫星数都在9.0左右,BDS系统下广州站的可见卫星数最多,哈尔滨站的可见卫星数最少,BDS的可见卫星数目较GPS的可见卫星数要多4～6颗。但GPS的可见卫星的变化幅度较小,说明GPS的覆盖要均匀些,而BDS系统在有GEO与IGSO卫星覆盖的区域范围内可以观测到较多的可见卫星数,没有覆盖到的地区可见卫星数目的变化幅度较大,说明BDS卫星的分布不太稳定。

3.2.2 DOP值对比分析

从图2可以得出,GPS系统下的四个站点的GDOP基本处于1.0～4.0之间,有部分时间的GDOP值出现了极大值,四个测站的GDOP平均值分别为2.19、2.21、2.16、2.22,各站点间的GDOP值差异很小; BDS系统下各个站点的GDOP值基本处于1.0～5.0之间,四个站点的GDOP平均值为3.11、2.32、2.15、2.58,广州站的GDOP值优于武汉站,武汉站的GDOP值优于哈尔滨站、拉萨站。

通过对比可知,除广州站BDS系统与GPS系统GDOP值基本相同外,哈尔滨、武汉、拉萨站BDS系统的GDOP值都比GPS系统的GDOP值要略大,说明GPS系统相对BDS系统更加的均匀稳定,BDS系统在靠近GEO与IGEO覆盖边缘地区时的定位性能较差。

图2 单站GDOP值变化 (a)哈尔滨;(b)武汉;(c)广州;(d)拉萨

3.2.3 定位精度对比分析

从图3可以得出,各站点24 h定位精度的变化特点与GDOP的变化完全一致。BDS系统下的四个站点的定位精度平均值为12.79 m、9.65 m、9.00 m、10.64 m,哈尔滨站的定位精度波动较大,最大值达到了20 m,广州站的定位精度波动最为平缓,基本处于10 m左右;BDS系统下的广州站的波动比武汉的波动小,武汉站的波动比哈尔滨站和拉萨站的小;GPS系统下的四个站点的定位精度平均值为9.55 m、9.64 m、9.46 m、9.69 m,总体变化趋于一致;各个站点GPS的定位精度与BDS的定位精度基本相同,但在靠近GEO与IGEO覆盖边缘地区时BDS系统的定位精度较差,波动较大。

图3 定位精度变化曲线 (a)哈尔滨;(b)武汉;(c)广州;(d)拉萨

通过对上述单站点的定位分析可知,GPS系统下无论随着纬度还是经度的变化,各站点的定位精度基本相同;而在BDS系统下,随着经、纬度的增加,各站点的可见卫星逐渐减少,定位精度逐渐减弱;GEO与IGSO卫星重点覆盖的地区BDS系统的定位性能与GPS的定位性能相当,边缘地区BDS系统的定位性能较GPS的定位性能稍差。

3.3我国大陆及全球情况

利用STK软件的覆盖模块,对GPS、BDS在24 h内全球范围的可见卫星数、GDOP值、定位精度进行覆盖分析,结果如图4～图10所示。

由于现阶段BDS只能实现亚太地区的覆盖,因此只对GPS、BDS系统在我国大陆的定位性能分析,我国大陆各系统定位性能如表4所示。

共发放调查问卷1 200份，回收有效问卷1 077份，有效回收率89.75%。977名医学生中，男403例，女574例，其中18岁以下者占2.97%，18～25岁者占比96.93%，2017级227例（23.23%），2016级275例（28.15%），2015级263例（26.92%），2014级212例（21.7%）；参与过医患沟通课程者93例（2014级麻醉专业46例、2014级临床专业47例），未参加过者884例，及100名非医学生。

表4 我国大陆GPS、BDS系统定位性能

3.3.1 卫星可见性分析

图4 GPS全球可见卫星数分布图

由图4、图5的对比可知,两种导航定位系统的全球平均可见卫星数沿着经度方向呈现出带状的分布,从赤道向南北两极呈现出先减小后增大的趋势;GPS在全球范围内的可见卫星数为12～13颗,在全球分布的较为均匀。BDS在我国及周边区域的覆盖较好,已实现了对亚太地区的覆盖,但在其他区域的可见卫星数仍少于4颗,并不能进行导航与定位。造成这种分布的原因在于BDS考虑到了系统建设的阶段性以及对我国及周边区域的系统增强,从而在亚太地区上空布设了GEO与IGSO卫星。

图5 BDS全球可见卫星数分布图

3.3.2GDOP值分析

由图6、图7的对比可知,GPS与BDS定位系统在全球范围内的GDOP值与可见卫星数有着相似的分布规律,都沿着经度方向呈现出条带状的变化趋势。GDOP值随着纬度的增加先增加后变小,其中GPS系统显现出片段状的变化趋势,而BDS系统则在亚太地区呈现出GDOP值从中心最小处沿经纬度不断增加的趋势。GPS系统在全球范围内的GDOP值处于1.3～1.7间变化,BDS系统在中国附近区域的GDOP值处于1.8～2.0之间,亚太地区的GDOP值在3.0以内,其他地区的GDOP值都大于3.0,BDS相对于GPS系统的定位性能稍弱。

图6 GPS全球GDOP值分布图

图7 BDS全球GDOP值分布图

3.3.3 定位精度分析

由图8、图9的对比分析可知,GPS、BDS系统在全球定位精度的分布特点与卫星可见数和GDOP值的分布特点一致;GPS与BDS的定位精度都从中心向南北两极逐渐增大,其中GPS系统在南北两极的条带区域定位精度约为8.0 ～9.0 m,其余地区的定位精度约为7.0 ～8.0 m,BDS我国及周边区域定位精度约6.0～8.0 m,亚太地区的定位精度优于13 m;BDS总体定位精度要较GPS稍差,在中国及周边地区由于GEO与IGSO卫星的增强作用,定位性能与GPS系统相当,随着BDS的进一步建设,BDS将实现全球范围的覆盖,定位精度也将得到提升。

图8 GPS全球定位精度分布图

图9 BDS全球定位精度分布图

4 结束语

BDS在中国区域的可见卫星数目、PDOP值、定位精度与GPS系统的定位性能基本相同。但在靠近GEO与IGSO卫星覆盖的边缘地区,BDS系统的定位性能比GPS系统的定位性能稍差,而在GEO与IGSO卫星没有覆盖到的地区,可见卫星数目少于4颗,并没有满足导航定位所需的卫星数目,仍不能实现导航定位的功能。

随着BDS系统面向全球的组网建设,BDS将实现全球范围内的覆盖,在全球也将可达到GPS系统的定位性能,特别在中国区域由于GEO与IGSO卫星的增强作用,BDS系统的定位性能将明显优于GPS系统。

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ComparativeAnalysisofPositioningPerformanceBetweenGPSSystemandBDSSystem

XUWei,YANChao,DUWenxuan,ZHANGGuanghan,WANGTao,XUMei

(SchoolofGeodesyandGeomatics,AnhuiUniversityofScienceandTechnology,Huainan232001，China)

Based on the simulation of GPS and BDS satellite constellations, this paper analyzes the satellite visibility, DOP value, and positioning accuracy of Harbin, Wuhan, Guangzhou, Lasa and the global satellite visibility, DOP value and positioning precision of the two positioning systems. The results show that the positioning performance of the BDS system in the Asia-Pacific region is basically the same as that of the GPS system. The number of satellites is slightly larger than that of the GPS system, but the fluctuation of the DOP value of the BDS system is larger than that of the GPS system, especially in GEO and IGSO to cover the area, BDS navigation and positioning performance is poor, in some areas BDS can not provide the realization of navigation and positioning services.

GPS; BDS; Satellite visibility; DOP value; positioning accuracy

10.13442/j.gnss.1008-9268.2017.04.014

P228.4

A

1008-9268(2017)04-0077-06

2017-05-06

国家自然科学基金(批准号:41474026); 淮南矿业(集团)有限责任公司项目(编号:HNKY-JTJS(2013)-28); 安徽理工大学2017年研究生创新基金(项目编号:2017CX2056)

联系人: 徐炜 E-mail:austxwei@163.com

徐炜(1992-),男,硕士研究生;研究方向为GNSS导航与数据处理。

严超(1993-),男,硕士研究生,研究方向为GNSS导航与数据处理。

杜文选(1992-),男,硕士研究生,研究方向为GNSS导航与定位。