QZSS/IRNSS对BDS在中国定位性能增强的评估

徐 炜,贾 雪,王 涛

(安徽理工大学 测绘学院，安徽 淮南 232001)

QZSS/IRNSS对BDS在中国定位性能增强的评估

徐 炜,贾 雪,王 涛

(安徽理工大学 测绘学院，安徽 淮南 232001)

通过STK软件对BDS、QZSS、IRNSS卫星星座结构仿真的基础上，选择BDS、BDS/QZSS、BDS/IRNSS、BDS/QZSS/IRNSS、QZSS/IRNSS等定位方式对中国大陆单观测站与整体范围最小可见卫星数、GDOP值、定位误差进行覆盖分析，确定了QZSS与IRNSS在我国的覆盖范围及对BDS定位性能增强作用的评估。结果表明，BDS/QZSS/IRNSS组合在我国的最小可见卫星数可达16～21颗，GDOP值在1.4～1.7之间，定位误差达5.5～7.5 m，相比单BDS定位最小可见卫星数增加了6～8颗，GDOP值减小了0.3～0.5，定位精度提升了2.0～3.0 m，对华南地区的定位性能有明显提升，而对东北等地区定位性能的提升较小。

STK；覆盖范围；定位性能；评估

随着日本准天顶卫星系统(Quasi-Zenith satellite System, QZSS)与印度区域导航卫星系统(Indian Regional Navigation Satellite System, RNSS)的建设，全球定位系统(Global Positioning System, GPS)在日本与印度的可用性将得到提升。鉴于中国与印度和日本的距离较近，QZSS与IRNSS也能实现对中国部分地区的覆盖，对中国北斗卫星导航系统(Bei Dou Navigation Satellite System, BDS)的定位能力也能够提供增强作用。现阶段BDS已近实现对亚太地区的覆盖，GPS和GLONASS都有许多在轨卫星，也可以与BDS组合定位，但QZSS、IRNSS相比GPS、GLONASS更注重对亚太附近地区的覆盖，虽然目前QZSS/IRNSS/BDS组合定位的研究较少，但今后QZSS/IRNSS及其他系统的组合定位将会成为一种必然趋势，评估QZSS/IRNSS对BDS在我国定位性能的增强作用将更有意义。

目前，能同时接收QZSS、IRNSS、BDS卫星信号的多系统接收机较为有限，对BDS系统在我国定位性能的增强作用并不能给出定量的评估。因此，本文通过STK软件仿真出QZSS、IRNSS的卫星星座结构，计算出各定位系统在我国的覆盖范围、定位精度及对BDS定位性能的提升作用，为QZSS/IRNSS/BDS多系统的组合定位提供参考。

1 STK简介

STK软件的全称是Satellite Tool Kit(卫星仿真工具包)，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。STK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，用于确定最佳解决方案。它支持航天任务周期的全过程，包括概念、需求、设计、制造、测试、发射、运行和应用等。其主功能包括：分析能力、计算轨道和弹道、卫星数据库、可见性分析、传感器分析、姿态分析、可视化结果、提供详尽的数据报告等[1-3]。

2 BDS、QZSS、IRNSS星座结构仿真

BDS设计在轨卫星数到达35颗，现已实现对亚太地区的覆盖，计划2020年左右，建成覆盖全球的北斗卫星导航系统。目前，BDS在轨卫星数达到23颗，21颗卫星具有提供导航定位服务的能力，包括6颗GEO卫星，7颗MEO卫星，8颗IGSO卫星，MEO卫星的轨道高度为35 786 km，6颗GEO卫星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°，该卫星克服了高纬度始终低仰角的问题，MEO卫星轨道高度为21 528 km，轨道倾角位55°[4-6]。

QZSS设计在轨卫星达到3颗，分别置于相隔120°的3个轨道面上，每个轨道面与赤道的夹角为45°，轨道高度为31 500～40 000 km，并确保在日本区域内至少可见1颗准天顶卫星(QZS)，目前QZSS在轨运行只有1颗[7-9]。

IRNSS系统由7颗位于GEO和GSO轨道的卫星组成，IRNSS系统的7颗卫星中，3颗采用GEO轨道，分别定位于东经34°，83°和132°，另外4颗采用GSO轨道，倾斜轨道卫星远地点高度为24 000 km，近地点高度250 km，轨道倾角为29°，其中两颗位于东经55°，另外两颗位于东经111°，以确保7颗卫星都可以持续地与印度控制站保持连络[10]。

选用2016年9月20日BDS、QZSS、IRNSS卫星的TLE(Two Line Element)轨道星历数据，采用简化常规摄动模型(SGP4,Simplified General Perturbations 4)预报器仿真BDS、QZSS、IRNSS系统星座结构，BDS、QZSS、IRNSS卫星的星下点轨迹如图1所示。

图1 BDS、QZSS、IRNSS星下点轨迹图

BDS卫星星下点轨迹分布在55°N～55°S之间，GEO卫星相对静止于东南亚赤道上空，IGSO卫星的星下点轨迹如“8”字形，IGEO卫星分布在两个不同的轨道上，其余的蓝色实线为MEO卫星的星下点轨迹；绿色实线为QZSS卫星的星下点轨迹，轨迹如大椭圆非对称“8”字形，在靠近日本附近的椭圆较大，靠近澳大利亚附近的椭圆较小；红色实线为IRNSS卫星星下点轨迹，3颗GEO卫星静止于东经34°、83°和132°，4颗GSO卫星的轨迹如“8”字形，每2颗卫星分布在2个不同的轨道面，卫星布局相对印度呈对称结构。

3 定位性能评估与分析

仿真时间从2016年9月20日至2016年9月21日，采样间隔为300 s，按照3°×3°的网格划分全球，设置截止卫星高度角为5°，约束卫星天线辐射角为46°，分为单个观测站与中国整体范围对BDS、QZSS、IRNSS的定位性能进行覆盖分析[11]，其三维分布图见图2。

图2 BDS、IRNSS、QZSS卫星星座三维分布图

3.1 定位性能评价指标

在进行单点定位时，定位性能可以用最小可见卫星数目、空间几何精度因子(DOP值)以及定位误差来表示[12]。

3.1.1 最小可见卫星数

可见卫星数反映了卫星能够被观测到的情况，若可见卫星数小于4颗，将不能实现导航定位服务，故取最小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)由接收机位置和卫星的几何形状分布决定的，DOP值越小，代表的卫星的空间几何分布越合理和较高的定位精度概率；DOP值越大，则代表卫星的空间几何分布不合理与较低的定位精度概率，本文选取几何精度因子(GDOP)作为定位性能评价指标之一。

3.1.3 定位误差

在进行卫星导航定位时，定位误差主要取决于接收机等效距离误差与精度衰减因子(DOP)，其关系可以用下式表示[13-14]。

δ=UERE×PDOP.

其中：δ为定位误差，UERE为用户等效距离误差，PDOP为空间位置精度因子。等效距离误差是卫星至接收机路径上的各种影响因素预测出的伪距观测量变化值，若等效距离误差确定，那么定位误差将仅决定于卫星星座结构，故定位误差也就是卫星星座性能的体现[15]。

3.2 单观测站定位性能评估与分析

选取北京、上海、广州、兰州、拉萨、哈尔滨为观测站，这些观测站基本实现了对中国大陆地区的覆盖，观测站点分布情况如图3所示。

图3 观测站点分布图

3.2.1 最小可见卫星数评估

最小可见卫星数变化曲线如图4所示。

图4 最小可见卫星数变化曲线

由图4可知，最小可见卫星数随着组合系统的增加而逐渐增加，北京、上海、广州、兰州、拉萨、哈尔滨站IRNSS/QZSS组合定位的最小可见卫星数都大于等于4颗，已经能够达到定位的要求；单BDS最小可见卫星数在10～17颗之间，BDS/IRNSS/QZSS组合定位的最小可见卫星数处于17～25颗之间，IRNSS与BDS实现了对中国区域部分地区的覆盖，这将提高卫星的空间几何分布，在定位时有更多的卫星能够选择，定位精度也能得到相应的提升。

3.2.2 GDOP值评估

GDOP值变化曲线如图5所示。

图5 GDOP值变化曲线

由图5可知，IRNSS/QZSS组合定位时，北京、上海、广州、兰州、哈尔滨观测站的GDOP值的波动幅度较大，北京站、上海站的GDOP值的最大值达到了18.0左右，哈尔滨站在15:00左右的GDOP值出现了突变，只有拉萨的GDOP值波动幅度稍微平缓；BDS/QZSS组合定位的GDOP值始终比单BDS定位时的GDOP值小，说明QZSS起到了一定的作用，但GDOP值减少的幅度却较小，说明QZSS的作用有限；BDS/IRNSS组合定位时的GDOP值较单BDS定位使得GDOP值减小的最明显，得益于IRNSS的卫星数较多，对上述观测站实现了覆盖；BDS/IRNSS/QZSS组合定位时的GDOP值最小，6个观测站的GDOP值波动的最平缓，GDOP值稳定于1.5～2.0之间；通过对比发现，IRNSS相比QZSS对中国地区的覆盖范围要大，对定位精度的提高作用更加明显。

3.2.3 定位误差评估

定位误差变化曲线如图6所示。

图6 定位误差变化曲线

由图6可知，6个观测站处定位误差的波动与GDOP值的波动始终保持一致；IRNSS/QZSS组合定位时北京、上海、广州、兰州、哈尔滨站的定位误差波动较大，北京站、上海站的定位误差最大达到70.0 m左右，哈尔滨站在15:00左右的定位误差出现了突变，拉萨站的定位误差分布则较为稳定，保持在16～18 m之间；单BDS定位时北京站、上海站、兰州站、哈尔滨站的定位误差波动幅度较小，兰州与拉萨站的定位误差波动幅度稍大些，单BDS相比IRNSS/QZSS组合的定位精度有了显著提升，其原因在于BDS GEO卫星与IGSO卫星主要实现对我国的覆盖，能够保持较高的卫星高度角，具有较好的可见性，弥补其他系统几何图形变化幅度大的缺点，降低GDOP值的波动，从而提高定位精度；BDS/QZSS组合相比单BDS的定位误差要小，说明QZSS起到了一定的作用，然而定位误差变化减小的幅度却较少，说明QZSS在我国的覆盖范围有限，定位作用较小；BDS/IRNSS组合较单BDS定位的定位误差减小的最明显，定位精度有了显著的提升；BDS/IRNSS/QZSS组合定位时的定位误差最小，定位误差波动的最平缓，6个观测站的定位误差都处于6.0～10.0 m之间；通过对比发现，IRNSS相比QZSS对中国地区的覆盖范围要大，对定位精度的提高作用更加明显。

3.3 中国区域总体定位性能评估与分析

利用STK的覆盖模块，对BDS、BDS/IRNSS、BDS/QZSS、IRNSS/QZSS、BDS/IRNSS/QZSS组合定位方式进行覆盖分析，由于篇幅有限只给出BDS/IRNSS/QZSS组合定位的覆盖效果图，覆盖情况如图7所示，对BDS、BDS/IRNSS、BDS/QZSS、IRNSS/QZSS的覆盖情况仅作统计，我国范围内最小可见卫星数、GDOP值、定位误差的统计情况如表1所示。

表1 各系统定位性能统计

图7 BDS/IRNSS/QZSS定位性能覆盖情况

从图7可知，BDS/IRNSS/QZSS组合定位在东北地区的最小可见卫星数达到16颗，华南地区的最小可见卫星数最多达到21颗，西北、西南地区的最小可见卫星数可达到18～19颗，华北、华中、华东大部分地区的最小可见卫星数达到19～20颗；BDS/IRNSS/QZSS组合定位在华南与西南部分地区的GDOP值最小，GDOP值基本保持在1.4左右，华东、华北大部、东北小部地区的GDOP值在1.6左右，东北大部分地区的GDOP值达到1.7左右，其余地区的GDOP值在1.5左右；BDS/IRNSS/QZSS组合定位误差的覆盖情况与GDOP值的覆盖情况基本一致，其中，华南、西南、华中大部分地区的定位误差最小，保持在5.5～6.0 m左右，西北、西南小部分地区、华北、华东部分地区定位误差在6.5～7.0 m之间，其余地区的定位误差达到7.0～7.5 m。

通过比较发现，BDS/IRNSS/QZSS组合比单BDS定位的最小可见卫星数增加了6～8颗，GDOP值减小了0.3～0.5，定位误差减小了2.0～3.0 m；BDS/QZSS组合与单BDS定位的定位性能基本相同，没有大的提升；BDS/IRNSS组合比单BDS定位时最小可见卫星数增加了5～7颗，GDOP值减小了0.4～0.6，定位误差减小了1～2 m；IRNSS相比QZSS系统对BDS在我国定位性能的提升作用要大，在华南地区的定位精度提升的最为明显，华中、西北、东北地区的定位精度提升则较小；BDS/IRNSS/QZSS组合定位无论在最小可见卫星数、GDOP值、定位精度上都优于BDS/IRNSS组合，BDS/IRNSS组合优于BDS/QZSS组合定位精度，BDS/QZSS组合优于单BDS定位精度，IRNSS/QZSS组合定位精度最差；RNSS与QZSS的加入，增加了可见卫星数，空间卫星几何分布得到了优化，定位精度得到了提高，GDOP值与定位误差变化的更加平缓，组合后的定位性能更加稳定。

4 结 论

1)通过对北京、上海、广州、兰州、拉萨、哈尔滨观测站的覆盖分析发现，BDS/IRNSS/QZSS组合定位，增加了最小可见卫星数，降低了GDOP值，抑制了单BDS定位时GDOP值与定位误差的波动异常，提高了导航定位的精度与系统稳定性。

2)BDS/IRNSS/QZSS组合定位时，我国的最小可见卫星数可达16～21颗，华南地区的卫星数最大能达到21颗，东北地区的最小可见卫星数最少有16颗；GDOP值在1.4～1.7之间，华南与西南部分地区的GDOP值最小，东北大部分地区的GDOP值最大；定位误差处于5.5～7.5 m之间，华南、西南、华中大部分地区的定位误差最小，保持在5.5～6.0 m左右，东北地区定位误差最大，达到7.0～7.5 m。

3)BDS/QZSS组合与单BDS的定位性能基本相同，BDS/IRNSS组合比单BDS最小可见卫星数增加了5～7颗，GDOP值减小了0.4～0.6，定位误差减小了1～2 m，BDS/IRNSS/QZSS组合比单BDS定位的最小可见卫星数增加了6～8颗，GDOP值减小了0.3～0.5，定位误差减小了2.0～3.0 m，说明RNSS比QZSS对我国定位性能的提高作用较大，组合定位对华南地区的定位精度提升的最为明显，华中、西北、东北等地区的定位精度提升则较小。

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EvaluationofQZSS/IRNSSonpositioningperformanceenhancementofBDSinChina

XU Wei,JIA Xue,WANG Tao

(School of Geodesy and Geomatics, Anhui University of Science and Technology, Huainan 232001,China)

This paper, based on BDS, QZSS and IRNSS satellite constellations simulation by STK software, selects BDS, BDS/QZSS, BDS/IRNSS, BDS/QZSS/IRNSS, QZSS/IRNSS and other positioning methods for China's single observation station and the overall minimum visible satellite number, GDOP value, positioning error coverage analysis, in order to determine the coverage of QZSS and IRNSS in our country and evaluate the performance of BDS positioning. The result shows that the BDS/QZSS/IRNSS combination in the smallest visible satellite in China can reach to the number of up to 16～21, in which the GDOP value is between 1.4～1.7, the positioning error of 5.5～7.5 m, compared with the single BDS minimum visible satellite the number increases by 6～8, and GDOP decreases by 0.3～0.5, to enhance the positioning accuracy of 2.0～3.0 m; it significantly enhances the positioning performance in Southern China while small in Northeast China.

STK; coverage; positioning performance; evaluation

著录：徐炜,贾雪,王涛.QZSS/IRNSS对BDS在中国定位性能增强的评估[J].测绘工程，2018，27(1)：31-36.

10.19349/j.cnki.issn1006-7949.2018.01.007

2016-07-08

国家自然科学基金资助项目(41474026)；淮南矿业(集团)有限责任公司项目(HNKY-JTJS(2013)-28)；安徽省国土资源厅科技项目(2011-K-22；2011-K-18)

徐 炜(1992-)，男，硕士研究生.

P228

A

1006-7949(2018)01-0031-06

刘文霞]