北极地区北斗区域和GLONASS系统定位性能分析∗

张海峰 苏伟斌 于成金 李厚朴

（1.92987部队 贺州 542813）（2.海军工程大学导航工程教研室 武汉 430033）

1 引言

北斗区域卫星导航系统已经向中国及周边地区提供了五年连续的定位与授时服务［1］，北斗卫星导航的三步走发展战略［2～3］正在积极地迈出第三步。国内外已有许多学者对北斗区域卫星导航系统的定位性能进行了评估，对其可见性、定位精度有了一定的研究。杨元喜［1］评估了北斗区域卫星导航系统建成运行后的各项基本导航定位性能；张海忠［4］对该系统在中国各个地区的覆盖情况进行评估，对该系统在中国境内的几何精度因子GDOP进行了仿真分析；王晓波［5］则对北斗二号系统、GPS系统以及GPS/北斗组合系统伪距单点定位的关键技术进行研究，分析了3种导航系统的DOP值。陈岩［6］对北斗区域卫星导航系统及其所采用的三种导航卫星进行了介绍，通过对所选区域及六个有代表性城市的几何精度衰减因子和可见星数进行仿真，验证系统可用性，也论证了系统中覆盖范围的不足。

北极地区蕴藏着丰富的资源，其巨大的商业价值和科考价值已成为当前国际关注的新焦点，同时其具有非常重要的战略价值［7］，掌握我国的北斗以及俄罗斯GLONASS等卫星导航系统在北极地区的定位性能非常重要［8］。杨元喜［9］对北斗在北极地区的定位性能进行了分析，为我们提供了很好的参考，但目前这方面的研究还比较少，特别是对于定位性能综合分析的研究还不够深入。STK软件是一款由美国Analytical Graphics公司开发的在航天领域处于领先地位的商业分析软件，广泛应用于卫星导航仿真分析［10］。本文利用STK软件对北斗区域系统系统、GLONASS系统以及北斗区域/GLONASS组合系统在北极地区的定位性能进行较为全面系统的分析，可为掌握北斗区域和GLONASS系统在北极地区的定位性能提供参考。

2 定位性能分析

卫星导航系统的定位性能衡量指标主要包括卫星可见星数、几何精度因子和导航精度［11］。利用STK的 Coverage Definition、Line Target和 Figure of Merit模块分别定义仿真区域、线目标和覆盖品质参数。本文设置仿真区域为60°N～90°N，覆盖品质参数以GDOP值为例。观测时间为24h，仿真时间为2016年3月21日04：00～2016年3月22日04：00。选取北极地区有代表性的三个点：黄河站（78.92°N，11.93°E）、雷克站（64.15°N，21.57W）、3站（85°N，30°E），计算中高度截止角设为15°，通过STK的报表输出以及动态视频输出的功能，可分析北斗区域系统、GLONASS系统和北斗区域/GLONASS组合系统在北极地区的定位性能。

2.1 可见星数分析

卫星导航系统实现定位导航的首要条件是同一时间定位点可见卫星数在四颗以上。可见星数越多，定位精度越高，但卫星可见星数会随着时间不断变化，所以进行可见星数分析具有重要的意义。各系统在各站点的可见星数如图1～图3所示，限于篇幅，只展示北斗区域/GLONASS组合系统的动态视频截图，如图4所示。各站点可见星数具体情况如表1所示。

图1 北斗区域系统各站点全天可见星数变化

图2 GLONASS系统各站点全天可见星数变化

图3 北斗区域/GLONASS组合系统各站点全天可见星数变化

图4 北斗区域/GLONASS组合系统北极地区可见星数动态视频截屏

表1 卫星导航系统北极地区各站点的可见星数

由图1～图4及表1可以看出：

1）北斗区域系统在3站和黄河站平均可见星数少于4颗，在雷科站最小值为3颗，难以连续稳定定位。

2）GLONASS系统在同时间同站点可见星数多于北斗区域系统，各站点平均可见星数在7颗以上，具备良好的定位条件。

3）北斗区域/GLONASS组合系统可见星数最多，各站点平均卫星可见数在9颗以上。

2.2 几何精度因子分析

为了评价卫星导航系统的定位精度，可引入DOP精度因子［12］，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）。限于篇幅，本文以GDOP为例进行分析，只展示北斗区域/GLONASS组合系统GDOP值的动态视频截图，如图5所示。各站点GDOP值具体情况如表2所示。

由图5及表2可以看出：

图5 北斗区域/GLONASS组合系统北极地区GDOP值动态视频截屏

表2 北极地区各站点的GDOP值

北斗区域系统在三站点GDOP平均值均大于8，在纬度较高的3站高达13.57，

无法提供定位需要的良好几何分布；

2）GLONASS系统在三站点GDOP平均值较北斗区域系统小很多，最大为3.07，最小为2.91，组合系统GDOP平均值最小为2.43，即使在纬度较高的3站也仅为2.67，具备良好的卫星几何分布。

2.3 导航精度分析

STK软件提供了导航精度仿真功能，将覆盖品质参数（FOM）选为Navigation Accuracy，可直接仿真得到站点或区域的定位精度变化情况。限于篇幅，只展示北斗区域/GLONASS组合系统的动态视频截图，如图6所示。各站点导航精度具体情况如表3所示。

图6 北斗/GLONASS系统北极地区导航精度动态视频截屏

表3 北极地区各站点导航的精度值（单位：m）

由图6及表3可以看出：

1）北斗区域系统在三站点导航精度较低，在纬度较高的3站达227m，难以满足精确导航定位需求。

2）GLONASS系统在三站点导航精度平均值约为14m左右；组合系统导航精度较北斗区域和GLONASS单系统提高明显，平均值最高为14.07m，最低为12.16m。

3 结语

本文对北斗区域系统、GLONASS系统以及北斗区域/GLONASS组合一同在北极地区的定位性能进行了系统分析，利用STK软件分别对可见星数、GDOP值以及导航精度进行了仿真，并对仿真得到的数据进行了统计分析，结果表明：

1）北斗区域系统在3站和黄河站平均可见星数少于4颗，在雷科站最小值为3颗，在三站点GDOP平均值均大于8，难以连续稳定定位，不能满足北极科考等任务的要求。

2）GLONASS系统在三站点的可见星数在9颗以上，导航精度平均值约为14m，能够满足一般的导航定位需要。

3）北斗区域/GLONASS组合系统在三站点可见星数在13颗以上，导航精度平均值约为13m，GDOP值保持在3左右，定位性能较单系统有很大提高。

4）北斗系统尚在发展成熟阶段，我们要看到与先进卫星导航系统的差距，尽快发展完善北斗全球系统，增强北斗系统在北极地区的定位性能。