BDS-3与GPS在极地的定位性能对比分析

曹 翔

BDS-3与GPS在极地的定位性能对比分析

曹 翔

（江苏航运职业技术学院，南通 226010）

为对比分析北斗三号与GPS在极地的定位性能，基于STK软件，分别建立了北斗三号和GPS的仿真星座，并在南北两极选取了四个观测站点，对各站点的卫星可见性和GDOP进行了仿真分析，结果表明北斗三号在极地的平均可见星数比GPS多出一颗左右，北斗三号的GDOP值在南北极维持在“优”的水平，好于GPS，且变化平稳。综合来看，北斗三号在极地的定位性能要优于GPS。

北斗三号；GPS；极地；STK；定位性能

0 引言

极地蕴藏着丰富的矿产、油气资源、海洋生物资源和淡水资源等。近年来，在全球变暖的背景下，北极航道的开辟，大大缩短了东亚至西欧和北美的航线。丰富的资源储备和巨大的航线价值，引起了国际社会的广泛关注[1]。可以预见，人类将会在极地水域进行更加频繁的资源开发、科考研究、商业运输等活动[2]。在极地恶劣的自然条件下从事的所有活动中，导航是不可或缺的工具。

长期以来，极地的定位导航服务主要依赖于美国的GPS系统，缺乏自主权[3]。北斗卫星导航系统是完全由我国自主研制的全球卫星导航系统，先后经历了北斗一号试验系统和北斗二号区域导航系统，于2020年7月全面建成北斗三号系统（BDS-3），并向全球提供服务。因此，研究极地环境下北斗三号的定位导航服务性能，显得尤为及时和重要。

本文基于卫星仿真工具包（Satellite Tool Kit，STK），分别建立了BDS-3和GPS的星座仿真场景，并在南北两极各选取了两个虚拟观测站点，通过仿真分析各观测站点的卫星可见性和几何精度衰减因子（Geometric Dilution of Precision，GDOP），来研究北斗三号系统在极地的定位性能。

1 BDS-3和GPS星座仿真

1.1 BDS-3和GPS星座参数

北斗三号空间星座共30颗卫星，由3颗地球静止轨道（Geostationary Earth Orbit，GEO）卫星、3颗倾斜同步轨道（Inclined Geosynchronous Orbit，IGSO）卫星和24颗中圆轨道（Medium Earth Orbit，MEO）卫星组成。根据北斗官方发布的空间信号接口控制文件[4]对轨道的描述如下：

1）3颗GEO卫星轨道高度35 786 km，分别定点于东经80°、110.5°和140°；

2）3颗IGSO卫星轨道高度35 786 km，分布在三个轨道面，轨道倾角55°，卫星星下点轨迹呈8字形，中心位置为东经118°；

3）24颗MEO卫星轨道高度21 528 km，分布在三个轨道面，每个轨道面8颗，轨道倾角55°。

GPS空间星座共由24颗卫星组成（21颗工作卫星+3颗备用卫星），均匀分布在6个轨道平面内，各轨道面间相距60°，轨道倾角55°，运行周期11小时58分钟，轨道高度约20 183 km。

1.2 BDS-3和GPS星座仿真

STK是美国AGI公司研发的一款面向航空航天领域的卫星系统分析软件，具备强大的验证和演示功能。可方便快捷地仿真分析复杂环境下的陆、海、空、天等任务，并得出精确的报告、图表等多种分析结果[5-6]。利用STK软件，基于以上星座信息，分别建立了北斗三号和GPS星座模型，仿真结果如图1和图2所示。

图1 BDS-3仿真星座

图2 GPS仿真星座

2 BDS-3与GPS在极地的卫星可见性对比分析

2.1 虚拟观测站点选取

为对比分析北斗三号和GPS在极地的定位性能，在南北两极各选取了两个虚拟观测站点，分别是北极点（90°N，0°）、北极黄河站（78. 92°N，11. 93°E）、南极昆仑站（80. 42°S，77. 12°E）和南极长城站（62. 22°S，58. 96°W）。将四个虚拟观测站点插入仿真场景中，如图3和图4所示。

图3 北极虚拟观测站点

图4 南极虚拟观测站点

2.2 卫星可见性分析

可见卫星数是评估卫星导航系统定位性能的一项重要指标，它指的是接收机在一定截止高度角下所能观测到的卫星数量[7]，仅当卫星运行出现在测者地平线之上时，卫星发射的信号才能被接收机天线收到。但是，若卫星仰角过低，卫星信号从太空传播经过大气层时，会引起较大的电离层折射误差、对流层折射误差以及多径效应误差，统称为信号传播误差，导致定位精度明显下降。鉴于此，一般选取仰角大于5°的卫星来定位[8]。

利用STK中的Coverage（覆盖性分析）工具，对南北两极的四个观测站点进行卫星可见性分析，设置具体参数如：

1）观测周期：2021年4月14日04:00至4月15日04:00；

2）卫星截止高度角：5°；

3）覆盖品质参数：可见星数；

4）关联设置：将四个观测站点分别与北斗三号星座和GPS星座设置为关联状态。

仿真结果如图5～图8所示。

图5 北极点可见星数

图6 黄河站可见星数

图7 长城站可见星数

图8 昆仑站可见星数

表1 四个观测站点可见星数对比（单位：颗）

对上述仿真结果中四个观测站点可见星数最大值、最小值、平均值及标准差的统计如表1所示。结合图5～图8和表1，可得出如下结论：

1）北斗三号在四个站点中最少可见星数为7颗，根据卫星定位原理，当用户进行三维定位时，至少需观测到4颗卫星。因此，北斗三号系统在南北两极完全具备全天候、连续、实时的定位能力；

2）北斗三号在长城站的平均可见星数最少为9.3颗，其余三个站点平均可见星数均在10颗左右；GPS在四个站点的平均可见星数变化稳定，约为8～9颗。两系统对比发现：北斗三号在南北两极平均可见星数要优于GPS，比GPS多出1颗左右；

3）分析标准差统计结果得出：北斗三号和GPS在四个观测站点24小时内的可见星数波动范围均较小，两系统可见星数较稳定。

3 BDS-3与GPS在极地的GDOP值对比分析

3.1 GDOP定义及计算方法

GDOP指的是几何精度因子，用于衡量测者与卫星间的几何关系对定位误差的影响[9]，是评估卫 星导航系统定位精度的一项重要指标。值的计算方法如下：

卫星导航系统的定位精度主要取决于两方面因素：用户等效测距误差（User Equivalent Range Error，UERE）和精度衰减因子（Dilution of Precision，DOP）[10]，其关系如式（1）所示：

设：

则得到：

由式（1）可以看出，当一定时，值越小，表明用户与卫星间的几何关系越好，定位精度也越高。根据值的大小，定位精度等级划分如表2所示[11]。

表2 与GDOP值对应的定位精度等级划分

3.2 各观测站点GDOP仿真与分析

在STK仿真场景中，改变Coverage工具中的覆盖品质参数，选择性能指标对四个观测站点进行仿真分析，仿真结果如图9～图12所示。

图9 北极点GDOP值

图10 黄河站GDOP值

图11 长城站GDOP值

图12 昆仑站GDOP值

表3 四个观测站点GDOP对比

上述仿真结果中四个观测站点最大值、最小值、平均值及标准差的统计如表3所示。结合图9～图12和表3，可得出如下结论：

1）北斗三号在四个观测站点中值最小出现在长城站为1.41，值最大出现在黄河站为2.80，对应表2的定位精度等级，可得出仿真周期内北斗三号系统在南北两极的定位精度维持在“优”的水平；

2）北斗三号与GPS的平均值对比发现：仿真周期内北斗三号在每个观测站点的平均值均小于GPS。因此，可得出北斗三号系统在极地的定位精度要优于GPS；

3）两个系统的值标准差对比发现：北斗三号在每个观测站点的标准差均小于GPS，即北斗三号系统值波动范围小，变化更平稳；

4 结论

本文利用STK软件，分别建立了北斗三号和GPS的仿真星座，并在南北两极各选取了两个虚拟观测站点，对比分析了北斗三号和GPS在极地的定位性能，结果表明：

1）仿真周期内北斗三号在四个观测站点中最少可见星数为7颗，表明北斗三号在极地已具备全天候、连续、实时的定位能力；

2）对比四个观测站点的平均可见星数，发现北斗三号在极地的平均可见星数要优于GPS，比GPS多出一颗左右；

3）北斗三号在极地四个观测站点中值均维持在“优”的水平，与GPS相比，北斗三号的值更优，且变化平稳。

综上，北斗三号在极地的覆盖性和值均优于GPS，未来随着北斗系统的不断完善，将逐渐打破GPS的垄断地位，为极地活动提供更优的定位导航服务。

[1] 杨元喜，徐君毅. 北斗在极区导航定位性能分析[J]. 武汉大学学报（信息科学版），2016，41（1）：15-20.

[2] 吴刚，张东江. 极地战略船舶先行[J]. 船舶，2014（6）.

[3] 吴有龙，杨忠，陈维娜，等. 北斗单系统及多全球导航卫星系统组合极区定位性能[J]. 科学技术与工程，2021，21（1）：32-39.

[4] 北斗卫星导航系统空间信号接口控制文件（公开服务信号B2b 1.0版）[S]. 北京：中国卫星导航系统管理办公室，2020.

[5] 左宗，陈明剑. 极地GNSS性能仿真分析研究[J]. 全球定位系统，2016，41（5）：35-41.

[6] 倪博文. 基于STK 的典型机场BDS 性能分析[J]. 全球定位系统，2020，v.45（5）：52-56.

[7] 徐炜，贾雪，乔方，等. 北斗在南/北极地区的基本定位性能评估[J]. 大地测量与地球动力学，2018， 38（12）：1268-1273.

[8] 张柯，白燕. 基于STK 的新一代北斗导航卫星可见性仿真分析[J]. 电子设计工程，2017（15）.

[9] 丁淑敏，魏苗苗. 一种用于提高定位精度的选星算法[J].中原工学院学报，2020，31（1）：49-55.

[10] 刘周巍. 基于STK的GNSS 系统的定位精度分析[J]. 软件，2018，039（8）：104-109.

[11] 王郁茗，邵利民. 北斗三代卫星导航系统服务性能仿真评估[J]. 兵工自动化，2018，37（5）：12-15+35.

Comparative Analysis of Positioning Performance of BDS-3 and GPS in Polar Regions

CAO Xiang

To compare and analyze the positioning performance of BDS-3 and GPS in Polar Regions, based on STK software, the simulation constellations of BDS-3 and GPS are established respectively. Four observation stations were selected in north and south poles, and the satellite visibility and GDOP of each station were simulated and analyzed. The results show that the average number of visible satellites of BDS-3 in Polar Regions is about one more than that of GPS. The GDOP value of BDS-3 remains at an "excellent" level in north and south poles, which is better than GPS and changes steadily. On the whole, the positioning performance of BDS-3 in the Polar Regions is better than GPS.

BDS-3; GPS; STK; Polar Regions; Positioning Performance

TN967

A

1674-7976-(2022)-01-007-05

2021-09-15。

曹翔（1991.03—），山西运城人，硕士，讲师，主要研究方向为船舶导航。

江苏省航海学会科研项目（202001）