通信导航定位系统的精度评估方法及其对比

曾海涛

（西南交通大学，四川 成都 611756）

0 引 言

随着现代社会的快速发展和科技进步，人们对于精确定位和导航的需求越来越高。通信导航定位系统作为实现精确定位与导航的重要手段，在民用和军事领域都具有广泛的应用前景。特别是随着全球定位系统（Global Positioning System，GPS）的普及和发展，通信导航定位系统已成为GPS 的重要补充，可以满足更多的应用需求和场景。通信导航定位系统是利用卫星定位和测量原理实现定位与导航功能的系统，包括GPS、全球导航卫星系统（Global Navigation Satellite System，GLONASS）、北斗导航系统等。这些系统不仅可以提供高精度的位置和导航服务，还可以广泛应用于交通运输、智能制造、智慧城市等领域，为社会和经济的发展提供有力支撑[1]。然而，通信导航定位系统的定位精度和性能受到多种因素的影响，如卫星几何结构、大气层延迟、多路径效应等。因此，对通信导航定位系统的精度进行评估和对比分析，对于保证系统性能和应用效果具有重要意义。

1 研究现状

1.1 通信导航定位系统的基本原理和分类

通信导航定位系统是利用卫星定位和测量原理实现定位与导航功能的系统，基本原理是通过卫星发射信号，接收机接收信号并测量信号传播时间，通过计算信号传播时间和卫星位置信息来确定接收机的位置。其中，卫星位置信息通过卫星定位测量和地面控制系统来获取。

通信导航定位系统主要包括GPS、GLONASS 和北斗导航系统等。其中，GPS 是由美国发起的全球卫星定位系统，由一组卫星、地面控制系统和用户接收机组成，主要用于提供民用和军事领域的位置及导航服务。GPS 系统中的卫星轨道倾角为55°，轨道高度为20 200 km，每个卫星的轨道周期为12 h。GLONASS 是由前苏联发起的全球卫星定位系统，由一组卫星、地面控制系统和用户接收机组成，主要用于军事领域的位置和导航服务。GLONASS 系统中的卫星轨道倾角为64.8°，轨道高度为19 100 km，每个卫星的轨道周期为11 h。北斗导航系统是中国自主研发的全球卫星定位系统，也是由一组卫星、地面控制系统和用户接收机组成，主要用于提供民用和军事领域的位置及导航服务。北斗导航系统中的卫星轨道倾角为55°，轨道高度为35 800 km，每个卫星的轨道周期为12 h。

这些系统都是通过卫星定位技术实现精确定位和导航，但它们的技术细节与特点略有不同。例如，GPS 系统的定位精度和信号传输速度较高，但覆盖范围和信号强度等方面不如GLONASS 和北斗导航系统。因此，在实际应用中需要根据具体的场景和需求选择最适合的通信导航定位系统。

1.2 现有研究的发展现状和趋势

目前，通信导航定位系统的研究主要集中在系统性能的提升和应用拓展方面。随着技术的不断发展和应用需求的增加，通信导航定位系统的定位精度、覆盖范围以及鲁棒性等性能指标得到了不断提升和完善。一方面，针对定位精度的提升，目前研究主要集中在减小多路径效应、抑制信号干扰、提高卫星信号精度等方面。例如，通过使用多频信号和更高精度的接收机来提高定位精度；通过使用多普勒定位技术来抑制多路径效应；通过使用差分GPS 技术来提高定位精度等方法。另一方面，针对覆盖范围和鲁棒性的提升，目前研究主要集中在增加卫星数量、提高信号传输速度以及增强鲁棒性等方面。例如，通过增加卫星数量来提高覆盖范围和可用性；通过加快信号传输速度和增强鲁棒性来增强系统的抗干扰能力，提升系统的稳定性。

除了性能提升方面的研究，通信导航定位系统在交通运输、智能制造、智慧城市等领域的应用也得到了广泛拓展。例如，在智能交通领域，通信导航定位系统可以实现车辆定位和导航，提高道路交通的效率和安全性；在智慧制造领域，通信导航定位系统可以实现工厂内物流和设备定位，提高生产效率和质量；在智慧城市领域，通信导航定位系统可以实现城市公共交通和紧急救援等服务，提高城市的便捷性和安全性。

总的来说，通信导航定位系统在性能提升与应用拓展方面仍有许多研究空间和发展潜力，未来的研究方向主要包括抑制系统的多路径效应、加快信号传输速度、增强系统的鲁棒性和安全性、拓展系统的应用领域和场景等方面。

2 常见的定位误差指标和评估方法

通信导航定位系统的定位精度是系统性能的关键指标之一，其误差大小直接影响着系统的定位精度和应用效果。为了对通信导航定位系统的定位精度进行评估和对比分析，需要选定合适的误差指标和评估方法。常见的定位误差指标主要包括水平误差、垂直误差以及时间误差等。水平误差和垂直误差指定位结果与真实位置之间在水平和垂直方向上的距离误差。水平误差通常用水平定位误差表示，垂直误差通常用垂直定位误差表示，时间误差指定位结果与真实时间之间的差值，通常用时间定位误差表示。

常用的评估方法包括精度评估、偏差评估以及稳定性评估等。其中，精度评估是评估系统定位误差大小的主要方法，通常采用均方误差（Mean Squared Error，MSE）、均方根误差（Root Mean Square Error，RMSE）和平均绝对误差（Mean Absolute Error，MAE）等指标进行评估。MSE 是所有误差平方和的平均值，RMSE是MSE 的平方根，MAE 是所有误差绝对值的平均值。精度评估可以全面反映系统定位误差的大小和分布情况，是评估系统性能的重要指标。偏差评估指评估定位误差与真实值之间的偏差大小，通常采用均值偏差（Mean Error，ME）和百分误差（Percentage Error，PE）等指标进行评估。ME 是定位误差与真实值之间的平均偏差，PE 是定位误差与真实值之间的相对偏差。稳定性评估指评估系统定位误差的稳定性和可靠性，通常采用标准差（Standard Deviation，STD）和置信区间（Confidence Interval，CI）等指标进行评估。STD是定位误差的标准差，CI是定位误差的置信区间。稳定性评估可以反映系统定位误差的波动情况和可信度，是评估系统性能的重要补充。对通信导航定位系统的定位精度进行评估和对比分析，需要选定合适的误差指标与评估方法。

3 不同通信导航定位系统的精度评估

通信导航定位系统的精度是评价其性能的关键指标之一。本节将评估3 个主要的全球卫星导航系统，即美国的GPS、俄罗斯的GLONASS 以及中国的北斗导航系统。

3.1 GPS 定位系统

GPS 是美国的卫星导航系统，由分布在 6 个轨道平面上的24 颗卫星组成，可以确保地球上任何时刻、任何地点都能接收到至少4 颗卫星的信号。GPS 的应用范围相当广泛，涵盖了交通、农业、测绘、地质勘探等众多领域。在无干扰的情况下，普通民用GPS接收机的定位精度可以达到3 ～5 m，这种精度对于大多数日常导航和定位任务来说已经足够。而对于军事和高精度专业应用，GPS 系统提供了更高精度的服务。通过使用精密测量和数据处理技术，如实时动态测量（Real Time Kinematic，RTK）和后差分测量（Post Processed Kinematic，PPK），专业接收机的定位精度甚至可以达到厘米级别。

但是，在实际应用中，GPS 定位精度可能受到多种因素的影响。首先，大气条件（如电离层和对流层）会对卫星信号产生延迟，导致定位误差。尽管现代GPS 接收机内置了大气模型以减少这种影响，但仍会存在一定的误差。其次，建筑物、山体、树木等遮挡物可能阻碍卫星信号的接收，尤其是在城市和森林环境中，这种影响更为显著。此外，信号多径效应可能导致定位误差。

为了提高GPS 定位精度，地面增强系统被设计用于提供实时误差校正。这些系统通过地面基站接收卫星信号，计算误差并通过地面基站或地球静止轨道卫星向用户广播。增强系统的使用可以将GPS 定位精度提高到1 ～2 m。尽管GPS 定位精度受到多种因素的影响，但通过使用增强系统和专业接收机，可以实现厘米级别的精度。此外，与其他全球卫星导航系统的集成也有助于进一步提高定位精度和可靠性[2]。

3.2 GLONASS 定位系统

GLONASS 是俄罗斯的卫星导航系统，起源于20世纪70 年代。该系统由24 颗卫星组成，分布在3 个轨道平面上，每个轨道平面有8 颗卫星。这种配置确保了地球上任何地点都能接收到至少4颗卫星的信号。与GPS 类似，GLONASS 广泛应用于交通、航空、海运、测绘以及科研等领域。在正常条件下，GLONASS 的定位精度约为5 ～10 m，已足够满足大部分民用应用的需求。但是，专业接收机和一些高精度应用领域可能需要更高的定位精度。通过使用实时运动测量和后处理运动测量等技术，GLONASS 的精度可以达到厘米级别。然而，实际应用中GLONASS 的定位精度可能受到多种因素的影响。大气条件（如电离层和对流层）对卫星信号产生延迟，从而导致定位误差。此外，建筑物、山体、树木等遮挡物会阻碍卫星信号的接收，尤其在城市和森林环境中，信号多径效应也可能导致定位误差。

GLONASS 系统在高纬度地区的性能可能优于GPS，因为其卫星轨道布局更适合这些地区。这意味着在俄罗斯北部地区，GLONASS 信号覆盖可能比GPS更加稳定和可靠。为了提高GLONASS的定位精度，俄罗斯建设了地面增强系统。这些系统通过地面基站接收卫星信号，计算误差并通过地面基站或地球静止轨道卫星向用户广播，可以将GLONASS 的定位精度提高到1 ～2 m。

尽管GLONASS 定位精度受到多种因素的影响，但通过使用增强系统和专业接收机，可以实现厘米级别的精度，而且与其他全球卫星导航系统（如GPS和北斗）的集成也有助于进一步提高定位精度和可靠性[3]。

3.3 北斗导航定位系统

北斗导航系统是中国的卫星导航系统，目前已成功发展为一个全球覆盖的导航系统，共由35 颗卫星组成，包括3 个不同轨道类型的卫星：地球静止轨道（Geosynchronous Eearth Orbit，GEO）卫星、倾斜地球同步轨道（Inclined GeoSynchronous Orbit，IGSO）卫星和中圆地球轨道（Medium Earth Orbit，MEO）卫星。这种混合轨道布局有助于提供高精度和高可靠性的导航服务。

在正常条件下，北斗系统的定位精度约为2.5 ～5 m，已经足够应对大多数民用导航和定位任务。同时，在专业领域和高精度应用场景中，北斗系统可以提供更高精度的服务，达到厘米级别。在一些区域，如亚洲地区，北斗的性能可能优于GPS[4]。这主要归功于北斗系统的混合轨道布局和定位信号结构设计，使其在东经84°至东经160°、北纬55°以南的地区具有更好的信号覆盖和可靠性。此外，北斗系统提供了一些独特的增值服务，如短报文通信（Short Message Service，SMS）和卫星基准增强服务（Satellite-Based Augmentation System，SBAS）。SMS 服务允许用户发送和接收包含位置信息的文本消息，而SBAS 通过地面基站接收卫星信号，计算误差并通过地球静止轨道卫星向用户广播，从而提高定位精度和可靠性。

需要注意的是，实际应用中北斗定位精度可能受到大气条件、建筑物遮挡、信号多径效应等因素的影响。然而，通过使用增强系统和与其他全球卫星导航系统（如GPS 和GLONASS）的集成，北斗定位精度和可靠性可以得到显著提高[5]。许多现代智能手机和导航设备已支持GPS、GLONASS、北斗系统，从而实现提供更高精度的定位服务。

4 对比分析

在对GPS、GLONASS 以及北斗导航系统的精度进行比较时，可以看到它们在性能和应用方面存在一定程度的差异。在正常条件下，GPS 的精度约为3 ～5 m，GLONASS 的精度约为5 ～10 m，而北斗系统的精度约为2.5 ～5 m。这表明，在一般民用导航和定位任务中，这3 个系统的表现相差无几。然而，在专业领域和高精度应用场景中，通过使用RTK、PPK 等技术，这些系统都可以实现厘米级别的精度。值得注意的是，这些导航系统在不同地区的性能可能存在差异。例如，GLONASS 在高纬度地区（如俄罗斯北部地区）的表现可能优于GPS，而北斗系统在亚洲地区的性能可能优于GPS。这些差异主要源于卫星轨道布局和定位信号结构设计。

另外，GPS、GLONASS 以及北斗系统均受到大气条件、建筑物遮挡、信号多径效应等因素的影响。为了提高定位精度，各系统都采用了地面增强系统，如美国的广域增强系统（Wide Area Augmentation System，WAAS）、俄罗斯的标准配色偏差（Standard Deviation of Coloe Matching，SDCM）和中国的北斗卫星基准增强服务，这些增强系统有助于将定位精度提高到1 ～2 m。

综合来看，这3 个全球卫星导航系统在精度和性能上均表现出较高的水平。在实际应用中，为了实现更高精度的定位服务，许多现代智能手机和导航设备已支持GPS、GLONASS 以及北斗系统的集成。通过融合这些系统的优势，用户可以获得更加精确和可靠的定位信息，满足不同领域和应用场景的需求。

5 结 论

文章对通信导航定位系统的精度评估方法及其对比进行了研究。通过对GPS、GLONASS 以及北斗导航系统的精度评估和对比分析，可以发现不同系统在定位精度、覆盖范围、信号强度以及应用范围等方面存在差异。因此，在实际应用中，需要综合考虑多个性能指标，并进行优化和选择，以满足不同应用场景的需求。

随着技术的不断发展和应用需求的增加，通信导航定位系统的性能指标也在不断提高和完善。因此，未来需要继续加强对通信导航定位系统的研究和优化，以提高其定位精度、覆盖范围以及稳定性等性能指标，从而更好地满足社会发展和应用需求。此外，需要注意到通信导航定位系统在使用过程中可能会遭受一些干扰和攻击，如电磁干扰、卫星信号伪装和恶意攻击等。因此，未来的研究还需要关注系统的安全性和鲁棒性，以应对这些潜在的风险与挑战。