BDS/GPS/GLONASS/GALILEO组合卫星导航系统仿真分析

潜成胜，马大喜

(江西理工大学建筑与测绘工程学院，江西赣州 341000)

BDS/GPS/GLONASS/GALILEO组合卫星导航系统仿真分析

潜成胜∗，马大喜

(江西理工大学建筑与测绘工程学院，江西赣州 341000)

全球卫星定位系统因其高精度、全天候等优点而被广泛应用，但是单一导航系统容易受环境及人为干扰，导致在区域精度和连续性上有较大问题。本文对组合导航系统进行仿真，组合中国BDS、美国GPS、俄罗斯GLONASS和欧盟的GALILEO四个全球卫星导航系统，利用仿真数据对目前GPS单一系统、当前不完整组合系统、未来完整组合系统在赣州地区的几何精度衰减因子(GDOP)值、可见卫星数及导航精度进行对比分析。通过仿真结果可以发现，与单一的GPS系统相比，组合系统在可见卫星数、GDOP和导航精度上都有非常大的优势。

全球卫星导航系统；组合导航系统；北斗导航系统；仿真分析

1 引 言

北斗卫星导航系统(BDS)是我国正在实施的自主研发、独立运行的全球卫星导航系统(GNSS)，与美国的GPS、俄罗斯的GLONASS、欧盟的GALILEO系统组成全球四大卫星导航系统。2012年底，北斗系统(BDS)空间信号接口控制文件正式版正式公布，北斗导航业务正式对亚太地区提供无源定位、导航、授时服务。到2020年左右，北斗系统将完成全部35颗卫星的组网工作，实现全球覆盖，同时欧盟的GALILEO系统也将完成全部30颗卫星的发射工作。届时，地球上空将会有35颗北斗卫星，30颗GPS卫星(美国正在进行GPSIII项目)，24颗GLONASS卫星和30颗GALILEO卫星，全球用户将可享受多星座提供的高精度定位和导航服务，大大降低了对单一导航系统的依赖[1]。

鉴于单一导航系统在使用中难免会出现特定时间特定区域内可见卫星数量少，精度差以及抗风险、抗异常误差能力差等问题。而组合卫星导航系统通过组合GPS、BDS、GLONASS、GALILEO四大导航系统，大大提高可见卫星数目、减小精度衰减因子(DOP)，提高定位精度；最大限度减少导航盲区，提高导航服务的连续性。

本文通过对单一导航系统和组合导航系统的仿真分析，并且考虑到未来将要补充完整的卫星星座，讨论组合导航系统给全球导航定位用户带来多大的精度提升效果。组合导航系统带来的卫星资源数量的增多，必然导致观测量的增加，而DOP值的确定将为测量任务以及数据处理带来重要意义。

2 精度衰减因子(DOP)

DOP值有GDOP(几何精度衰减因子)、PDOP(位置精度衰减因子)、TDOP(时间精度衰减因子)、HDOP(水平方向精度衰减因子)、VDOP(垂直方向精度衰减因子)等几种定义，DOP值越低，卫星星座结构越好。但是，GNSS的卫星星座分布限制了其DOP值的最大和最小值。

式中，l为观测向量，A为设计矩阵，x为参数向量。

则可得参数向量的最小二乘解:

假定权矩阵为单位矩阵，则参数的协因数矩阵可写成:

协因数矩阵QX是一个[4×4]的矩阵。其矩阵元素的三个分量由测站坐标X、Y、Z组成，另外一个分量是由接收机钟差构成，协因数矩阵具体表示为[2]:

根据其对角线元素可以得到几种精度衰减因子:几何精度衰减因子:

式(4)中的DOP值是在赤道坐标系中表达的，将其转换到地平站心坐标系下，忽略其中与时间相关的分量，只包含几何分量部分，则协因数矩阵为:

其中，旋转矩阵RT=n e u []包含站心坐标系的三个坐标轴单位矢量。

进一步定义两个DOP值:

计算DOP值并不需要观测数据，可以事先利用星历数据来计算DOP值，DOP值的确定对设计一项测量任务具有重要意义，并且有利于分析处理后的基线向量，用来剔除DOP值较差的数据。通过对卫星星座的仿真分析，来计算其DOP值，为卫星导航定位系统的设计及应用带来了便利。

3 卫星导航系统仿真与分析

本次仿真时间从2012年12月6日04∶00～2012年12月7日04∶00为止，地面站选为赣州(北纬28.57°、东经114.56°、高程500 m、高度截止角10°)，分别对GDOP值，可见卫星数和导航精度进行计算。并对以下3个方案进行仿真分析:

方案一:目前运行的GPS系统；方案二:当前不完整组合卫星导航系统；方案三:未来完整的组合卫星导航系统。

方案一中目前(截止2012年12月)GPS系统有33颗卫星正常工作。方案二中当前不完整组合卫星导航系统由33颗GPS卫星，24颗GLONASS卫星，14颗北斗卫星，4颗GALILEO卫星组成。方案三中目前只有GPS和GLONASS实现全球组网，北斗和GALILEO还未能实现全球组网。故通过仿真来实现未来完整的组合导航系统。未来完整组合的仿真系统中GPS和GLONASS系统采用目前在轨正常工作卫星(截止2012年12月)数据，其中GPS系统选用30颗，GLONASS系统24颗。北斗和GALILEO通过公布的轨道参数进行模拟，卫星总数为119颗。

北斗导航系统空间星座由5颗地球静止轨道(GEO)卫星、27颗中圆地球轨道(MEO)卫星和3颗倾斜地球同步轨道(IGSO)卫星组成。5颗GEO定点与东经58.75°、80°、110.5°、140°、160°，3颗IGSO卫星在3个轨道面上，轨道倾角55°。GALILEO导航系统空间星座由30颗卫星组成，均匀分布在3个轨道面上。

利用STK(卫星软件工具包)软件对各方案进行仿真分析，STK是由美国Analytical Graphics公司开发的仿真分析软件。方案一和方案二利用STK软件卫星数据库中现有的卫星数据(卫星数据库更新至2012年12月)，方案三中完整的北斗系统和Galileo系统根据公开的卫星轨道参数进行仿真。北斗系统和Galileo系统详细的参数设置见表1，图1～图3为各系统在赣州地区仿真时段内的可见卫星数，GDOP值和导航精度，表2为结果对比。

BDS和GALILEO卫星参数 表1

图1 各系统在赣州地图的可见卫星数

图2 各系统在赣州地区的GDOP值

图3 各系统在赣州地区的导航精度

以上3次仿真结果的统计数值如表2所示。

各导航系统在赣州地区各项数值对比 表2

从表2中可见:

(1)在GPS卫星系统的基础上加入当前的GLONASS、BDS、GALILEO后，可用卫星总数增加到75颗，增加了127.27%。而平均GDOP值减少46.41%(其中GDOP最大值减少55.34%，最小值减小33.03%)。可见卫星数量从平均9.4颗增长到29.4颗，增长20颗，增幅212.77%。而导航精度也从10.68 m提高到5.73 m，精度提高46.35%。

(2)将四大导航系统卫星补充完整之后，卫星总数达到119颗。平均GDOP值降到1以下的最优级别，和单独GPS系统相比平均GDOP值降幅达到56.83%(其中GDOP最大值减少67.48%，GDOP最小值减少43.18%)。平均可见星数增加到43.1颗，增幅358.51%。导航精度提高到4.61m，提高56.84%。可见完整组合卫星导航系统对单一的GPS导航系统提升效果显著，不论是精度和连续性上都有极大的改善。

(3)在当前组合卫星导航系统的卫星补充完整之后，其平均可见卫星数从29.4颗增加到43.1颗，增加46.60%，但是其平均GDOP值只减小了19.44%(其中最大GDOP值减小27.17%，最小GDOP值减小15.16%)，导航精度也只是从5.73 m提高到4.61 m，仅提高19.55%。可见随着卫星总数以及可见卫星数量增加到一定程度，GDOP值的减小幅度也开始变小，精度提升效果也随之不明显。

4 结 论

本文通过对目前GPS卫星导航系统，当前不完整组合卫星导航系统以及未来完整组合卫星导航系统进行仿真，并分别计算了3个系统在赣州地区的GDOP值、可见卫星数、导航精度。通过对比分析结果发现，随着用户可见卫星数量的增加，GDOP值将逐渐减小，导航精度也随之提高。但当可见卫星数量增加到一定程度，其带来的DOP值的减小以及导航精度的提升效果将越来越不明显。此时，将要采取其他措施来增加卫星导航定位的精度。

[1] 杨元喜，李金龙，徐君毅等.中国北斗卫星导航系统对全球PNT用户的贡献[J].科学通报，2011，56(21):1734～ 1740.

[2] Hofmann-Wellenhof B，Lichtenegger H，Wasle E.全球卫星导航系统GPS，GLONASS，Galileo及其他系统[M].北京:测绘出版社，2009.

[3] 戴冲.卫星导航系统空间段仿真关键技术研究[D].北京:国防科学技术大学，2011.

[5] 杨颖，王琦.STK在计算机仿真中的应用[M].北京:国防工业出版社，2005.

[6] 田八林，袁建平，岳晓奎.基于STK的GPS空间覆盖特性仿真分析[J].计算机仿真，2008，25(6):46～49.

[7] 刘根友，郝晓光，陈晓峰.对我国二代卫星导航系统覆盖范围向北扩展星座方案的探讨[J].大地测量与地球动力学，2007，27(5):115～118.

[8] 王泽民，孟泱，伍岳等.GPS，Galileo及其组合系统导航定位的DOP值分析[J].武汉大学学报·信息科学版，2006，3(1):9～12.

[9] Adam Gorskiand Greg Gerten，GNSSPerformance Possibilities[M].AnalyticalGraphics INC(AGI)，2007.

欧洲宇航防务局技术专家来重庆市勘测院开展技术交流

(本刊讯)2013年9月3日，欧洲宇航防务局技术专家FRANK BIGNONE先生与重庆市勘测院技术人员就Pixel Factory(像素工厂)和Street Factory(街景工厂)等先进技术进行了交流。

会上，FRANK先生向我院技术人员介绍了Street Factory最新的3D MOSAIC功能，提出了地面测量车和航空摄影相结合的城市三维建模新理念，并展示了法国马赛和日本横滨、原宿等多个生动的案例。重庆市勘测院技术人员结合生产实际针对软件与传统测量手段的衔接等细节问题提出了改进意见。

据悉，重庆市勘测院自引进像素工厂以来，目前已完成了主城区0.1m高分辨率影像生产等多个重大项目，由于像素工厂强大的并行计算和高度自动化生产能力，大幅提升了生产效率和产品质量，体现出传统测量手段不可比拟的优势。

(重庆市勘测院航测遥感所周智勇供稿)

Simulation and Analysis of BDS/GPS/GLONASS/GALILEO Integrated Satellite Navigation System

Qian Chengsheng，Ma Daxi
(College of Architecture and Geomatics Engineering，Jiangxi University of Science and Technology，Ganzhou 341000，China)

The Global satellite Positioning System is applied widely because of its advantages of high accuracy and all-weather operation.However，a single satellite positioning system ismore susceptible to environmental and human disturbance，which causes significant problems about precision and continuity in region.In this paper，an integrated navigation system which includes the Chinese BDS，the U.S.GPS，the Russian GLONASSand the EU’s GALILEO was applied to be simulated.And the simulated data was used to compare the current single GPS system，the current incomplete integrated system and the future complete integrated system’s GDOP，the number of visible satellites and navigation accuracy in Ganzhou area.The simulation results reveal that the integrated navigation system ismore advantage than the single GPS system in GDOP，the number of visible satellites and navigation accuracy.

GNSS；integrated navigation system；BDS；simulation

1672-8262(2013)05-97-04

P228

A

2013—02—24

潜成胜(1988—)，男，硕士研究生，主要研究方向为卫星导航，组合导航。