胡曉粉，劉亞濤，張 沖，賈蕊溪

（解放軍裝備學(xué)院 研究生三隊(duì)，北京 101416）

1 引言

衛(wèi)星導(dǎo)航是二十世紀(jì)八十年代出現(xiàn)的最具劃時(shí)代意義的航天信息技術(shù)，目前，衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)已成為一個(gè)國(guó)家重要的空間基礎(chǔ)設(shè)施，是現(xiàn)代化國(guó)家綜合國(guó)力的體現(xiàn)。世界各航天大國(guó)相繼發(fā)展自己的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，美國(guó)的全球定位系統(tǒng)（global positioning system，GPS）和俄羅斯的格洛納斯衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng) （global navigation satellite system，GLONASS）已經(jīng)成功地部署并實(shí)現(xiàn)了全球?qū)Ш?，歐州伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng) （Galileo navigation satellite system，Galileo）的研究也取得了很大進(jìn)展，我國(guó)的北斗一號(hào)導(dǎo)航系統(tǒng)已順利完成，北斗導(dǎo)航系統(tǒng)正穩(wěn)步推進(jìn)。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱(chēng) “北斗系統(tǒng)”）是我國(guó)自主建設(shè)、獨(dú)立運(yùn)行，并與世界其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)兼容共用的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，它的順利推進(jìn)在一定程度上會(huì)出現(xiàn)與歐洲伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)競(jìng)爭(zhēng)的局面，也沖淡了伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)未來(lái)的市場(chǎng)前景。

2 系統(tǒng)概述

2.1 北斗系統(tǒng)概述

北斗系 統(tǒng) （BeiDou navigation satellite system，BDS）是我國(guó)自主研發(fā)并獨(dú)立運(yùn)行的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，由空間段、地面段和用戶(hù)段三部分組成，空間段包括5顆靜止軌道衛(wèi)星和30顆非靜止軌道衛(wèi)星，地面段包括主控站、注入站和監(jiān)測(cè)站等若干個(gè)地面站，用戶(hù)段由北斗用戶(hù)終端以及與其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)兼容的終端組成［1］。北斗系統(tǒng)衛(wèi)星星座組成包括5顆地球靜止軌道 （geostationary earth orbits，GEO）衛(wèi)星、3顆傾斜地球同步軌道（inclined geo－synchronous orbits，IGSO）衛(wèi)星和27顆中圓地球軌道 （medium earth orbit，MEO）衛(wèi)星，北斗系統(tǒng)提供開(kāi)放服務(wù)和授權(quán)服務(wù)兩種服務(wù)。目前，北斗系統(tǒng)已發(fā)射了16顆衛(wèi)星，已實(shí)現(xiàn)了為中國(guó)及周邊地區(qū)用戶(hù)提供快速定位、簡(jiǎn)短數(shù)字報(bào)文通訊和授時(shí)服務(wù)。

北斗系統(tǒng)實(shí)施 “三步走”發(fā)展戰(zhàn)略：第一步，2000年建成衛(wèi)星導(dǎo)航試驗(yàn)系統(tǒng)，用少量衛(wèi)星利用地球同步靜止軌道來(lái)完成試驗(yàn)任務(wù)。第二步，2012年，建成覆蓋亞太區(qū)域的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，具備覆蓋亞太地區(qū)的定位、導(dǎo)航和授時(shí)以及短報(bào)文通信服務(wù)能力。第三步，2020年左右，建成由5顆靜止軌道和30顆非靜止軌道衛(wèi)星組網(wǎng)而成的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)［2］。

2.2 伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)概述

伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是由歐盟委員會(huì)和歐洲空間局共同發(fā)起并組織實(shí)施的歐洲民用衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，旨在建立歐洲自主、獨(dú)立的民用全球衛(wèi)星導(dǎo)航體系。伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)由空間段和地面段組成，空間段由分布在三個(gè)軌道上的30顆中等高度軌道衛(wèi)星構(gòu)成，每個(gè)軌道面上10顆衛(wèi)星，9顆正常工作，1顆運(yùn)行備用，衛(wèi)星軌道傾角56°，軌道高度為23 616km，軌道交點(diǎn)周期為14h22min［3］。地面段由完好性監(jiān)控系統(tǒng)、軌道測(cè)控系統(tǒng)、時(shí)間同步系統(tǒng)和系統(tǒng)管理中心組成。伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)提供5種基本的服務(wù)方式：開(kāi)放服務(wù)、商業(yè)服務(wù)、生命安全服務(wù)、公共管理服務(wù)和搜救服務(wù)。目前，伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)已發(fā)射4顆衛(wèi)星，還處于在軌試驗(yàn)階段，沒(méi)有提供正式的服務(wù)。

3 性能比較

3.1 北斗系統(tǒng)和伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)參數(shù)比較

表1 BDS和Galileo的參數(shù)對(duì)比

3.2 定位精度

定位精度是衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)最基本的性能指標(biāo)之一，也是衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的頂層性能指標(biāo)，是指測(cè)量點(diǎn)位誤差分布的離散與密集程度，是測(cè)量點(diǎn)位與真值點(diǎn)位之差的概率統(tǒng)計(jì)幾何平均值，常用均方根誤差、圓概率誤差或球概率誤差來(lái)表示。精度一般通過(guò)用戶(hù)觀測(cè)偽距的等效距離誤差與表征觀測(cè)衛(wèi)星幾何的精度因子 （dilution of precision，DOP）相乘得到，95%表示置信概率［4］。

目前，在我國(guó)及周邊地區(qū)，北斗系統(tǒng)可提供雙向高精度授時(shí)和短報(bào)文通信服務(wù)。以下是基于伽利略系統(tǒng)仿真設(shè)施軟件實(shí)現(xiàn)的定位精度情況。

圖1 北斗系統(tǒng)的水平定位精度

圖2 伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的水平定位精度

由圖1和圖2可知，北斗系統(tǒng)和伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在全球范圍內(nèi)的水平定位精度都在10m左右。

圖3 北斗系統(tǒng)的垂直定位精度

從圖3和圖4可以看出，北斗系統(tǒng)和伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的垂直定位精度在中低緯度地區(qū)在15m左右，高緯度地區(qū)垂直定位精度稍差，達(dá)到20m左右。

圖4 伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的垂直定位精度

3.3 DOP值比較

幾何精度衰減因子 （gometric dilution of precision，GDOP）值是影響定位精度的一個(gè)重要參數(shù)，描述的是空間位置誤差和時(shí)間誤差綜合影響的幾何精度因子，它可將觀測(cè)的偽距觀測(cè)誤差轉(zhuǎn)換成用戶(hù)的位置誤差，由星座幾何構(gòu)型決定。在實(shí)踐中根據(jù)不同的要求，可采用不同的精度評(píng)價(jià)和相應(yīng)的精度因子［5］：平面位置精度因子，高程精度因子，空間位置精度因子 （position dilution of precision，PDOP），接收機(jī)鐘差精度因子。DOP值越小，定位精度越高。

圖5 伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的GDOP平均值

由圖5可以看出，在赤道附近，GDOP值在2.2左右，隨著緯度的增加，在南北緯30°附近，GDOP值在2.45左右。緯度繼續(xù)增加，GDOP值則逐漸減少，在南北緯60°處，減小到最小，GDOP值在2.06，隨著緯度的繼續(xù)增加，GDOP值又逐漸增加，在南北緯90°附近，GDOP值達(dá)到最大值2.55。

圖6 北斗系統(tǒng)的GDOP平均值

由圖6可知，在亞太地區(qū)，北斗系統(tǒng)的GDOP值最小達(dá)到1.4，在南北美地區(qū)，GDOP值最大達(dá)到2.6。

圖7 伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的PDOP平均值

由圖7可以看出，在赤道附近，PDOP值較小，在1.91左右，隨著緯度的增加，在南北緯30°附近，PDOP值達(dá)到2.14，隨著緯度的增加而減小，在南北緯60°處，PDOP值最小達(dá)到1.83，后又隨著緯度的增加而增加，南北緯90°處，最大值達(dá)到2.22。

圖8 北斗系統(tǒng)的PDOP平均值

由圖8可以看出，在亞太地區(qū)，北斗系統(tǒng)的PDOP值達(dá)到最小值1.23，在南北美地區(qū)PDOP值達(dá)到最大值2.28。

3.4 可見(jiàn)性比較

可見(jiàn)性指的是可觀測(cè)到的衛(wèi)星個(gè)數(shù)，表現(xiàn)了系統(tǒng)在特定的區(qū)域和時(shí)間內(nèi)為用戶(hù)提供服務(wù)的能力，主要通過(guò)可觀測(cè)到衛(wèi)星的個(gè)數(shù)及其幾何分布來(lái)評(píng)定［5］。

圖9 伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的衛(wèi)星平均可見(jiàn)數(shù)

如圖9所示，在赤道附近地區(qū)，伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的衛(wèi)星平均可見(jiàn)數(shù)約為9顆，隨著緯度的增加，衛(wèi)星的可見(jiàn)數(shù)逐漸減少，在南北緯度30°的附近區(qū)域，衛(wèi)星平均可見(jiàn)數(shù)約為7顆，隨著緯度的增加，衛(wèi)星的可見(jiàn)數(shù)又逐漸增加。在南北緯60°以上區(qū)域，衛(wèi)星平均可見(jiàn)數(shù)約為9.5顆。

圖10 北斗系統(tǒng)仿真星座的衛(wèi)星平均可見(jiàn)數(shù)

如圖10所示，在亞太地區(qū)，北斗系統(tǒng)的衛(wèi)星平均可見(jiàn)數(shù)約為16顆，在南北美地區(qū)，衛(wèi)星的可見(jiàn)數(shù)目較少。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)北斗系統(tǒng)和伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的對(duì)比，得出一些結(jié)論：由于北斗系統(tǒng)的GEO衛(wèi)星都分布在亞太地區(qū)，對(duì)我國(guó)及周邊地區(qū)有增強(qiáng)作用，所以在衛(wèi)星可見(jiàn)數(shù)和DOP值方面，表現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢(shì)，在全球的其它地區(qū)與伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)相當(dāng)，沒(méi)有明顯的區(qū)別。而伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的可見(jiàn)星數(shù)和DOP值在全球范圍內(nèi)隨緯度變化而變化，在赤道附近和中緯度地區(qū)效果最佳。

我國(guó)的北斗系統(tǒng)將在2020年左右建成覆蓋全球的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，它的主要亮點(diǎn)是：北斗系統(tǒng)用戶(hù)終端的短報(bào)文通信功能，可雙向報(bào)文通信，用戶(hù)最多可傳送120個(gè)漢字的短報(bào)文信息，解決了何人、何事、何地的問(wèn)題。將短信和導(dǎo)航結(jié)合，將會(huì)帶來(lái)更好的應(yīng)用前景，也將與歐洲的伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)形成一個(gè)競(jìng)爭(zhēng)局面。

［1］高成發(fā)，胡伍生.衛(wèi)星導(dǎo)航定位原理與應(yīng)用［M］.北京：人民交通出版社，2011.

［2］楊元喜.北斗導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)的進(jìn)展、貢獻(xiàn)與挑戰(zhàn)［J］.測(cè)繪學(xué)報(bào)，2010，39（1）：1－6.

［3］田曉振，陳正陽(yáng)，李旋，等.Galileo系統(tǒng)衛(wèi)星可見(jiàn)性和DOP值分析［J］.測(cè)繪工程，2007，16（4）：30－32.

［4］陳金平，周建華，趙薇薇.衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)性能要求的概念分析［J］.測(cè)控技術(shù)，2005，Vol.35（1）：30－32.

［5］翟桅，張國(guó)柱，雍少為.基本星座下北斗導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)服務(wù)性能分析［J］.全球定位系統(tǒng)，2011（4）：56－60.

［6］田曉振，陳正陽(yáng)，馮光財(cái)，等.Galileo和GPS的幾點(diǎn)比較［J］.測(cè)繪信息與工程，2007，32（1）：41－43.

［7］曾慶化，劉建業(yè)，胡倩倩，等.北斗系統(tǒng)及GNSS多星座組合導(dǎo)航性能研究［J］.全球定位系統(tǒng)，2011（1）：53－56.

［8］GATTI G，GARUTTI A，MANDORLO G，etal.The GIOVE－A Satellite：from Design to In－orbit Commissioning［C］//19th International Technical Meeting of the Satellite Division of ION GNSS，F(xiàn)ort Worth，TX：［s.n.］，2006：2542－2547.

［9］GARCIA A M，MEDAL C H，MERINO M M R，Navigation and Integrity Algorithms［C］//ION－GPS，Sept.13－16，2005，Long Beach，Convention Center.Long Beach，CA：ION－GPS Press，2005：1315－1326.