卫星导航系统的定位精度主要由两方面因素决定,一是位置精度衰减因子(PDOP),主要取决于星座的覆盖特性,一般来说,用户可观测到的卫星数越多,与用户的几何构型越好,PDOP值就更优。目前,世界四大全球卫星导航系统,PDOP全球均值一般为2左右。二是用户等效测距误差(UERE),该误差是由空间段卫星轨道钟差、传输环境段的电离层和对流层误差、用户段接收机噪声和多径误差等三部分误差项共同组成。目前,四大系统UERE一般为2.0米(95%)左右。PDOP与UERE两者的乘积即为系统定位精度。
目前, 美国GPS系统和俄罗斯GLONASS系统均已满星座运行,实现全球覆盖,为全球用户提供服务;我国北斗卫星导航系统2018年底完成基本系统建设并开通全球服务 2020年底将完成30颗卫星全星座组网(24MEO+3IGSO+3GEO)部署;欧洲Galileo系统由30颗MEO卫星组成,2016年提供初始运行服务,计划在2020年实现全面运行能力。
综上,全球四大卫星导航系统都已具备全球覆盖能力,用户测距误差相当,在PDOP上的差异也较小,无论是在挪威,还是在世界任何其他地方,都能够保证用户能够看到足够数目的卫星,四个卫星导航系统性能基本相当。
基于全球四大系统的星座性能参数、星座构型,来仿真分析四大系统在挪威的PDOP值和可见卫星数结果。
值得注意的是,在挪威等高纬度地区,由于俄GLONASS星座设计时,轨道倾角大于其他三大GNSS,较多考虑了对包括其国土在内的高纬度地区的覆盖,因此相对而言GLONASS系统在高纬度地区PDOP比低纬度地区略优。
(2)GNSS星座构型
(3)分析结果
对挪威地区的PDOP和卫星可见性进行了仿真。(仿真条件:仿真步长60s,时间1天,高度角≥5°)
2、各GNSS 可见卫星平均数目分别如下图所示。
通过上述分析,各系统星座在挪威首都奥斯陆的PDOP值和卫星可见数目见表2。
可以看到,各GNSS在挪威地区的PDOP值接近,约为1.5;各GNSS在挪威地区的卫星可见数目接近,范围为8~11。
利用国际GNSS服务组织(IGS)全球监测网、亚太空间合作组织(APSCO)站点以及国际GNSS监测评估系统的观测数据,分别进行了北斗B1I、B2a频点、GPS L1频点、GLONASS G1频点和GALILEO E1频点标准定位解算。
欧洲附近站点标准定位解算结果如下图所示。
从图中可以看出,各大系统在欧洲附近水平定位精度相当处于2m左右,垂直精度处于4m内。
注:GLONASS系统精度低的原因可能是系统接收机未精确校准通道时延差。GANP(斯洛伐克)、PANDO(意大利)、BRCH)(德国)。
亚太地区标准定位解算结果如下图所示。
从图中可以看出,北斗系统在亚太地区精度略好于其他系统,北斗水平定位精度处于1~2m,GPS和GALILEO系统处于2~3m;北斗垂直定位精度处于3m~4m左右,GPS和GALILEO系统处于4~6m。
注:BJF1(北京),LHA1(拉萨),KUN1(昆明),KNDY(斯里兰卡),CSRS(泰国),MULT(巴基斯坦),DWIN(达尔文),PETH(珀斯)。
4、小结
本报告介绍了卫星导航性能相关因素(PDOP和UERE),并用仿真结果和IGS、APSCO和iGMAS站的实际数据结果进行了验证,进而我们可以得出各GNSS在全球(亚太地区以外)定位精度相当,亚太地区北斗系统定位精度优于其余卫星导航系统,具体而言:
注:GLONASS系统精度低的原因可能是系统接收机未精确校准通道时延差。
附件1:
卢鋆:通信与信息系统专业博士,北京跟踪与通信技术研究所高级工程师,国家北斗重大专项地面试验验证系统副总设计师、国际合作专家组副组长,长期从事北斗系统总体设计、北斗国际兼容互操作协调、系统试验验证等工作。是“我们的太空”-北斗专业方向的专家。