北斗衛星導航系統服務性能指標分析

摘 要： 北斗衛星導航系統服務性能指標是北斗衛星導航系統的關鍵技術指標，表示北斗導航衛星所能提供的服務水平。主要從覆蓋性、精度、可用性、完好性和連續性幾個方面來構建其指標體系；然后依據各個指標之間的相互關系，初步構建二級性能指標；最后通過軟件仿真，對其性能進行了分析。

關鍵詞： 北斗衛星導航系統； 服務性能指標； 二級性能指標； 平均DOP值

中圖分類號： TN806?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2013）11?0016?03

0 引 言

北斗衛星導航系統是我國自主建設、獨立運行，并與世界其他衛星導航系統兼容共用的全球衛星導航系統。北斗衛星導航系統建成后將為全球用戶提供衛星定位、導航和授時服務，并為我國及周邊地區用戶提供定位精度1 m的廣域差分服務和120個漢字/次的短報文通信服務。北斗衛星導航系統的性能指標是描述其性能優劣的直接表述，它集合了衛星導航系統所有的性能參數，也是了解和衡量它的最直接窗口。完整的北斗衛星導航系統性能指標規范，也是向廣大用戶宣傳北斗，推廣北斗的最有力工具，對指導北斗系統建設也有重要的借鑒意義。本文在詳細介紹北斗衛星導航系統性能指標的基礎上，依據各個指標之間的相互關系，進一步構建其二級性能指標。

1 北斗衛星導航系統性能指標

北斗系統服務指標體系從系統提供給普通用戶和授權用戶的服務入手，構建指標體系，初步構建體系框架圖如圖1所示。

依據北斗衛星導航系統各個組成部分以及其相互關系，分解得到其二級性能指標，主要包括星座構型指標、空間信號指標、信號傳輸指標、信息處理指標和用戶終端性能指標等。

衛星導航系統性能指標的常見標準有：覆蓋性、精度、完好性、幾何因子、可用性、連續等[1]。本文主要從覆蓋性、幾何精度因子、完好性、可用性幾個方面描述北斗衛星導航系統的性能指標。

1.1 覆蓋性

覆蓋范圍是指定位服務空間信號可以滿足特定精度要求的地球表面區域[2]。覆蓋范圍分為單星覆蓋范圍和基準/可擴展星座覆蓋范圍。它與覆蓋重數緊密相關，覆蓋重數是指衛星都健康可用（無故障）的情況下，服務區內導航用戶可以接收到的衛星數（在某一確定的衛星遮掩角下），衛星的空間分布（方位角）等；星座中有2顆衛星故障（最差組合）時，服務區內用戶接收的衛星數。覆蓋重數表示方法有：無故障時，一定衛星遮掩角下的平均可見星數，95%平均可見星數，最大可見星數，最少可見星數，可見星數直方圖等；2顆故障時，平均可見星數，95%平均可見星數，最大可見星數，最少可見星數等。

1.2 幾何精度因子

根據我國北斗二代衛星導航系統的特點，是由分布在不同軌道高度的異質衛星組成的混合星座導航系統，不同軌道衛星定軌誤差不同，用戶得到的觀測量精度也不相同，若仍假設觀測值具有相同的精度，直接利用幾何精度因子（GDOP）進行分析就不能真實地反映定位精度，所以要引用加權幾何精度因子（WGDOP）對我國二代衛星導航系統的定位精度進行分析[3]。

假設偽距觀測模型可表示如下：

[ρ=HxW] （1）

式中：[W=diagσ21σ22…σ2m]為權矩陣；[σi]是第[ii=1，2，…，m]顆衛星的測距均方根誤差。由式（1）求得加權最小二乘解為：

[x=HTW-1H-1HTW-1ρ=Gρ] （2）

由此求出狀態估計值的協方差為：

[Rx=COV x=GWGT=HTW-1H-1] （3）

WDOP定義如下：

[WDOP=traceHTW-1H-1] （4）

1.3 完好性

完好性是一個與系統可靠性密切相關的概念。北斗衛星導航系統的完好性，指的是導航系統所提供定位信息的可靠性，要求在系統不能用于導航的情況下為用戶提供及時和有效的警報。

北斗衛星導航系統完好性通常用以下4個參數描述：

（1）保護限值。定位誤差的最大幅值，當用戶的定位誤差超過這一限值時，系統向用戶發出警報。

（2）告警時間。用戶定位誤差超過報警限值的時刻和系統向用戶顯示這一警報時刻的最大允許時間。

（3）最大虛警概率。系統無故障時所允許的最大告警概率。

（4）漏檢概率。發生故障而沒有檢測到并向用戶指示的故障概率。漏檢概率有時也用最小可檢測概率來等效表示。兩者之間的關系是：漏檢概率=1-最小可檢測概率。

目前導航衛星完好性監測方法通常有3種[4]，即接收機自主完好性監測（Receiver Autonomous Integrity Monitoring，RAIM）、地面完好性通道（Ground Integrity Channel，GIC）和衛星自主完好性監測（Satellite Autonomous Integrity Monitoring，SAIM）。

1.4 可用性

可用性是指用戶利用北斗衛星導航系統進行導航定位的可用時間的百分比，即北斗衛星導航系統同時滿足精度和完好性要求的可能性。可用性是北斗系統在某一指定覆蓋區域內提供可以使用的導航服務能力的標志。不同用戶所處的位置不同，不同的觀測時間，可視導航衛星的幾何結構和觀測誤差就不同，因而不同時空點的系統可用性就不同[5]。某一位置某一時間點的可用性稱為瞬時可用性，同一位置不同時間的可用性稱為單點可用性，某一服務區不同單點可用性稱為服務區可用性。可用性還可以用多種方式描述，如單星可用性和星座可用性，精度可用性和完好性可用性等。單星的可用性可詳細地分為以下三種：

（1）瞬時可用性（Instantaneous Availability）：指衛星瞬間保持正常工作的概率。

（2）平均可用性（Mean Availability）：指衛星在某段時間內保持正常工作的概率。

（3）穩態可用性（Steady Availability）：指衛星長期使用時的可用性，它是用戶比較關心的指標。

1.5 仿真分析

本文仿真的星座結構為5顆GEO衛星、3顆IGSO衛星和27顆MEO衛星[6]。仿真星座的衛星星下點軌跡如圖2所示。

圖3所示結果表明仿真星座構型下，北斗衛星導航系統在亞太地區的衛星平均可見數達到16顆，能很好地覆蓋亞太地區。

仿真星座構型下的平均DOP值如圖4～圖6所示。

從圖4～圖6可以看出，仿真星座構型下北斗系統的平均DOP值都小于3，定位精度良好。特別是在亞太地區，定位精度更高。

2 結 語

北斗衛星導航系統正處于全面建設時期，它的建設目標是建成獨立自主、開放兼容、技術先進、穩定可靠覆蓋全球的導航系統，促進衛星導航產業鏈形成，形成完善的國家衛星導航應用產業支撐、推廣和保障體系，推動衛星導航在國民經濟社會各行業的廣泛應用。“北斗”全球衛星導航系統建成后，中國軍隊也將擁有自己的全球衛星導航手段，車輛、單兵、艦船乃至高速移動的飛機和導彈都可以應用，我國的北斗衛星導航系統也會積極融入國際社會這個大舞臺，推動國際交流與合作，讓廣大用戶了解北斗、使用北斗、推廣北斗。我們也將積極實現北斗衛星導航系統與世界其他衛星導航系統的兼容與互操作，為全球用戶提供高性能、高可靠的定位、導航與授時服務。

參考文獻

[1] 翟桅，張國柱，雍少為.基本星座下北斗衛星導航系統服務性能分析[J].全球定位系統，2011，36（4）：56?60.

[2] GPSNAVSTAR. SPS?performance?standard [S]. United States： America Department of Defense， 2008.

[3] 連遠鋒，趙剡，吳發林.北斗二代衛星導航系統全球可用性分析[J].電子測量技術，2010，33（2）：15?18.

[4] 盧虎，廉杰.北斗用戶機自主完好性監測研究[J].空軍工程大學學報，2010，11（3）：53?57.

[5] 陳金平，周建華，趙薇薇.衛星導航系統性能要求的概念分析[J].測控技術，2005，35（1）：30?32.

[6] 楊鑫春，李征航，吳云.北斗衛星導航系統的星座及XPL性能分析[J].測繪學報，2011，40（z1）：68?71.