基于BDSim的BDS與GPS仿真分析

王益山 王直 束秋霞

摘 要：為了對尚未組網完成的北斗衛星導航系統（BDS）進行性能評估，使用BDSim軟件對BDS與GPS的各項定位性能進行仿真和對比，為BDS組合定位提供一定的理論參考。通過對仿真結果中可見星數與GDOP值的分析，確定BDS的定位性能。與GPS仿真結果相比，BDS的可見星數與GDOP值略有不足，但BDS依舊有不錯的性能表現。可見BDS雖然尚未組網完成，但依舊可為全球提供較為精確的定位服務。

關鍵詞：BDSim;GDOP值;北斗導航系統;GPS導航系統;組合導航

DOI：10. 11907/rjdk. 182224

中圖分類號：TP319文獻標識碼：A文章編號：1672-7800（2019）003-0139-04

0 引言

北斗衛星導航系統（BeiDou Navigation Satellite System）是繼美國 GPS、俄羅斯 GLONASS 后第3個進入 GNSS（全球定位導航系統）俱樂部的導航系統，它是具有完全自主知識產權并被世界衛星導航委員會認可的系統[1]。2012年底我國宣布正式運行服務亞太地區的區域性衛星導航系統，北斗全球衛星導航系統仍在建設中，預計2020 年完成[2]。我國已充分認識到BDS對國家經濟發展和戰略安全的至關重要性[3]。雖然北斗三代衛星導航系統尚未完全建成，但北斗已經開始提供導航服務。北斗三號增加了星間鏈路、全球搜索救援等新功能，播發更優的導航信號，采用了新一代銣原子鐘和被動型氫原子鐘結合方式，穩定度達到E-15量級，整體性能大幅提升[4]。目前正在進行組網衛星的在軌測試、系統集成與性能評估，初步結果表明衛星在軌狀態良好，性能滿足指標要求。北斗區域衛星導航系統在亞太地區具有良好的幾何覆蓋， 可滿足不同用戶的導航定位需求[5]。系統建成后，將提供授權、公開、廣域差分和短報文4種服務[6]，定位精度優于10m，授時精度優于20n，測速精度0.2m/s[7]，多星座數據融合有很多優勢[8]。

BDS/GPS融合定位已有很多研究成果[9-13]，但大多針對單點定位或短基線相對定位，且實驗區域較小。鑒于上述背景，本文通過BDSim仿真軟件對BDS與GPS在世界主要區域的可見性及覆蓋品質進行仿真與分析，為北斗實際應用提供分析參考。

1 BDSim軟件

北斗開放實驗室發起單位之一的湖南省工程研究中心天衡團隊耗時兩年精心研制了BDSim，是國內首個衛星導航仿真試驗平臺，也是全球首款系統仿真開源軟件。BDSim可模擬衛星運行真實環境，提供多樣化仿真場景服務以及數據分析、數據共享和多種模型驗證服務，能直觀、全面地展現衛星導航系統的運作機理及運行流程。BDSim以專業特色、兼容并包為理念，構建了系統級仿真對象，具備空間段、地面段、用戶段和環境段等全系統仿真功能，支持全系統場景設計和仿真;具備豐富全面的仿真產品，可生成軌道、鐘差、電離層、各類觀測數據等，支持Rinex格式和自定義數據文本格式數據的存儲導出;此外，BDSim還具備與衛星導航信號模擬源及與現有衛星導航數據處理軟件兼容及交互功能[14]。本文使用BDSim軟件進行仿真，仿真時間為24h，仿真步長為300s。

2 定位精度因子DOP

在衛星導航定位系統中，定位誤差主要取決于接收機等效測距誤差和精度衰減因子DOP。本文使用幾何精度因子（Dilution of Precision，DOP也翻譯為精度衰減因子）衡量觀測衛星的空間幾何分布對定位精度的影響。DOP分為以下幾種：三維位置精度因子（Position Dilution of Precision，PDOP）：為緯度、經度和高程等誤差平方和的開根號值;鐘差精度因子（Time Dilution of Precision，TDOP）：為接收機內時表偏移誤差值;水平分量精度因子（Horizontal Dilution of Precision，HDOP）：為緯度和經度等誤差平方和的開根號值;垂直分量精度因子（Vertical Dilution of Precision，VDOP）。DOP值的大小與定位的誤差成正比，DOP值越大，定位誤差越大，定位精度越低。

多系統組合定位具有可見衛星數（Visible Satellite Number，VSN）多、定位精度高等優點，所以多系統組合研究顯得尤為重要[16]。研究過程中不僅對比BDS和GPS的定位能力，還加入了組合定位的仿真對比。

3 衛星導航系統可見星數分析

導入BDSim自帶的北斗導航衛星星座后，可得到如圖 1 的衛星二維分布、星下軌跡圖及可見星數評估。

研究過程中， 將截止高度角設置為5°，仿真可見星數，如圖2是測試時段內某時刻位于北京的接收機的可見衛星數。

對日常生活進行定位時，地面接收至少4個位置衛星所發送的衛星廣播信號，便能聯立定位方程組，解算出自己所處位置[17]。圖3是北京附近測試區域24h內的北斗衛星導航系統的可見星數仿真，全時段最小值為6，最大值為12，平均值為8.5，始終保持大于4顆，達到定位的可見星數要求。

圖4是北京附近測試區域24h內的GPS衛星導航系統的可見衛星數仿真，對比圖3可以看出，GPS可見星數略多于BDS的可見星數，并且可見星數的曲線更加平緩。仿真期間，GPS的可見星數全時段最小值為8，最大值為15，平均值為11.3，GPS的可見星數明顯優于BDS。不過因為北斗尚未組網完成，這種情況也是可預見的。

圖5是北京附近測試區域24h內BDS和GPS組合可見衛星數，很明顯，在BDS和GPS組合定位的情況下，可以保證可見星數始終大于14，全時段的可見星數平均值為19.8，在可見星數充足的情況下保證在定位時段可選擇的衛星更多。仿真表明在北斗組網尚未完成時，利用BDS和GPS的組合定位既可保證定位的獨立性，又可在某些BDS單獨定位效果不好時進行BDS和GPS的組合定位，以保證定位精度。

4 GDOP性能仿真分析

精度衰減因子（Dilution of Precision，簡稱 DOP）是位置質量的重要參數。DOP 直接受被接收衛星和接收機的幾何形狀影響，所以通過 DOP 值可以衡量該星座得到的位置精度。小的 DOP 值代表較好的衛星幾何位置和較高的精度概率，大的 DOP 值代表較差衛星幾何位置和較低精度概率。DOP 值的好壞按表 1 分等級[18]。定位精度是人們最關心的問題之一，而影響定位精度高低的關鍵因素是空間衛星的幾何分布。幾何精度因子（GDOP）是反映定位精度與衛星幾何分布關系的指標[19]。

對北京附近測試區域的GDOP性能進行仿真分析。圖6是北京附近測試區域24h內BDS的GDOP性能仿真分析，GDOP全時段最小值為1.268，全時段最大值為2.75，全時段平均值為1.91，一天之內GDOP 變化幅度不大，總體GDOP性能良好。根據表1與圖6可以看出，一般情況下可通過BDS獲得較為精確的定位信息。圖7是北京附近測試區域24h內GPS的GDOP性能仿真分析，GDOP全時段最小值為1.06，最大值為2.63，平均值為1.496。對比BDS的GDOP仿真結果可以看出，雖然BDS的GDOP仿真結果略差于GPS的GDOP仿真結果，但兩者差距并不大。圖8是北京附近測試區域24h內的BDS和GPS組合定位時的GDOP性能仿真分析，GDOP全時段最小值為0.816，最大值為1.62，平均值為1.094。從BDS與GPS的組合定位GDOP仿真結果可以看出， GDOP性能顯著提升，根據表1可以看出全時段的GDOP平均值接近最優。

5 衛星導航系統性能仿真分析

我國境內大部分地區GEO衛星的可見性為100%，星座對定位結果貢獻最大。雖然GEO衛星的可見性不隨位置的改變而變化，但因為其空間位置相對固定，不同緯度測站傳播距離、衛星高度角等不同，定位性能也會有差異[20]，因此本文對全球范圍內的GDOP性能表現進行了仿真研究。表2為24h內世界主要區域使用BDS定位仿真的GDOP，總體來看BDS在全球范圍內定位效果較為穩定， BDS在所有的測試區域可保證GDOP值不超過3，這表明BDS在全球范圍可以提供較為精確的定位結果。

表3 是24h內世界主要區域使用GPS定位仿真的GDOP，對比表2，GPS的覆蓋性能均優于BDS，說明在未組網完成時BDS的定位效果是略低于GPS的。表4 是BDS與GPS組合定位下，24h內世界主要區域的GDOP仿真結果，很顯然，組合定位可以提供更為穩定和精確的定位效果。在組合定位的情況下，幾乎可以獲得最優的GDOP值。

6 截至角對BDS定位的影響

實際定位中某些環境對衛星的個數以及仰角要求更加嚴格，衛星信號可能會被高樓等建筑物遮擋，同時到達接收機的衛星信號也可能夾雜著多路徑誤差的反射信號，對定位結果造成影響[21]。為了仿真實際情況下的接收機定位效果，本文通過不同截至角的定位仿真來對比。圖9是位于北京截止高度角設置為5°的接收機24h內BDS的GDOP性能的仿真結果，仿真時間內GDOP值始終小于3，可以提供優秀的定位效果。

但實際定位過程中由于有各種遮擋物，會對接收到的衛星數目有影響，這種情況下把接收機截止高度設置為7°，得到圖10。在截止高度角為7°的情況下，GDOP值仍可保持小于4，并且除了部分時間外，GDOP的值變化也較為平緩，可以提供良好的較為穩定的定位效果。當將截止高度角提高到10°時， GDOP值會在一段時間內明顯增大，說明在這段時間內可見衛星的空間分布不好。如果使用組合定位，更多的可見衛星加入計算將會減輕這種情況。以上說明，即使在北斗衛星導航系統尚未組網完成的情況下，BDS也能基本滿足日常定位需求，而如果使用組合定位則可滿足更高的要求。

7 結語

本文使用BDSim軟件，對尚未組網完成的北斗三代導航系統、GPS導航系統以及BDS和GPS組合定位進行了仿真，得到了尚未組網完成的北斗三代星座二維星下軌跡圖。對BDS、GPS以及BDS和GPS組合定位的可見星數進行了仿真分析。從仿真結果可以看出星座的可見星數均大于4，滿足最少可見星數的定位要求。對GDOP值進行了仿真計算，BDS雖然在穩定性和精度上和GPS相比略有不足，但BDS依舊能為用戶提供較高精度的導航定位服務。根據仿真結果，在BDS尚未組網完成時，選擇以BDS與GPS的組合可達到更為精確的定位，并可預防GPS停止提供定位服務時導致的無法定位情況，本文所做工作可為全球定位服務提供參考。

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（責任編輯：杜能鋼）