IRNSS 與GNSS 組合偽距單點定位性能對比分析

陳運培

（廣東省有色金屬地質(zhì)局九三二隊，廣東韶關(guān) 512000）

0 引言

印度區(qū)域衛(wèi)星導航系統(tǒng)（Indian Regional Navigation Satellite System，IRNSS）于2016 年開始提供服務(wù)，其主要服務(wù)區(qū)域為印度境內(nèi)和印度洋；除印度境內(nèi)外，東經(jīng)30°～150°、南緯65°～北緯65°范圍內(nèi)的其他區(qū)域為次要服務(wù)區(qū)域［1］。IRNSS 系統(tǒng)星座由地球靜止軌道（GEO）和傾斜地球同步軌道（IGSO）衛(wèi)星組成，可播發(fā)L5（1176.450 MHz）和S（2492.028 MHz）雙頻信號，但是當前大部分測站接收機只能接收到L5 頻率信號［2］。雖然IRNSS 系統(tǒng)可以單獨進行定位，但是由于其衛(wèi)星可用數(shù)較少，因此可能會導致定位精度較差，但是隨著全球不同國家定位系統(tǒng)的完善，其他系統(tǒng)的加入將有效改善這種情況［3］。IRNSS 作為為數(shù)不多的區(qū)域定位系統(tǒng)之一，受到了很多學者的關(guān)注，文獻［2］分析IRNSS和QZSS 在各自主服務(wù)區(qū)域的L5 信號單點定位性能和與GPS 組合在城市峽谷環(huán)境下定位性能，并以高度角作為變量進行分析，發(fā)現(xiàn)IRNSS 可以實現(xiàn)連續(xù)定位，水平定位精度優(yōu)于2.5 m，高程定位精度優(yōu)于4.1 m，QZSS 只能實現(xiàn)部分時段定位，水平定位精度優(yōu)于4.8 m，高程定位精度優(yōu)于7.2 m，而GPS 系統(tǒng)的加入，明顯改善了兩種系統(tǒng)單獨定位性能。文獻［3］分析了IRNSS 單點定位與相當定位精度，發(fā)現(xiàn)不同測站定位精度有差異，IISC 站水平與高程定位精度優(yōu)于2 m，CUAA 和CUBB 站水平定位精度優(yōu)于6.5 m，高程定位精度優(yōu)于10 m，次服務(wù)區(qū)內(nèi)的短基線相對定位精度可以達到厘米級。文獻［4］基于SKT 軟件評估了QZSS 與IRNSS 在我國的覆蓋范圍及對BDS 定位性能增強作用，發(fā)現(xiàn)兩種系統(tǒng)的加入能有效改善BDS 衛(wèi)星可見數(shù)與幾何空間構(gòu)型，有效降低BDS 單獨定位誤差，對華南地區(qū)定位性能提升較大，對東北地區(qū)定位性能提升較小。文獻［5］分析了服務(wù)區(qū)域內(nèi)IRNSS 系統(tǒng)定位性能以及損失一顆衛(wèi)星的定位性能，發(fā)現(xiàn)印度范圍以及向外延伸2000 km 其定位精度可以達到10 m，即使損失一顆衛(wèi)星，其可用性仍在95%以上。

在當前對IRNSS 系統(tǒng)的研究基礎(chǔ)上，本文基于印度境內(nèi)及周邊太平洋上的測站，首先分析了IRNSS偽距單點定位性能，然后分別分析了其與GPS、BDS、Galileo、GLONASS 組合偽距單點定位性能。

1 偽距組合觀測方程

IRNSS 與其他系統(tǒng)雙系統(tǒng)組合偽距觀測方程如式（1）所示［6］：

式中：I為IRNSS 系統(tǒng)；A為GPS、BDS、Galileo、GLONASS 四個衛(wèi)星導航系統(tǒng)；ρ為測站至接收機間幾何距離；c為真空中光速；dtr為接收機鐘差；dts為衛(wèi)星鐘差；dtI-Ar為IRNSS 與其他系統(tǒng)間的系統(tǒng)偏差和系統(tǒng)間硬件延遲等產(chǎn)生的額外偏差；dtrop為對流層延遲；dion為電離層延遲；ε為偽距觀測噪聲。

2 系統(tǒng)介紹

隨著科學技術(shù)的不斷發(fā)展，導航定位系統(tǒng)在各行各業(yè)中發(fā)揮著越來越重要的作用，比如車輛、船舶以及飛機等都離不開導航與定位。當前可提供全球定位服務(wù)的導航定位系統(tǒng)有美國的全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System，簡稱GPS）、中國的北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)（BeiDou Navigation Satellite System，簡稱BDS）、歐盟的伽利略衛(wèi)星導航系統(tǒng)（Galileo satellite navigation system，簡稱Galileo）以及俄羅斯的格洛納斯系統(tǒng)（Global Navigation Satellite System，簡稱GLONASS）提供區(qū)域定位服務(wù)的導航定位系統(tǒng)有印度區(qū)域?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（Indian Regional Navigation Satellite System，簡稱IRNSS）和日本的準天頂衛(wèi)星系統(tǒng)（Quasi-Zenith Satellite System，簡稱QZSS）。

GPS 系統(tǒng)由分布在6 個軌道面上的24 顆衛(wèi)星組成，可以播發(fā)L1、L2 和L5 三個頻率，是當前應(yīng)用范圍最廣的衛(wèi)星定位系統(tǒng)。BDS 系統(tǒng)是繼GPS 和GLONASS 之后第三個成熟的衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)，先后經(jīng)歷了北斗一號雙星定位系統(tǒng)、北斗二號區(qū)域定位系統(tǒng)建設(shè)，北斗三號全球定位系統(tǒng)于2020 年建設(shè)完成，在軌工作衛(wèi)星超過40 顆。BDS 系統(tǒng)由三種衛(wèi)星星座組成，可以播發(fā)B1I、B1C、B2a、B2b 以及B3I 多個頻率。Galileo 系統(tǒng)是歐盟研發(fā)和建立的全球衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)，計劃由30 顆衛(wèi)星組成，截止到2016 年，已經(jīng)發(fā)射18 顆工作衛(wèi)星，播發(fā)E1、E5a、E5b、E5a+b、E6 等多頻信息。GLONASS 系統(tǒng)是俄羅斯研制的全球?qū)Ш脚c定位系統(tǒng)，標準衛(wèi)星數(shù)為24 顆，可以播發(fā)G1、G2、G3 三頻頻率。QZSS 系統(tǒng)是日本研發(fā)的區(qū)域性功能的衛(wèi)星擴增系統(tǒng)，由4顆衛(wèi)星組成，可以播發(fā)L1C/A、L1C、L1-SAIF、L2C、L5 和LEX（L6）共計6 個頻率。IRNSS 系統(tǒng)是印度建設(shè)的自由區(qū)域型衛(wèi)星導航系統(tǒng)，由7 顆衛(wèi)星組成，可以覆蓋印度大陸以及周邊海洋，可以播發(fā)L5和S 雙頻信號。

3 衛(wèi)星可用性分析

IRNSS 衛(wèi)星可用性如圖1 所示，通過圖1 可以發(fā)現(xiàn)，8 顆IRNSS 衛(wèi)星在全天24 小時觀測中未出現(xiàn)間斷，保證每個歷元8 顆衛(wèi)星都可用。IRNSS 衛(wèi)星天空軌跡圖如圖2 所示，可以看出IRNSS 衛(wèi)星天空覆蓋范圍有限，這主要受到其服務(wù)范圍的影響。IRNSS 衛(wèi)星信噪比如圖3 所示，通過圖3 可以發(fā)現(xiàn)，IRNSS 衛(wèi)星最高信噪比接近48 dBHz，大部分在36 dBHz～46 dBHz 之間。IRNSS 衛(wèi)星高度角如圖4 所示，通過圖4 可以發(fā)現(xiàn)，IRNSS 衛(wèi)星高度角最大在75°左右，最低在35°左右，其余在35°～70°之間。

圖1 IRNSS 衛(wèi)星可用性

圖2 IRNSS 衛(wèi)星空中軌跡圖

圖3 IRNSS 衛(wèi)星信噪比

圖4 IRNSS 衛(wèi)星高度角

4 衛(wèi)星空間分布狀態(tài)

衛(wèi)星可見數(shù)與幾何精度因子（Dilution of Precision，DOP）對GNSS 定位精度有著重要影響，而幾何精度因子包含4 部分：三維位置精度因子（Position Dilution of Precision，PDOP）、水平分量精度因子（Horizontal Dilution of Precision，HDOP）、（Vertical Dilution of Precision，VDOP）垂直分量精度因子和三維坐標與時間精度因子（Geometric Dilution of Precision，GDOP），一般衛(wèi)星可見數(shù)越多、幾何精度因子越小定位精度越高。

IRNSS 系統(tǒng)單獨定位、與其他四大衛(wèi)星導航系統(tǒng)組合定位衛(wèi)星可見數(shù)和DOP 值如圖5 所示，圖5中I 代表IRNSS 系統(tǒng)、G 代表GPS 系統(tǒng)、B 代表BDS系統(tǒng)、E 代表Galileo 系統(tǒng)、R 代表GLONASS 系統(tǒng)。通過圖5 可以發(fā)現(xiàn)，IRNSS 系統(tǒng)衛(wèi)星可見數(shù)非常穩(wěn)定，任一歷元衛(wèi)星可見數(shù)均為8 顆，其PDOP 值較大，且表現(xiàn)出起伏的規(guī)律性。四大定位系統(tǒng)任一系統(tǒng)的加入不僅能有效增加IRNSS 單獨定位衛(wèi)星可見數(shù)，也能有效降低DOP 值。IRNSS 系統(tǒng)單獨定位平均衛(wèi)星可見數(shù)為8 顆，IRNSS/GPS 組合平均衛(wèi)星可見數(shù)為18 顆，IRNSS/Galileo 組合平均衛(wèi)星可見數(shù)為16 顆，IRNSS/GLONASS 組合平均衛(wèi)星可見數(shù)為14 顆，IRNSS/BDS 組合平均衛(wèi)星可見數(shù)為32 顆。

圖5 衛(wèi)星可見數(shù)與DOP 值

IRNSS 系統(tǒng)單獨定位平均GDOP 值為6.63，IRNSS/GPS 組合定位平均GDOP 值為1.73，IRNSS/Galileo 組合定位平均GDOP 值為1.91，IRNSS/GLONASS 組合定位平均GDOP 值為2.22，IRNSS/BDS 組合定位平均GDOP 值為1.14。

IRNSS 系統(tǒng)單獨定位平均PDOP 值為6.49，IRNSS/GPS 組合定位平均PDOP 值為2.31，IRNSS/Galileo 組合定位平均PDOP 值為2.73，IRNSS/GLONASS 組合定位平均PDOP 值為2.98，IRNSS/BDS 組合定位平均PDOP 值為0.99。

IRNSS 系統(tǒng)單獨定位平均HDOP 值為3.11，IRNSS/GPS 組合定位平均HDOP 值為0.74，IRNSS/Galileo 組合定位平均HDOP 值為0.84，IRNSS/GLONASS 組合定位平均HDOP 值為0.94，IRNSS/BDS 組合定位平均HDOP 值為0.56。

IRNSS 系統(tǒng)單獨定位平均VDOP 值為4.20，IRNSS/GPS 組合定位平均VDOP 值為1.24，IRNSS/Galileo 組合定位平均VDOP 值為1.33，IRNSS/GLONASS 組合定位平均VDOP 值為1.57，IRNSS/BDS 組合定位平均VDOP 值為0.81。

5 定位精度分析

為詳細分析IRNSS 單獨偽距單點定位性能以及分別與四大衛(wèi)星導航系統(tǒng)組合偽距單點定位性能，本文選取了3 個MGEX 跟蹤站，其中LCK3 站和IISC 站位于印度本土境內(nèi)，DGAR 站位于印度周邊的太平洋上。3 個測站5 種定位方式E方向、N方向、U方向偽距單點定位精度如圖6 所示，通過圖6可以發(fā)現(xiàn)，3 個測站IRNSS 偽距單點定位E方向定位精度相當，都優(yōu)于2 m，LCK3 站和IISC 站N方向精度優(yōu)于4m、U方向精度優(yōu)于5 m，DGAR 站N方向精度優(yōu)于6 m、U方向精度優(yōu)于8 m，表明IRNSS在印度境內(nèi)定位精度優(yōu)于太平洋上的定位精度。

圖6 定位精度

任何一個測站四大衛(wèi)星導航系統(tǒng)的加入都有效提升了IRNSS 單獨定位精度，DGAR 站提升最為明顯。對于LCK3 站，IRNSS 與GPS、Galileo、BDS組合E方向定位精度優(yōu)于1 m，與GLONASS 組合E方向定位精度優(yōu)于2 m；IRNSS 與四大衛(wèi)星導航系統(tǒng)組合N方向定位精度優(yōu)于3 m；IRNSS 與GPS、Galileo、BDS 組合U方向定位精度優(yōu)于3 m，與GLONASS 組合U方向定位精度優(yōu)于4 m。

對于IISC 站，IRNSS 與GPS、Galileo、BDS 組合E方向定位精度優(yōu)于1m，與GLONASS 組合E方向定位精度優(yōu)于2 m；IRNSS 與GPS、Galileo、BDS 組合N方向定位精度優(yōu)于1 m，與GLONASS 組合N方向定位精度優(yōu)于2m；IRNSS 與GPS 組合U方向定位精度優(yōu)于3 m，與Galileo、BDS 組合U方向定位精度優(yōu)于2 m，與GLONASS 組合U方向定位精度優(yōu)于4 m。

對于DGAR 站，IRNSS 與GPS、Galileo、BDS 組合E方向定位精度優(yōu)于1 m，與GLONASS 組合E方向定位精度優(yōu)于2 m；IRNSS 與GPS、Galileo、BDS組合N方向定位精度優(yōu)于1 m，與GLONASS 組合N方向定位精度優(yōu)于2m；IRNSS 與GPS、BDS 組合U方向定位精度優(yōu)于2 m，與Galileo、GLONASS 組合U方向定位精度優(yōu)于3 m。

為進一步分析GPS 系統(tǒng)、BDS 系統(tǒng)、Galileo 系統(tǒng)、GLONASS 系統(tǒng)使IRNSS 單獨定位精度的提升，進一步計算出四大系統(tǒng)的加入相比IRNSS 單獨定位精度提升的百分比，如表1 所示。

表1 四大系統(tǒng)加入相比IRNSS 單獨定位精度提升百分比單位：%

根據(jù)表1 可知，對于LCK3 和IISC 站，GPS、BDS 和Galileo 加入，使IRNSS 單獨定位精度提升量都在40% 以上，而GLONASS 的加入，使IRNSS單獨定位精度提升量都在10% 以上。對于DGAR站，GPS、BDS 和Galileo 的加入，使IRNSS 單獨定位精度提升量都在40% 以上，而GLONASS 的加入，對IRNSS 單獨定位精度提升量都在30%以上。

6 結(jié)語

本文基于印度境內(nèi)以及周邊IGS 跟蹤站，評估了IRNSS 系統(tǒng)在主服務(wù)區(qū)域以及次服務(wù)區(qū)域內(nèi)單獨以及分別與四大定位系統(tǒng)組合偽距單點定位精度，得到如下結(jié)論：

1）IRNSS 在其服務(wù)區(qū)域內(nèi)衛(wèi)星可用性良好，但四大系統(tǒng)的加入能明顯改善其單獨衛(wèi)星可用性，其中BDS 系統(tǒng)的改善情況最優(yōu)。

2）IRNSS 能實現(xiàn)連續(xù)穩(wěn)定的定位，在主服務(wù)區(qū)域內(nèi)，偽距單點定位水平精度優(yōu)于3 m，高程定位精度優(yōu)于5 m，在次服務(wù)區(qū)域內(nèi)，偽距單點定位E 方向精度優(yōu)于2 m，N 方向精度優(yōu)于2 m，高程定位精度優(yōu)于8 m。

3）四大衛(wèi)星導航系統(tǒng)的加入能明顯提升IRNSS偽距單點定位精度，BDS 提升效果最為明顯，GPS與Galileo 提升效果相當，GLONASS 提升效果相比另外三種系統(tǒng)較差。