呂京龍 周鋒 和毅東

摘 要：在衛(wèi)星導(dǎo)航研究領(lǐng)域中，系統(tǒng)性能監(jiān)測和評估方法的研究已經(jīng)成為眾多科研院所研究的重點(diǎn)，這是為了在眾多激烈的競爭中獲取衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)技術(shù)的制高點(diǎn)。本文基于衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的相關(guān)內(nèi)容，淺要論述北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的性能監(jiān)測方法和評估方法。

關(guān)鍵詞：衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)；性能監(jiān)測；評估方法

0 引言

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的性能監(jiān)測和評估方法是衛(wèi)星導(dǎo)航研究領(lǐng)域中的重點(diǎn)內(nèi)容，良好的監(jiān)測效果可以為高精度的監(jiān)測工作提供便利，完善的評估方法可以為各個領(lǐng)域的研究提供有力的技術(shù)的支持和數(shù)據(jù)信息，因此探析衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的性能監(jiān)測和評估方法是現(xiàn)階段十分必要而又十分迫切的工作。

1 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展概述

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)最初是陳芳院士在1983年提出的，隨后我國中國科學(xué)院眾多科學(xué)家在經(jīng)歷數(shù)次失敗的試驗(yàn)后建立了初步的北斗試驗(yàn)衛(wèi)星系統(tǒng)。從2003年到2012年北斗試驗(yàn)衛(wèi)星系統(tǒng)運(yùn)行順利，并且經(jīng)過不斷的升級和進(jìn)步后，于2012年底，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)正式在亞太地區(qū)投入使用，這是我國在衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域中的重大突破[1]。

2 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)性能監(jiān)測分析

我國北斗導(dǎo)航系統(tǒng)投入使用的時間尚短，信息網(wǎng)建立并不完善，但是隨著研究的深入發(fā)展，對衛(wèi)星導(dǎo)航的性能監(jiān)測研究也取得了進(jìn)一步的成果。

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)完好性性能分析：

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的完好性能能夠?yàn)楸O(jiān)測者在規(guī)定時間內(nèi)提供具體的警報，如果導(dǎo)航系統(tǒng)性能受損，就會出現(xiàn)兩種現(xiàn)象，其一是導(dǎo)航系統(tǒng)性能受損，但是可以向監(jiān)測者發(fā)出警報，但是警報的精確度有所下降，其二是導(dǎo)航系統(tǒng)性能受損，而且無法向監(jiān)測者發(fā)出警報的概率增加。對此需要加強(qiáng)對北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的性能監(jiān)測研究和分析，提出能夠增加北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)完好性性能的監(jiān)測方法。

通過分析不同設(shè)備接收到的GPS衛(wèi)星信號和北斗衛(wèi)星信號，研究雙方在各自位置的坐標(biāo)，對比GPS衛(wèi)星信號坐標(biāo)“真值”，分析北斗完好性性能指標(biāo)[2]。

首先，準(zhǔn)備GPS接收機(jī)天線、BD用戶機(jī)天線，與基準(zhǔn)站同時接通GPS衛(wèi)星信號和北斗衛(wèi)星信號（如圖1），GPS接收機(jī)天線、BD用戶機(jī)天線接收GPS衛(wèi)星信號，基準(zhǔn)站、BD用戶機(jī)天線接通北斗衛(wèi)星信號。其次將獲取的信號坐標(biāo)確定，記錄相應(yīng)的信息，包括GPS載波相位、北斗型號定位時刻、HPL、VPL等。之后，將GPS位置坐標(biāo)計(jì)算出來，將其作為與北斗位置坐標(biāo)進(jìn)行參照的“真值”，利用BD用戶機(jī)接收到的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航發(fā)射的信號確定北斗位置坐標(biāo)，將其與之前得出的GPS位置坐標(biāo)“真值”進(jìn)行比對，此時只是進(jìn)行第一步的比對。接下來利用基準(zhǔn)站接收到的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)送的信號坐標(biāo)，以及GPS測量數(shù)據(jù)進(jìn)行精確計(jì)算，求出更加確切的北斗信號坐標(biāo)，再將其與GPS位置坐標(biāo)“真值”進(jìn)行比對，記錄北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)完好性性能。

當(dāng)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)出現(xiàn)故障，使其完好性性能受損時，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)送的信號坐標(biāo)定位結(jié)果是會與GPS位置坐標(biāo)值出現(xiàn)較大差異，此時可以需要記錄下來兩者之間的坐標(biāo)，以及北斗信號發(fā)出時的時間，由此推算北斗系統(tǒng)遭受故障的時間，并記錄接收機(jī)接收到告警信息的時刻。此時需要注意，如果在測試過程中并沒有確定告警時刻的范圍，那么通常是以用戶機(jī)計(jì)算出的誤差保護(hù)級時間作為告警時刻。在獲得北斗系統(tǒng)發(fā)生故障時刻和告警信息時刻后，利用現(xiàn)有的數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)的告警時間，進(jìn)而評估北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的完好性性能。

3 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)評估方法分析

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)能夠?yàn)榈酌嫜芯刻峁┤旌颉⒏呔鹊膶?dǎo)航服務(wù)和定位服務(wù)，當(dāng)前關(guān)于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)性能評估方法研究多是在GPS性能評估方法的基礎(chǔ)上，我國導(dǎo)航科研院所致力于研究出適合北斗系統(tǒng)的性能評估方法，雖然尚未取得關(guān)鍵性的成果，但是也得到了一定發(fā)展[3]。

3.1 北斗系統(tǒng)星座及覆蓋性能評估方法

衛(wèi)星星座由多顆衛(wèi)星構(gòu)成，我國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的星座是由14個衛(wèi)星構(gòu)成，其中包括5顆GEO、5顆IGSO、4顆MEO，這些衛(wèi)星共同組成北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)星座。相互間可以互相合作，也具備各自獨(dú)特的任務(wù)，例如I1和I4衛(wèi)星相互之間可以傳輸數(shù)據(jù)，形成備份，這些構(gòu)成星座的衛(wèi)星都會為地面?zhèn)鬟_(dá)數(shù)據(jù)和信息，發(fā)揮導(dǎo)航與定位作用。

衛(wèi)星星座構(gòu)建起來后，就開始對底面形成覆蓋性，其覆蓋性的變化多和衛(wèi)星的坐標(biāo)和空間位置有關(guān)，地面接收機(jī)要想接收到質(zhì)量較高的信號，就需要北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的衛(wèi)星星座覆蓋范圍擴(kuò)大，能夠使地面接收機(jī)接收到衛(wèi)星星座 傳輸出來的信號。目前北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)星座覆蓋范圍中的高度截止角角度為0°、5°、10°、15°等，在這些高度截止角度下，地面接收機(jī)都會成功接收到來自北斗系統(tǒng)的衛(wèi)星信號，不過需要注意的是，高度截止角的不同會對接收的衛(wèi)星信號質(zhì)量有所影響，如果需要較高質(zhì)量的信號，就要在確定的高度截止角度下接收衛(wèi)星信號。

3.2 北斗系統(tǒng)空間信號精度性能評估方法

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)空間信號精度性能評估包括對用戶測距誤差的評估、對用戶測距速率誤差的評估、對用戶測距加速度誤差的評估以及對世界協(xié)調(diào)時補(bǔ)償誤差的評估。北斗系統(tǒng)在具體的評估中會應(yīng)用北斗URAE計(jì)算法、URRE計(jì)算法、URE計(jì)算法，這些方法都是北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)為了確定空間信號精確度而設(shè)計(jì)的計(jì)算方法，是當(dāng)前較為突出的性能評估方法組成部分。

4 結(jié)論

時至今日，我國自行研發(fā)的北斗區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)已經(jīng)運(yùn)作4年之久，成為我國現(xiàn)階段應(yīng)用的最先進(jìn)的監(jiān)測技術(shù)之一。未來還要繼續(xù)加強(qiáng)對北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)性能監(jiān)測和評估方法的研究，促進(jìn)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的良好運(yùn)行。

參考文獻(xiàn)

[1]王天.北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)授時性能評估研究[D].長安大學(xué)，2014.

[2]帥平，曲廣吉，陳忠貴.衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)性能指標(biāo)與評估方法[A].中國自動化學(xué)會空間及運(yùn)動體控制專業(yè)委員會.全國第十二屆空間及運(yùn)動體控制技術(shù)學(xué)術(shù)會議論文集[C].2006：8.

[3]丁盼，席瑞杰，肖玉鋼.北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)用于東北地區(qū)高精度變形監(jiān)測性能分析[J].測繪通報，2016，（4）：33-37.

（作者單位：北京衛(wèi)星導(dǎo)航中心）