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网络出版时间：2015-12-10 14:27:00
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地球静止轨道卫星数目对北斗单点定位的影响
李丽媛，郭际明
（武汉大学 测绘学院，武汉 430079）
摘要：针对相同条件下地球静止轨道卫星星历引入的测距误差约为中地球轨道卫星2倍的问题，该文分析了北斗导航系统中地球静止轨道卫星数目对定位的影响。采用实测数据在观测时段内可见的倾斜地球同步轨道、中地球轨道卫星的基础上，逐次增加一颗高度角最大的地球静止轨道卫星参与定位；对比分析了不同数目地球静止轨道卫星参与定位时位置精度因子值的变化，以及在北、东、高方向分量误差及总误差的内外符合精度。数据分析表明，按高度角逐次增加1~4颗地球静止轨道卫星时，系统的位置精度因子值有不同程度的改善，定位精度与增加一颗高度角最大的地球静止轨道卫星时基本相当；对高度角最小的地球静止轨道卫星降权处理，定位精度比未降权时提高。 关键词：北斗卫星导航系统；卫星轨道；GEO【中图分类号】P228 【文献标识码】A
Abstract: visible IGSO、、East、Key words：BDS；；elevation angle
0 引言
（BeiDou System,BDS）采用了特殊的混合星座结构。目前BDS在轨Orbit,GEO）卫星、4颗MEO卫星和5颗Geosynchronous Orbit,IGSO）卫星。这3种类型卫星的轨道高度不同，并且3类卫星信号传播路径不同，导致卫星信号的
[1]路径传播误差变化也不同。由于GEO和IGSO卫星的高轨道特性，其可见性要远远优于MEO
[2]卫星，能大幅度增加观测时段内的卫星数，对增强区域导航性能非常有利。
利用卫星播发的观测值确定卫星轨道是导航定位中最关键的步骤，北斗系统MEO、IGSO卫星轨道计算方法与GPS卫星轨道相同，但GEO卫星与之不同。文献[3]—文献[11]对北斗GEO卫星位置的计算方法、广播星历的轨道特性及误差、北斗工作卫星的精度因子（Dilution of Precision，DOP）值及各卫星的钟差改正情况，以及北斗系统3种类型卫星的服务性能、定位精度进行了研究和分析。以上研究均对北斗卫星做了比较深入的分析，但这些研究仅限于从整体上分析北斗混合星座中卫星的可见性、各类卫星的精度和定位性能、GEO卫星位置解算特殊性相关方面，没有深入分析GEO卫星的特殊性对定位的影响。
BDS由于其特殊的混合星座结构，不同轨道类型的卫星观测值引入的伪距测量误差并不相同：相同条件下GEO卫星星历引入的测距误差约为MEO卫星的2倍，IGSO卫星的测距误
[12]差介于GEO和MEO之间。目前在全球卫星导航系统中，因为其卫星星座类型相同，一般将positioning
各卫星的伪距测量误差采取同等级处理，这种处理准则对北斗区域混合星座明显不合理。在多系统组合导航定位中，可用卫星数目足够多，增加过多的卫星数并不能保证定位精度的改善，而增加高度角较小的卫星甚至可能引入较大的卫星观测值误差，导致定位精度降低。在
[13]等精度模型下，GPS/BDS组合系统虽然卫星数增多，但定位精度不如GPS单一系统。位置
精度因子(Position Dilution of Precision，PDOP)反映了观测期间卫星星座的状态对定位的影响。一般来说，卫星数量越大，分布越均匀，PDOP值越小，表明卫星星座对定位的影响越
[11]小。在中国境内, 北斗卫星导航系统的可见卫星数均在7颗以上，PDOP值均小于5。本
文基于GEO卫星可见性好但伪距测量误差大的特性，着重分析在BDS单点定位中不同GEO卫星数目下PDOP值的变化以及对定位结果的影响。
1 北斗系统混合星座
BDS完全建成后，空间星座由35颗卫星组成，具体包括5颗GEO卫星、27颗MEO卫星、3颗IGSO卫星。由于GEO和IGSO卫星轨道较MEOGPS系统能提供更多的高仰角可视卫星。
1.1 GEO卫星
GEO卫星属于地球同步轨道（Geo Synchronous 35 786km。北斗系统的5颗GEO卫星分别定点于东经特性使定轨时卫星的钟差难以分离，相同条件下GEO卫星星历引入的测距误差约为MEO2[14]几何结构几乎固定不变~60°N）地区，用户对GEO[12]大。GEO1.2 IGSO卫星
IGSOIGSO卫星轨道倾角为55°，均匀分布在“8”
[14]。一颗IGSO 卫
GEO卫星的优点，其测距误差介于GEO卫星和
[15]MEOMEO卫星。
1.3 MEO卫星
MEOGEO和IGSO卫星轨道低，轨道倾角55°，均匀分布在3卫星定轨精度目前已达到厘米级。由于MEO卫星的轨道较GEO、IGSO[9]上的投影就越小,即切向和法向的误差对定位的影响就越来越小。
卫星高度角越小，相应的伪距和载波相位观测值残差一般越大。北斗GEO卫星观测值的
[16]精度随高度角降低逐渐变差。为了减小由于卫星观测值引入的误差对定位造成的影响，
本文采取逐次增加一颗高度角最大的GEO卫星进行定位解算，比较分析了PDOP值的变化以及定位结果在北（N）、东（E）、高（U）方向的均方根（Root Mean Square，RMS）值和标准差(Standard Deviation，STD)值。RMS表征了该方向误差分量的精度，STD表征了该方向误差分量的波动水平。
2 实验与分析
2.1 实验方法与条件
本文主要分析北斗系统单点定位中选取不同GEO卫星数对定位结果的影响，采用司南导航公司三系统接收机在2014年7月31日采集的观测数据，采样率为1s，共计4 200个历元。通过编程实现对设计的不同方案的处理，卫星截止高度角设置为10。测站的真实坐标
和经纬度通过同时观测的GPS数据利用在线精密单点定位（Precise Point Positioning，PPP）软件APPS计算确定。
观测时段可视卫星总数见图1，观测时段内各卫星可视情况见图1。图1表明观测时段内卫星总数保持为10颗，其中5颗GEO卫星全部可见，保证了在方案一中有足够的卫星参与定位。图2说明在该观测时段内10颗卫星一直处于稳定的跟踪状态，且无卫星升降，排除了由于卫星升降对定位结果的精度和稳定性的影响。5颗GEO卫星在观测时段内的高度角见表1，高度角最小为24。
星的权比变为(1/2)2进行定位计算，其RMS值和STD值见图4和图5中的方案七。
2.2 实验结果分析
由图错误！未找到引用源。—图5可知：
1）北斗系统PDOP值与参与定位的卫星数目有关，卫星数固定时，PDOP值在整个观测时段内基本稳定；卫星数越多，PDOP值越小，表明卫星星座构型越好，卫星—接收机几何结构对定位精度的影响越小；单点定位高程误差明显大于水平误差，北分量误差大于东分量误差，误差分布与目前北斗的实际服务性能相一致。
2）与方案一相比，方案二、三、四中增加了高度角较大的C03、C01、C02卫星，系统的PDOP值显著减小，N、U方向定位误差相对于方案一均明显减小，而E方向误差却增
大，主要原因在于增加的3颗GEO卫星相对于待定点（117E）东西两侧分布不均，此时GEO
卫星对东西分量的几何约束较弱；在方案五、六中继续增加C04、C05卫星，此时在待定点的东西两侧GEO卫星分布比较平均，所以E方向的定位精度逐渐提高。
图STD
图4 不同GEO卫星数目单点定位偏差平均RMS
Fig.4 Average RMS of the SPP Results with Varies Number of GEO 3）由方案二、三、四、五可知，分别增加1~4颗值随着N、E、UGEO卫星数目对PDOP 4）当全部5颗可见GEOGEO卫星相比，PDOP值显著减小，但定位精度只在E这是由于北斗系统星座以GEO和IGSO颗GEO相对地面待定点基本不动，均在待定点（23GEO善了卫星几何构型，但特别是在方案六中增加了高度角较
小的GEO值减小，但U方向定位精度相比于增加方案七中对高度角最小的C05号卫星降权U
3 结束语
北斗导星前为“5GEO+5IGSO+4MEO”构型，完全建成后将形成GPS系统相比，高轨道GEO和IGSO卫星的存在是北斗系有利于增加用户的可见卫星数之外，高轨道卫星信号更容易被接收机接收，尤其是在高楼建筑但GEO卫星观测值存在明显的周期性多径误差，其引入的观测值误差较MEO卫星大。本文基于广州地区的实测数据，分析了不同GEO卫星数参与单点定位对PDOP值、定位精度和可靠度的影响。通过试验及分析可知：增加1~4颗GEO卫星进行单点定位时，系统PDOP值有不同程度的改善，改善程度与卫星相对于接收机的分布有关；对N、E、U方向定位精度改善效果与增加一颗GEO卫星基本相当，各分量的定位精度在2.2、1.7、7.2m左右波动，定位结果可靠度随着GEO卫星数的增加而逐渐增大；当增加5颗GEO卫星时，相比于增加1~4颗GEO的情况，N、E方向定位更精确稳定，但由于低高度角GEO卫星观测误差特性，可能会引起U方向定位精度降低。在利用北斗系统或组合BDS/GPS系统进行导航定位时，应考虑GEO卫星的特殊性，在综合考虑卫星高度角和相对分布的基础上，选取合理的卫星数目参与定位，充分发挥北斗系统的优势，提高其导航定位的精确性、可用性和可靠性。
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作者简介：李丽媛—)，女，湖北黄冈人，研究生，研究方向为卫星定位导航技术。 基金项目：数字城市联合实验室项目(2014SL02)
E-mail:2009301610063@whu.edu.cn
收稿日期：2015-01-04
网络出版时间：2015-12-10 14:27:00 网络出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/11.4415.p.20151210.1427.020.html 地球静止轨道卫星数目对北斗单点定位的影响 李丽媛，郭…
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