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局九三二隊，廣東韶關 512000）

0 引言

印度區域衛星導航系統（Indian Regional Navigation Satellite System，IRNSS）于2016 年開始提供服務，其主要服務區域為印度境內和印度洋；除印度境內外，東經30°～150°、南緯65°～北緯65°范圍內的其他區域為次要服務區域［1］。IRNSS 系統星座由地球靜止軌道（GEO）和傾斜地球同步軌道（IGSO）衛星組成，可播發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 系統可以單獨進行定位，但是由于其衛星可用數較少，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的完善，其他系統的加入將有效改善這種情況［3］。IRNSS 作為為數不多的區域定位系統之一，受到了很多學者的關注，文獻［2］分析IRNSS和QZSS 在各自主服務區域的L5 信號單點定位性能和與GPS 組合在城市峽谷環境下定位性能，并以高度角作為變量進行分析，發現IRNSS 可以實現連續定位，水平定位精度優于2.5 m，高程定位精度優于4.1 m，QZSS 只能實現部分時段定位，水平定位精度優于4.8 m，高程定位精度優于7.2 m，而GPS 系統的加入，明顯改善了兩種系統單獨定位性能。文獻［3］分析了IRNSS 單點定位與相當定位精度，發現不同測站定位精度有差異，IISC 站水平與高程定位精度優于2 m，CUAA 和CUBB 站水平定位精度優于6.5 m，高程定位精度優于10 m，次服務區內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，發現兩種系統的加入能有效改善BDS 衛星可見數與幾何空間構型，有效降低BDS 單獨定位誤差，對華南地區定位性能提升較大，對東北地區定位性能提升較小。文獻［5］分析了服務區域內IRNSS 系統定位性能以及損失一顆衛星的定位性能，發現印度范圍以及向外延伸2000 km 其定位精度可以達到10 m，即使損失一顆衛星，其可用性仍在95%以上。

在當前對IRNSS 系統的研究基礎上，本文基于印度境內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 與其他系統雙系統組合偽距觀測方程如式（1）所示［6］：

式中：I為IRNSS 系統；A為GPS、BDS、Galileo、GLONASS 四個衛星導航系統；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為衛星鐘差；dtI-Ar為IRNSS 與其他系統間的系統偏差和系統間硬件延遲等產生的額外偏差；dtrop為對流層延遲；dion為電離層延遲；ε為偽距觀測噪聲。

2 系統介紹

隨著科學技術的不斷發展，導航定位系統在各行各業中發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的導航定位系統有美國的全球定位系統（Global Positioning System，簡稱GPS）、中國的北斗衛星導航系統（BeiDou Navigation Satellite System，簡稱BDS）、歐盟的伽利略衛星導航系統（Galileo satellite navigation system，簡稱Galileo）以及俄羅斯的格洛納斯系統（Global Navigation Satellite System，簡稱GLONASS）提供區域定位服務的導航定位系統有印度區域導航衛星系統（Indian Regional Navigation Satellite System，簡稱IRNSS）和日本的準天頂衛星系統（Quasi-Zenith Satellite System，簡稱QZSS）。

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

3 衛星可用性分析

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

圖1 IRNSS 衛星可用性

圖2 IRNSS 衛星空中軌跡圖

圖3 IRNSS 衛星信噪比

圖4 IRNSS 衛星高度角

4 衛星空間分布狀態

衛星可見數與幾何精度因子（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），一般衛星可見數越多、幾何精度因子越小定位精度越高。

IRNSS 系統單獨定位、與其他四大衛星導航系統組合定位衛星可見數和DOP 值如圖5 所示，圖5中I 代表IRNSS 系統、G 代表GPS 系統、B 代表BDS系統、E 代表Galileo 系統、R 代表GLONASS 系統。通過圖5 可以發現，IRNSS 系統衛星可見數非常穩定，任一歷元衛星可見數均為8 顆，其PDOP 值較大，且表現出起伏的規律性。四大定位系統任一系統的加入不僅能有效增加IRNSS 單獨定位衛星可見數，也能有效降低DOP 值。IRNSS 系統單獨定位平均衛星可見數為8 顆，IRNSS/GPS 組合平均衛星可見數為18 顆，IRNSS/Galileo 組合平均衛星可見數為16 顆，IRNSS/GLONASS 組合平均衛星可見數為14 顆，IRNSS/BDS 組合平均衛星可見數為32 顆。

圖5 衛星可見數與DOP 值

IRNSS 系統單獨定位平均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星導航系統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，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可以發現，3 個測站IRNSS 偽距單點定位E方向定位精度相當，都優于2 m，LCK3 站和IISC 站N方向精度優于4m、U方向精度優于5 m，DGAR 站N方向精度優于6 m、U方向精度優于8 m，表明IRNSS在印度境內定位精度優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星導航系統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方向定位精度優于1 m，與GLONASS 組合E方向定位精度優于2 m；IRNSS 與四大衛星導航系統組合N方向定位精度優于3 m；IRNSS 與GPS、Galileo、BDS 組合U方向定位精度優于3 m，與GLONASS 組合U方向定位精度優于4 m。

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

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

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

表1 四大系統加入相比IRNSS 單獨定位精度提升百分比單位：%

根據表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 結語

本文基于印度境內以及周邊IGS 跟蹤站，評估了IRNSS 系統在主服務區域以及次服務區域內單獨以及分別與四大定位系統組合偽距單點定位精度，得到如下結論：

1）IRNSS 在其服務區域內衛星可用性良好，但四大系統的加入能明顯改善其單獨衛星可用性，其中BDS 系統的改善情況最優。

2）IRNSS 能實現連續穩定的定位，在主服務區域內，偽距單點定位水平精度優于3 m，高程定位精度優于5 m，在次服務區域內，偽距單點定位E 方向精度優于2 m，N 方向精度優于2 m，高程定位精度優于8 m。

3）四大衛星導航系統的加入能明顯提升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較差。