IRNSS 与GNSS 组合伪距单点定位性能对比分析

陈运培

（广东省有色金属地质局九三二队，广东韶关 512000）

0 引言

印度区域卫星导航系统（Indian Regional Navigation Satellite System，IRNSS）于2016 年开始提供服务，其主要服务区域为印度境内和印度洋；除印度境内外，东经30°～150°、南纬65°～北纬65°范围内的其他区域为次要服务区域［1］。IRNSS 系统星座由地球静止轨道（GEO）和倾斜地球同步轨道（IGSO）卫星组成，可播发L5（1176.450 MHz）和S（2492.028 MHz）双频信号，但是当前大部分测站接收机只能接收到L5 频率信号［2］。虽然IRNSS 系统可以单独进行定位，但是由于其卫星可用数较少，因此可能会导致定位精度较差，但是随着全球不同国家定位系统的完善，其他系统的加入将有效改善这种情况［3］。IRNSS 作为为数不多的区域定位系统之一，受到了很多学者的关注，文献［2］分析IRNSS和QZSS 在各自主服务区域的L5 信号单点定位性能和与GPS 组合在城市峡谷环境下定位性能，并以高度角作为变量进行分析，发现IRNSS 可以实现连续定位，水平定位精度优于2.5 m，高程定位精度优于4.1 m，QZSS 只能实现部分时段定位，水平定位精度优于4.8 m，高程定位精度优于7.2 m，而GPS 系统的加入，明显改善了两种系统单独定位性能。文献［3］分析了IRNSS 单点定位与相当定位精度，发现不同测站定位精度有差异，IISC 站水平与高程定位精度优于2 m，CUAA 和CUBB 站水平定位精度优于6.5 m，高程定位精度优于10 m，次服务区内的短基线相对定位精度可以达到厘米级。文献［4］基于SKT 软件评估了QZSS 与IRNSS 在我国的覆盖范围及对BDS 定位性能增强作用，发现两种系统的加入能有效改善BDS 卫星可见数与几何空间构型，有效降低BDS 单独定位误差，对华南地区定位性能提升较大，对东北地区定位性能提升较小。文献［5］分析了服务区域内IRNSS 系统定位性能以及损失一颗卫星的定位性能，发现印度范围以及向外延伸2000 km 其定位精度可以达到10 m，即使损失一颗卫星，其可用性仍在95%以上。

在当前对IRNSS 系统的研究基础上，本文基于印度境内及周边太平洋上的测站，首先分析了IRNSS伪距单点定位性能，然后分别分析了其与GPS、BDS、Galileo、GLONASS 组合伪距单点定位性能。

1 伪距组合观测方程

IRNSS 与其他系统双系统组合伪距观测方程如式（1）所示［6］：

式中：I为IRNSS 系统；A为GPS、BDS、Galileo、GLONASS 四个卫星导航系统；ρ为测站至接收机间几何距离；c为真空中光速；dtr为接收机钟差；dts为卫星钟差；dtI-Ar为IRNSS 与其他系统间的系统偏差和系统间硬件延迟等产生的额外偏差；dtrop为对流层延迟；dion为电离层延迟；ε为伪距观测噪声。

2 系统介绍

随着科学技术的不断发展，导航定位系统在各行各业中发挥着越来越重要的作用，比如车辆、船舶以及飞机等都离不开导航与定位。当前可提供全球定位服务的导航定位系统有美国的全球定位系统（Global Positioning System，简称GPS）、中国的北斗卫星导航系统（BeiDou Navigation Satellite System，简称BDS）、欧盟的伽利略卫星导航系统（Galileo satellite navigation system，简称Galileo）以及俄罗斯的格洛纳斯系统（Global Navigation Satellite System，简称GLONASS）提供区域定位服务的导航定位系统有印度区域导航卫星系统（Indian Regional Navigation Satellite System，简称IRNSS）和日本的准天顶卫星系统（Quasi-Zenith Satellite System，简称QZSS）。

GPS 系统由分布在6 个轨道面上的24 颗卫星组成，可以播发L1、L2 和L5 三个频率，是当前应用范围最广的卫星定位系统。BDS 系统是继GPS 和GLONASS 之后第三个成熟的卫星导航定位系统，先后经历了北斗一号双星定位系统、北斗二号区域定位系统建设，北斗三号全球定位系统于2020 年建设完成，在轨工作卫星超过40 颗。BDS 系统由三种卫星星座组成，可以播发B1I、B1C、B2a、B2b 以及B3I 多个频率。Galileo 系统是欧盟研发和建立的全球卫星导航定位系统，计划由30 颗卫星组成，截止到2016 年，已经发射18 颗工作卫星，播发E1、E5a、E5b、E5a+b、E6 等多频信息。GLONASS 系统是俄罗斯研制的全球导航与定位系统，标准卫星数为24 颗，可以播发G1、G2、G3 三频频率。QZSS 系统是日本研发的区域性功能的卫星扩增系统，由4颗卫星组成，可以播发L1C/A、L1C、L1-SAIF、L2C、L5 和LEX（L6）共计6 个频率。IRNSS 系统是印度建设的自由区域型卫星导航系统，由7 颗卫星组成，可以覆盖印度大陆以及周边海洋，可以播发L5和S 双频信号。

3 卫星可用性分析

IRNSS 卫星可用性如图1 所示，通过图1 可以发现，8 颗IRNSS 卫星在全天24 小时观测中未出现间断，保证每个历元8 颗卫星都可用。IRNSS 卫星天空轨迹图如图2 所示，可以看出IRNSS 卫星天空覆盖范围有限，这主要受到其服务范围的影响。IRNSS 卫星信噪比如图3 所示，通过图3 可以发现，IRNSS 卫星最高信噪比接近48 dBHz，大部分在36 dBHz～46 dBHz 之间。IRNSS 卫星高度角如图4 所示，通过图4 可以发现，IRNSS 卫星高度角最大在75°左右，最低在35°左右，其余在35°～70°之间。

图1 IRNSS 卫星可用性

图2 IRNSS 卫星空中轨迹图

图3 IRNSS 卫星信噪比

图4 IRNSS 卫星高度角

4 卫星空间分布状态

卫星可见数与几何精度因子（Dilution of Precision，DOP）对GNSS 定位精度有着重要影响，而几何精度因子包含4 部分：三维位置精度因子（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维坐标与时间精度因子（Geometric Dilution of Precision，GDOP），一般卫星可见数越多、几何精度因子越小定位精度越高。

IRNSS 系统单独定位、与其他四大卫星导航系统组合定位卫星可见数和DOP 值如图5 所示，图5中I 代表IRNSS 系统、G 代表GPS 系统、B 代表BDS系统、E 代表Galileo 系统、R 代表GLONASS 系统。通过图5 可以发现，IRNSS 系统卫星可见数非常稳定，任一历元卫星可见数均为8 颗，其PDOP 值较大，且表现出起伏的规律性。四大定位系统任一系统的加入不仅能有效增加IRNSS 单独定位卫星可见数，也能有效降低DOP 值。IRNSS 系统单独定位平均卫星可见数为8 颗，IRNSS/GPS 组合平均卫星可见数为18 颗，IRNSS/Galileo 组合平均卫星可见数为16 颗，IRNSS/GLONASS 组合平均卫星可见数为14 颗，IRNSS/BDS 组合平均卫星可见数为32 颗。

图5 卫星可见数与DOP 值

IRNSS 系统单独定位平均GDOP 值为6.63，IRNSS/GPS 组合定位平均GDOP 值为1.73，IRNSS/Galileo 组合定位平均GDOP 值为1.91，IRNSS/GLONASS 组合定位平均GDOP 值为2.22，IRNSS/BDS 组合定位平均GDOP 值为1.14。

IRNSS 系统单独定位平均PDOP 值为6.49，IRNSS/GPS 组合定位平均PDOP 值为2.31，IRNSS/Galileo 组合定位平均PDOP 值为2.73，IRNSS/GLONASS 组合定位平均PDOP 值为2.98，IRNSS/BDS 组合定位平均PDOP 值为0.99。

IRNSS 系统单独定位平均HDOP 值为3.11，IRNSS/GPS 组合定位平均HDOP 值为0.74，IRNSS/Galileo 组合定位平均HDOP 值为0.84，IRNSS/GLONASS 组合定位平均HDOP 值为0.94，IRNSS/BDS 组合定位平均HDOP 值为0.56。

IRNSS 系统单独定位平均VDOP 值为4.20，IRNSS/GPS 组合定位平均VDOP 值为1.24，IRNSS/Galileo 组合定位平均VDOP 值为1.33，IRNSS/GLONASS 组合定位平均VDOP 值为1.57，IRNSS/BDS 组合定位平均VDOP 值为0.81。

5 定位精度分析

为详细分析IRNSS 单独伪距单点定位性能以及分别与四大卫星导航系统组合伪距单点定位性能，本文选取了3 个MGEX 跟踪站，其中LCK3 站和IISC 站位于印度本土境内，DGAR 站位于印度周边的太平洋上。3 个测站5 种定位方式E方向、N方向、U方向伪距单点定位精度如图6 所示，通过图6可以发现，3 个测站IRNSS 伪距单点定位E方向定位精度相当，都优于2 m，LCK3 站和IISC 站N方向精度优于4m、U方向精度优于5 m，DGAR 站N方向精度优于6 m、U方向精度优于8 m，表明IRNSS在印度境内定位精度优于太平洋上的定位精度。

图6 定位精度

任何一个测站四大卫星导航系统的加入都有效提升了IRNSS 单独定位精度，DGAR 站提升最为明显。对于LCK3 站，IRNSS 与GPS、Galileo、BDS组合E方向定位精度优于1 m，与GLONASS 组合E方向定位精度优于2 m；IRNSS 与四大卫星导航系统组合N方向定位精度优于3 m；IRNSS 与GPS、Galileo、BDS 组合U方向定位精度优于3 m，与GLONASS 组合U方向定位精度优于4 m。

对于IISC 站，IRNSS 与GPS、Galileo、BDS 组合E方向定位精度优于1m，与GLONASS 组合E方向定位精度优于2 m；IRNSS 与GPS、Galileo、BDS 组合N方向定位精度优于1 m，与GLONASS 组合N方向定位精度优于2m；IRNSS 与GPS 组合U方向定位精度优于3 m，与Galileo、BDS 组合U方向定位精度优于2 m，与GLONASS 组合U方向定位精度优于4 m。

对于DGAR 站，IRNSS 与GPS、Galileo、BDS 组合E方向定位精度优于1 m，与GLONASS 组合E方向定位精度优于2 m；IRNSS 与GPS、Galileo、BDS组合N方向定位精度优于1 m，与GLONASS 组合N方向定位精度优于2m；IRNSS 与GPS、BDS 组合U方向定位精度优于2 m，与Galileo、GLONASS 组合U方向定位精度优于3 m。

为进一步分析GPS 系统、BDS 系统、Galileo 系统、GLONASS 系统使IRNSS 单独定位精度的提升，进一步计算出四大系统的加入相比IRNSS 单独定位精度提升的百分比，如表1 所示。

表1 四大系统加入相比IRNSS 单独定位精度提升百分比单位：%

根据表1 可知，对于LCK3 和IISC 站，GPS、BDS 和Galileo 加入，使IRNSS 单独定位精度提升量都在40% 以上，而GLONASS 的加入，使IRNSS单独定位精度提升量都在10% 以上。对于DGAR站，GPS、BDS 和Galileo 的加入，使IRNSS 单独定位精度提升量都在40% 以上，而GLONASS 的加入，对IRNSS 单独定位精度提升量都在30%以上。

6 结语

本文基于印度境内以及周边IGS 跟踪站，评估了IRNSS 系统在主服务区域以及次服务区域内单独以及分别与四大定位系统组合伪距单点定位精度，得到如下结论：

1）IRNSS 在其服务区域内卫星可用性良好，但四大系统的加入能明显改善其单独卫星可用性，其中BDS 系统的改善情况最优。

2）IRNSS 能实现连续稳定的定位，在主服务区域内，伪距单点定位水平精度优于3 m，高程定位精度优于5 m，在次服务区域内，伪距单点定位E 方向精度优于2 m，N 方向精度优于2 m，高程定位精度优于8 m。

3）四大卫星导航系统的加入能明显提升IRNSS伪距单点定位精度，BDS 提升效果最为明显，GPS与Galileo 提升效果相当，GLONASS 提升效果相比另外三种系统较差。