摘要：近年来，我国科学技术发展迅速。北斗卫星导航系统（BDS）作为中国唯一、世界第三的全球卫星导航系统四大成员之一，是我国秉承“独立自主、团结协作、攻坚克难、追求卓越”北斗精神的智慧结晶。根据中国国防战略部署，BDS的建设分3步走，逐步实现从定位试验系统到全球导航定位系统的跨越式发展。
关键词：北斗三号；导航定位技术体制；服务性能
引言
自2012年北斗二号正式提供服务以来，国内外有大量学者开展了其系统性能的评估，评估内容涵盖覆盖能力、空间信号精度、卫星钟性能、定位精度等，评估结果证明北斗二号在亚太地区具备良好的服务性能。北斗三号试验卫星发射后，对试验卫星的卫星钟、星间链路、时间同步和定轨性能及部分服务性能进行了评估，并预测了北斗三号系统的定位、导航与授时表现。北斗三号自首颗卫星发射起，相关单位就系统地组织开展了测试评估工作，基于此在北斗三号基本系统开通运行的同时发布了北斗三号与北斗二号联合服务的服务性能规范。目前，已有学者对北斗三号技术体制进行了介绍，并对卫星的空间信号精度、电离层模型精度等开展初步评估工作，相对而言，本文对该技术体制的特点描述更为详细，评估工作数据更新更快，指标范围更广，时间段更长，可以较为全面的展示北斗三号基本系统的各项性能，为全球用户提供参考。
1.定位性能指标的构建
GNSS的定位性能可通过系统的覆盖度、可用性、连续性、精度等指标来表示。可见卫星的空间几何分布可通过PDOP值来描述，一般可由卫星星座的方向余弦计算得到。导航定位的精度则可由可见卫星的几何分布与用户等效距离误差（UERE）的乘积来表示，而用户等效距离误差是卫星至接收机路径上的各种影响因素预测的伪距观测值的变化值。相关文献表明，BDS系统中GEO卫星的UERE约为８.０ｍ，IGSO、MEO卫星的UERE约为5.0m。本文由PDOP值来表征卫星系统的定位精度，由可见卫星数（NSAT）与PDOP值来重新构建定位性能指标，对BDS－3卫星的加入所引起的系统定位性能变化进行定量分析。
2.优化措施分析
2.1有源定位原理
BDS-1根据3球交汇原理，利用用户到2颗GEO卫星的距离值以及用户至地心的距离值构建数学模型，并在主控站数字地图上查找满足数学模型的解点，通常南北半球各有1个点满足条件，根据系统服务范围，取处于北半球的点位为最终定位结果。BDS-1一次定位工作流程简述如下：1）由地面主控站向2颗GEO卫星发射测距信号，由卫星向服务区转播；2）用户接收到卫星测距信号后，发出定位申请，经过卫星中转至主控站；3）主控站接收到用户申请信号后，根据信号解算出用户与卫星间的距离；4）根据解算出的用户与2颗卫星的距离数据，在主控站数字地图中查找符合距离条件的点；5）主控站将解算结果经卫星转发给用户，用户再经卫星向主控站发送1个回执，结束1次定位作业。
2.2评估指标体系
尽管北斗、GPS和Galileo系统供应商均发布了自己的服务性能规范，但由于相互之间指标体系存在一些差异，目前尚未形成卫星导航系统服务性能指标体系的国际标准。
鉴于卫星导航系统在当前的应用场景和应用模式种类较多，用户得到的定位、测速、授时性能不仅跟时间与空间基准性能、星座覆盖能力（反映在PDOP）、导航信号质量（反映在影响测量的信号特征、导航电文性能等）有关，还很大程度上依赖用户所处的环境（反映在多径、电离层延迟、对流层延迟等方面）、设备（反映在测量精度、可靠性等方面）、应用模式（反映在使用伪距或载波进行单点定位、差分定位等）等因素，要实现一个满足所有用户群体的卫星导航服务性能指标体系存在巨大挑战。笔者认为，卫星导航系统服务性能评估指标体系应当聚焦于空间与时间基准、星座覆盖、导航信号性能等核心指标，对于用户端的定位、测速、授时性能，因为受到众多因素影响，需要说明特定的观测条件。本文根据这一思想总结出了北斗三号的服务性能规范。需要说明的是，这一指标体系是不断发展的，部分指标会随着测试条件的逐步成熟成为北斗三号服务性能指标体系以及相关国际标准的一部分，这其中包括完好性和坐标框架性能、测速性能甚至基于载波相位的差分定位性能等。为了深入分析北斗三号基本系统的性能，本文所用的指标体系不限于系统服务性能规范的范畴，对于当前研究比较深入的精度指标，这里作了进一步分解，以便更清晰地给出各项指标达到当前水平的关键因素。对于可用性、连续性指标尚未有成熟的分解方法，未对其进一步分解。此外，对于关系系统核心设计的空间信号质量等也进行评估。
2.3BDS－3系统性能指标分析
选用2018年6月27日BDS－2、BDS－3卫星的TEF轨道星历数据，实验时间为2018年6月27日16时至2018年6月28日16时，采样间隔60s，截止卫星高度角15°，并按照１°×１°的分辨率来划分全球。在BDS－2的基础上分别加入M01～M08八颗BDS－3卫星，并对加入每颗BDS－3卫星的单站点、亚太区域、全球定位性能的提升进行定量分析，考虑到目前BDS系统组合已实现了对亚太地区的覆盖，故只在中国区域内选择上海站点进行BDS－3各颗卫星相对BDS－2系统定位性能提升的对比。BDS系统在加入BDS－3卫星后，PDOP值具有明显的改善，且层次分明，总体呈现出先下降后上升的趋势。在卫星截止高度角较小时，BDS－3卫星的加入对系统的几何构型有较大优化，PDOP值的改善最为明显；在定位相对困难的城市与峡谷地区，可见卫星数目较少，BDS－3卫星的加入虽然可增加可见卫星数，但对卫星在空间的几何构型并无改善，PDOP值的改善并不明显；在极端条件下，加入BDS－3卫星后系统的可见卫星数将大于４颗，PDOP值改善的较为明显。在BDS－3星加入后，标准单点定位的精度得到了大幅度的增加，呈现出明显的分层现象，卫星高度角为35°～40°时，在上海站点定位精度提升幅度最大；而在乌鲁木齐站点定位卫星数目的增加却导致定位精度的下降，考虑是由于虽然卫星的数目得到了增加，但卫星的空间几何构型不合理导致的。BDS－3卫星的加入使得系统DMA的指标有了一定的增加，对上海站而言，每加入一颗BDS－3卫星对应的最大截止卫星高度角MA分别为：34.94°、34.98°、35.08°、35.13°、35.25°、35.28°、35.37°、35.43°，M01号卫星的加入使得DMA增加了0.12°左右，M01～M08号卫星的加入，使DMA增加了0.6°左右。对乌鲁木齐站而言，BDS－3卫星的加入使得最大截止卫星高度角ＭＡ增幅明显，DMA提高了约12°，逐个加入M06～M08号卫星后趋于稳定。由于目前BDS－2重点实现了对华东、华南地区的覆盖，对西北地区的覆盖还不够全面，新发射的BDS－3卫星都是MEO卫星，主要是面向全球的覆盖，因此对上海地区DMA指标不够显著，基本在1°以下，对乌鲁木齐地区的DMA指标改善显著。
结语
北斗三号的建设正在稳步推进中，2020年底前还将发射11颗卫星，按照当前的评估结果来看，空间信号层面各项指标均表现优异，待北斗三号星座完成部署后，全球PDOP将进一步改善，用户服务性能会进一步提升。
参考文献
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