CN108415047A - 一种北斗卫星导航系统定位精度门限值计算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种北斗卫星导航系统定位精度门限值计算方法，包括以下步骤：根据星座构型参数、轨道周期，设定观测仰角、仿真步长以及格网点参数，假设2颗中轨道卫星故障，计算星座对所有格网点水平和垂直精度因子；统计得到水平精度因子最大值，统计该点水平精度因子值的概率密度和累计分布函数；找到累计分布函数值为可用性门限值时对应的水平精度因子值，将该水平精度因子值乘以用户等效距离误差，得到全球水平定位精度门限值；统计得到垂直精度因子最大值，统计该点垂直精度因子值的概率密度和累计分布函数；找到累计分布函数值为可用性门限值时对应的垂直精度因子值，将该垂直精度因子值乘以用户等效距离误差，得到全球垂直定位精度门限值。
Description
技术领域
本发明属于北斗卫星导航系统定位精度计算领域，具体涉及一种北斗卫星导航系统定位精度门限值计算方法。
背景技术
北斗卫星导航系统于2012年12月，正式向亚太地区提供服务，目前正在部署全球星座，计划于2020年左右向全球提供服务。全球定位服务一个很关键的指标就是定位精度，包括水平定位精度和垂直定位精度。如何向全球用户承诺一个合理的定位精度，即定位精度门限值，是反映全球卫星导航定位水平的重要因素。目前美国的GPS和俄罗斯的GLONASS系统均已向用户提供导航定位服务，但是都没有公开其定位精度门限值计算方法。
目前，学者们研讨全球卫星导航定位系统服务性能的文献较多，例如《全球卫星导航系统性能标准及指标体系概述》(龚佩佩等，第四届中国卫星导航学术年会电子文集，2013年5月，武汉)、《格洛纳斯服务性能及其初步评估研究》(白羽等，第五届中国卫星导航学术年会电子文集，2014年5月，南京)、《GPS标准定位服务性能规范评估方法研究》(宋晓丽等，第五届中国卫星导航学术年会电子文集，2014年5月，南京)，现有文献直接给出了GPS和GLONASS的定位精度门限，没有给出具体的计算方法。文献《北斗区域系统PDOP可用性状态更新与仿真分析》(张天桥等，无线电工程，2017，47(2):52－56)分析了北斗二号区域系统的位置精度因子可用性状态，文中可用性门限采用的是星座位置精度因子门限值，这在系统设计阶段是可以接受的，但是针对北斗全球系统服务，需要在分析所有点定位精度的基础上，重点关注定位精度最差点，将定位精度最差点满足一定可用性门限值时的定位精度作为全球定位服务的精度门限值。
发明内容
针对现有技术存在的缺陷，本发明提供一种北斗卫星导航系统定位精度门限值计算方法，能够在找到全球定位最差点的基础上，通过统计精度因子值的概率密度和累计分布函数，得到满足可用性门限值时的全球定位精度门限值，可将此定位精度门限值作为向用户公开承诺的定位精度。
本发明采用的技术方案如下：
本发明提供一种北斗卫星导航系统定位精度门限值计算方法，包括以下步骤，如图1所示：
步骤1：假设2颗中地球轨道卫星故障，统计所有地面格网点水平精度因子和垂直精度因子；
北斗卫星导航系统空间星座部分由27颗中地球轨道、5颗地球静止轨道以及3颗倾斜地球同步轨道组成，星座轨道周期取7天，在7天时间内中地球轨道运行13圈，观测仰角取5°，仿真步长取60秒，格网点参数取4°×4°，假设2颗中地球轨道卫星故障，计算北斗卫星导航系统对所有地面格网点水平精度因子和垂直精度因子。27颗中地球轨道卫星中随机假设2颗卫星故障，总共有351种情况。计算所有351种情况对应的所有地面格网点水平精度因子和垂直精度因子。
步骤2：找到水平精度最差点，统计水平精度因子值的概率密度和累计分布函数；
统计得到所有地面格网点水平精度因子的最大值，该最大值对应的格网点即水平精度最差点，计算水平精度最差点在7天内的水平精度因子值，统计水平精度因子值的概率密度和累计分布函数。图2给出了水平精度因子的分布曲线。
步骤3：找到累计分布函数值为可用性门限值时对应的水平精度因子值，乘以用户等效距离误差，得到全球水平定位精度门限值：
找到累计分布函数值为可用性门限值时对应的水平精度因子值，将该水平精度因子值乘以用户等效距离误差，得到全球水平定位精度门限值。其中，可用性门限值取90％，用户等效距离误差取2.5米。可用性门限值取90％对应的水平精度因子值为1.41，乘以用户等效距离误差值2.5米，可以得到水平定位精度门限值为3.525米。
步骤4：找到垂直精度最差点，统计垂直精度因子值的概率密度和累计分布函数；
统计得到所有地面格网点垂直精度因子的最大值，该最大值对应的格网点即垂直精度最差点，计算垂直精度最差点在7天内的垂直精度因子值，统计垂直精度因子值的概率密度和累计分布函数。图3给出了垂直精度因子的分布曲线。
步骤5：找到累计分布函数值为可用性门限值时对应的垂直精度因子值，乘以用户等效距离误差，得到全球垂直定位精度门限值；
找到累计分布函数值为可用性门限值时对应的垂直精度因子值，将该垂直精度因子值乘以用户等效距离误差，得到全球垂直定位精度门限值。其中，可用性门限值取90％，用户等效距离误差取2.5米。可用性门限值取90％对应的垂直精度因子值为2.18，乘以用户等效距离误差值2.5米，可以得到垂直定位精度门限值为5.45米。
本发明提供的一种北斗卫星导航系统定位精度门限值计算方法，有益效果如下：
(1)考虑了卫星故障状态，使得计算得到的定位精度门限值更加可行。北斗卫星导航系统空间星座部分由27颗中地球轨道、5颗地球静止轨道以及3颗倾斜地球同步轨道组成，卫星数量多、轨道类型多，对于北斗卫星导航系统定位精度门限值分析必须考虑卫星故障情况，本发明考虑了2颗中地球轨道卫星故障，使得计算得到的定位精度门限值更加贴近实际。
(2)考虑了全球定位情况最差点，使得计算得到的定位精度门限值有一定余量。本发明的计算没有基于全球平均精度因子值，而是统计得到全球定位精度最差点，针对全球定位精度最差点，统计其精度因子值的概率密度和累计分布函数，使得计算得到的定位精度门限值有一定余量。
(3)根据特定可用性门限值计算得到的水平精度门限值或垂直精度门限值，即直接反映了北斗卫星导航系统定位服务的可用性，即在计算得到的水平精度门限值或垂直精度门限值下，北斗卫星导航系统定位服务的可用性优于特定可用性门限值。
附图说明
图1为本发明提供的一种北斗卫星导航系统定位精度门限值计算方法的流程示意图；
图2为水平精度因子的分布曲线；
图3为垂直精度因子的分布曲线。
具体实施方式
本发明提供一种北斗卫星导航系统定位精度门限值计算方法，包括以下步骤，如图1所示：
步骤1：假设2颗中地球轨道卫星故障，统计所有地面格网点水平精度因子和垂直精度因子；
北斗卫星导航系统空间星座部分由27颗中地球轨道、5颗地球静止轨道以及3颗倾斜地球同步轨道组成，星座轨道周期取7天，在7天时间内中地球轨道运行13圈，观测仰角取5°，仿真步长取60秒，格网点参数取4°×4°，假设2颗中地球轨道卫星故障，计算北斗卫星导航系统对所有地面格网点水平精度因子和垂直精度因子。27颗中地球轨道卫星中随机假设2颗卫星故障，总共有351种情况。计算所有351种情况对应的所有地面格网点水平精度因子和垂直精度因子。
步骤2：找到水平精度最差点，统计水平精度因子值的概率密度和累计分布函数；
统计得到所有地面格网点水平精度因子的最大值，该最大值对应的格网点即水平精度最差点，计算水平精度最差点在7天内的水平精度因子值，统计水平精度因子值的概率密度和累计分布函数。图2给出了水平精度因子的分布曲线。
步骤3：找到累计分布函数值为可用性门限值时对应的水平精度因子值，乘以用户等效距离误差，得到全球水平定位精度门限值：
找到累计分布函数值为可用性门限值时对应的水平精度因子值，将该水平精度因子值乘以用户等效距离误差，得到全球水平定位精度门限值。其中，可用性门限值取90％，用户等效距离误差取2.5米。可用性门限值取90％对应的水平精度因子值为1.41，乘以用户等效距离误差值2.5米，可以得到水平定位精度门限值为3.525米。
步骤4：找到垂直精度最差点，统计垂直精度因子值的概率密度和累计分布函数；
统计得到所有地面格网点垂直精度因子的最大值，该最大值对应的格网点即垂直精度最差点，计算垂直精度最差点在7天内的垂直精度因子值，统计垂直精度因子值的概率密度和累计分布函数。图3给出了垂直精度因子的分布曲线。
步骤5：找到累计分布函数值为可用性门限值时对应的垂直精度因子值，乘以用户等效距离误差，得到全球垂直定位精度门限值；
找到累计分布函数值为可用性门限值时对应的垂直精度因子值，将该垂直精度因子值乘以用户等效距离误差，得到全球垂直定位精度门限值。其中，可用性门限值取90％，用户等效距离误差取2.5米。可用性门限值取90％对应的垂直精度因子值为2.18，乘以用户等效距离误差值2.5米，可以得到垂直定位精度门限值为5.45米。
综上所述，本发明提供的一种北斗卫星导航系统定位精度门限值计算方法，充分考虑了全球定位情况最差点、卫星故障以及可用性门限值等因素，给出了一种北斗卫星导航系统定位精度门限值计算步骤，按照所述设计方法，能够计算得到满足用户需求、定位性能可用性优的定位精度门限值。具体具有以下优点：
(1)考虑了卫星故障状态，使得计算得到的定位精度门限值更加可行。北斗卫星导航系统空间星座部分由27颗中地球轨道、5颗地球静止轨道以及3颗倾斜地球同步轨道组成，卫星数量多、轨道类型多，对于北斗卫星导航系统定位精度门限值分析必须考虑卫星故障情况，本发明考虑了2颗中地球轨道卫星故障，使得计算得到的定位精度门限值更加贴近实际。
(2)考虑了全球定位情况最差点，使得计算得到的定位精度门限值有一定余量。本发明的计算没有基于全球平均精度因子值，而是统计得到全球定位精度最差点，针对全球定位精度最差点，统计其精度因子值的概率密度和累计分布函数，使得计算得到的定位精度门限值有一定余量。
(3)根据特定可用性门限值计算得到的水平精度门限值或垂直精度门限值，即直接反映了北斗卫星导航系统定位服务的可用性，即在计算得到的水平精度门限值或垂直精度门限值下，北斗卫星导航系统定位服务的可用性优于特定可用性门限值。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种北斗卫星导航系统定位精度门限值计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：假设2颗中地球轨道卫星故障，统计所有地面格网点水平精度因子和垂直精度因子；
步骤2：找到水平精度最差点，统计水平精度因子值的概率密度和累计分布函数；
步骤3：找到累计分布函数值为可用性门限值时对应的水平精度因子值，乘以用户等效距离误差，得到全球水平定位精度门限值；
步骤4：找到垂直精度最差点，统计垂直精度因子值的概率密度和累计分布函数；
步骤5：找到累计分布函数值为可用性门限值时对应的垂直精度因子值，乘以用户等效距离误差，得到全球垂直定位精度门限值。
2.根据权利要求1所述的一种北斗卫星导航系统定位精度门限值计算方法，其特征在于，
步骤1：假设2颗中地球轨道卫星故障，统计所有地面格网点水平精度因子和垂直精度因子；
北斗卫星导航系统空间星座部分由27颗中地球轨道、5颗地球静止轨道以及3颗倾斜地球同步轨道组成，星座轨道周期取7天，观测仰角取5°，仿真步长取60秒，格网点参数取4°×4°，假设2颗中地球轨道卫星故障，计算北斗卫星导航系统对所有地面格网点水平精度因子和垂直精度因子。
3.根据权利要求1所述的一种北斗卫星导航系统定位精度门限值计算方法，其特征在于，
步骤2：找到水平精度最差点，统计水平精度因子值的概率密度和累计分布函数；
统计得到所有地面格网点水平精度因子的最大值，该最大值对应的格网点即水平精度最差点，计算水平精度最差点在7天内的水平精度因子值，统计水平精度因子值的概率密度和累计分布函数。
4.根据权利要求1所述的一种北斗卫星导航系统定位精度门限值计算方法，其特征在于，
步骤3：找到累计分布函数值为可用性门限值时对应的水平精度因子值，乘以用户等效距离误差，得到全球水平定位精度门限值：
找到累计分布函数值为可用性门限值时对应的水平精度因子值，将该水平精度因子值乘以用户等效距离误差，得到全球水平定位精度门限值。其中，可用性门限值取90％，用户等效距离误差取2.5米。
5.根据权利要求1所述的一种北斗卫星导航系统定位精度门限值计算方法，其特征在于，
步骤4：找到垂直精度最差点，统计垂直精度因子值的概率密度和累计分布函数；
统计得到所有地面格网点垂直精度因子的最大值，该最大值对应的格网点即垂直精度最差点，计算垂直精度最差点在7天内的垂直精度因子值，统计垂直精度因子值的概率密度和累计分布函数。
6.根据权利要求1所述的一种北斗卫星导航系统定位精度门限值计算方法，其特征在于，
步骤5：找到累计分布函数值为可用性门限值时对应的垂直精度因子值，乘以用户等效距离误差，得到全球垂直定位精度门限值；
找到累计分布函数值为可用性门限值时对应的垂直精度因子值，将该垂直精度因子值乘以用户等效距离误差，得到全球垂直定位精度门限值。其中，可用性门限值取90％，用户等效距离误差取2.5米。
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2017
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