2024年9月17日发(作者：宗政博简)
2009年第06期，第42卷 通 信 技 术 Vol.42，No.06,2009
总第210期 Communications Technology No.210,Totally
·业务与系统·
“北斗二号”卫星导航系统覆盖仿真分析
陈 岩
①②
， 陈 晖
①
， 丁前军
①
（①空军装备研究院，北京 100085；②空军工程大学 电讯工程学院，陕西 西安710077）
【摘 要】论述了“北斗一号”卫星导航系统存在的不足，对于“北斗二号”区域卫星导航系统及其所采用的三种导航
卫星进行了介绍。通过对所选区域及六个有代表性城市的几何精度衰减因子（GDOP）和可见星数进行仿真，验证了系统的可
用性。同时，仿真表明系统对于我国部分地区的覆盖相对较差，部分时间段内的GDOP波动较大，说明系统中卫星的相对位置
还应进行调整。
【关键词】北斗一号；北斗二号；仿真；几何精度衰减因子；可见星数
【中图分类号】TN967.1 【文献标识码】A 【文章编号】1002-0802(2009)06-0171-03
Analysis and Simulation on Coverage of No.2 Beidou Satellite
Navigation System
CHEN Yan
①②
， CHEN Hui
①
， DING Qian-jun
①
(①Equipment Academy of Air force，Beijing 100085，China；
②Telecommunication Engineering Institute of Air Force Engineering University，Xian Shaanxi 710077, China)
，
【Abstract】The insufficiency of No.1 Beidou satellite navigation system is discussed, No.2 Beidou regional
satellite navigation system and three kinds of navigation satellite used in the system are presented. The
availability of the system is validated through the simulation of the area and six representative cities about
Geometric Dilution Of Precision(GDOP) and N Asset Coverage. At the same time, the simulation shows that some regions
of China are not well covered, and the GDOP in certain span of time has a obvious fluctuation, these indicate
that the relative position of the satellites should be further adjusted.
【Key words】No.1 Beidou system；No.2 Beidou system；simulation；GDOP；N Asset Coverage
0 引言
2007年4月14日4时11分，一颗“北斗二号”导航卫星
从西昌卫星发射中心被用“长征三号甲”运载火箭送入太空。
由此，拉开了我国部署“北斗二号”卫星导航系统的序幕。
“北斗二号”卫星导航系统是在“北斗一号”的基础上
建设的卫星导航系统，但它不是“北斗一号”的简单延伸。
完整建成的“北斗二号”卫星导航系统是一个类似于GPS
和GLONASS的全球卫星导航系统。不过考虑到实际应用和
技术经济条件，“北斗二号”的建设将分两步走：首先建成
一个能够覆盖我国及周边地区的区域卫星导航系统，然后再
逐步扩展成全球导航系统。本文所讨论的是第一步的区域导
航系统。
1 “北斗一号”卫星导航系统及其不足
“北斗一号”卫星导航系统是我国第一代区域卫星导航
系统，也是继GPS和GLONASS之后的第三个成熟的卫星
导航系统。作为我国自主建设的卫星导航系统，其政治、经
济和军事意义不言而喻。同美国的GPS相比，“北斗一号”
有其独特之处，如其具有的短信息通讯功能就是GPS所不具
备的，但总体来看“北斗一号”存在明显的不足
[1,2]
：
收稿日期：2008-10-06。
作者简介：陈 岩（1981-），男，硕士研究生，主要研究方向为宽带通信网络技术；陈 晖（1961-），男，博士，高级工程师，主要研究方向
为卫星导航技术；丁前军（1976-），男，博士，主要研究方向为卫星导航技术。
171
① 定位原理：“北斗一号”是主动式双向测距二维导
航，地面中心控制系统解算，供用户三维定位数据；GPS是
被动式伪码单向测距三维导航，由用户设备独立解算自己三
维定位数据。
② 用户容量：“北斗一号”由于是主动双向测距的询
问—应答系统，其用户设备容量是有限的；GPS 是单向测距
系统，用户设备只要接收导航卫星发出的导航电文即可进行
测距定位，因此GPS的用户设备容量是无限的。
③ 生存能力：和所有导航定位卫星系统一样，“北斗
一号”基于中心控制系统和卫星的工作，但是“北斗一号”
对中心控制系统的依赖性明显要大很多，因为定位解算在那
里而不是由用户设备完成的。
④ 实时性：“北斗一号”用户的定位申请要送回中心控
制系统，中心控制系统解算出用户的三维位置数据之后再发
回用户，因此对于高速运动体就加大了定位的误差。
域内每一小块在24小时中可见星数为最少时的统计情况。
图4为区域内每一小块在24小时中可见星数的平均值分布
情况。
图1 最大GDOP分布情况
2 “北斗二号”卫星导航系统相关介绍
“北斗二号”卫星导航系统的第一步建设目标是一个
区域导航系统。同“北斗一号”相比，定位原理的不同是两
个系统最根本的区别，“北斗二号”不再采用主动式双向测
距的定位方式，而是改为与GPS相同的单向测距三维导航，
由主动式双向测距定位本身的技术缺陷引起的诸多问题即
可迎刃而解。
“北斗二号”卫星区域导航系统采用了GEO
（Geostationary Orbit 地球静止轨道）卫星、IGSO（Inclined
Geosynchronous Orbit 倾斜地球同步轨道）卫星和MEO
（Medium Earth Orbit 中高度圆轨道）卫星。
图2 平均GDOP分布情况
3 “北斗二号”卫星导航系统仿真情况
仿真采用STK软件进行。通过对指定区域的GDOP
（Geometric Dilution Of Precision几何精度衰减因子）和可见
星数进行仿真分析可以检验“北斗二号”卫星导航系统星座
的质量。
3.1 仿真基本条件设置
考虑到“北斗一号”的服务区域为70°～145°E， 5
°～55°N，同时参考文献[3]中所提出的“北斗二号”卫星
导航系统覆盖范围应向北扩展的建议，选择区域60°～150
°E， 0°～75°N和6个有代表性的城市北京、哈尔滨、
喀什、成都、上海、三亚进行仿真分析。
限制最小仰角为5°，仿真时间为24小时。区域内分辨
率设置为Lat/Lon，其数值设置为1°。
3.2 区域仿真情况
包括区域的最大GDOP、平均GDOP、最少可见星数、
平均可见星数，分别如图1～4所示。其中，图1为区域内
每一小块在24小时内GDOP取得最大值的统计情况，即为
整个区域24小时内GDOP的最差情况。图2为区域内每一
小块在24小时内GDOP取平均值时的分布情况。图3为区
172
图4 平均可见星数分布情况
图3 最少可见星数分布情况
将图1～4综合分析可以看出：
对于我国大部分地区，平均GDOP在2.5～3.0之间，
平均可见星数为8～9颗。即使在最差的情况下，最大GDOP
在3.5～4.0之间，最少可见星数为7颗，也完全可以达到可
用性的要求。因此可以说对于我国大部分地区“北斗二号”
覆盖情况良好，对于海南南部到南沙群岛一带的覆盖情况更
为优良。当然，从仿真也可以看出，“北斗二号”对于我国
西部边境部分地区的覆盖情况较差，最大GDOP在5.5～6.0
之间。说明系统中卫星的相对位置还需要进行一定的调整。
对于整个仿真区域，从平均GDOP和平均可见星数来
看，整个区域内绝大部分地区的平均GDOP在2.0～4.0之间，
整个区域的平均可见星数为6～9颗。同国内的覆盖情况相
比，“北斗二号”对于我国北部边境直到75°N地区的覆盖
并无大的变化，可用性基本相同。
24小时内GDOP和可见星数的变化情况进行仿真。其中，图
5是北京地区24小时内GDOP的变化情况，图6是北京地区
24小时内可见星数的变化情况。24小时内北京地区GDOP平
均值3.04，最大值为3.90，均小于6，这表示“北斗二号”卫
星导航系统可以满足北京地区可用性的要求。但注意到中间
一段时间起伏较大，说明在连续性方面还需要改进。
6城市的平均及最大GDOP和平均及最少可见星数如
表1所示。由表可知“北斗二号”对于三亚地区的覆盖情况
最好，而对于喀什地区的覆盖相对较差，其最大GDOP为
5.69。6城市具体仿真情况同区域仿真结果相符。
表1 六城市GDOP和可见星数统计情况
地 区
北 京
哈尔滨
喀 什
成 都
上 海
三 亚
平 均
GDOP
3.04
3.11
4.36
2.77
2.85
2.59
最 大
GDOP
3.90
4.01
5.69
3.80
3.82
3.38
平均可
见星数
8.5
8.4
7.3
9.1
8.6
9.5
最少可
见星数
7
7
6
7
7
8
4 结语
“北斗二号”卫星导航系统是一个同GPS类似的无源
定位导航系统，其第一步的目标是建成一个可以覆盖我国及
周边地区的区域导航系统。本文主要针对其覆盖情况进行了
仿真分析，得出以下结论：
图5 北京地区GDOP变化情况
① “北斗二号”卫星导航系统可以覆盖我国及周边的
广大地区，可用性良好。
② 对于我国西部边境部分地区，“北斗二号”的覆盖
情况相对较差，说明系统中卫星的相对位置还需进行一定的
调整。
③ 该系统在部分时间内GDOP的起伏较大，说明在连
续性方面需改进。
参考文献
[1] 吕伟，朱建军．北斗卫星导航系统发展综述[J].地矿测绘，2007（23）
3：29-32．
[2] 刘传润．北斗卫星导航定位系统的功能原理与前景展望[J].中国水
图6 北京地区可见星数变化情况
3.3 城市仿真情况
根据区域仿真情况，选择6个有代表性的城市，对于其
运，2008（08）1：165-166．
[3] 刘根友，郝晓光，陈晓峰,等．我国二代卫星导航系统覆盖范围向北
扩展星座方案的探讨[J].大地测量与地球动力学，2007（27）5：
115-118．
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欢迎订阅《通信技术》杂志 邮发代号:62-304
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·业务与系统·
“北斗二号”卫星导航系统覆盖仿真分析
陈 岩
①②
， 陈 晖
①
， 丁前军
①
（①空军装备研究院，北京 100085；②空军工程大学 电讯工程学院，陕西 西安710077）
【摘 要】论述了“北斗一号”卫星导航系统存在的不足，对于“北斗二号”区域卫星导航系统及其所采用的三种导航
卫星进行了介绍。通过对所选区域及六个有代表性城市的几何精度衰减因子（GDOP）和可见星数进行仿真，验证了系统的可
用性。同时，仿真表明系统对于我国部分地区的覆盖相对较差，部分时间段内的GDOP波动较大，说明系统中卫星的相对位置
还应进行调整。
【关键词】北斗一号；北斗二号；仿真；几何精度衰减因子；可见星数
【中图分类号】TN967.1 【文献标识码】A 【文章编号】1002-0802(2009)06-0171-03
Analysis and Simulation on Coverage of No.2 Beidou Satellite
Navigation System
CHEN Yan
①②
， CHEN Hui
①
， DING Qian-jun
①
(①Equipment Academy of Air force，Beijing 100085，China；
②Telecommunication Engineering Institute of Air Force Engineering University，Xian Shaanxi 710077, China)
，
【Abstract】The insufficiency of No.1 Beidou satellite navigation system is discussed, No.2 Beidou regional
satellite navigation system and three kinds of navigation satellite used in the system are presented. The
availability of the system is validated through the simulation of the area and six representative cities about
Geometric Dilution Of Precision(GDOP) and N Asset Coverage. At the same time, the simulation shows that some regions
of China are not well covered, and the GDOP in certain span of time has a obvious fluctuation, these indicate
that the relative position of the satellites should be further adjusted.
【Key words】No.1 Beidou system；No.2 Beidou system；simulation；GDOP；N Asset Coverage
0 引言
2007年4月14日4时11分，一颗“北斗二号”导航卫星
从西昌卫星发射中心被用“长征三号甲”运载火箭送入太空。
由此，拉开了我国部署“北斗二号”卫星导航系统的序幕。
“北斗二号”卫星导航系统是在“北斗一号”的基础上
建设的卫星导航系统，但它不是“北斗一号”的简单延伸。
完整建成的“北斗二号”卫星导航系统是一个类似于GPS
和GLONASS的全球卫星导航系统。不过考虑到实际应用和
技术经济条件，“北斗二号”的建设将分两步走：首先建成
一个能够覆盖我国及周边地区的区域卫星导航系统，然后再
逐步扩展成全球导航系统。本文所讨论的是第一步的区域导
航系统。
1 “北斗一号”卫星导航系统及其不足
“北斗一号”卫星导航系统是我国第一代区域卫星导航
系统，也是继GPS和GLONASS之后的第三个成熟的卫星
导航系统。作为我国自主建设的卫星导航系统，其政治、经
济和军事意义不言而喻。同美国的GPS相比，“北斗一号”
有其独特之处，如其具有的短信息通讯功能就是GPS所不具
备的，但总体来看“北斗一号”存在明显的不足
[1,2]
：
收稿日期：2008-10-06。
作者简介：陈 岩（1981-），男，硕士研究生，主要研究方向为宽带通信网络技术；陈 晖（1961-），男，博士，高级工程师，主要研究方向
为卫星导航技术；丁前军（1976-），男，博士，主要研究方向为卫星导航技术。
171
① 定位原理：“北斗一号”是主动式双向测距二维导
航，地面中心控制系统解算，供用户三维定位数据；GPS是
被动式伪码单向测距三维导航，由用户设备独立解算自己三
维定位数据。
② 用户容量：“北斗一号”由于是主动双向测距的询
问—应答系统，其用户设备容量是有限的；GPS 是单向测距
系统，用户设备只要接收导航卫星发出的导航电文即可进行
测距定位，因此GPS的用户设备容量是无限的。
③ 生存能力：和所有导航定位卫星系统一样，“北斗
一号”基于中心控制系统和卫星的工作，但是“北斗一号”
对中心控制系统的依赖性明显要大很多，因为定位解算在那
里而不是由用户设备完成的。
④ 实时性：“北斗一号”用户的定位申请要送回中心控
制系统，中心控制系统解算出用户的三维位置数据之后再发
回用户，因此对于高速运动体就加大了定位的误差。
域内每一小块在24小时中可见星数为最少时的统计情况。
图4为区域内每一小块在24小时中可见星数的平均值分布
情况。
图1 最大GDOP分布情况
2 “北斗二号”卫星导航系统相关介绍
“北斗二号”卫星导航系统的第一步建设目标是一个
区域导航系统。同“北斗一号”相比，定位原理的不同是两
个系统最根本的区别，“北斗二号”不再采用主动式双向测
距的定位方式，而是改为与GPS相同的单向测距三维导航，
由主动式双向测距定位本身的技术缺陷引起的诸多问题即
可迎刃而解。
“北斗二号”卫星区域导航系统采用了GEO
（Geostationary Orbit 地球静止轨道）卫星、IGSO（Inclined
Geosynchronous Orbit 倾斜地球同步轨道）卫星和MEO
（Medium Earth Orbit 中高度圆轨道）卫星。
图2 平均GDOP分布情况
3 “北斗二号”卫星导航系统仿真情况
仿真采用STK软件进行。通过对指定区域的GDOP
（Geometric Dilution Of Precision几何精度衰减因子）和可见
星数进行仿真分析可以检验“北斗二号”卫星导航系统星座
的质量。
3.1 仿真基本条件设置
考虑到“北斗一号”的服务区域为70°～145°E， 5
°～55°N，同时参考文献[3]中所提出的“北斗二号”卫星
导航系统覆盖范围应向北扩展的建议，选择区域60°～150
°E， 0°～75°N和6个有代表性的城市北京、哈尔滨、
喀什、成都、上海、三亚进行仿真分析。
限制最小仰角为5°，仿真时间为24小时。区域内分辨
率设置为Lat/Lon，其数值设置为1°。
3.2 区域仿真情况
包括区域的最大GDOP、平均GDOP、最少可见星数、
平均可见星数，分别如图1～4所示。其中，图1为区域内
每一小块在24小时内GDOP取得最大值的统计情况，即为
整个区域24小时内GDOP的最差情况。图2为区域内每一
小块在24小时内GDOP取平均值时的分布情况。图3为区
172
图4 平均可见星数分布情况
图3 最少可见星数分布情况
将图1～4综合分析可以看出：
对于我国大部分地区，平均GDOP在2.5～3.0之间，
平均可见星数为8～9颗。即使在最差的情况下，最大GDOP
在3.5～4.0之间，最少可见星数为7颗，也完全可以达到可
用性的要求。因此可以说对于我国大部分地区“北斗二号”
覆盖情况良好，对于海南南部到南沙群岛一带的覆盖情况更
为优良。当然，从仿真也可以看出，“北斗二号”对于我国
西部边境部分地区的覆盖情况较差，最大GDOP在5.5～6.0
之间。说明系统中卫星的相对位置还需要进行一定的调整。
对于整个仿真区域，从平均GDOP和平均可见星数来
看，整个区域内绝大部分地区的平均GDOP在2.0～4.0之间，
整个区域的平均可见星数为6～9颗。同国内的覆盖情况相
比，“北斗二号”对于我国北部边境直到75°N地区的覆盖
并无大的变化，可用性基本相同。
24小时内GDOP和可见星数的变化情况进行仿真。其中，图
5是北京地区24小时内GDOP的变化情况，图6是北京地区
24小时内可见星数的变化情况。24小时内北京地区GDOP平
均值3.04，最大值为3.90，均小于6，这表示“北斗二号”卫
星导航系统可以满足北京地区可用性的要求。但注意到中间
一段时间起伏较大，说明在连续性方面还需要改进。
6城市的平均及最大GDOP和平均及最少可见星数如
表1所示。由表可知“北斗二号”对于三亚地区的覆盖情况
最好，而对于喀什地区的覆盖相对较差，其最大GDOP为
5.69。6城市具体仿真情况同区域仿真结果相符。
表1 六城市GDOP和可见星数统计情况
地 区
北 京
哈尔滨
喀 什
成 都
上 海
三 亚
平 均
GDOP
3.04
3.11
4.36
2.77
2.85
2.59
最 大
GDOP
3.90
4.01
5.69
3.80
3.82
3.38
平均可
见星数
8.5
8.4
7.3
9.1
8.6
9.5
最少可
见星数
7
7
6
7
7
8
4 结语
“北斗二号”卫星导航系统是一个同GPS类似的无源
定位导航系统，其第一步的目标是建成一个可以覆盖我国及
周边地区的区域导航系统。本文主要针对其覆盖情况进行了
仿真分析，得出以下结论：
图5 北京地区GDOP变化情况
① “北斗二号”卫星导航系统可以覆盖我国及周边的
广大地区，可用性良好。
② 对于我国西部边境部分地区，“北斗二号”的覆盖
情况相对较差，说明系统中卫星的相对位置还需进行一定的
调整。
③ 该系统在部分时间内GDOP的起伏较大，说明在连
续性方面需改进。
参考文献
[1] 吕伟，朱建军．北斗卫星导航系统发展综述[J].地矿测绘，2007（23）
3：29-32．
[2] 刘传润．北斗卫星导航定位系统的功能原理与前景展望[J].中国水
图6 北京地区可见星数变化情况
3.3 城市仿真情况
根据区域仿真情况，选择6个有代表性的城市，对于其
运，2008（08）1：165-166．
[3] 刘根友，郝晓光，陈晓峰,等．我国二代卫星导航系统覆盖范围向北
扩展星座方案的探讨[J].大地测量与地球动力学，2007（27）5：
115-118．
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