北斗雙頻接收機的優勢和應用

· 文|航天恒星科技有限公司 李亞平 張爽娜 俞能杰

北斗雙頻接收機的優勢和應用

· 文|航天恒星科技有限公司 李亞平 張爽娜 俞能杰

2013年12月27日，中國衛星導航管理辦公室公布了《北斗衛星導航系統空間信號接口控制文件（ICD2.0）》，其規范了北斗 B1I/B2I的信號結構和基本特性參數以及測距碼等相關內容，給出導航電文，使得國內外導航企業可以基于此進行北斗高精度的芯片、接收機等相關設備的研制。

雙頻接收機是指利用兩個頻點進行觀測的GNSS接收機，雙頻接收機通過觀測兩個頻點上的載波和偽距，能夠實現實時而精確的電離層延遲改正，從而提高了實時定位精度。北斗在兩個頻點上發布民用衛星信號，使北斗雙頻接收機可以在真正意義上接收到B1和B2雙頻載波和雙頻上的載波信號，充分利用了衛星的信號資源，為民用用戶提供高精度的定位服務。因此，未來北斗雙頻接收機的產品性能和應用規模將會得到很大的發展。

一、北斗雙頻接收機優勢

1.雙頻接收機優勢

目前大多數單頻接收機定位都有一些無法克服的一些缺陷，其中最主要的缺陷是由于GNSS單頻接收機無法直接觀測電離層的傳播時延[1]，例如GPS測量中的電離層時遲對GPS接收機定位的影響誤差距離最高可達15m。除了電離層延遲外，疊加在電離層上的不均勻性也會對GPS接收機的定位精度帶來很大的影響。電離層其實是一種散射介質，并且其折射系數是符合電波頻率的函數，它對不同頻率的載波會產生不同大小的擾動，利用雙頻接收機的觀測值可以借助這一特點基本消除電離層誤差。

相對于單頻而言雙頻接收機主要有兩方面的優勢：對所有的導航衛星觀測數據而言，電離層的誤差都是固有的，通過結合兩個頻率的衛星觀測信息，可以通過建立模型有效的消除這種誤差，從而提高了定位精度；二是目前在高精度定位領域，采用的大多是基于載波觀測量的定位解算方法，這類方法的關鍵部分就是完成整周模糊度的解算，在觀測噪聲相同的前提下，整周模糊度解算的越精確，接收機最后輸出的定位結果越精確可靠。所以，整周模糊度是一個直接關系到接收機精度的關鍵參數，雙頻接收機可以獲得兩個載波頻率的觀測量，通過載波相位觀測值求差來快速解算整周模糊度。

綜上，雙頻接收機對比單頻接收機可以更為快速、精確、可靠地解算接收機的位置。在某些方面雙頻接收機可以得到更為重要的應用，如：在太陽黑子活動周期，通過改進數字模型或者雙頻的聯合數據處理，可以把GNSS衛星觀測重要誤差—電離層誤差顯著減少[2-4]。

2.北斗雙頻接收機優勢

GPS衛星播發L1（1575.42MHz）和L2（1227.6MHz）兩個頻點信號，L1上C/A碼為民碼，L2上播發的P碼為軍碼，對于普通用戶而言，由于軍碼的保密性，非特許用戶的接收機難以獲得L2頻點上的測距碼，因此，不能獲得L2上的偽距觀測量。目前GPS雙頻接收機主要利用載波相位技術實現測距，由于P碼結構未知，對于L2載波的重建問題上，存在剝離測距碼的算法復雜、重建信號信噪比較低等問題[5]。隨著民用市場對高精度定位的需求不斷增大，美國擬通過GPS現代化計劃，在GPS衛星的L2載波上播發C碼，以獲得兩個頻點的民用信號。目前，有10顆在軌的GPSII 衛星上增加了L2C碼，為GPS民用雙頻接收機推廣應用奠定基礎。

北斗衛星導航系統播發的信號頻率為B1（1561.098MHz）、B2（1207.14MHz），鑒于對民用高精度市場需求的考慮，在軌的所有衛星都在兩個頻點上發布民用衛星信號，北斗雙頻接收機可以采用碼相關技術，獨立的、高信噪比的重建B1和B2載波，獲得B1和B2載波上的偽距，這樣可以在真正意義上獨立的接收到B1和B2雙頻載波和雙頻上的碼相位，充分利用了衛星的信號資源。

☆ 北斗雙頻接收機

二、北斗雙頻接收機應用領域

北斗雙頻接收機能夠提供高精度定位測量功能，其應用范圍廣泛，下面給出幾種典型的應用領域。

（1）城市建設應用

隨著經濟和社會建設的迅速發展，需要進行大量的國土規劃、城市建設、工程施工等工程。這些工程的實施都是建立在測繪工作的基礎上的。但是以靜態測量構成的靜態測量控制點來作為城市建設的基礎設施，已經遠遠不能適應現代城市發展的要求了。從動態變化觀點來看，靜態測量控制點也不能及時反映城市受環境變遷、災害破壞、施工建設而引起的變化，無法起到動態基準的作用。從滿足城市高精度工程及現代化建設的需求來說，必須建立長期的、連續的、能反映城市時空信息多種動態變化的動態基準。高精度測量型雙頻接收機是建設城市動態基準的基礎設施，為城市建設提供基礎測繪保障。

☆ 城市建設應用

（2）測繪領域應用

對于測繪領域，基于北斗雙頻接收機可應用于大地測量、航空攝影測量、地殼板塊運動監測、資源勘探，建立各種工程控制網、監視網，進行各種工程測量等方面，測繪應用領域的特點是，應用對象幾乎尺寸巨大，測量環境復雜，測量技術要求高。

☆ 測繪領域應用

（3）航空導航應用

利用雙頻接收機的高精度測量技術，可實現高精密級進場/著陸，使得飛機的進場/著陸變得更為靈活，機載和地面設備更為簡單、廉價，將取代或部分取代現有的儀表著陸系統（ILS）和微波著陸系統（MLS）。

☆ 航空導航應用

（4）精準農業應用

農業生產中增加產量和提高效益是根本目的。要達到增產高效的目的，除了適時種植高產作物， 加強田間管理等技術措施外，弄清土壤性質，檢測農作物產量、分布、合理施肥以及播種和噴撒農藥等也是農業生產中重要的管理技術。利用衛星導航定位技術，配合遙感技術（RS）和地理信息系統（GIS），能夠做到監測農作物產量分布、土壤成分和性質分布、做到合理施肥、播種和噴灑農藥，節約費用、降低成本、達到增加產量提高效益的目的。利用雙頻接收機的高精度測量技術在格網種植的小面積內，應用小型自動化設備，配合差分衛星導航定位導航設備、電子監測和控制電路，能夠適應科學種田的需要，做到精確管理。

☆ 精準農業應用

（5）海洋測繪應用

利用雙頻接收機的高精度測量技術能夠在海洋測繪、航道測量、航道疏浚、船舶進出港及狹窄水道導航定位、海上交通安全管理、航標定位、海上石油勘探、海洋資源調查、海上救助以及其他海上作業提供定位導航服務。

☆ 海洋測繪應用

☆ 海洋測繪應用

（6）機動車道路考試系統[6]

在計算機化的機動車駕駛人道路考試系統中,為了實現騎壓中心實線等與車輛位置有關的評判項目的自動評判和路口處車輛行駛方行駛自動導航,需要精確、實時定位考試車輛的位置，高精度的GNSS技術能夠很好地實現考試車輛的定位問題，利用雙頻接收機建設單站RTK系統，實現機動車輛的實時精確定位，從而實現機動車道路考試的自動化。

☆ 機動車道路考試系統

三、結束語

本文從北斗衛星導航系統的特點出發，對北斗雙頻接收機的優勢進行分析，最后從應用角度總結了北斗雙頻接收機能夠應用的范圍和領域，為將來北斗雙頻接收機的應用推廣和市場開拓提供參考和借鑒。

[1]丁仁天.GPS雙頻接收機捕獲技術研究[D].浙江大學,2013.

[2]李江衛，范士杰，劉經南.雙頻接收機C／A碼與P碼偽距的精度比較[J].全球定位系統,2005.4:28-31.

[3]王兆龍 .北斗導航系統雙頻整周模糊度的快速解算[D].哈爾濱工業大學，2011.

[4]魏二虎，史冠軍，胡雪霽.GPS現代化及其影響[J].測繪通報,2005,(7):24-29.

[5]魏二虎，李征航，郭標明.全球定位系統衛星L2載波增加民碼的作用[J].測繪通報，2004,(6):1-4.

[6]吳業福,潘世剛,康壯等.高精度GPS/GIS定位技術在機動車道路考試系統中的應用研究[J].交通信息與安全，2013,(1):98-101.