北斗二代衛星導航系統定位精度分析*

戰　杰　吳胤霖

(91550部隊　大連　116023)

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北斗二代衛星導航系統定位精度分析*

戰杰吳胤霖

(91550部隊大連116023)

摘要首先介紹了北斗二代衛星導航系統概況，然后對影響北斗定位精度的因素進行了闡述,重點分析了影響精度的常見誤差源，并給出了提高精度的方法，最后通過實測數據，驗證分析了北斗衛星導航系統的定位精度情況，得到了較好的效果。

關鍵詞北斗二代衛星導航系統; 定位精度; 誤差

Class NumberTN967.1

1引言

北斗二代衛星導航系統是在北斗一代的基礎上建設的衛星導航系統，不是北斗一代的簡單延伸，而是類似于美國的GPS系統和俄羅斯的GLONASS系統的無源定位系統[1]。目前在軌衛星共有14顆，其中包括5顆靜止軌道衛星(GEO)、5顆傾斜軌道衛星(IGSO)和4顆中圓軌道衛星(MEO)，可以提供亞太地區全天候的定位、導航和授時服務。

為了分析北斗衛星導航系統的定位精度，首先對影響北斗定位精度的因素進行了闡述,在此基礎上重點分析了影響精度的常見誤差源，并針對各個誤差源給出了提高精度的方法，實測數據表明:北斗衛星導航系統的靜態定位精度在X、Z方向優于2m,Y方向優于5m，可以滿足大部分用戶的需求。

2影響定位精度的因素

北斗衛星導航系統的定位精度主要取決于兩個重要因素:觀測量的精度和衛星幾何分布，其中衛星幾何分布通常用幾何精度因子GDOP來表示。幾何精度因子GDOP是空間位置精度因子PDOP和時間誤差TDOP的綜合影響的精度因子。其計算方法是:

GDOP=(PDOP)2+(TDOP)2

北斗定位的誤差與精度因子DOP的大小成正比。在相同的測量誤差條件下，較小的DOP值可使定位結果有著較小的誤差[2]。各個DOP值可從權系數陣H獲得，而決定權系數陣的幾何矩陣G只與可見衛星的幾何分布情況有關。可見衛星的幾何分布有著較小的DOP值，則它是一個較好的衛星幾何分布。觀測衛星在空間的分布范圍越大，GDOP值越小，測量精度越高；反之，觀測衛星在空間的分布范圍越小，則GDOP值越大。測量誤差越大。因此，可以參照GDOP值的大小來決定觀測效果的好壞，同時決定是否采用此點位或此觀測值。

3北斗定位誤差分析

觀測量的精度主要受測距誤差影響[3]。測距誤差主要由北斗二代系統導航定位誤差決定。導航定位誤差主要包括衛星誤差，信號傳播誤差和接收機誤差三類。

3.1衛星誤差

衛星星歷誤差是指衛星星歷給出的衛星空間位置與衛星實際位置間的偏差,由于衛星空間位置是由地面監控系統根據衛星測軌結果計算求得的,所以又稱為衛星軌道誤差。它是一種起始數據誤差,其大小取決于衛星跟蹤站的數量及空間分布、觀測值的數量及精度、軌道計算時所用的軌道模型及定軌軟件的完善程度等[4～5]。星歷誤差是北斗測量的重要誤差來源。

衛星鐘差是導航衛星所安裝的原子鐘的鐘面時與北斗標準時間的誤差。它包括由鐘差、頻偏、頻漂等產生的誤差。一般可用二階多項式擬合減弱它的影響。衛星鐘差和改正后的殘余誤差，都需在接收設備之間采用一次差等方法來進一步消除。

3.2信號傳播誤差

北斗信號的傳播誤差主要包括電離層折射、對流層折射以及多路徑傳播。

電離層誤差是由于電離層效應引起的觀測值的誤差。當衛星信號通過電離層時，衛星信號的路徑會發生彎曲，傳播速度也會發生變化，載波傳播速度被加快，而碼傳播速度被降低, 從而使測量的距離發生偏差，這種影響稱為電離層折射[6]。電離層折射可用三種方法來減弱其影響:一是利用電離層模型加以修正；二是利用同步觀測值做求差處理；三是利用雙頻觀測值，即通過不同頻率的觀測值組合來對電離層的延遲進行修正。

對流層折射誤差是高度為40km以下的大氣底層的折射誤差。由于大氣密度比電離層更大，大氣狀態也更復雜，同時對流層與地面接觸并從地面得到輻射熱能，其溫度隨高度的增加而降低。因此，衛星信號通過對流層時，也會使傳播的路徑發生彎曲，從而使測量距離產生偏差，這種現象稱為對流層折射[7～8]。減弱對流層折射的影響主要有三種措施:一是采用對流層模型加以改正，其氣象參數在測站可直接測定；二是引入描述對流層影響的附加待估參數，并在數據處理中一并求得；三是利用同步觀測求差的方法。

多路徑誤差是由于反射信號進入接收機天線而引起的觀測值誤差。當天線附近有較大的反射面時，多徑誤差的影響較大。因此，無論是基地站或移動站，都要特別注意天線位置的選擇。為了削弱多徑誤差，觀測點周圍不應有大的水域或對電磁波反射較為強烈的物體。天線安置點應遠離大功率的無線電發生器和高壓輸電線，以避免周圍磁場對信號的干擾[9]。

3.3接收機誤差

接收設備時鐘差是接收設備時與北斗標準時之間的差異，稱為接收設備鐘差。把每個觀測時刻的接收設備鐘差當作一個獨立的未知數，認為各觀測時刻的接收設備鐘差間是相關的，并在數據處理中與觀測站的位置參數一并求解，則可減弱接收設備鐘差的影響。

接收機的位置誤差是接收設備天線相位中心相對標識中心位置存在的誤差，包括天線的置平和對中誤差及量取天線高的誤差等[10]。因此，在精密測量中，必須仔細操作，以盡量減少這種誤差的影響。

接收機天線相位中心偏差是接收設備天線的相位中心與幾何中心之間的偏差。在短基線上，采用同一類型的天線，可以通過求差來減弱它的影響，但各個觀測站的天線應按天線附有的方位標進行定向。

4實驗數據分析

為了準確評價北斗二代定位精度，實驗數據采集自大連地區，具體做法是:在某一固定觀測站放置一臺北斗二代接收機，觀測站大地坐標精確已知，使用北斗二代接收機跟蹤并觀測導航衛星，考核接收機的衛星觀測情況,并計算幾何精度因子GDOP值；利用接收機的觀測數據，計算觀測站的位置坐標，并將計算結果與觀測站已知坐標進行比對分析，統計北斗系統的靜態定位精度,實驗結果如圖1～圖3所示。

圖1　可見衛星數量曲線圖

圖2　GDOP值變化曲線

圖3　靜態定位精度曲線

從圖中可以看出，在大連地區，北斗區域定位系統的可見衛星數大于8顆，GDOP值在1.5到3之間，定位精度在X、Z方向優于2m,在Y方向優于5m。

5結語

本文針對正在建設中的北斗二代衛星定位系統進行了靜態定位精度測試評估，可以得出以下結論:北斗衛星導航系統在環渤海地區有足夠的可視衛星數，并且可視衛星數的幾何結構較好，X、Z方向定位精度優于2m,Y方向優于5m，可以滿足大部分用戶的需求。未來隨著北斗衛星系統由區域向全球的擴展，可視衛星數進一步增多，區域內的導航定位精度也會得到進一步的提高。

參 考 文 獻

[1] 范龍，柴洪洲.北斗衛星導航系統定位精度分析方法研究[J].海洋測繪，2009，29(1):25-27.

[2] 謝鋼.GPS原理與接收機設計[M].北京:電子工業出版社，2009:171-174.

[3] 李征航,黃勁松.GPS測量與數據處理[M].武漢:武漢大學出版社，2005:63-66.

[4] Yunck T P. Orbit Determination,Global Positioning System: Theory and Application[J]. AIAA,1996:559-592.

[5] Kouba J, Heroux P. Precise Point Positioning Using IGS Orbit and Clock Products[J]. GPS Solution,2001,5(2):12-28.

[6] Fremouw E J, Secan J A, Howe B, M. Application of Stochastic Inverse Theory to Ionospheric Tomography[J]. Radio Sci.,1992,17:721-732.

[7] Ananda M P, Bernstein H, Cunningham K E, et al. Global Positioning System Autonomous Navigation[J]. IEEE,1990:497-508.

[8] Menn M D, Berstein H. Ephemeris Observability Issues in the Global Positioning System Autonomous Navigation[J]. IEEE,1994:677-680.

[9] Censor Y. Finite Series-expansion Reconstruction Methods[J]. IEEE,1983,71(3):409-419.

[10] Han S C, Kwon J H, Jekeli C. Accuracy Absolute GPS Positioning Through Satellite Clock Error Estimation[J]. Journal of Geodesy,2001,77:33-43.

Positioning Accuracy Analysis of Beidou Second Generation Satellite Navigation System

ZHAN JieWU Yinlin

(No. 91550 Troops of PLA, Dalian116023)

AbstractThis paper firstly introduces the overview of Beidou second generation satellite navigation system, and thendescribes the factors affecting its positioning accuracy and analyzes the common error sources. Based on it, the method of improving the accuracy is given. Finally, according to the measured data, the accuracy index of Beidou second generation satellite navigation System is analyzed and verified, and good results are gotten.

Key WordsBeidou second generation satellite navigation system, positioning precision, error

* 收稿日期：2015年11月3日,修回日期：2015年12月24日

作者簡介：戰杰，男，碩士，工程師，研究方向：外測事后數據處理。

中圖分類號TN967.1

DOI：10.3969/j.issn.1672-9730.2016.05.016