北斗衛星導航系統高精度相對定位性能分析

張益君

中國人民解放軍61175部隊

北斗衛星導航系統高精度相對定位性能分析

張益君

中國人民解放軍61175部隊

采集北斗衛星導航系統星歷數據，北斗衛星導航系統的定位能分析我國不同緯度的星座狀況，并在不同的可視環境內進行。采用兩臺BDS/GPS接收機接受北斗衛星導航系統和全球范圍內的系統定位數據，讓數據快速的傳輸過來，并單獨運用北斗衛星導航在全球環境下開展動態化的基線解算。

北斗衛星；導航系統；高精度；定位性能

北斗衛星是一門全新的導航系統，也是我國自主研發的定位系統，在定位精度方面相較于以往系統有較大的提升，特別是在精度定位上面有較大的突破。但從衛星發展中可以獲悉，北斗星和其他衛星還有諸多不同存在，因而對其研究十分有必要。

一、北斗衛星導航系統的介紹

北斗星定位系統是我國自主研發的一款衛星定位導航系統。其中北斗一代作為區域有源衛星導航系統的代表，覆蓋范圍是中國境內以及周邊的部分國家和地域，該系統是在BEIDOU-1衛星導航后，我國在建設中研發的一款具有全球覆蓋能力的無源衛星導航和定位系統。北斗系統的定位導航具有授時能力，并能提供其他衛星不能提供的通信類服務。北斗系統整體建立過程是分兩個步驟施行的，第一階段，在2012年底，要求北斗系統實現牙體地區的無源定位能力。第二階段是在2020年底，滿足全球范圍內的無源定位能力，在2012年10月份，北斗系統已經發射5枚同步的靜止軌道衛星，五顆傾斜衛星以及4顆中圓地球軌道衛星系統，該系統能為亞太地域提供無源定位服務，伴隨著MEO衛星成功發射到太空，北斗系統已經實現了無源導航定位服務的能力。

北斗衛星導航相較于世界范圍內的其他衛星有自己的特點，北斗系統不僅包含MEO衛星、同時也有GEO和IGSO衛星。眾所周知，GEO衛星的周期與地球自轉周期相一致，兩者可以同步運行，且衛星的軌道能與地球的赤道面疊和在一起，因而GEO衛星在以地球為靜止物的時候，是保持靜止不動的狀況。IGSO衛星軌道與GEO的衛星軌道相對高度一致，但在運轉時卻與地球赤道面形成55度的夾角。IGSO衛星周期是與地球自轉周期一致的，如果從地球上觀察IGSO衛星，能看到其運轉軌跡呈“8”字。

二、北斗系統在不同緯度下的可視狀況分析

過去很多學者都分析過北斗系統星座，但多為仿真數據，雖然這些數據貼近真實情況，但還有一定的差距。因而本文在探尋時，為更具真實性，就以北京和接近赤道的地區為例子計算衛星的天空視圖，根據獲得的數據可以獲悉，亞太低緯度地區，BDS的GEO和IGSO衛星都能在視野范圍內存在。北京由于處在高緯度，GEO衛星能全部呈現在視野范圍內，并且所有的圖像都集中在觀察者的南半部分，IGSO衛星在不規則運行時，在某一個特殊時刻會運動到視野范圍外。

為能更為客觀的分析北斗系統的特點，并收集軌道周期中北斗系統內廣播星歷數據。結合相關數據進行計算，獲得的結果是在亞太區域赤道附近內，GEO和IGSO衛星具有可視性，且GEO衛星也要分布在東西方向的正上方向。IGSO衛星可以在整個軌道內跟蹤到，且衛星的高度仰角要大于22.5度，但在亞太高緯度地區，比如北京GEO衛星分布就在觀測人員的南部出現，IGSO衛星大部分時刻都要運行在可視范圍內，但多數情況，IGSO衛星是相對于地球上高緯度地域觀測者而言?；诖耍覀儷@悉北斗衛星系統相較于GPS、GLONASS等衛星系統，亞太地球的觀察人員，使用北斗衛星星座的效率會更高。

三、北斗系統相對靜態定位精度性能分析

截止到當前，北斗系統為亞太地域提供無源定位服務，為更好的驗證被偷系統的靜態定位精度，在北京區域內就利用兩臺BDS∕GPS接收機收集6期，其中每期時間長度為20min的靜態化數據，接收機的采樣頻率其設置的赫茲是1hz，基線長度全長可以被設定到633m，為降低多路徑對其產生的影響，衛星截止的高度角設置在15度。其中周期調控以及探測和修復都利用相對相位高度，進行精度測量和挑戰。其中組合觀測值中周跳探測與修復方法以及GIPSY軟件中使用TE方法則不能精準的探測出L1載波與L2載波的不同之處。

探測中通過運用MWWL組合觀測值以及總電子含量變化速率技術探測和修復北斗星系統，進行GPS相位觀測值的周跳。該周跳探測模式不但能精準的修復載波相位觀測值上面的小周跳差距，也能利用雙差相對觀測值組成觀測方程式，目的是估計位置參數以及于整個周模糊度的浮點解，且應運用小二乘降的分解方法做好整個周期的模糊固定，回帶觀測方程，這樣就能精準的估算出基線的向量變化取值。

四、北斗系統的高精度動態定位系統分析

目前由于GPS的大規模使用，高動態的定位領域已經在一定條件下得到切實應用，不但可以為大壩、橋梁等大型工程提供安全檢測類技術，更能為定位系統提供便利的服務。在運用單歷元算法處理15min北斗系統的時候，能實時處理信息，并獲得GPS的觀測數值，獲得三個坐標軸的誤差變更方向。尤其在X軸或者Y軸上，GPS的誤差要遠小于北斗星系統，在Z軸上，北斗系統與GPS的誤差值兩者不相上下。

結語

在2012年底，北斗系統已經為亞太地域提供很多無源定位類服務。本文主要是利用BDS∕GPS雙頻接受機接受廣播星歷和觀測數據，不但能計算北斗系統衛星在一個軌道周期內的衛星運動位置，也能更好的分析北斗微信在亞太地域內不同緯度下的可視狀況。根據現有的數據結果可以獲悉，北斗衛星的整體利用效率在亞太區域內要優于GPS衛星。特別是在貼近赤道地域內，所有的北斗系統GEO和IGSO衛星在整個軌道運行內都具有可視性。高緯度地域內，GEO衛星在整周軌道周期內都處于可視狀態，IG?SO衛星大部分時間內都要在高緯度地域內接受到北斗性系統接機的跟蹤。若以6期為計算值，要求每期是20min北斗系統與GPS靜態觀測值計算基線，兩者在精度等同的情況下，最大的偏差不大于4mm。利用單歷元算法“實時”計算每一歷元位置的變化狀況，可以在X軸以及Y軸上，要求北斗系統精度小于GPS，在Z軸方向上，北斗星系統的精度相一致。同時，X軸與Y軸的誤差不會有較大的隨機性，這是伴隨北斗系統逐步完善建立起來的，通過精準的操作和計算，這一誤差值可去除。

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