北斗導航定位系統(tǒng)中的差分技術應用

李俊煒

摘要：文章利用差分GPS相關原理，在此基礎上進行分析，建立了適用于北斗導航定位系統(tǒng)的差分定位技術，解決了定位不準確的問題，這在一定程度上提高了北斗導航定位系統(tǒng)的定位精度。

關鍵詞：北斗導航定位系統(tǒng)；差分技術；定位精度

1.北斗導航系統(tǒng)研究背景

2000年北斗導航衛(wèi)星的發(fā)射成功標志著我國北斗導航衛(wèi)星系統(tǒng)的初步建成，經過十幾年的發(fā)展我國北斗導航定位系統(tǒng)衛(wèi)星數量逐漸增多，系統(tǒng)逐漸完善，極大地促進了我國國民經濟事業(yè)和國防建設事業(yè)的發(fā)展需求，進一步提高了我國衛(wèi)星導航定位技術。北斗導航衛(wèi)星的發(fā)射成功標志著我國擁有了自主的衛(wèi)星導航系統(tǒng)，也打破了美國、俄國在衛(wèi)星導航領域中的壟斷局面。

2.導航定位差分技術

當前GPS差分定位技術的應用已經較為成熟，其對應的原理：在固定的（站臺）地點，通過測地獲得其“精確位置數據”，再將該站臺的“所測位置數據”進行傳輸，利用一個c/A碼用戶接收器來接收該數據信息，通過“所測位置數據”和“精確位置數據”的差異分析，就能得知“GPS定位誤差修正量”。其次通過無線電發(fā)射機傳播這些“定位誤差修正量”，而區(qū)域內的其他c/A碼用戶的接收器正好接受，并將接收器的定位數據進行修正。“差分式GPs系統(tǒng)”的應用，使得c，A碼用戶接收器有了更精確的定位，是之前定位精度的10倍多。

GPS定位時有3部分誤差，分別是：第一是用戶接收機都存在的如衛(wèi)星鐘、星歷、電離層、對流層等方面的誤差；第二是傳播延遲誤差，這類誤差是用戶測量不成或者是校正模型計算不出的；第三是用戶接收機自身存在的固有誤差，表現在內部噪音、通道延遲、多徑效應方面。差分技術的應用，完全消除了第一種誤差，并將第二種誤差消除掉大多數，這要由基準接收機與用戶接收機之間的距離來決定，而對于第三種誤差，差分技術則不起作用。由此可以看出差分技術的應用，能夠很大的改善GPS中的定位功能。通過各用一臺GPS基準接收機和用戶接收機，以實時處理技術或者是事后處理技術，就能消除用戶測量中的誤差源，即電離層效應與對流層效應。

事實上，差分技術就是對1個測站進行2個目標的觀測量和2個測站進行1個目標的觀測量的差的求值，或者說是和1個測站進行一個目標的2次觀測量的差的求值。最終的目的是將包括公共誤差與公共參數在內的公共項進行消除。這早在無線電定位系統(tǒng)中就有了普遍的應用。

3.北斗導航定位系統(tǒng)中的差分定位技術

通過差分定位技術可以提高定位精度，實現差分定位技術主要有偽距單點定位算法與載波相位測量算法。在北斗導航定位系統(tǒng)中的偽衛(wèi)星技術借鑒了傳統(tǒng)的全球定位系統(tǒng)中的導航算法。通過地面上的衛(wèi)星接收站來提高系統(tǒng)的定位精度。用戶可以同時接收北斗信號以及衛(wèi)星信號，能夠實現快速定位。如果衛(wèi)星的數量多于兩顆，那么可以連同北斗系統(tǒng)形成四星的衛(wèi)星定位系統(tǒng)。接收站1通過測量距離4顆星的距離，一般是通過測定信號傳輸的時間來乘以光速來計算相應的距離。偽衛(wèi)星導航定位技術是模擬的GPS導航定位系統(tǒng)，其中偽衛(wèi)星是用于模擬衛(wèi)星發(fā)出GPS信號，偽衛(wèi)星基站模擬衛(wèi)星信號接收的地面基站，也就是接收站。

衛(wèi)星基站的設置中通過將其中一個基站設置為差分基站，可以實現差分定位。由于已經知道差分衛(wèi)星的精確坐標可以計算出其距離衛(wèi)星的實際距離，然后將其與觀測偽距進行比較并進行修正，最終將上述實時數據發(fā)送出去。利用修正過的偽距進行定位計算，最終求得用戶接收機的精確位置。由于通過修正能夠導致其中的公共誤差消失，比如衛(wèi)星時鐘偏差、星歷誤差、電離層誤差、對流層誤差，因而可以較好地提高系統(tǒng)定位精度。

偽衛(wèi)星定位技術與GPs全球定位系統(tǒng)所采用的技術類似，本文以GPS定位技術為基礎，對于偽距觀測單點定位算法以及載波相位技術來對算法的精度進行詳細的分析。

（1）偽距單點定位算法。

其中P_i為第，顆衛(wèi)星的偽距觀測值，（x_j，y_j，z_j）與△ts第j顆衛(wèi)星的位置以及時鐘差，通過電文數據可以獲取到，其中（x，y，z）與△t為接收機的位置和時鐘差，為需求的量。

由于初始情況下接收機的粗略位置可能存在較大的誤差，如果在線性化的過程中消去高階項會引起較大的線性誤差，在衛(wèi)星坐標計算的過程中時間參數也無法精確確定，上述未知參數都會導致求解的最終結果出現較大的誤差，一般采用迭代法求取線性方程組中的解。得到近似數值之后再代入方程進行一步步的迭代直到迭代結果收斂，就可以得到最終的解。

3.2坐標轉換

在定位算法實現的過程中必然會涉及地心直角坐標系和大地坐標系之間的轉換。在導航定位算法中，需要建立某種空間坐標系，以此來確定衛(wèi)星的軌道參數以及接收機的位置參數以及速度等。衛(wèi)星導航技術中的諸多位置參數一般是采用地理坐標來進行表示，也就是經緯度，而衛(wèi)星的空間位置一般采用軌道參數來表示。因而在選擇建立的坐標系的過程中要便于實現上述不同坐標之間的轉換與聯(lián)系為宜，并且便于考慮到衛(wèi)星的空間運動以及地球自轉的影響。所以衛(wèi)星導航系統(tǒng)一般采用的地心直角坐標系。坐標系的原點為地心，坐標系的xoy面與赤道面重合，oX軸指向格林尼治子午線與赤道交點，oz軸與地球的極軸重合。

用戶在地球表面上的位置一般表示為地理坐標也就是經常所說的經緯度，其被稱為大地坐標系，然而地球并非是正圓球體，其地球表面的起伏非常大，因而為了提高定位的精度，需要一種與地球表面較為吻合的橢球體來代替地球，所選取的原則為橢球面與大地水準面之間的高度差的平方和為最小。在實踐中一般采用橢球體來代表地球，采用橢球面來代替大地基準面，一般采用WGS-84橢球體模型，來代替地球。在導航定位系統(tǒng)計算的過程中，往往需要在大地坐標系和地心直角坐標系之間轉換，如果定位的精度不高，會對最終的定位結果產生較為顯著的影響，轉換的關系表示如下列公式所示，其中入為經度，V維度，h為高度。

再計算出相應的地理坐標也就是大地坐標之后要將其轉換為直角坐標，對計算結果的準確性進行驗證。單次轉換的精度比較高，所造成的誤差基本可以忽略。通過對初始設定的經緯度數值進行修改可以看到對定位精度的影響比較小，但是誤差也會隨著計算次數的增多而逐漸累加，因而在計算過程中盡量避免中間轉換，在計算最后進行統(tǒng)一轉換。

4.結語

綜述，在進行GPS差分技術的分析后，文章提出了對北斗導航定位系統(tǒng)較為適合的差分定位技術，以北斗衛(wèi)星、偽衛(wèi)星的組合導航定位的原理與算法為基礎，實現地合直角坐標系和大地坐標系之間的相互轉換這種算法，從而利用差分定位技術提高GPS的定位精度。這一計算得到了良好的偽距單點定位與偽距差分定位結果，通過與對應硬件的結合實現定位。