北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)定位精度研究

王敬平 姜鑫 褚少鶴 沈晨 黃子君

摘? 要： 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，是我國(guó)為了保證國(guó)家與人民群眾的安全，并且促進(jìn)我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，自主建設(shè)并獨(dú)立運(yùn)行的一張衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，能夠提供全天候、全天時(shí)、高精度的定位、導(dǎo)航服務(wù)，是我國(guó)重要空間基礎(chǔ)設(shè)施。近年來(lái)，北斗衛(wèi)星定位被廣泛應(yīng)用于森林防火、抗震救災(zāi)、水文監(jiān)測(cè)、氣象預(yù)報(bào)以及交通運(yùn)輸方面，已經(jīng)深入了人民群眾生產(chǎn)生活的各個(gè)方面，對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展有著重要的推動(dòng)作用。本文基于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)定位原理，從時(shí)間及空間準(zhǔn)確性方面對(duì)定位精度進(jìn)行探討。

關(guān)鍵詞： 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航;系統(tǒng)定位;精度研究

中圖分類號(hào)： TN967.1? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A? ? DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2019.10.034

本文著錄格式：王敬平，姜鑫，褚少鶴，等. 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)定位精度研究[J]. 軟件，2019，40（10）：152154

Research on the Positioning Accuracy of Beidou Satellite Navigation System

WANG Jing-ping， JIANG Xin， CHU Shao-he， SHEN Chen， HUANG Zi-jun

（The 32nd Research Institute of China Electronic Science and Technology Group Corporation， 201808）

【Abstract】： Beidou Satellite Navigation System is a satellite navigation system which can provide all-weather， all-time， high-precision positioning and navigation services. It is an important space infrastructure in China in order to ensure the safety of the country and the people and promote the economic development of our country. In recent years， Beidou satellite positioning has been widely used in forest fire prevention， earthquake relief， hydrological monitoring， meteorological forecast and transportation. It has penetrated into all aspects of people's production and life， and has played an important role in promoting social and economic development. Based on the positioning principle of Beidou satellite navigation system， the positioning accuracy is discussed in terms of time and space accuracy.

【Key words】： Beidou satellite navigation; System positioning; Accuracy research

0? 引言

衛(wèi)星導(dǎo)航在森林防火、海洋漁業(yè)、水利、交通等領(lǐng)域有著較為關(guān)鍵的作用，其中應(yīng)用最為廣泛的是GPS定位系統(tǒng)。與之相比，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在近年來(lái)的市場(chǎng)占有率有所提升，能夠有效減少對(duì)GPS定位系統(tǒng)的依賴性，最大化地降低國(guó)家戰(zhàn)略存在的安全隱患。因此，對(duì)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的定位精度研究就顯得尤為重要。

1? 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)定位原理

1.1? 北斗導(dǎo)航信號(hào)特點(diǎn)

在通過(guò)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航進(jìn)行定位測(cè)量時(shí)，能夠根據(jù)用戶所接收到的北斗衛(wèi)星發(fā)射信號(hào)確定基站坐標(biāo)，一般來(lái)說(shuō)北斗衛(wèi)星信號(hào)包含導(dǎo)航電文、偽距測(cè)距碼信號(hào)以及載波信號(hào)[1]。如圖表1所示，與一般的GPS定位不同，北斗定位系統(tǒng)通過(guò)采用了不同頻率作為載波，分別是B1，B2，B3。其中B1頻率點(diǎn)數(shù)大致為1561.098 MHz，被稱之為標(biāo)準(zhǔn)載波頻率。B2頻率點(diǎn)數(shù)大致為1207.140 MHz，B3頻率點(diǎn)數(shù)? 大致為1268.520 MHz。導(dǎo)航電文涵蓋了此衛(wèi)星基礎(chǔ)導(dǎo)航信息、全部星歷信息以及增強(qiáng)服務(wù)信息等，用于對(duì)增強(qiáng)服務(wù)信息獲取并進(jìn)行使用，能夠使導(dǎo)航 性能更為優(yōu)化，且在北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)缺乏穩(wěn)定時(shí)得到警示，進(jìn)而能夠有效地對(duì)定位精度進(jìn)行 把控[2]。

1.2? 北斗導(dǎo)航系統(tǒng)定位原理

北斗導(dǎo)航系統(tǒng)在進(jìn)行定位時(shí)，所采用的原理是通過(guò)對(duì)衛(wèi)星信號(hào)站點(diǎn)之間的傳播時(shí)間進(jìn)行推算，進(jìn)而確立相應(yīng)的衛(wèi)星站點(diǎn)距離，這樣就能夠?qū)邮諜C(jī)進(jìn)行較為準(zhǔn)確的定位[3]。一般采用載波相位測(cè)量法進(jìn)行定位，其原理大致如下：首先用a來(lái)表示衛(wèi)星所發(fā)射的載波信號(hào)相位數(shù)值，用b來(lái)表示地面基站所接受的載波信號(hào)相位數(shù)值，衛(wèi)星站點(diǎn)之間的距離X就可以用下列公式來(lái)表示：X=n（a+b），其中n指的是載波信號(hào)的波長(zhǎng)，從這個(gè)公式中可以看出，在實(shí)際操作中a值是無(wú)法進(jìn)行測(cè)算的，科研人員往往是采用接收機(jī)所產(chǎn)生的基準(zhǔn)信號(hào)來(lái)代替，由于該基準(zhǔn)信號(hào)的頻率與衛(wèi)星所發(fā)射的載波信號(hào)相位是一致的，所以并不會(huì)影響到后續(xù)定位的精準(zhǔn)程度。

通過(guò)載波相位測(cè)量法進(jìn)行定位，在整個(gè)定位過(guò)程中，會(huì)受到多種誤差因素的影響，進(jìn)而降低定位精度。因此科研人員對(duì)誤差規(guī)律進(jìn)行總結(jié)研究，建立了相應(yīng)的修正模型[4]。由于在相同時(shí)間點(diǎn)，不同觀測(cè)站在觀測(cè)同一衛(wèi)星時(shí)，在進(jìn)行信號(hào)接收時(shí)所受到的誤差影響具有較強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性，通過(guò)不同方式對(duì)同步觀測(cè)量進(jìn)行差值計(jì)算，就能夠最大化地減少誤差[5]。對(duì)常用的載波相位進(jìn)行差值計(jì)算，通常被叫做差分，而差分主要有三種方法，分為單差、雙差以及三差。如圖1所示。

2? 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)定位精度的影響因素

2.1? 受到衛(wèi)星軌道的影響

在通過(guò)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行定位的過(guò)程中，衛(wèi)星軌道參數(shù)是最為關(guān)鍵的基礎(chǔ)信息，該信息往往是存在于衛(wèi)星歷書(shū)之內(nèi)，而歷書(shū)精準(zhǔn)與否直接決定了定位的精確程度[6]。由于北斗衛(wèi)星時(shí)環(huán)繞地球飛行物體，引導(dǎo)其在運(yùn)行軌道持續(xù)保持飛行狀態(tài)的是萬(wàn)有引力定律，在飛行過(guò)程中，受到了地球質(zhì)量分布不均衡、其余星體引發(fā)了引力變化以及太陽(yáng)光壓與大氣阻力的影響，衛(wèi)星極易偏離既定軌道，進(jìn)而使導(dǎo)航電文中的歷書(shū)信息不符合標(biāo)準(zhǔn)，這些便稱之為攝動(dòng)力。而根據(jù)這類攝動(dòng)力的特點(diǎn)建立相應(yīng)的模型，便能夠較為準(zhǔn)確地預(yù)估軌道的變化情況，從而對(duì)歷書(shū)進(jìn)行優(yōu)化，最大化減小誤差。當(dāng)前北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)采取了三種模式的軌道面，分別是21528 KM的中軌道、地球同步軌道以及35786 KM傾斜地球同步軌道，因此在建立攝動(dòng)力模型時(shí)要分別三種軌道面特點(diǎn)構(gòu)建三種模型來(lái)對(duì)衛(wèi)星軌道進(jìn)行預(yù)估與糾正[7]。

2.2? 受到原子鐘的影響

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)在運(yùn)轉(zhuǎn)之時(shí)，需要測(cè)算到衛(wèi)星與接收機(jī)之間的距離，一般來(lái)說(shuō)距離的數(shù)值等于光速乘以時(shí)間，因?yàn)楣馑倩鶖?shù)較大，如若在時(shí)間上出現(xiàn)較小的誤差，相乘之后距離誤差就會(huì)顯得較為嚴(yán)重[8]。因此，在無(wú)法改變光速的前提下，就必須對(duì)時(shí)間計(jì)量單位進(jìn)行優(yōu)化，使其能夠達(dá)到足夠小的程度，才能夠?qū)⒄`差控制于能夠接受的范圍之內(nèi)。當(dāng)前市面上的大部分導(dǎo)航系統(tǒng)都是采用了原子鐘作為時(shí)間計(jì)量設(shè)備。如圖2所示，原子鐘通過(guò)特定原子能級(jí)遷躍所釋放出的能量波頻率進(jìn)行相應(yīng)的時(shí)間計(jì)量，對(duì)精準(zhǔn)性及穩(wěn)定性有著較高的要求。在北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中，使用了國(guó)產(chǎn)星載銣鐘，缺乏一定的精準(zhǔn)性及穩(wěn)定性，受到了光線頻繁移動(dòng)、微博牽引頻繁移動(dòng)以及光檢噪音的影響，國(guó)產(chǎn)星載銣鐘信息缺乏同步性，這些因素抑制了北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)定位的精度。

3? 基于原子鐘的定位精度優(yōu)化的思考

針對(duì)原子鐘影響這一問(wèn)題，根據(jù)近年來(lái)相關(guān)專家學(xué)者的調(diào)查研究，可以從以下幾個(gè)方面進(jìn)行優(yōu)化與改善，從而保證定位精度。

對(duì)星載原子鐘的性能進(jìn)行提升，從根本上進(jìn)行優(yōu)化改善，提升起準(zhǔn)確度、漂移率及穩(wěn)定程度，對(duì)于一些性能無(wú)法直接提升的星載原子鐘，可以在其基礎(chǔ)上研究出更為新型的原子鐘，諸如微波離子鐘、氫鐘等，這類原子鐘技術(shù)更為先進(jìn)，性能相對(duì)更好，能夠有效提升定位精度[9]。

建立更為精準(zhǔn)的原子鐘預(yù)報(bào)模型，衛(wèi)星站點(diǎn)配合地面基站共同使用星地激光同步措施，根據(jù)地面控制部分的時(shí)間基準(zhǔn)，對(duì)衛(wèi)星時(shí)鐘進(jìn)行合理的校準(zhǔn)與同步。這樣一來(lái)，原子鐘預(yù)報(bào)模型更為精準(zhǔn)，定位精度也得以提升[10]。

4? 結(jié)論

綜上所述，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用于我國(guó)各個(gè)領(lǐng)域。為了能夠更為有效地給人民群眾提供便利，保障國(guó)家安全，對(duì)現(xiàn)行的衛(wèi)星定位模式要進(jìn)行合理的改善與優(yōu)化，最大化減少影響定位精度的誤差。

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