北斗衛星導航系統定位精度研究

田 濤

（廣州海格通信集團股份有限公司，廣東 廣州 510000）

0 引 言

衛星導航系統在預防森林失火、海洋漁業、水利以及交通等領域起著重要作用。相比之下，北斗衛星導航系統正在擴大其當前的市場份額，這樣可以有效地減少對GPS定位系統的依賴，最大化地降低國家戰略安全風險。北斗衛星導航系統的位置精確研究非常重要。

1 北斗衛星導航系統的組成

北斗衛星導航系統由空間星座、地面運控以及用戶終端3部分組成。

1.1 空間星座

北斗系統的空間部分由5GEO、5IGSO以及4MEO空間星座組成，其中包括5個GEO衛星，在東經的角度分別為58.75°、80°、110.5°、140°以及160°，5顆IGSO衛星分布在3個軌道平面上。衛星I1，I2以及I3相交點的地理位置是東經118°，而I4和I5分別在與I1和I2相同的軌道上。I1和I2之間的相位差為23°，交點地理經度處于東經95°。MEO衛星的軌道高度為21 000 km，回歸期為7天13圈。該系統可以為用戶提供定位服務，距亞太地區20 m，中國的精度為10 m。在中國及周邊地區，北斗地區的PDID系統超過5.0，而主要地區的PDOP值在1.5～3.5[1]。北斗導航星座如圖1所示。

圖1 北斗導航星座圖

1.2 地面運控

北斗地面控制系統包括主站的監視站和時間同步/注入站。其中，主控制站控制中心操作系統的主要功能是觀測來自監測站的基本數據。進行連續觀測，并進行比較使用的衛星定時和注入時間那個較少，輸入導航參數并通過衛星發送信息[2]。

1.3 用戶終端

用戶終端屬于不同的北斗終端，它們通過使用終端和與其他衛星系統兼容的終端來滿足各個領域的需求。中國開始建設北斗衛星導航系統，許多用戶還參與了系統改進和應用程序開發。并且具備主芯片的知識產權，在研究開發其性能時，制造各種終端以滿足市場需求。當前，許多中國研究機構正在積極研究和開發電子終端的高精度計算芯片和技術[3]。

2 影響北斗定位系統的定位精度的因素

2.1 衛星軌道影響

衛星軌道參數該求解方程式中的已知量是求解位置的基礎。衛星進入軌道的信息包含在衛星歷書內的，衛星歷書內的精度取決于定位的精度。通過研究發現，歷書的準確性與攝動力模型有關。衛星是繞地飛行物，而重力是維持其軌道運行的基礎。由于地球質量分布不均勻，或者是其他星體、潮汐等引起的引力變化，地球引力和其他恒星引起的重力與大氣變化會導致衛星的原始軌道與實際衛星軌道不一致，會產生脫節現象。這些攝動力對衛星軌道偏離的影響，需要建立相應的攝動力模型來預報軌道變化，以最大程度地減少誤差。北斗定位系統采用了3種軌道面，包括21 528 km的中軌道，35 786 km傾斜地球同步軌道以及地球同步軌道[4]。為了估計和預測衛星的軌道，需要3種衛星模型。GPS系統只是其中一個軌道衛星，這種攝動力模型已經有30多年的完善北斗衛星觀測數據積累不足，且攝動力模型參考GPS模型，攝動力模型與光壓模型還不能滿足定位精度對攝動力模型的要求。根據模型的要求類別不同，攝動模型始終是研究的重點。對攝動力造成的誤差的預測與修正是減弱衛星軌道誤差的關鍵，可以從下面幾方面入手，減小這種誤差[5]。

2.2 原子鐘的影響

衛星與接收機的距離等于光速和時間的乘積。光速快時，距離誤差變大，時間誤差變小，需要足夠的時間單位來估計可以接受范圍內的誤差。在導航系統中，GPS、GLONASS、以及北斗衛星都使用所的是原子鐘作為計量時間的工具。原子鐘用于測量時間的參考頻率，并來自于特定原子運動發出的能量波的頻率。相應諧振線的寬度決定了原子鐘輸出頻率的穩定性。衛星中使用的原子墻是星載子鐘。與地球的地球時鐘相比，它的亮點在于準確性和穩定性。另外，還需要高頻穩定性，需要原子鐘，小尺寸、輕、使用時間長等方面取舍后的選擇。就準確性和穩定性而言，國產衛星比外國衛星要弱一些。衛星的預測模型將成為中國導航系統和定位研究的熱點。原子鐘的性能由頻率精度和工作頻率的穩定性來衡量。穩定性是原子常數的屬性，它測量原子鐘保持特定頻率的能力。短期和中期穩定性是重要的監測指標，它將在確定更新時間方面發揮重要作用[6]。對經典銣鐘的分析表明，銣鐘的穩定性受光頻率的強烈影響、微波頻率和光感測噪聲的影響。減少這3種影響是提高銣鐘性能的關鍵。Galileo系統使用了POP銣鐘和氫鐘作為原子鐘。POP銣鐘使用脈沖技術，與傳統銣鐘相比，降低了光頻移的影響，銣鐘的性能幾乎與被動氫手表的性能相同，使用來自GPS系統的氙氣作為氣體緩沖器，使用了光學濾鏡技術來減少光檢噪聲的影響，并提高了銣鐘的穩定性。衛星之間的時鐘信息不同步，衛星的穩定性低，限制了精確的位置。為了降低時鐘信息中的失誤引起的精度定位[7]。圖2為原子鐘運行流程。

圖2 原子鐘運行流程

2.3 電離層延遲

通常，電離層的高度在60～1 000 km的大氣層范圍內。電離涉及大量電子和自由離子。當衛星信號通過離子發射器時，它會扭曲信號路徑或改變其傳播速度。電離層的延遲導致的距離通常在白天為15 m，夜間3 m，緯向50 m，水平150 m。從信號傳輸過程中的延遲可以看出電離層對定位精度的影響，這影響了傳播時間精度的測量，從而降低位置的準確性。通過審查其有效機制，可以以某種方式降低電離層的影響[8]。

2.4 多路徑效應的影響

為了接收導航信號，接收器周圍的反射器反射的導航信號會直接干擾衛星信號；觀測值與實際值不同。出現這種問題就被稱為多徑。多徑誤差是隨機誤差，模型微分系統的創建不能解決它們。可以通過以下公式獲得并評估多徑效應對負載信號的影響：

式中，So是直接衛星信號；Sr表示反射信號；A表示衛星信號幅值；μ表示反射后的信號是振幅系數[9]。

φ對θ求導并令之為0。

于是得θ=±cos-1(-μ)時φ取得極大值φmax=±sin-1μ。

從測量階段看到，誤差達到波長的1/4。對于BDS，誤差可以達到4.8 cm，這在很大程度上取決于C/A代碼，最大誤差為150 m。從以上分析可以看出，產生的許多影響與原始信號相位的變化有關。

3 提高北斗衛星導航系統定位精度的措施

3.1 對攝動力造成的誤差進行預測與修正

（1）創建一個極地衛星模型。根據GPS衛星的軌道旋轉模型，有必要配置北斗軌道旋轉模型并優化IGO衛星和GEO衛星固有的攝動力模型參數。安裝模型以提高衛星軌道的準確性；

（2）國家基準站的建設改善了軌道，特別是GEO衛星的軌道對準，并具有良好的幾何分布，以削弱軌道誤差對準確定位的影響。

（3）改善衛星空間分布的幾何形狀。考慮到北斗二號衛星的當前結構，在14顆衛星中有5顆是地球靜止軌道，這大大限制了衛星的分布。嘗試集成多系統，改善從衛星接收器接收衛星的地理形狀，并使用GPS和GLONASS衛星。

（4）增加衛星數。僅使用14個北斗二代衛星系統發送電文。由于可以同時接受的衛星數量受到限制，因此，減少重復位置的數量，并可以通過增加衛星數量來增加冗余度。如果要增加具有兩個以外的多衛星系統的衛星的數量以提高衛星定位精度的衛星數量[10]。

3.2 抑制時鐘信息誤差，提高定位精度

（1）改善空間時鐘的性能。在準確性，穩定性和學習速度方面提高原子鐘的性能。提高氫鐘對新型原子鐘的研究，例如比微波鐘更有效的原子鐘，將改善由原子種對定位精度的影響。

（2）建立更準確的模型來預測原子鐘的差異。當原子鐘的特性受到限制時，該模型用于使用基于地面的同步激光功能預測時鐘的運動，以及根據一天中的時間同步和調整衛星時鐘。

（3）星載衛星鐘組技術研究。在準確性方面，鐘組的表現優于單臺鐘。這就是為什么使用原子資源來提高航天器的準確性和穩定性的原因，在該航天器中，許多原子鐘被用來在衛星中組成鐘組。

（4）充分發揮衛星間的星間鏈路作用。鐘組通過中間時鐘改善了衛星形成的時鐘會更有均勻性和穩定性。

3.3 削弱電離層的影響提高定位精度

（1）創建單頻接收機中常用的電離層校正模型。電離層是不均勻且不穩定的氣體層，但是電離層在兩個區域內通常都是不規則的，但是，仍然存在一些規律，例如長期發展和變化。在調整電離層校正模型時，導航衛星會發送正確的參數，而接收器會根據內部校正模型使用正確的參數來校正電離層誤差。通過校正，可以解決超過75%的電離層誤差。

（2）對于單頻接收機，還有其他減輕電離層影響的方法。考慮到電離對編碼觀測和相位測量任務的影響。汽車晶體占總晶體的99%，該算法結合使用了兩者，以消除電離層校正對衛星信號的影響。

（3）2x頻率可用于消除單個電離誤差。由于電離層是傳播介質，因此電磁波的傳播速度取決于頻率。衛星警報使用兩個不同的頻率，通過創建不含離子的化合物，可以消除電離層的滯后效應。

（4）使用差分系統來減少電離層誤差。從已知精確坐標的信息源接收衛星消息，以確定位置信息，并將允許位置與已知坐標進行比較，計算錯誤信息，然后將此信息發送到另一次傳輸中的接收器，從而確保確定另一個接收器位置的準確性。

3.4 降低多路徑效應的影響

（1）選擇適當的斷點。避免在控制點附近產生強烈的反射因素，例如平靜的水面。如果物體的反射率與物體的介電常數之間存在明顯的相關性，則介電常數就是最大反射率。最好在沒有反射鏡的開放空間中選擇位置。

（2）合適的增加觀察時間。在接收機處產生多徑效應，接收器從衛星接收信號。Beedu導航系統使用除GEO衛星以外的所有其他衛星軌道。衛星和反射器之間的時間不同，所以其角度也不同，多徑效應可以分為固定相位和周期性分量，以增加觀察時間并消除周期性分量。

（3）接收機的硬件增強。反射信號是在反射器，特別是地表水反射器反射后接收的接收器，這些信號的高度通常小于正確信號的高度。通過在接收天線下方安裝限制板或直徑縮回環，才可以使得此功能可以抑制大部分反射信號[11]。

（4）改進算法。當衛星信號到達接收器時，需要對其進行濾波處理。反射信號的幅度和相位與直接來自衛星的信號不同。可以使用高級處理技術來減少對反射信號的干擾。

4 結 論

本文首先從空間星座、地面運控以及用戶終端等方面對北斗衛星導航系統的組成進行了分析，然后從衛星軌道影響、原子鐘的影響、電離層延遲以及多路徑效應的影響等方面對影響北斗定位系統的定位精度的因素進行了分析，最后從對攝動力造成的誤差進行預測與修正、抑制時鐘信息誤差，提高定位精度、削弱電離層的影響提高定位精度以及降低多路徑效應的影響等方面提出了提高北斗衛星導航系統定位精度的措施。換句話說，北極星衛星導航系統已在中國各個地區廣泛使用。為了更有效地確保國家安全，需要適當改進和優化當前的衛星定位模型，以最大程度地減少影響精度的誤差。