戰(zhàn)　杰　吳胤霖

(91550部隊(duì)　大連　116023)

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北斗二代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)定位精度分析*

戰(zhàn)杰吳胤霖

(91550部隊(duì)大連116023)

摘要首先介紹了北斗二代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)概況，然后對(duì)影響北斗定位精度的因素進(jìn)行了闡述,重點(diǎn)分析了影響精度的常見(jiàn)誤差源，并給出了提高精度的方法，最后通過(guò)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，驗(yàn)證分析了北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的定位精度情況，得到了較好的效果。

關(guān)鍵詞北斗二代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng); 定位精度; 誤差

Class NumberTN967.1

1引言

北斗二代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是在北斗一代的基礎(chǔ)上建設(shè)的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，不是北斗一代的簡(jiǎn)單延伸，而是類似于美國(guó)的GPS系統(tǒng)和俄羅斯的GLONASS系統(tǒng)的無(wú)源定位系統(tǒng)[1]。目前在軌衛(wèi)星共有14顆，其中包括5顆靜止軌道衛(wèi)星(GEO)、5顆傾斜軌道衛(wèi)星(IGSO)和4顆中圓軌道衛(wèi)星(MEO)，可以提供亞太地區(qū)全天候的定位、導(dǎo)航和授時(shí)服務(wù)。

為了分析北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的定位精度，首先對(duì)影響北斗定位精度的因素進(jìn)行了闡述,在此基礎(chǔ)上重點(diǎn)分析了影響精度的常見(jiàn)誤差源，并針對(duì)各個(gè)誤差源給出了提高精度的方法，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明:北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的靜態(tài)定位精度在X、Z方向優(yōu)于2m,Y方向優(yōu)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(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的定位精度主要取決于兩個(gè)重要因素:觀測(cè)量的精度和衛(wèi)星幾何分布，其中衛(wèi)星幾何分布通常用幾何精度因子GDOP來(lái)表示。幾何精度因子GDOP是空間位置精度因子PDOP和時(shí)間誤差TDOP的綜合影響的精度因子。其計(jì)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(cè)量誤差條件下，較小的DOP值可使定位結(jié)果有著較小的誤差[2]。各個(gè)DOP值可從權(quán)系數(shù)陣H獲得，而決定權(quán)系數(shù)陣的幾何矩陣G只與可見(jiàn)衛(wèi)星的幾何分布情況有關(guān)?？梢?jiàn)衛(wèi)星的幾何分布有著較小的DOP值，則它是一個(gè)較好的衛(wèi)星幾何分布。觀測(cè)衛(wèi)星在空間的分布范圍越大，GDOP值越小，測(cè)量精度越高；反之，觀測(cè)衛(wèi)星在空間的分布范圍越小，則GDOP值越大。測(cè)量誤差越大。因此，可以參照GDOP值的大小來(lái)決定觀測(cè)效果的好壞，同時(shí)決定是否采用此點(diǎn)位或此觀測(cè)值。

3北斗定位誤差分析

觀測(cè)量的精度主要受測(cè)距誤差影響[3]。測(cè)距誤差主要由北斗二代系統(tǒng)導(dǎo)航定位誤差決定。導(dǎo)航定位誤差主要包括衛(wèi)星誤差，信號(hào)傳播誤差和接收機(jī)誤差三類。

3.1衛(wèi)星誤差

衛(wèi)星星歷誤差是指衛(wèi)星星歷給出的衛(wèi)星空間位置與衛(wèi)星實(shí)際位置間的偏差,由于衛(wèi)星空間位置是由地面監(jiān)控系統(tǒng)根據(jù)衛(wèi)星測(cè)軌結(jié)果計(jì)算求得的,所以又稱為衛(wèi)星軌道誤差。它是一種起始數(shù)據(jù)誤差,其大小取決于衛(wèi)星跟蹤站的數(shù)量及空間分布、觀測(cè)值的數(shù)量及精度、軌道計(jì)算時(shí)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(cè)量的重要誤差來(lái)源。

衛(wèi)星鐘差是導(dǎo)航衛(wèi)星所安裝的原子鐘的鐘面時(shí)與北斗標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間的誤差。它包括由鐘差、頻偏、頻漂等產(chǎn)生的誤差。一般可用二階多項(xiàng)式擬合減弱它的影響。衛(wèi)星鐘差和改正后的殘余誤差，都需在接收設(shè)備之間采用一次差等方法來(lái)進(jìn)一步消除。

3.2信號(hào)傳播誤差

北斗信號(hào)的傳播誤差主要包括電離層折射、對(duì)流層折射以及多路徑傳播。

電離層誤差是由于電離層效應(yīng)引起的觀測(cè)值的誤差。當(dāng)衛(wèi)星信號(hào)通過(guò)電離層時(shí)，衛(wèi)星信號(hào)的路徑會(huì)發(fā)生彎曲，傳播速度也會(huì)發(fā)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(cè)量的距離發(fā)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(lái)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(cè)值做求差處理；三是利用雙頻觀測(cè)值，即通過(guò)不同頻率的觀測(cè)值組合來(lái)對(duì)電離層的延遲進(jìn)行修正。

對(duì)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(tài)也更復(fù)雜，同時(shí)對(duì)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(wèi)星信號(hào)通過(guò)對(duì)流層時(shí)，也會(huì)使傳播的路徑發(fā)生彎曲，從而使測(cè)量距離產(chǎn)生偏差，這種現(xiàn)象稱為對(duì)流層折射[7～8]。減弱對(duì)流層折射的影響主要有三種措施:一是采用對(duì)流層模型加以改正，其氣象參數(shù)在測(cè)站可直接測(cè)定；二是引入描述對(duì)流層影響的附加待估參數(shù)，并在數(shù)據(jù)處理中一并求得；三是利用同步觀測(cè)求差的方法。

多路徑誤差是由于反射信號(hào)進(jìn)入接收機(jī)天線而引起的觀測(cè)值誤差。當(dāng)天線附近有較大的反射面時(shí)，多徑誤差的影響較大。因此，無(wú)論是基地站或移動(dòng)站，都要特別注意天線位置的選擇。為了削弱多徑誤差，觀測(cè)點(diǎn)周圍不應(yīng)有大的水域或?qū)﹄姶挪ǚ瓷漭^為強(qiáng)烈的物體。天線安置點(diǎn)應(yīng)遠(yuǎn)離大功率的無(wú)線電發(fā)生器和高壓輸電線，以避免周圍磁場(chǎng)對(duì)信號(hào)的干擾[9]。

3.3接收機(jī)誤差

接收設(shè)備時(shí)鐘差是接收設(shè)備時(shí)與北斗標(biāo)準(zhǔn)時(shí)之間的差異，稱為接收設(shè)備鐘差。把每個(gè)觀測(cè)時(shí)刻的接收設(shè)備鐘差當(dāng)作一個(gè)獨(dú)立的未知數(shù)，認(rèn)為各觀測(cè)時(shí)刻的接收設(shè)備鐘差間是相關(guān)的，并在數(shù)據(jù)處理中與觀測(cè)站的位置參數(shù)一并求解，則可減弱接收設(shè)備鐘差的影響。

接收機(jī)的位置誤差是接收設(shè)備天線相位中心相對(duì)標(biāo)識(shí)中心位置存在的誤差，包括天線的置平和對(duì)中誤差及量取天線高的誤差等[10]。因此，在精密測(cè)量中，必須仔細(xì)操作，以盡量減少這種誤差的影響。

接收機(jī)天線相位中心偏差是接收設(shè)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(guò)求差來(lái)減弱它的影響，但各個(gè)觀測(cè)站的天線應(yīng)按天線附有的方位標(biāo)進(jìn)行定向。

4實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

為了準(zhǔn)確評(píng)價(jià)北斗二代定位精度，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集自大連地區(qū)，具體做法是:在某一固定觀測(cè)站放置一臺(tái)北斗二代接收機(jī)，觀測(cè)站大地坐標(biāo)精確已知，使用北斗二代接收機(jī)跟蹤并觀測(cè)導(dǎo)航衛(wèi)星，考核接收機(jī)的衛(wèi)星觀測(cè)情況,并計(jì)算幾何精度因子GDOP值；利用接收機(jī)的觀測(cè)數(shù)據(jù)，計(jì)算觀測(cè)站的位置坐標(biāo)，并將計(jì)算結(jié)果與觀測(cè)站已知坐標(biāo)進(jìn)行比對(duì)分析，統(tǒng)計(jì)北斗系統(tǒng)的靜態(tài)定位精度,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1～圖3所示。

圖1　可見(jiàn)衛(wèi)星數(shù)量曲線圖

圖2　GDOP值變化曲線

圖3　靜態(tài)定位精度曲線

從圖中可以看出，在大連地區(qū)，北斗區(qū)域定位系統(tǒng)的可見(jiàn)衛(wèi)星數(shù)大于8顆，GDOP值在1.5到3之間，定位精度在X、Z方向優(yōu)于2m,在Y方向優(yōu)于5m。

5結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)正在建設(shè)中的北斗二代衛(wèi)星定位系統(tǒng)進(jìn)行了靜態(tài)定位精度測(cè)試評(píng)估，可以得出以下結(jié)論:北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在環(huán)渤海地區(qū)有足夠的可視衛(wèi)星數(shù)，并且可視衛(wèi)星數(shù)的幾何結(jié)構(gòu)較好，X、Z方向定位精度優(yōu)于2m,Y方向優(yōu)于5m，可以滿足大部分用戶的需求。未來(lái)隨著北斗衛(wèi)星系統(tǒng)由區(qū)域向全球的擴(kuò)展，可視衛(wèi)星數(shù)進(jìn)一步增多，區(qū)域內(nèi)的導(dǎo)航定位精度也會(huì)得到進(jìn)一步的提高。

參 考 文 獻(xiàn)

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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(jiǎn)介：戰(zhàn)杰，男，碩士，工程師，研究方向：外測(cè)事后數(shù)據(jù)處理。

中圖分類號(hào)TN967.1

DOI：10.3969/j.issn.1672-9730.2016.05.016