北斗双频接收机的优势和应用

· 文|航天恒星科技有限公司 李亚平 张爽娜 俞能杰

北斗双频接收机的优势和应用

· 文|航天恒星科技有限公司 李亚平 张爽娜 俞能杰

2013年12月27日，中国卫星导航管理办公室公布了《北斗卫星导航系统空间信号接口控制文件（ICD2.0）》，其规范了北斗 B1I/B2I的信号结构和基本特性参数以及测距码等相关内容，给出导航电文，使得国内外导航企业可以基于此进行北斗高精度的芯片、接收机等相关设备的研制。

双频接收机是指利用两个频点进行观测的GNSS接收机，双频接收机通过观测两个频点上的载波和伪距，能够实现实时而精确的电离层延迟改正，从而提高了实时定位精度。北斗在两个频点上发布民用卫星信号，使北斗双频接收机可以在真正意义上接收到B1和B2双频载波和双频上的载波信号，充分利用了卫星的信号资源，为民用用户提供高精度的定位服务。因此，未来北斗双频接收机的产品性能和应用规模将会得到很大的发展。

一、北斗双频接收机优势

1.双频接收机优势

目前大多数单频接收机定位都有一些无法克服的一些缺陷，其中最主要的缺陷是由于GNSS单频接收机无法直接观测电离层的传播时延[1]，例如GPS测量中的电离层时迟对GPS接收机定位的影响误差距离最高可达15m。除了电离层延迟外，叠加在电离层上的不均匀性也会对GPS接收机的定位精度带来很大的影响。电离层其实是一种散射介质，并且其折射系数是符合电波频率的函数，它对不同频率的载波会产生不同大小的扰动，利用双频接收机的观测值可以借助这一特点基本消除电离层误差。

相对于单频而言双频接收机主要有两方面的优势：对所有的导航卫星观测数据而言，电离层的误差都是固有的，通过结合两个频率的卫星观测信息，可以通过建立模型有效的消除这种误差，从而提高了定位精度；二是目前在高精度定位领域，采用的大多是基于载波观测量的定位解算方法，这类方法的关键部分就是完成整周模糊度的解算，在观测噪声相同的前提下，整周模糊度解算的越精确，接收机最后输出的定位结果越精确可靠。所以，整周模糊度是一个直接关系到接收机精度的关键参数，双频接收机可以获得两个载波频率的观测量，通过载波相位观测值求差来快速解算整周模糊度。

综上，双频接收机对比单频接收机可以更为快速、精确、可靠地解算接收机的位置。在某些方面双频接收机可以得到更为重要的应用，如：在太阳黑子活动周期，通过改进数字模型或者双频的联合数据处理，可以把GNSS卫星观测重要误差—电离层误差显著减少[2-4]。

2.北斗双频接收机优势

GPS卫星播发L1（1575.42MHz）和L2（1227.6MHz）两个频点信号，L1上C/A码为民码，L2上播发的P码为军码，对于普通用户而言，由于军码的保密性，非特许用户的接收机难以获得L2频点上的测距码，因此，不能获得L2上的伪距观测量。目前GPS双频接收机主要利用载波相位技术实现测距，由于P码结构未知，对于L2载波的重建问题上，存在剥离测距码的算法复杂、重建信号信噪比较低等问题[5]。随着民用市场对高精度定位的需求不断增大，美国拟通过GPS现代化计划，在GPS卫星的L2载波上播发C码，以获得两个频点的民用信号。目前，有10颗在轨的GPSII 卫星上增加了L2C码，为GPS民用双频接收机推广应用奠定基础。

北斗卫星导航系统播发的信号频率为B1（1561.098MHz）、B2（1207.14MHz），鉴于对民用高精度市场需求的考虑，在轨的所有卫星都在两个频点上发布民用卫星信号，北斗双频接收机可以采用码相关技术，独立的、高信噪比的重建B1和B2载波，获得B1和B2载波上的伪距，这样可以在真正意义上独立的接收到B1和B2双频载波和双频上的码相位，充分利用了卫星的信号资源。

☆ 北斗双频接收机

二、北斗双频接收机应用领域

北斗双频接收机能够提供高精度定位测量功能，其应用范围广泛，下面给出几种典型的应用领域。

（1）城市建设应用

随着经济和社会建设的迅速发展，需要进行大量的国土规划、城市建设、工程施工等工程。这些工程的实施都是建立在测绘工作的基础上的。但是以静态测量构成的静态测量控制点来作为城市建设的基础设施，已经远远不能适应现代城市发展的要求了。从动态变化观点来看，静态测量控制点也不能及时反映城市受环境变迁、灾害破坏、施工建设而引起的变化，无法起到动态基准的作用。从满足城市高精度工程及现代化建设的需求来说，必须建立长期的、连续的、能反映城市时空信息多种动态变化的动态基准。高精度测量型双频接收机是建设城市动态基准的基础设施，为城市建设提供基础测绘保障。

☆ 城市建设应用

（2）测绘领域应用

对于测绘领域，基于北斗双频接收机可应用于大地测量、航空摄影测量、地壳板块运动监测、资源勘探，建立各种工程控制网、监视网，进行各种工程测量等方面，测绘应用领域的特点是，应用对象几乎尺寸巨大，测量环境复杂，测量技术要求高。

☆ 测绘领域应用

（3）航空导航应用

利用双频接收机的高精度测量技术，可实现高精密级进场/着陆，使得飞机的进场/着陆变得更为灵活，机载和地面设备更为简单、廉价，将取代或部分取代现有的仪表着陆系统（ILS）和微波着陆系统（MLS）。

☆ 航空导航应用

（4）精准农业应用

农业生产中增加产量和提高效益是根本目的。要达到增产高效的目的，除了适时种植高产作物， 加强田间管理等技术措施外，弄清土壤性质，检测农作物产量、分布、合理施肥以及播种和喷撒农药等也是农业生产中重要的管理技术。利用卫星导航定位技术，配合遥感技术（RS）和地理信息系统（GIS），能够做到监测农作物产量分布、土壤成分和性质分布、做到合理施肥、播种和喷洒农药，节约费用、降低成本、达到增加产量提高效益的目的。利用双频接收机的高精度测量技术在格网种植的小面积内，应用小型自动化设备，配合差分卫星导航定位导航设备、电子监测和控制电路，能够适应科学种田的需要，做到精确管理。

☆ 精准农业应用

（5）海洋测绘应用

利用双频接收机的高精度测量技术能够在海洋测绘、航道测量、航道疏浚、船舶进出港及狭窄水道导航定位、海上交通安全管理、航标定位、海上石油勘探、海洋资源调查、海上救助以及其他海上作业提供定位导航服务。

☆ 海洋测绘应用

☆ 海洋测绘应用

（6）机动车道路考试系统[6]

在计算机化的机动车驾驶人道路考试系统中,为了实现骑压中心实线等与车辆位置有关的评判项目的自动评判和路口处车辆行驶方行驶自动导航,需要精确、实时定位考试车辆的位置，高精度的GNSS技术能够很好地实现考试车辆的定位问题，利用双频接收机建设单站RTK系统，实现机动车辆的实时精确定位，从而实现机动车道路考试的自动化。

☆ 机动车道路考试系统

三、结束语

本文从北斗卫星导航系统的特点出发，对北斗双频接收机的优势进行分析，最后从应用角度总结了北斗双频接收机能够应用的范围和领域，为将来北斗双频接收机的应用推广和市场开拓提供参考和借鉴。

[1]丁仁天.GPS双频接收机捕获技术研究[D].浙江大学,2013.

[2]李江卫，范士杰，刘经南.双频接收机C／A码与P码伪距的精度比较[J].全球定位系统,2005.4:28-31.

[3]王兆龙 .北斗导航系统双频整周模糊度的快速解算[D].哈尔滨工业大学，2011.

[4]魏二虎，史冠军，胡雪霁.GPS现代化及其影响[J].测绘通报,2005,(7):24-29.

[5]魏二虎，李征航，郭标明.全球定位系统卫星L2载波增加民码的作用[J].测绘通报，2004,(6):1-4.

[6]吴业福,潘世刚,康壮等.高精度GPS/GIS定位技术在机动车道路考试系统中的应用研究[J].交通信息与安全，2013,(1):98-101.