北斗卫星导航系统定位精度研究

2019-12-06 08:48王敬平姜鑫褚少鹤沈晨黄子君

软件 2019年10期

王敬平姜鑫褚少鹤沈晨黄子君

摘要：北斗卫星导航系统，是我国为了保证国家与人民群众的安全，并且促进我国经济的发展，自主建设并独立运行的一张卫星导航系统，能够提供全天候、全天时、高精度的定位、导航服务，是我国重要空间基础设施。近年来，北斗卫星定位被广泛应用于森林防火、抗震救灾、水文监测、气象预报以及交通运输方面，已经深入了人民群众生产生活的各个方面，对社会经济发展有着重要的推动作用。本文基于北斗卫星导航系统定位原理，从时间及空间准确性方面对定位精度进行探讨。

关键词：北斗卫星导航;系统定位;精度研究

中图分类号： TN967.1 文献标识码： A DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2019.10.034

本文著录格式：王敬平，姜鑫，褚少鹤，等. 北斗卫星导航系统定位精度研究[J]. 软件，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

衛星导航在森林防火、海洋渔业、水利、交通等领域有着较为关键的作用，其中应用最为广泛的是GPS定位系统。与之相比，北斗卫星导航系统在近年来的市场占有率有所提升，能够有效减少对GPS定位系统的依赖性，最大化地降低国家战略存在的安全隐患。因此，对北斗卫星导航系统的定位精度研究就显得尤为重要。

1 北斗卫星导航系统定位原理

1.1 北斗导航信号特点

在通过北斗卫星导航进行定位测量时，能够根据用户所接收到的北斗卫星发射信号确定基站坐标，一般来说北斗卫星信号包含导航电文、伪距测距码信号以及载波信号[1]。如图表1所示，与一般的GPS定位不同，北斗定位系统通过采用了不同频率作为载波，分别是B1，B2，B3。其中B1频率点数大致为1561.098 MHz，被称之为标准载波频率。B2频率点数大致为1207.140 MHz，B3频率点数大致为1268.520 MHz。导航电文涵盖了此卫星基础导航信息、全部星历信息以及增强服务信息等，用于对增强服务信息获取并进行使用，能够使导航性能更为优化，且在北斗卫星导航系统运转缺乏稳定时得到警示，进而能够有效地对定位精度进行把控[2]。

1.2 北斗导航系统定位原理

北斗导航系统在进行定位时，所采用的原理是通过对卫星信号站点之间的传播时间进行推算，进而确立相应的卫星站点距离，这样就能够对接收机进行较为准确的定位[3]。一般采用载波相位测量法进行定位，其原理大致如下：首先用a来表示卫星所发射的载波信号相位数值，用b来表示地面基站所接受的载波信号相位数值，卫星站点之间的距离X就可以用下列公式来表示：X=n（a+b），其中n指的是载波信号的波长，从这个公式中可以看出，在实际操作中a值是无法进行测算的，科研人员往往是采用接收机所产生的基准信号来代替，由于该基准信号的频率与卫星所发射的载波信号相位是一致的，所以并不会影响到后续定位的精准程度。

通过载波相位测量法进行定位，在整个定位过程中，会受到多种误差因素的影响，进而降低定位精度。因此科研人员对误差规律进行总结研究，建立了相应的修正模型[4]。由于在相同时间点，不同观测站在观测同一卫星时，在进行信号接收时所受到的误差影响具有较强的关联性，通过不同方式对同步观测量进行差值计算，就能够最大化地减少误差[5]。对常用的载波相位进行差值计算，通常被叫做差分，而差分主要有三种方法，分为单差、双差以及三差。如图1所示。

2 北斗卫星导航系统定位精度的影响因素

2.1 受到卫星轨道的影响

在通过北斗卫星导航系统进行定位的过程中，卫星轨道参数是最为关键的基础信息，该信息往往是存在于卫星历书之内，而历书精准与否直接决定了定位的精确程度[6]。由于北斗卫星时环绕地球飞行物体，引导其在运行轨道持续保持飞行状态的是万有引力定律，在飞行过程中，受到了地球质量分布不均衡、其余星体引发了引力变化以及太阳光压与大气阻力的影响，卫星极易偏离既定轨道，进而使导航电文中的历书信息不符合标准，这些便称之为摄动力。而根据这类摄动力的特点建立相应的模型，便能够较为准确地预估轨道的变化情况，从而对历书进行优化，最大化减小误差。当前北斗卫星导航定位系统采取了三种模式的轨道面，分别是21528 KM的中轨道、地球同步轨道以及35786 KM倾斜地球同步轨道，因此在建立摄动力模型时要分别三种轨道面特点构建三种模型来对卫星轨道进行预估与纠正[7]。

2.2 受到原子钟的影响

北斗卫星导航定位系统在运转之时，需要测算到卫星与接收机之间的距离，一般来说距离的数值等于光速乘以时间，因为光速基数较大，如若在时间上出现较小的误差，相乘之后距离误差就会显得较为严重[8]。因此，在无法改变光速的前提下，就必须对时间计量单位进行优化，使其能够达到足够小的程度，才能够将误差控制于能够接受的范围之内。当前市面上的大部分导航系统都是采用了原子钟作为时间计量设备。如图2所示，原子钟通过特定原子能级迁跃所释放出的能量波频率进行相应的时间计量，对精准性及稳定性有着较高的要求。在北斗卫星导航系统中，使用了国产星载铷钟，缺乏一定的精准性及稳定性，受到了光线频繁移动、微博牵引频繁移动以及光检噪音的影响，国产星载铷钟信息缺乏同步性，这些因素抑制了北斗卫星导航系统定位的精度。

3 基于原子钟的定位精度优化的思考

针对原子钟影响这一问题，根据近年来相关专家学者的调查研究，可以从以下几个方面进行优化与改善，从而保证定位精度。

对星载原子钟的性能进行提升，从根本上进行优化改善，提升起准确度、漂移率及稳定程度，对于一些性能无法直接提升的星载原子钟，可以在其基础上研究出更为新型的原子钟，诸如微波离子钟、氢钟等，这类原子钟技术更为先进，性能相对更好，能够有效提升定位精度[9]。

建立更为精准的原子钟预报模型，卫星站点配合地面基站共同使用星地激光同步措施，根据地面控制部分的时间基准，对卫星时钟进行合理的校准与同步。这样一来，原子钟预报模型更为精准，定位精度也得以提升[10]。

4 结论

综上所述，北斗卫星导航系统被广泛应用于我国各个领域。为了能够更为有效地给人民群众提供便利，保障国家安全，对现行的卫星定位模式要进行合理的改善与优化，最大化减少影响定位精度的误差。

参考文献

[1]左朝阳，吴玉彬，陈坡. 北斗卫星导航系统在亚太地区的服务性能评估[J]. 航天控制， 2019， 37（03）： 73-79.

[2]庞丽峰，黄水生，唐小明，刘鹏举，李万里. 全球导航卫星系统在我国林业中的应用[J/OL]. 世界林业研究： 1-7.

[3]王再超. 基于北斗定位于LoRa通信的車辆监控系统设计[D]. 郑州轻工业大学， 2019.

[4]文佳宁. 加载北斗卫星通信模块的多功能移动终端的系统设计[J]. 信息与电脑（理论版）， 2019（10）： 94-101.

[5]强明辉，李志龙. 北斗卫星导航系统定位精度分析[J]. 舰船电子工程， 2019， 39（02）： 38-40+46.