北斗雙頻接收機(jī)的優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用

· 文|航天恒星科技有限公司 李亞平 張爽娜 俞能杰

北斗雙頻接收機(jī)的優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用

· 文|航天恒星科技有限公司 李亞平 張爽娜 俞能杰

2013年12月27日，中國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航管理辦公室公布了《北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)空間信號(hào)接口控制文件（ICD2.0）》，其規(guī)范了北斗 B1I/B2I的信號(hào)結(jié)構(gòu)和基本特性參數(shù)以及測(cè)距碼等相關(guān)內(nèi)容，給出導(dǎo)航電文，使得國(guó)內(nèi)外導(dǎo)航企業(yè)可以基于此進(jìn)行北斗高精度的芯片、接收機(jī)等相關(guān)設(shè)備的研制。

雙頻接收機(jī)是指利用兩個(gè)頻點(diǎn)進(jìn)行觀測(cè)的GNSS接收機(jī)，雙頻接收機(jī)通過(guò)觀測(cè)兩個(gè)頻點(diǎn)上的載波和偽距，能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)而精確的電離層延遲改正，從而提高了實(shí)時(shí)定位精度。北斗在兩個(gè)頻點(diǎn)上發(fā)布民用衛(wèi)星信號(hào)，使北斗雙頻接收機(jī)可以在真正意義上接收到B1和B2雙頻載波和雙頻上的載波信號(hào)，充分利用了衛(wèi)星的信號(hào)資源，為民用用戶提供高精度的定位服務(wù)。因此，未來(lái)北斗雙頻接收機(jī)的產(chǎn)品性能和應(yīng)用規(guī)模將會(huì)得到很大的發(fā)展。

一、北斗雙頻接收機(jī)優(yōu)勢(shì)

1.雙頻接收機(jī)優(yōu)勢(shì)

目前大多數(shù)單頻接收機(jī)定位都有一些無(wú)法克服的一些缺陷，其中最主要的缺陷是由于GNSS單頻接收機(jī)無(wú)法直接觀測(cè)電離層的傳播時(shí)延[1]，例如GPS測(cè)量中的電離層時(shí)遲對(duì)GPS接收機(jī)定位的影響誤差距離最高可達(dá)15m。除了電離層延遲外，疊加在電離層上的不均勻性也會(huì)對(duì)GPS接收機(jī)的定位精度帶來(lái)很大的影響。電離層其實(shí)是一種散射介質(zhì)，并且其折射系數(shù)是符合電波頻率的函數(shù)，它對(duì)不同頻率的載波會(huì)產(chǎn)生不同大小的擾動(dòng)，利用雙頻接收機(jī)的觀測(cè)值可以借助這一特點(diǎn)基本消除電離層誤差。

相對(duì)于單頻而言雙頻接收機(jī)主要有兩方面的優(yōu)勢(shì)：對(duì)所有的導(dǎo)航衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)而言，電離層的誤差都是固有的，通過(guò)結(jié)合兩個(gè)頻率的衛(wèi)星觀測(cè)信息，可以通過(guò)建立模型有效的消除這種誤差，從而提高了定位精度；二是目前在高精度定位領(lǐng)域，采用的大多是基于載波觀測(cè)量的定位解算方法，這類方法的關(guān)鍵部分就是完成整周模糊度的解算，在觀測(cè)噪聲相同的前提下，整周模糊度解算的越精確，接收機(jī)最后輸出的定位結(jié)果越精確可靠。所以，整周模糊度是一個(gè)直接關(guān)系到接收機(jī)精度的關(guān)鍵參數(shù)，雙頻接收機(jī)可以獲得兩個(gè)載波頻率的觀測(cè)量，通過(guò)載波相位觀測(cè)值求差來(lái)快速解算整周模糊度。

綜上，雙頻接收機(jī)對(duì)比單頻接收機(jī)可以更為快速、精確、可靠地解算接收機(jī)的位置。在某些方面雙頻接收機(jī)可以得到更為重要的應(yīng)用，如：在太陽(yáng)黑子活動(dòng)周期，通過(guò)改進(jìn)數(shù)字模型或者雙頻的聯(lián)合數(shù)據(jù)處理，可以把GNSS衛(wèi)星觀測(cè)重要誤差—電離層誤差顯著減少[2-4]。

2.北斗雙頻接收機(jī)優(yōu)勢(shì)

GPS衛(wèi)星播發(fā)L1（1575.42MHz）和L2（1227.6MHz）兩個(gè)頻點(diǎn)信號(hào)，L1上C/A碼為民碼，L2上播發(fā)的P碼為軍碼，對(duì)于普通用戶而言，由于軍碼的保密性，非特許用戶的接收機(jī)難以獲得L2頻點(diǎn)上的測(cè)距碼，因此，不能獲得L2上的偽距觀測(cè)量。目前GPS雙頻接收機(jī)主要利用載波相位技術(shù)實(shí)現(xiàn)測(cè)距，由于P碼結(jié)構(gòu)未知，對(duì)于L2載波的重建問(wèn)題上，存在剝離測(cè)距碼的算法復(fù)雜、重建信號(hào)信噪比較低等問(wèn)題[5]。隨著民用市場(chǎng)對(duì)高精度定位的需求不斷增大，美國(guó)擬通過(guò)GPS現(xiàn)代化計(jì)劃，在GPS衛(wèi)星的L2載波上播發(fā)C碼，以獲得兩個(gè)頻點(diǎn)的民用信號(hào)。目前，有10顆在軌的GPSII 衛(wèi)星上增加了L2C碼，為GPS民用雙頻接收機(jī)推廣應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)播發(fā)的信號(hào)頻率為B1（1561.098MHz）、B2（1207.14MHz），鑒于對(duì)民用高精度市場(chǎng)需求的考慮，在軌的所有衛(wèi)星都在兩個(gè)頻點(diǎn)上發(fā)布民用衛(wèi)星信號(hào)，北斗雙頻接收機(jī)可以采用碼相關(guān)技術(shù)，獨(dú)立的、高信噪比的重建B1和B2載波，獲得B1和B2載波上的偽距，這樣可以在真正意義上獨(dú)立的接收到B1和B2雙頻載波和雙頻上的碼相位，充分利用了衛(wèi)星的信號(hào)資源。

☆ 北斗雙頻接收機(jī)

二、北斗雙頻接收機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域

北斗雙頻接收機(jī)能夠提供高精度定位測(cè)量功能，其應(yīng)用范圍廣泛，下面給出幾種典型的應(yīng)用領(lǐng)域。

（1）城市建設(shè)應(yīng)用

隨著經(jīng)濟(jì)和社會(huì)建設(shè)的迅速發(fā)展，需要進(jìn)行大量的國(guó)土規(guī)劃、城市建設(shè)、工程施工等工程。這些工程的實(shí)施都是建立在測(cè)繪工作的基礎(chǔ)上的。但是以靜態(tài)測(cè)量構(gòu)成的靜態(tài)測(cè)量控制點(diǎn)來(lái)作為城市建設(shè)的基礎(chǔ)設(shè)施，已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能適應(yīng)現(xiàn)代城市發(fā)展的要求了。從動(dòng)態(tài)變化觀點(diǎn)來(lái)看，靜態(tài)測(cè)量控制點(diǎn)也不能及時(shí)反映城市受環(huán)境變遷、災(zāi)害破壞、施工建設(shè)而引起的變化，無(wú)法起到動(dòng)態(tài)基準(zhǔn)的作用。從滿足城市高精度工程及現(xiàn)代化建設(shè)的需求來(lái)說(shuō)，必須建立長(zhǎng)期的、連續(xù)的、能反映城市時(shí)空信息多種動(dòng)態(tài)變化的動(dòng)態(tài)基準(zhǔn)。高精度測(cè)量型雙頻接收機(jī)是建設(shè)城市動(dòng)態(tài)基準(zhǔn)的基礎(chǔ)設(shè)施，為城市建設(shè)提供基礎(chǔ)測(cè)繪保障。

☆ 城市建設(shè)應(yīng)用

（2）測(cè)繪領(lǐng)域應(yīng)用

對(duì)于測(cè)繪領(lǐng)域，基于北斗雙頻接收機(jī)可應(yīng)用于大地測(cè)量、航空攝影測(cè)量、地殼板塊運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)、資源勘探，建立各種工程控制網(wǎng)、監(jiān)視網(wǎng)，進(jìn)行各種工程測(cè)量等方面，測(cè)繪應(yīng)用領(lǐng)域的特點(diǎn)是，應(yīng)用對(duì)象幾乎尺寸巨大，測(cè)量環(huán)境復(fù)雜，測(cè)量技術(shù)要求高。

☆ 測(cè)繪領(lǐng)域應(yīng)用

（3）航空導(dǎo)航應(yīng)用

利用雙頻接收機(jī)的高精度測(cè)量技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)高精密級(jí)進(jìn)場(chǎng)/著陸，使得飛機(jī)的進(jìn)場(chǎng)/著陸變得更為靈活，機(jī)載和地面設(shè)備更為簡(jiǎn)單、廉價(jià)，將取代或部分取代現(xiàn)有的儀表著陸系統(tǒng)（ILS）和微波著陸系統(tǒng)（MLS）。

☆ 航空導(dǎo)航應(yīng)用

（4）精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)應(yīng)用

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中增加產(chǎn)量和提高效益是根本目的。要達(dá)到增產(chǎn)高效的目的，除了適時(shí)種植高產(chǎn)作物， 加強(qiáng)田間管理等技術(shù)措施外，弄清土壤性質(zhì)，檢測(cè)農(nóng)作物產(chǎn)量、分布、合理施肥以及播種和噴撒農(nóng)藥等也是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中重要的管理技術(shù)。利用衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)，配合遙感技術(shù)（RS）和地理信息系統(tǒng)（GIS），能夠做到監(jiān)測(cè)農(nóng)作物產(chǎn)量分布、土壤成分和性質(zhì)分布、做到合理施肥、播種和噴灑農(nóng)藥，節(jié)約費(fèi)用、降低成本、達(dá)到增加產(chǎn)量提高效益的目的。利用雙頻接收機(jī)的高精度測(cè)量技術(shù)在格網(wǎng)種植的小面積內(nèi)，應(yīng)用小型自動(dòng)化設(shè)備，配合差分衛(wèi)星導(dǎo)航定位導(dǎo)航設(shè)備、電子監(jiān)測(cè)和控制電路，能夠適應(yīng)科學(xué)種田的需要，做到精確管理。

☆ 精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)應(yīng)用

（5）海洋測(cè)繪應(yīng)用

利用雙頻接收機(jī)的高精度測(cè)量技術(shù)能夠在海洋測(cè)繪、航道測(cè)量、航道疏浚、船舶進(jìn)出港及狹窄水道導(dǎo)航定位、海上交通安全管理、航標(biāo)定位、海上石油勘探、海洋資源調(diào)查、海上救助以及其他海上作業(yè)提供定位導(dǎo)航服務(wù)。

☆ 海洋測(cè)繪應(yīng)用

☆ 海洋測(cè)繪應(yīng)用

（6）機(jī)動(dòng)車道路考試系統(tǒng)[6]

在計(jì)算機(jī)化的機(jī)動(dòng)車駕駛?cè)说缆房荚囅到y(tǒng)中,為了實(shí)現(xiàn)騎壓中心實(shí)線等與車輛位置有關(guān)的評(píng)判項(xiàng)目的自動(dòng)評(píng)判和路口處車輛行駛方行駛自動(dòng)導(dǎo)航,需要精確、實(shí)時(shí)定位考試車輛的位置，高精度的GNSS技術(shù)能夠很好地實(shí)現(xiàn)考試車輛的定位問(wèn)題，利用雙頻接收機(jī)建設(shè)單站RTK系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)動(dòng)車輛的實(shí)時(shí)精確定位，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)動(dòng)車道路考試的自動(dòng)化。

☆ 機(jī)動(dòng)車道路考試系統(tǒng)

三、結(jié)束語(yǔ)

本文從北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的特點(diǎn)出發(fā)，對(duì)北斗雙頻接收機(jī)的優(yōu)勢(shì)進(jìn)行分析，最后從應(yīng)用角度總結(jié)了北斗雙頻接收機(jī)能夠應(yīng)用的范圍和領(lǐng)域，為將來(lái)北斗雙頻接收機(jī)的應(yīng)用推廣和市場(chǎng)開(kāi)拓提供參考和借鑒。

[1]丁仁天.GPS雙頻接收機(jī)捕獲技術(shù)研究[D].浙江大學(xué),2013.

[2]李江衛(wèi)，范士杰，劉經(jīng)南.雙頻接收機(jī)C／A碼與P碼偽距的精度比較[J].全球定位系統(tǒng),2005.4:28-31.

[3]王兆龍 .北斗導(dǎo)航系統(tǒng)雙頻整周模糊度的快速解算[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2011.

[4]魏二虎，史冠軍，胡雪霽.GPS現(xiàn)代化及其影響[J].測(cè)繪通報(bào),2005,(7):24-29.

[5]魏二虎，李征航，郭標(biāo)明.全球定位系統(tǒng)衛(wèi)星L2載波增加民碼的作用[J].測(cè)繪通報(bào)，2004,(6):1-4.

[6]吳業(yè)福,潘世剛,康壯等.高精度GPS/GIS定位技術(shù)在機(jī)動(dòng)車道路考試系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[J].交通信息與安全，2013,(1):98-101.