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　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，然后對影響北斗定位精度的因素進行了闡述,重點分析了影響精度的常見誤差源，并給出了提高精度的方法，最后通過實測數(shù)據(jù)，驗證分析了北斗衛(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)，不是北斗一代的簡單延伸，而是類似于美國的GPS系統(tǒng)和俄羅斯的GLONASS系統(tǒng)的無源定位系統(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，首先對影響北斗定位精度的因素進行了闡述,在此基礎(chǔ)上重點分析了影響精度的常見誤差源，并針對各個誤差源給出了提高精度的方法，實測數(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重要因素:觀測量的精度和衛(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來表示。幾何精度因子GDOP是空間位置精度因子PDOP和時間誤差TDOP的綜合影響的精度因子。其計算方法是:

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只與可見衛(wèi)星的幾何分布情況有關(guān)?？梢娦l(wèi)星的幾何分布有著較小的DOP值，則它是一個較好的衛(wèi)星幾何分布。觀測衛(wèi)星在空間的分布范圍越大，GDOP值越小，測量精度越高；反之，觀測衛(wèi)星在空間的分布范圍越小，則GDOP值越大。測量誤差越大。因此，可以參照GDOP值的大小來決定觀測效果的好壞，同時決定是否采用此點位或此觀測值。

3北斗定位誤差分析

觀測量的精度主要受測距誤差影響[3]。測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，信號傳播誤差和接收機誤差三類。

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)星測軌結(jié)果計算求得的,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、觀測值的數(shù)量及精度、軌道計算時所用的軌道模型及定軌軟件的完善程度等[4～5]。星歷誤差是北斗測量的重要誤差來源。

衛(wèi)星鐘差是導(dǎo)航衛(wèi)星所安裝的原子鐘的鐘面時與北斗標準時間的誤差。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進一步消除。

3.2信號傳播誤差

北斗信號的傳播誤差主要包括電離層折射、對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)引起的觀測值的誤差。當(dāng)衛(wèi)星信號通過電離層時，衛(wèi)星信號的路徑會發(fā)生彎曲，傳播速度也會發(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；二是利用同步觀測值做求差處理；三是利用雙頻觀測值，即通過不同頻率的觀測值組合來對電離層的延遲進行修正。

對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，同時對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)星信號通過對流層時，也會使傳播的路徑發(fā)生彎曲，從而使測量距離產(chǎn)生偏差，這種現(xiàn)象稱為對流層折射[7～8]。減弱對流層折射的影響主要有三種措施:一是采用對流層模型加以改正，其氣象參數(shù)在測站可直接測定；二是引入描述對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；三是利用同步觀測求差的方法。

多路徑誤差是由于反射信號進入接收機天線而引起的觀測值誤差。當(dāng)天線附近有較大的反射面時，多徑誤差的影響較大。因此，無論是基地站或移動站，都要特別注意天線位置的選擇。為了削弱多徑誤差，觀測點周圍不應(yīng)有大的水域或?qū)﹄姶挪ǚ瓷漭^為強烈的物體。天線安置點應(yīng)遠離大功率的無線電發(fā)生器和高壓輸電線，以避免周圍磁場對信號的干擾[9]。

3.3接收機誤差

接收設(shè)備時鐘差是接收設(shè)備時與北斗標準時之間的差異，稱為接收設(shè)備鐘差。把每個觀測時刻的接收設(shè)備鐘差當(dāng)作一個獨立的未知數(shù)，認為各觀測時刻的接收設(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。

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

接收機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，可以通過求差來減弱它的影響，但各個觀測站的天線應(yīng)按天線附有的方位標進行定向。

4實驗數(shù)據(jù)分析

為了準確評價北斗二代定位精度，實驗數(shù)據(jù)采集自大連地區(qū)，具體做法是:在某一固定觀測站放置一臺北斗二代接收機，觀測站大地坐標精確已知，使用北斗二代接收機跟蹤并觀測導(dǎo)航衛(wèi)星，考核接收機的衛(wèi)星觀測情況,并計算幾何精度因子GDOP值；利用接收機的觀測數(shù)據(jù)，計算觀測站的位置坐標，并將計算結(jié)果與觀測站已知坐標進行比對分析，統(tǒng)計北斗系統(tǒng)的靜態(tài)定位精度,實驗結(jié)果如圖1～圖3所示。

圖1　可見衛(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

本文針對正在建設(shè)中的北斗二代衛(wèi)星定位系統(tǒng)進行了靜態(tài)定位精度測試評估，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。未來隨著北斗衛(wèi)星系統(tǒng)由區(qū)域向全球的擴展，可視衛(wèi)星數(shù)進一步增多，區(qū)域內(nèi)的導(dǎo)航定位精度也會得到進一步的提高。

參 考 文 獻

[1] 范龍，柴洪洲.北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)定位精度分析方法研究[J].海洋測繪，2009，29(1):25-27.

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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

作者簡介：戰(zhàn)杰，男，碩士，工程師，研究方向：外測事后數(shù)據(jù)處理。

中圖分類號TN967.1

DOI：10.3969/j.issn.1672-9730.2016.05.016