北斗導(dǎo)航定位系統(tǒng)中的差分技術(shù)應(yīng)用

李俊煒

摘要：文章利用差分GPS相關(guān)原理，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行分析，建立了適用于北斗導(dǎo)航定位系統(tǒng)的差分定位技術(shù)，解決了定位不準(zhǔn)確的問(wèn)題，這在一定程度上提高了北斗導(dǎo)航定位系統(tǒng)的定位精度。

關(guān)鍵詞：北斗導(dǎo)航定位系統(tǒng)；差分技術(shù)；定位精度

1.北斗導(dǎo)航系統(tǒng)研究背景

2000年北斗導(dǎo)航衛(wèi)星的發(fā)射成功標(biāo)志著我國(guó)北斗導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)的初步建成，經(jīng)過(guò)十幾年的發(fā)展我國(guó)北斗導(dǎo)航定位系統(tǒng)衛(wèi)星數(shù)量逐漸增多，系統(tǒng)逐漸完善，極大地促進(jìn)了我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)事業(yè)和國(guó)防建設(shè)事業(yè)的發(fā)展需求，進(jìn)一步提高了我國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)。北斗導(dǎo)航衛(wèi)星的發(fā)射成功標(biāo)志著我國(guó)擁有了自主的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，也打破了美國(guó)、俄國(guó)在衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域中的壟斷局面。

2.導(dǎo)航定位差分技術(shù)

當(dāng)前GPS差分定位技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)較為成熟，其對(duì)應(yīng)的原理：在固定的（站臺(tái)）地點(diǎn)，通過(guò)測(cè)地獲得其“精確位置數(shù)據(jù)”，再將該站臺(tái)的“所測(cè)位置數(shù)據(jù)”進(jìn)行傳輸，利用一個(gè)c/A碼用戶接收器來(lái)接收該數(shù)據(jù)信息，通過(guò)“所測(cè)位置數(shù)據(jù)”和“精確位置數(shù)據(jù)”的差異分析，就能得知“GPS定位誤差修正量”。其次通過(guò)無(wú)線電發(fā)射機(jī)傳播這些“定位誤差修正量”，而區(qū)域內(nèi)的其他c/A碼用戶的接收器正好接受，并將接收器的定位數(shù)據(jù)進(jìn)行修正?！安罘质紾Ps系統(tǒng)”的應(yīng)用，使得c，A碼用戶接收器有了更精確的定位，是之前定位精度的10倍多。

GPS定位時(shí)有3部分誤差，分別是：第一是用戶接收機(jī)都存在的如衛(wèi)星鐘、星歷、電離層、對(duì)流層等方面的誤差；第二是傳播延遲誤差，這類誤差是用戶測(cè)量不成或者是校正模型計(jì)算不出的；第三是用戶接收機(jī)自身存在的固有誤差，表現(xiàn)在內(nèi)部噪音、通道延遲、多徑效應(yīng)方面。差分技術(shù)的應(yīng)用，完全消除了第一種誤差，并將第二種誤差消除掉大多數(shù)，這要由基準(zhǔn)接收機(jī)與用戶接收機(jī)之間的距離來(lái)決定，而對(duì)于第三種誤差，差分技術(shù)則不起作用。由此可以看出差分技術(shù)的應(yīng)用，能夠很大的改善GPS中的定位功能。通過(guò)各用一臺(tái)GPS基準(zhǔn)接收機(jī)和用戶接收機(jī)，以實(shí)時(shí)處理技術(shù)或者是事后處理技術(shù)，就能消除用戶測(cè)量中的誤差源，即電離層效應(yīng)與對(duì)流層效應(yīng)。

事實(shí)上，差分技術(shù)就是對(duì)1個(gè)測(cè)站進(jìn)行2個(gè)目標(biāo)的觀測(cè)量和2個(gè)測(cè)站進(jìn)行1個(gè)目標(biāo)的觀測(cè)量的差的求值，或者說(shuō)是和1個(gè)測(cè)站進(jìn)行一個(gè)目標(biāo)的2次觀測(cè)量的差的求值。最終的目的是將包括公共誤差與公共參數(shù)在內(nèi)的公共項(xiàng)進(jìn)行消除。這早在無(wú)線電定位系統(tǒng)中就有了普遍的應(yīng)用。

3.北斗導(dǎo)航定位系統(tǒng)中的差分定位技術(shù)

通過(guò)差分定位技術(shù)可以提高定位精度，實(shí)現(xiàn)差分定位技術(shù)主要有偽距單點(diǎn)定位算法與載波相位測(cè)量算法。在北斗導(dǎo)航定位系統(tǒng)中的偽衛(wèi)星技術(shù)借鑒了傳統(tǒng)的全球定位系統(tǒng)中的導(dǎo)航算法。通過(guò)地面上的衛(wèi)星接收站來(lái)提高系統(tǒng)的定位精度。用戶可以同時(shí)接收北斗信號(hào)以及衛(wèi)星信號(hào)，能夠?qū)崿F(xiàn)快速定位。如果衛(wèi)星的數(shù)量多于兩顆，那么可以連同北斗系統(tǒng)形成四星的衛(wèi)星定位系統(tǒng)。接收站1通過(guò)測(cè)量距離4顆星的距離，一般是通過(guò)測(cè)定信號(hào)傳輸?shù)臅r(shí)間來(lái)乘以光速來(lái)計(jì)算相應(yīng)的距離。偽衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)是模擬的GPS導(dǎo)航定位系統(tǒng)，其中偽衛(wèi)星是用于模擬衛(wèi)星發(fā)出GPS信號(hào)，偽衛(wèi)星基站模擬衛(wèi)星信號(hào)接收的地面基站，也就是接收站。

衛(wèi)星基站的設(shè)置中通過(guò)將其中一個(gè)基站設(shè)置為差分基站，可以實(shí)現(xiàn)差分定位。由于已經(jīng)知道差分衛(wèi)星的精確坐標(biāo)可以計(jì)算出其距離衛(wèi)星的實(shí)際距離，然后將其與觀測(cè)偽距進(jìn)行比較并進(jìn)行修正，最終將上述實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)發(fā)送出去。利用修正過(guò)的偽距進(jìn)行定位計(jì)算，最終求得用戶接收機(jī)的精確位置。由于通過(guò)修正能夠?qū)е缕渲械墓舱`差消失，比如衛(wèi)星時(shí)鐘偏差、星歷誤差、電離層誤差、對(duì)流層誤差，因而可以較好地提高系統(tǒng)定位精度。

偽衛(wèi)星定位技術(shù)與GPs全球定位系統(tǒng)所采用的技術(shù)類似，本文以GPS定位技術(shù)為基礎(chǔ)，對(duì)于偽距觀測(cè)單點(diǎn)定位算法以及載波相位技術(shù)來(lái)對(duì)算法的精度進(jìn)行詳細(xì)的分析。

（1）偽距單點(diǎn)定位算法。

其中P_i為第，顆衛(wèi)星的偽距觀測(cè)值，（x_j，y_j，z_j）與△ts第j顆衛(wèi)星的位置以及時(shí)鐘差，通過(guò)電文數(shù)據(jù)可以獲取到，其中（x，y，z）與△t為接收機(jī)的位置和時(shí)鐘差，為需求的量。

由于初始情況下接收機(jī)的粗略位置可能存在較大的誤差，如果在線性化的過(guò)程中消去高階項(xiàng)會(huì)引起較大的線性誤差，在衛(wèi)星坐標(biāo)計(jì)算的過(guò)程中時(shí)間參數(shù)也無(wú)法精確確定，上述未知參數(shù)都會(huì)導(dǎo)致求解的最終結(jié)果出現(xiàn)較大的誤差，一般采用迭代法求取線性方程組中的解。得到近似數(shù)值之后再代入方程進(jìn)行一步步的迭代直到迭代結(jié)果收斂，就可以得到最終的解。

3.2坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

在定位算法實(shí)現(xiàn)的過(guò)程中必然會(huì)涉及地心直角坐標(biāo)系和大地坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換。在導(dǎo)航定位算法中，需要建立某種空間坐標(biāo)系，以此來(lái)確定衛(wèi)星的軌道參數(shù)以及接收機(jī)的位置參數(shù)以及速度等。衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)中的諸多位置參數(shù)一般是采用地理坐標(biāo)來(lái)進(jìn)行表示，也就是經(jīng)緯度，而衛(wèi)星的空間位置一般采用軌道參數(shù)來(lái)表示。因而在選擇建立的坐標(biāo)系的過(guò)程中要便于實(shí)現(xiàn)上述不同坐標(biāo)之間的轉(zhuǎn)換與聯(lián)系為宜，并且便于考慮到衛(wèi)星的空間運(yùn)動(dòng)以及地球自轉(zhuǎn)的影響。所以衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)一般采用的地心直角坐標(biāo)系。坐標(biāo)系的原點(diǎn)為地心，坐標(biāo)系的xoy面與赤道面重合，oX軸指向格林尼治子午線與赤道交點(diǎn)，oz軸與地球的極軸重合。

用戶在地球表面上的位置一般表示為地理坐標(biāo)也就是經(jīng)常所說(shuō)的經(jīng)緯度，其被稱為大地坐標(biāo)系，然而地球并非是正圓球體，其地球表面的起伏非常大，因而為了提高定位的精度，需要一種與地球表面較為吻合的橢球體來(lái)代替地球，所選取的原則為橢球面與大地水準(zhǔn)面之間的高度差的平方和為最小。在實(shí)踐中一般采用橢球體來(lái)代表地球，采用橢球面來(lái)代替大地基準(zhǔn)面，一般采用WGS-84橢球體模型，來(lái)代替地球。在導(dǎo)航定位系統(tǒng)計(jì)算的過(guò)程中，往往需要在大地坐標(biāo)系和地心直角坐標(biāo)系之間轉(zhuǎn)換，如果定位的精度不高，會(huì)對(duì)最終的定位結(jié)果產(chǎn)生較為顯著的影響，轉(zhuǎn)換的關(guān)系表示如下列公式所示，其中入為經(jīng)度，V維度，h為高度。

再計(jì)算出相應(yīng)的地理坐標(biāo)也就是大地坐標(biāo)之后要將其轉(zhuǎn)換為直角坐標(biāo)，對(duì)計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性進(jìn)行驗(yàn)證。單次轉(zhuǎn)換的精度比較高，所造成的誤差基本可以忽略。通過(guò)對(duì)初始設(shè)定的經(jīng)緯度數(shù)值進(jìn)行修改可以看到對(duì)定位精度的影響比較小，但是誤差也會(huì)隨著計(jì)算次數(shù)的增多而逐漸累加，因而在計(jì)算過(guò)程中盡量避免中間轉(zhuǎn)換，在計(jì)算最后進(jìn)行統(tǒng)一轉(zhuǎn)換。

4.結(jié)語(yǔ)

綜述，在進(jìn)行GPS差分技術(shù)的分析后，文章提出了對(duì)北斗導(dǎo)航定位系統(tǒng)較為適合的差分定位技術(shù)，以北斗衛(wèi)星、偽衛(wèi)星的組合導(dǎo)航定位的原理與算法為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)地合直角坐標(biāo)系和大地坐標(biāo)系之間的相互轉(zhuǎn)換這種算法，從而利用差分定位技術(shù)提高GPS的定位精度。這一計(jì)算得到了良好的偽距單點(diǎn)定位與偽距差分定位結(jié)果，通過(guò)與對(duì)應(yīng)硬件的結(jié)合實(shí)現(xiàn)定位。