北斗衛星導航系統定位精度研究

2019-12-06 08:48:53王敬平姜鑫褚少鶴沈晨黃子君

軟件 2019年10期

王敬平姜鑫褚少鶴沈晨黃子君

摘? 要：北斗衛星導航系統，是我國為了保證國家與人民群眾的安全，并且促進我國經濟的發展，自主建設并獨立運行的一張衛星導航系統，能夠提供全天候、全天時、高精度的定位、導航服務，是我國重要空間基礎設施。近年來，北斗衛星定位被廣泛應用于森林防火、抗震救災、水文監測、氣象預報以及交通運輸方面，已經深入了人民群眾生產生活的各個方面，對社會經濟發展有著重要的推動作用。本文基于北斗衛星導航系統定位原理，從時間及空間準確性方面對定位精度進行探討。

關鍵詞：北斗衛星導航;系統定位;精度研究

中圖分類號： TN967.1? ? 文獻標識碼： A? ? DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2019.10.034

本文著錄格式：王敬平，姜鑫，褚少鶴，等. 北斗衛星導航系統定位精度研究[J]. 軟件，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

衛星導航在森林防火、海洋漁業、水利、交通等領域有著較為關鍵的作用，其中應用最為廣泛的是GPS定位系統。與之相比，北斗衛星導航系統在近年來的市場占有率有所提升，能夠有效減少對GPS定位系統的依賴性，最大化地降低國家戰略存在的安全隱患。因此，對北斗衛星導航系統的定位精度研究就顯得尤為重要。

1? 北斗衛星導航系統定位原理

1.1? 北斗導航信號特點

在通過北斗衛星導航進行定位測量時，能夠根據用戶所接收到的北斗衛星發射信號確定基站坐標，一般來說北斗衛星信號包含導航電文、偽距測距碼信號以及載波信號[1]。如圖表1所示，與一般的GPS定位不同，北斗定位系統通過采用了不同頻率作為載波，分別是B1，B2，B3。其中B1頻率點數大致為1561.098 MHz，被稱之為標準載波頻率。B2頻率點數大致為1207.140 MHz，B3頻率點數? 大致為1268.520 MHz。導航電文涵蓋了此衛星基礎導航信息、全部星歷信息以及增強服務信息等，用于對增強服務信息獲取并進行使用，能夠使導航性能更為優化，且在北斗衛星導航系統運轉缺乏穩定時得到警示，進而能夠有效地對定位精度進行把控[2]。

1.2? 北斗導航系統定位原理

北斗導航系統在進行定位時，所采用的原理是通過對衛星信號站點之間的傳播時間進行推算，進而確立相應的衛星站點距離，這樣就能夠對接收機進行較為準確的定位[3]。一般采用載波相位測量法進行定位，其原理大致如下：首先用a來表示衛星所發射的載波信號相位數值，用b來表示地面基站所接受的載波信號相位數值，衛星站點之間的距離X就可以用下列公式來表示：X=n（a+b），其中n指的是載波信號的波長，從這個公式中可以看出，在實際操作中a值是無法進行測算的，科研人員往往是采用接收機所產生的基準信號來代替，由于該基準信號的頻率與衛星所發射的載波信號相位是一致的，所以并不會影響到后續定位的精準程度。

通過載波相位測量法進行定位，在整個定位過程中，會受到多種誤差因素的影響，進而降低定位精度。因此科研人員對誤差規律進行總結研究，建立了相應的修正模型[4]。由于在相同時間點，不同觀測站在觀測同一衛星時，在進行信號接收時所受到的誤差影響具有較強的關聯性，通過不同方式對同步觀測量進行差值計算，就能夠最大化地減少誤差[5]。對常用的載波相位進行差值計算，通常被叫做差分，而差分主要有三種方法，分為單差、雙差以及三差。如圖1所示。

2? 北斗衛星導航系統定位精度的影響因素

2.1? 受到衛星軌道的影響

在通過北斗衛星導航系統進行定位的過程中，衛星軌道參數是最為關鍵的基礎信息，該信息往往是存在于衛星歷書之內，而歷書精準與否直接決定了定位的精確程度[6]。由于北斗衛星時環繞地球飛行物體，引導其在運行軌道持續保持飛行狀態的是萬有引力定律，在飛行過程中，受到了地球質量分布不均衡、其余星體引發了引力變化以及太陽光壓與大氣阻力的影響，衛星極易偏離既定軌道，進而使導航電文中的歷書信息不符合標準，這些便稱之為攝動力。而根據這類攝動力的特點建立相應的模型，便能夠較為準確地預估軌道的變化情況，從而對歷書進行優化，最大化減小誤差。當前北斗衛星導航定位系統采取了三種模式的軌道面，分別是21528 KM的中軌道、地球同步軌道以及35786 KM傾斜地球同步軌道，因此在建立攝動力模型時要分別三種軌道面特點構建三種模型來對衛星軌道進行預估與糾正[7]。

2.2? 受到原子鐘的影響

北斗衛星導航定位系統在運轉之時，需要測算到衛星與接收機之間的距離，一般來說距離的數值等于光速乘以時間，因為光速基數較大，如若在時間上出現較小的誤差，相乘之后距離誤差就會顯得較為嚴重[8]。因此，在無法改變光速的前提下，就必須對時間計量單位進行優化，使其能夠達到足夠小的程度，才能夠將誤差控制于能夠接受的范圍之內。當前市面上的大部分導航系統都是采用了原子鐘作為時間計量設備。如圖2所示，原子鐘通過特定原子能級遷躍所釋放出的能量波頻率進行相應的時間計量，對精準性及穩定性有著較高的要求。在北斗衛星導航系統中，使用了國產星載銣鐘，缺乏一定的精準性及穩定性，受到了光線頻繁移動、微博牽引頻繁移動以及光檢噪音的影響，國產星載銣鐘信息缺乏同步性，這些因素抑制了北斗衛星導航系統定位的精度。

3? 基于原子鐘的定位精度優化的思考

針對原子鐘影響這一問題，根據近年來相關專家學者的調查研究，可以從以下幾個方面進行優化與改善，從而保證定位精度。

對星載原子鐘的性能進行提升，從根本上進行優化改善，提升起準確度、漂移率及穩定程度，對于一些性能無法直接提升的星載原子鐘，可以在其基礎上研究出更為新型的原子鐘，諸如微波離子鐘、氫鐘等，這類原子鐘技術更為先進，性能相對更好，能夠有效提升定位精度[9]。

建立更為精準的原子鐘預報模型，衛星站點配合地面基站共同使用星地激光同步措施，根據地面控制部分的時間基準，對衛星時鐘進行合理的校準與同步。這樣一來，原子鐘預報模型更為精準，定位精度也得以提升[10]。

4? 結論

綜上所述，北斗衛星導航系統被廣泛應用于我國各個領域。為了能夠更為有效地給人民群眾提供便利，保障國家安全，對現行的衛星定位模式要進行合理的改善與優化，最大化減少影響定位精度的誤差。

參考文獻

[1]左朝陽，吳玉彬，陳坡. 北斗衛星導航系統在亞太地區的服務性能評估[J]. 航天控制， 2019， 37（03）： 73-79.

[2]龐麗峰，黃水生，唐小明，劉鵬舉，李萬里. 全球導航衛星系統在我國林業中的應用[J/OL]. 世界林業研究： 1-7.

[3]王再超. 基于北斗定位于LoRa通信的車輛監控系統設計[D]. 鄭州輕工業大學， 2019.

[4]文佳寧. 加載北斗衛星通信模塊的多功能移動終端的系統設計[J]. 信息與電腦（理論版）， 2019（10）： 94-101.

[5]強明輝，李志龍. 北斗衛星導航系統定位精度分析[J]. 艦船電子工程， 2019， 39（02）： 38-40+46.