張益君

中國(guó)人民解放軍61175部隊(duì)

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)高精度相對(duì)定位性能分析

張益君

中國(guó)人民解放軍61175部隊(duì)

采集北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)星歷數(shù)據(jù)，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的定位能分析我國(guó)不同緯度的星座狀況，并在不同的可視環(huán)境內(nèi)進(jìn)行。采用兩臺(tái)BDS/GPS接收機(jī)接受北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)和全球范圍內(nèi)的系統(tǒng)定位數(shù)據(jù)，讓數(shù)據(jù)快速的傳輸過(guò)來(lái)，并單獨(dú)運(yùn)用北斗衛(wèi)星導(dǎo)航在全球環(huán)境下開(kāi)展動(dòng)態(tài)化的基線解算。

北斗衛(wèi)星；導(dǎo)航系統(tǒng)；高精度；定位性能

北斗衛(wèi)星是一門(mén)全新的導(dǎo)航系統(tǒng)，也是我國(guó)自主研發(fā)的定位系統(tǒng)，在定位精度方面相較于以往系統(tǒng)有較大的提升，特別是在精度定位上面有較大的突破。但從衛(wèi)星發(fā)展中可以獲悉，北斗星和其他衛(wèi)星還有諸多不同存在，因而對(duì)其研究十分有必要。

一、北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的介紹

北斗星定位系統(tǒng)是我國(guó)自主研發(fā)的一款衛(wèi)星定位導(dǎo)航系統(tǒng)。其中北斗一代作為區(qū)域有源衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的代表，覆蓋范圍是中國(guó)境內(nèi)以及周邊的部分國(guó)家和地域，該系統(tǒng)是在BEIDOU-1衛(wèi)星導(dǎo)航后，我國(guó)在建設(shè)中研發(fā)的一款具有全球覆蓋能力的無(wú)源衛(wèi)星導(dǎo)航和定位系統(tǒng)。北斗系統(tǒng)的定位導(dǎo)航具有授時(shí)能力，并能提供其他衛(wèi)星不能提供的通信類(lèi)服務(wù)。北斗系統(tǒng)整體建立過(guò)程是分兩個(gè)步驟施行的，第一階段，在2012年底，要求北斗系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)牙體地區(qū)的無(wú)源定位能力。第二階段是在2020年底，滿(mǎn)足全球范圍內(nèi)的無(wú)源定位能力，在2012年10月份，北斗系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)射5枚同步的靜止軌道衛(wèi)星，五顆傾斜衛(wèi)星以及4顆中圓地球軌道衛(wèi)星系統(tǒng)，該系統(tǒng)能為亞太地域提供無(wú)源定位服務(wù)，伴隨著MEO衛(wèi)星成功發(fā)射到太空，北斗系統(tǒng)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了無(wú)源導(dǎo)航定位服務(wù)的能力。

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航相較于世界范圍內(nèi)的其他衛(wèi)星有自己的特點(diǎn)，北斗系統(tǒng)不僅包含MEO衛(wèi)星、同時(shí)也有GEO和IGSO衛(wèi)星。眾所周知，GEO衛(wèi)星的周期與地球自轉(zhuǎn)周期相一致，兩者可以同步運(yùn)行，且衛(wèi)星的軌道能與地球的赤道面疊和在一起，因而GEO衛(wèi)星在以地球?yàn)殪o止物的時(shí)候，是保持靜止不動(dòng)的狀況。IGSO衛(wèi)星軌道與GEO的衛(wèi)星軌道相對(duì)高度一致，但在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)卻與地球赤道面形成55度的夾角。IGSO衛(wèi)星周期是與地球自轉(zhuǎn)周期一致的，如果從地球上觀察IGSO衛(wèi)星，能看到其運(yùn)轉(zhuǎn)軌跡呈“8”字。

二、北斗系統(tǒng)在不同緯度下的可視狀況分析

過(guò)去很多學(xué)者都分析過(guò)北斗系統(tǒng)星座，但多為仿真數(shù)據(jù)，雖然這些數(shù)據(jù)貼近真實(shí)情況，但還有一定的差距。因而本文在探尋時(shí)，為更具真實(shí)性，就以北京和接近赤道的地區(qū)為例子計(jì)算衛(wèi)星的天空視圖，根據(jù)獲得的數(shù)據(jù)可以獲悉，亞太低緯度地區(qū)，BDS的GEO和IGSO衛(wèi)星都能在視野范圍內(nèi)存在。北京由于處在高緯度，GEO衛(wèi)星能全部呈現(xiàn)在視野范圍內(nèi)，并且所有的圖像都集中在觀察者的南半部分，IGSO衛(wèi)星在不規(guī)則運(yùn)行時(shí)，在某一個(gè)特殊時(shí)刻會(huì)運(yùn)動(dòng)到視野范圍外。

為能更為客觀的分析北斗系統(tǒng)的特點(diǎn)，并收集軌道周期中北斗系統(tǒng)內(nèi)廣播星歷數(shù)據(jù)。結(jié)合相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，獲得的結(jié)果是在亞太區(qū)域赤道附近內(nèi)，GEO和IGSO衛(wèi)星具有可視性，且GEO衛(wèi)星也要分布在東西方向的正上方向。IGSO衛(wèi)星可以在整個(gè)軌道內(nèi)跟蹤到，且衛(wèi)星的高度仰角要大于22.5度，但在亞太高緯度地區(qū)，比如北京GEO衛(wèi)星分布就在觀測(cè)人員的南部出現(xiàn)，IGSO衛(wèi)星大部分時(shí)刻都要運(yùn)行在可視范圍內(nèi)，但多數(shù)情況，IGSO衛(wèi)星是相對(duì)于地球上高緯度地域觀測(cè)者而言。基于此，我們獲悉北斗衛(wèi)星系統(tǒng)相較于GPS、GLONASS等衛(wèi)星系統(tǒng)，亞太地球的觀察人員，使用北斗衛(wèi)星星座的效率會(huì)更高。

三、北斗系統(tǒng)相對(duì)靜態(tài)定位精度性能分析

截止到當(dāng)前，北斗系統(tǒng)為亞太地域提供無(wú)源定位服務(wù)，為更好的驗(yàn)證被偷系統(tǒng)的靜態(tài)定位精度，在北京區(qū)域內(nèi)就利用兩臺(tái)BDS∕GPS接收機(jī)收集6期，其中每期時(shí)間長(zhǎng)度為20min的靜態(tài)化數(shù)據(jù)，接收機(jī)的采樣頻率其設(shè)置的赫茲是1hz，基線長(zhǎng)度全長(zhǎng)可以被設(shè)定到633m，為降低多路徑對(duì)其產(chǎn)生的影響，衛(wèi)星截止的高度角設(shè)置在15度。其中周期調(diào)控以及探測(cè)和修復(fù)都利用相對(duì)相位高度，進(jìn)行精度測(cè)量和挑戰(zhàn)。其中組合觀測(cè)值中周跳探測(cè)與修復(fù)方法以及GIPSY軟件中使用TE方法則不能精準(zhǔn)的探測(cè)出L1載波與L2載波的不同之處。

探測(cè)中通過(guò)運(yùn)用MWWL組合觀測(cè)值以及總電子含量變化速率技術(shù)探測(cè)和修復(fù)北斗星系統(tǒng)，進(jìn)行GPS相位觀測(cè)值的周跳。該周跳探測(cè)模式不但能精準(zhǔn)的修復(fù)載波相位觀測(cè)值上面的小周跳差距，也能利用雙差相對(duì)觀測(cè)值組成觀測(cè)方程式，目的是估計(jì)位置參數(shù)以及于整個(gè)周模糊度的浮點(diǎn)解，且應(yīng)運(yùn)用小二乘降的分解方法做好整個(gè)周期的模糊固定，回帶觀測(cè)方程，這樣就能精準(zhǔn)的估算出基線的向量變化取值。

四、北斗系統(tǒng)的高精度動(dòng)態(tài)定位系統(tǒng)分析

目前由于GPS的大規(guī)模使用，高動(dòng)態(tài)的定位領(lǐng)域已經(jīng)在一定條件下得到切實(shí)應(yīng)用，不但可以為大壩、橋梁等大型工程提供安全檢測(cè)類(lèi)技術(shù)，更能為定位系統(tǒng)提供便利的服務(wù)。在運(yùn)用單歷元算法處理15min北斗系統(tǒng)的時(shí)候，能實(shí)時(shí)處理信息，并獲得GPS的觀測(cè)數(shù)值，獲得三個(gè)坐標(biāo)軸的誤差變更方向。尤其在X軸或者Y軸上，GPS的誤差要遠(yuǎn)小于北斗星系統(tǒng)，在Z軸上，北斗系統(tǒng)與GPS的誤差值兩者不相上下。

結(jié)語(yǔ)

在2012年底，北斗系統(tǒng)已經(jīng)為亞太地域提供很多無(wú)源定位類(lèi)服務(wù)。本文主要是利用BDS∕GPS雙頻接受機(jī)接受廣播星歷和觀測(cè)數(shù)據(jù)，不但能計(jì)算北斗系統(tǒng)衛(wèi)星在一個(gè)軌道周期內(nèi)的衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)位置，也能更好的分析北斗微信在亞太地域內(nèi)不同緯度下的可視狀況。根據(jù)現(xiàn)有的數(shù)據(jù)結(jié)果可以獲悉，北斗衛(wèi)星的整體利用效率在亞太區(qū)域內(nèi)要優(yōu)于GPS衛(wèi)星。特別是在貼近赤道地域內(nèi)，所有的北斗系統(tǒng)GEO和IGSO衛(wèi)星在整個(gè)軌道運(yùn)行內(nèi)都具有可視性。高緯度地域內(nèi)，GEO衛(wèi)星在整周軌道周期內(nèi)都處于可視狀態(tài)，IG?SO衛(wèi)星大部分時(shí)間內(nèi)都要在高緯度地域內(nèi)接受到北斗性系統(tǒng)接機(jī)的跟蹤。若以6期為計(jì)算值，要求每期是20min北斗系統(tǒng)與GPS靜態(tài)觀測(cè)值計(jì)算基線，兩者在精度等同的情況下，最大的偏差不大于4mm。利用單歷元算法“實(shí)時(shí)”計(jì)算每一歷元位置的變化狀況，可以在X軸以及Y軸上，要求北斗系統(tǒng)精度小于GPS，在Z軸方向上，北斗星系統(tǒng)的精度相一致。同時(shí)，X軸與Y軸的誤差不會(huì)有較大的隨機(jī)性，這是伴隨北斗系統(tǒng)逐步完善建立起來(lái)的，通過(guò)精準(zhǔn)的操作和計(jì)算，這一誤差值可去除。

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