北斗系统的导航和定位研究

李玺

【摘 要】随着科技的不断进步，北斗系统的导航和定位越来越精确。为了进一步分析北斗卫星导航系统的定位精度，文章重点分析了影响精度的常见误差源，并针对各个误差源给出了提高精度的方法，实测数据表明：北斗卫星导航系统的静态定位精度在X、Z方向优于2m，Y方向优于5m，可以满足大部分用户的需求。

【关键词】北斗系统；导航；定位研究

一、卫星可见性分析

分别对一般服务区域和重点服务区域24小时内平均卫星可见数和某市（30°34′N，114°14′E）24小时内的卫星可见数进行仿真。仿真分析配置如下：（1）卫星星座构成如前言中所述；（2）仿真时间长度设置：1day；（3）仿真步长设置：1min；（4）网格分辨率：1°×1°；（5）卫星观测截止角：15°。结果如图1～图2所示。

从图中可以看出：（1）系统在一般服务区域能够100%满足平均四颗以上卫星可见数，满足定位的基本要求，绝大部分区域的可见星数到达7颗以上；（2）在重点服务区域，可见星数达到至少7颗至多11颗，可获得较高的定位精度；（3）卫星星座对服务区域内中低纬度的中部地区覆盖性良好，而对于服务区域的两侧和高纬度地区覆盖性相对一般；（4）以武汉为观测点，平均可见数达到10颗，同时实时可见星数均能保持在8-13颗，拥有良好的稳定性。

二、北斗定位误差分析

为描述这种定位精度与几何结构的互动关系，可引入几何定位精度系数。定位精度除了取决于等效距离误差外，还取决于地面接收机与高空卫星的几何图形结构。在测距误差一定的情况下，当观测点与卫星的几何图形不同时，定位误差的大小也不同。几何精度衰减因子（GDOP）是一个直接影响定位精度、但又独立于观测值和其他误差之外的一个量。而在卫星导航定位系统应用时需要迅速捕获视角内的卫星及可见星，而可见星的数量及空间拓扑结构会影响GDOP值的大小。

对服务区域内GDOP和误差进行分析。对于可选取卫星数量较多的区域，使用7颗卫星进行仿真分析；对于可选卫星数量较少的区域，选取不少于4颗卫星进行仿真，仿真配置同上一节。

图4、图5分别为系统在一般服务区域和重点服务区域24小时平均GDOP分布情况。

从图4、图5可以看出，北斗区域卫星导航系统在一般服务区域平均GDOP值分布在3～7范围内、重点服务区域分布在4.8～7的范围内，且GDOP值随观测点位置变化分布比较均匀，无明显跳变区域，说明系统在服务区域具有良好的定位精度和稳定性。

值得注意的是，图1～图3中，在低纬度尤其是赤道附近卫星可见数最多，从理论上讲相应的GDOP值是最小的，但图4～图5的仿真结果并非如此。事实上，卫星可见数的多少与GDOP值的大小没有必然的联系，不一定成反比关系变化，GDOP值的大小不仅与卫星数的多少有关，最主要的是与卫星与观测点构成的几何图形好坏有关。

三、结论

文章以北斗二代卫星导航系统星座设计为基础，建立了北斗区域卫星导航系统的定位模型，对卫星可见性、GDOP以及定位误差做了详尽的仿真分析，得出了卫星可见数在服务区域内的分布及随纬度的变化趋势，精度衰减因子在服务区域内的分布情况以及系统在武汉地区的卫星可见数、GDOP和定位误差。文章同时对星座计划改进前后，系统服务区域内西部地区的定位性能进行了分析。结果表明：（1）系统在整个服务区域均满足4颗以上卫星可见数，重点服务区域可见数达到7～11颗，可见性与覆盖性良好。（2）一般服務区域GDOP值分布在范围3～7，重点服务区域4.8～7，参照GDOP等级分布均达到良好以上，且随时间、位置变化较稳定。（3）以武汉地区为例，系统在三个坐标方向的误差范围分别为10m、40m、15m，定位误差范围为15m，钟差不大于100ns，基本到达预期指标。

四、结语

北斗卫星导航系统是我国自主研发、独立运行的卫星导航系统，是全球四大卫星导航系统之一，是我国重大空间和信息化基础设施，也是我国国民经济稳定安全运行的重要保障。经过几十年的发展，卫星导航与定位技术取得了巨大的进步，已经成为当今世界高技术群中对现代社会最具影响力的技术之一，并且已然渗透到国民经济的各个领域。因此，未来卫星导航与定位技术将进入以保障地球系统环境安全、发展战略性新兴空间信息产业、探索地球系统的新阶段。

参考文献

[1] 周巍.北斗卫星导航系统精密定位理论方法研究与实现[D].郑州：解放军信息工程大学，2013.

[2] 赵彦青.北斗卫星导航系统定位算法研究和GDOP分析[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学，2013.