北斗二代卫星导航系统定位精度分析*

战　杰　吴胤霖

(91550部队　大连　116023)



北斗二代卫星导航系统定位精度分析*

战杰吴胤霖

(91550部队大连116023)

摘要首先介绍了北斗二代卫星导航系统概况，然后对影响北斗定位精度的因素进行了阐述,重点分析了影响精度的常见误差源，并给出了提高精度的方法，最后通过实测数据，验证分析了北斗卫星导航系统的定位精度情况，得到了较好的效果。

关键词北斗二代卫星导航系统; 定位精度; 误差

Class NumberTN967.1

1引言

北斗二代卫星导航系统是在北斗一代的基础上建设的卫星导航系统，不是北斗一代的简单延伸，而是类似于美国的GPS系统和俄罗斯的GLONASS系统的无源定位系统[1]。目前在轨卫星共有14颗，其中包括5颗静止轨道卫星(GEO)、5颗倾斜轨道卫星(IGSO)和4颗中圆轨道卫星(MEO)，可以提供亚太地区全天候的定位、导航和授时服务。

为了分析北斗卫星导航系统的定位精度，首先对影响北斗定位精度的因素进行了阐述,在此基础上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。

2影响定位精度的因素

北斗卫星导航系统的定位精度主要取决于两个重要因素:观测量的精度和卫星几何分布，其中卫星几何分布通常用几何精度因子GDOP来表示。几何精度因子GDOP是空间位置精度因子PDOP和时间误差TDOP的综合影响的精度因子。其计算方法是:

GDOP=(PDOP)2+(TDOP)2

北斗定位的误差与精度因子DOP的大小成正比。在相同的测量误差条件下，较小的DOP值可使定位结果有着较小的误差[2]。各个DOP值可从权系数阵H获得，而决定权系数阵的几何矩阵G只与可见卫星的几何分布情况有关。可见卫星的几何分布有着较小的DOP值，则它是一个较好的卫星几何分布。观测卫星在空间的分布范围越大，GDOP值越小，测量精度越高；反之，观测卫星在空间的分布范围越小，则GDOP值越大。测量误差越大。因此，可以参照GDOP值的大小来决定观测效果的好坏，同时决定是否采用此点位或此观测值。

3北斗定位误差分析

观测量的精度主要受测距误差影响[3]。测距误差主要由北斗二代系统导航定位误差决定。导航定位误差主要包括卫星误差，信号传播误差和接收机误差三类。

3.1卫星误差

卫星星历误差是指卫星星历给出的卫星空间位置与卫星实际位置间的偏差,由于卫星空间位置是由地面监控系统根据卫星测轨结果计算求得的,所以又称为卫星轨道误差。它是一种起始数据误差,其大小取决于卫星跟踪站的数量及空间分布、观测值的数量及精度、轨道计算时所用的轨道模型及定轨软件的完善程度等[4～5]。星历误差是北斗测量的重要误差来源。

卫星钟差是导航卫星所安装的原子钟的钟面时与北斗标准时间的误差。它包括由钟差、频偏、频漂等产生的误差。一般可用二阶多项式拟合减弱它的影响。卫星钟差和改正后的残余误差，都需在接收设备之间采用一次差等方法来进一步消除。

3.2信号传播误差

北斗信号的传播误差主要包括电离层折射、对流层折射以及多路径传播。

电离层误差是由于电离层效应引起的观测值的误差。当卫星信号通过电离层时，卫星信号的路径会发生弯曲，传播速度也会发生变化，载波传播速度被加快，而码传播速度被降低, 从而使测量的距离发生偏差，这种影响称为电离层折射[6]。电离层折射可用三种方法来减弱其影响:一是利用电离层模型加以修正；二是利用同步观测值做求差处理；三是利用双频观测值，即通过不同频率的观测值组合来对电离层的延迟进行修正。

对流层折射误差是高度为40km以下的大气底层的折射误差。由于大气密度比电离层更大，大气状态也更复杂，同时对流层与地面接触并从地面得到辐射热能，其温度随高度的增加而降低。因此，卫星信号通过对流层时，也会使传播的路径发生弯曲，从而使测量距离产生偏差，这种现象称为对流层折射[7～8]。减弱对流层折射的影响主要有三种措施:一是采用对流层模型加以改正，其气象参数在测站可直接测定；二是引入描述对流层影响的附加待估参数，并在数据处理中一并求得；三是利用同步观测求差的方法。

多路径误差是由于反射信号进入接收机天线而引起的观测值误差。当天线附近有较大的反射面时，多径误差的影响较大。因此，无论是基地站或移动站，都要特别注意天线位置的选择。为了削弱多径误差，观测点周围不应有大的水域或对电磁波反射较为强烈的物体。天线安置点应远离大功率的无线电发生器和高压输电线，以避免周围磁场对信号的干扰[9]。

3.3接收机误差

接收设备时钟差是接收设备时与北斗标准时之间的差异，称为接收设备钟差。把每个观测时刻的接收设备钟差当作一个独立的未知数，认为各观测时刻的接收设备钟差间是相关的，并在数据处理中与观测站的位置参数一并求解，则可减弱接收设备钟差的影响。

接收机的位置误差是接收设备天线相位中心相对标识中心位置存在的误差，包括天线的置平和对中误差及量取天线高的误差等[10]。因此，在精密测量中，必须仔细操作，以尽量减少这种误差的影响。

接收机天线相位中心偏差是接收设备天线的相位中心与几何中心之间的偏差。在短基线上，采用同一类型的天线，可以通过求差来减弱它的影响，但各个观测站的天线应按天线附有的方位标进行定向。

4实验数据分析

为了准确评价北斗二代定位精度，实验数据采集自大连地区，具体做法是:在某一固定观测站放置一台北斗二代接收机，观测站大地坐标精确已知，使用北斗二代接收机跟踪并观测导航卫星，考核接收机的卫星观测情况,并计算几何精度因子GDOP值；利用接收机的观测数据，计算观测站的位置坐标，并将计算结果与观测站已知坐标进行比对分析，统计北斗系统的静态定位精度,实验结果如图1～图3所示。

图1　可见卫星数量曲线图

图2　GDOP值变化曲线

图3　静态定位精度曲线

从图中可以看出，在大连地区，北斗区域定位系统的可见卫星数大于8颗，GDOP值在1.5到3之间，定位精度在X、Z方向优于2m,在Y方向优于5m。

5结语

本文针对正在建设中的北斗二代卫星定位系统进行了静态定位精度测试评估，可以得出以下结论:北斗卫星导航系统在环渤海地区有足够的可视卫星数，并且可视卫星数的几何结构较好，X、Z方向定位精度优于2m,Y方向优于5m，可以满足大部分用户的需求。未来随着北斗卫星系统由区域向全球的扩展，可视卫星数进一步增多，区域内的导航定位精度也会得到进一步的提高。

参 考 文 献

[1] 范龙，柴洪洲.北斗卫星导航系统定位精度分析方法研究[J].海洋测绘，2009，29(1):25-27.

[2] 谢钢.GPS原理与接收机设计[M].北京:电子工业出版社，2009:171-174.

[3] 李征航,黄劲松.GPS测量与数据处理[M].武汉:武汉大学出版社，2005:63-66.

[4] Yunck T P. Orbit Determination,Global Positioning System: Theory and Application[J]. AIAA,1996:559-592.

[5] Kouba J, Heroux P. Precise Point Positioning Using IGS Orbit and Clock Products[J]. GPS Solution,2001,5(2):12-28.

[6] Fremouw E J, Secan J A, Howe B, M. Application of Stochastic Inverse Theory to Ionospheric Tomography[J]. Radio Sci.,1992,17:721-732.

[7] Ananda M P, Bernstein H, Cunningham K E, et al. Global Positioning System Autonomous Navigation[J]. IEEE,1990:497-508.

[8] Menn M D, Berstein H. Ephemeris Observability Issues in the Global Positioning System Autonomous Navigation[J]. IEEE,1994:677-680.

[9] Censor Y. Finite Series-expansion Reconstruction Methods[J]. IEEE,1983,71(3):409-419.

[10] Han S C, Kwon J H, Jekeli C. Accuracy Absolute GPS Positioning Through Satellite Clock Error Estimation[J]. Journal of Geodesy,2001,77:33-43.

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

作者简介：战杰，男，硕士，工程师，研究方向：外测事后数据处理。

中图分类号TN967.1

DOI：10.3969/j.issn.1672-9730.2016.05.016