北斗卫星导航系统高精度相对定位性能分析

张益君

中国人民解放军61175部队

北斗卫星导航系统高精度相对定位性能分析

张益君

中国人民解放军61175部队

采集北斗卫星导航系统星历数据，北斗卫星导航系统的定位能分析我国不同纬度的星座状况，并在不同的可视环境内进行。采用两台BDS/GPS接收机接受北斗卫星导航系统和全球范围内的系统定位数据，让数据快速的传输过来，并单独运用北斗卫星导航在全球环境下开展动态化的基线解算。

北斗卫星；导航系统；高精度；定位性能

北斗卫星是一门全新的导航系统，也是我国自主研发的定位系统，在定位精度方面相较于以往系统有较大的提升，特别是在精度定位上面有较大的突破。但从卫星发展中可以获悉，北斗星和其他卫星还有诸多不同存在，因而对其研究十分有必要。

一、北斗卫星导航系统的介绍

北斗星定位系统是我国自主研发的一款卫星定位导航系统。其中北斗一代作为区域有源卫星导航系统的代表，覆盖范围是中国境内以及周边的部分国家和地域，该系统是在BEIDOU-1卫星导航后，我国在建设中研发的一款具有全球覆盖能力的无源卫星导航和定位系统。北斗系统的定位导航具有授时能力，并能提供其他卫星不能提供的通信类服务。北斗系统整体建立过程是分两个步骤施行的，第一阶段，在2012年底，要求北斗系统实现牙体地区的无源定位能力。第二阶段是在2020年底，满足全球范围内的无源定位能力，在2012年10月份，北斗系统已经发射5枚同步的静止轨道卫星，五颗倾斜卫星以及4颗中圆地球轨道卫星系统，该系统能为亚太地域提供无源定位服务，伴随着MEO卫星成功发射到太空，北斗系统已经实现了无源导航定位服务的能力。

北斗卫星导航相较于世界范围内的其他卫星有自己的特点，北斗系统不仅包含MEO卫星、同时也有GEO和IGSO卫星。众所周知，GEO卫星的周期与地球自转周期相一致，两者可以同步运行，且卫星的轨道能与地球的赤道面叠和在一起，因而GEO卫星在以地球为静止物的时候，是保持静止不动的状况。IGSO卫星轨道与GEO的卫星轨道相对高度一致，但在运转时却与地球赤道面形成55度的夹角。IGSO卫星周期是与地球自转周期一致的，如果从地球上观察IGSO卫星，能看到其运转轨迹呈“8”字。

二、北斗系统在不同纬度下的可视状况分析

过去很多学者都分析过北斗系统星座，但多为仿真数据，虽然这些数据贴近真实情况，但还有一定的差距。因而本文在探寻时，为更具真实性，就以北京和接近赤道的地区为例子计算卫星的天空视图，根据获得的数据可以获悉，亚太低纬度地区，BDS的GEO和IGSO卫星都能在视野范围内存在。北京由于处在高纬度，GEO卫星能全部呈现在视野范围内，并且所有的图像都集中在观察者的南半部分，IGSO卫星在不规则运行时，在某一个特殊时刻会运动到视野范围外。

为能更为客观的分析北斗系统的特点，并收集轨道周期中北斗系统内广播星历数据。结合相关数据进行计算，获得的结果是在亚太区域赤道附近内，GEO和IGSO卫星具有可视性，且GEO卫星也要分布在东西方向的正上方向。IGSO卫星可以在整个轨道内跟踪到，且卫星的高度仰角要大于22.5度，但在亚太高纬度地区，比如北京GEO卫星分布就在观测人员的南部出现，IGSO卫星大部分时刻都要运行在可视范围内，但多数情况，IGSO卫星是相对于地球上高纬度地域观测者而言。基于此，我们获悉北斗卫星系统相较于GPS、GLONASS等卫星系统，亚太地球的观察人员，使用北斗卫星星座的效率会更高。

三、北斗系统相对静态定位精度性能分析

截止到当前，北斗系统为亚太地域提供无源定位服务，为更好的验证被偷系统的静态定位精度，在北京区域内就利用两台BDS∕GPS接收机收集6期，其中每期时间长度为20min的静态化数据，接收机的采样频率其设置的赫兹是1hz，基线长度全长可以被设定到633m，为降低多路径对其产生的影响，卫星截止的高度角设置在15度。其中周期调控以及探测和修复都利用相对相位高度，进行精度测量和挑战。其中组合观测值中周跳探测与修复方法以及GIPSY软件中使用TE方法则不能精准的探测出L1载波与L2载波的不同之处。

探测中通过运用MWWL组合观测值以及总电子含量变化速率技术探测和修复北斗星系统，进行GPS相位观测值的周跳。该周跳探测模式不但能精准的修复载波相位观测值上面的小周跳差距，也能利用双差相对观测值组成观测方程式，目的是估计位置参数以及于整个周模糊度的浮点解，且应运用小二乘降的分解方法做好整个周期的模糊固定，回带观测方程，这样就能精准的估算出基线的向量变化取值。

四、北斗系统的高精度动态定位系统分析

目前由于GPS的大规模使用，高动态的定位领域已经在一定条件下得到切实应用，不但可以为大坝、桥梁等大型工程提供安全检测类技术，更能为定位系统提供便利的服务。在运用单历元算法处理15min北斗系统的时候，能实时处理信息，并获得GPS的观测数值，获得三个坐标轴的误差变更方向。尤其在X轴或者Y轴上，GPS的误差要远小于北斗星系统，在Z轴上，北斗系统与GPS的误差值两者不相上下。

结语

在2012年底，北斗系统已经为亚太地域提供很多无源定位类服务。本文主要是利用BDS∕GPS双频接受机接受广播星历和观测数据，不但能计算北斗系统卫星在一个轨道周期内的卫星运动位置，也能更好的分析北斗微信在亚太地域内不同纬度下的可视状况。根据现有的数据结果可以获悉，北斗卫星的整体利用效率在亚太区域内要优于GPS卫星。特别是在贴近赤道地域内，所有的北斗系统GEO和IGSO卫星在整个轨道运行内都具有可视性。高纬度地域内，GEO卫星在整周轨道周期内都处于可视状态，IG⁃SO卫星大部分时间内都要在高纬度地域内接受到北斗性系统接机的跟踪。若以6期为计算值，要求每期是20min北斗系统与GPS静态观测值计算基线，两者在精度等同的情况下，最大的偏差不大于4mm。利用单历元算法“实时”计算每一历元位置的变化状况，可以在X轴以及Y轴上，要求北斗系统精度小于GPS，在Z轴方向上，北斗星系统的精度相一致。同时，X轴与Y轴的误差不会有较大的随机性，这是伴随北斗系统逐步完善建立起来的，通过精准的操作和计算，这一误差值可去除。

[1]施闯，赵齐乐，李敏，唐卫明，胡志刚，楼益栋，章红平，牛小骥，刘经南.北斗卫星导航系统的精密定轨与定位研究[J].中国科学:地球科学，2012，(05)：3-5

[2]丁盼，席瑞杰，肖玉钢.北斗卫星导航系统用于东北地区高精度变形监测性能分析[J].测绘通报，2016，(04):6-8

[3]杨元喜，李金龙，王爱兵，徐君毅，何海波，郭海荣，申俊飞，戴弦.北斗区域卫星导航系统基本导航定位性能初步评估[J].中国科学:地球科学，2014，(01)：3-5

[4]宗干，郭金运，李国伟，王书阳，胡志博.北斗卫星导航系统单频伪距绝对定位精度分析[J].全球定位系统，2013，(03):6-8

[5]范龙，柴洪洲.北斗二代卫星导航系统定位精度分析方法研究[J].海洋测绘，2014，(11):112-113