北斗卫星导航系统定位精度研究

田 涛

（广州海格通信集团股份有限公司，广东 广州 510000）

0 引 言

卫星导航系统在预防森林失火、海洋渔业、水利以及交通等领域起着重要作用。相比之下，北斗卫星导航系统正在扩大其当前的市场份额，这样可以有效地减少对GPS定位系统的依赖，最大化地降低国家战略安全风险。北斗卫星导航系统的位置精确研究非常重要。

1 北斗卫星导航系统的组成

北斗卫星导航系统由空间星座、地面运控以及用户终端3部分组成。

1.1 空间星座

北斗系统的空间部分由5GEO、5IGSO以及4MEO空间星座组成，其中包括5个GEO卫星，在东经的角度分别为58.75°、80°、110.5°、140°以及160°，5颗IGSO卫星分布在3个轨道平面上。卫星I1，I2以及I3相交点的地理位置是东经118°，而I4和I5分别在与I1和I2相同的轨道上。I1和I2之间的相位差为23°，交点地理经度处于东经95°。MEO卫星的轨道高度为21 000 km，回归期为7天13圈。该系统可以为用户提供定位服务，距亚太地区20 m，中国的精度为10 m。在中国及周边地区，北斗地区的PDID系统超过5.0，而主要地区的PDOP值在1.5～3.5[1]。北斗导航星座如图1所示。

图1 北斗导航星座图

1.2 地面运控

北斗地面控制系统包括主站的监视站和时间同步/注入站。其中，主控制站控制中心操作系统的主要功能是观测来自监测站的基本数据。进行连续观测，并进行比较使用的卫星定时和注入时间那个较少，输入导航参数并通过卫星发送信息[2]。

1.3 用户终端

用户终端属于不同的北斗终端，它们通过使用终端和与其他卫星系统兼容的终端来满足各个领域的需求。中国开始建设北斗卫星导航系统，许多用户还参与了系统改进和应用程序开发。并且具备主芯片的知识产权，在研究开发其性能时，制造各种终端以满足市场需求。当前，许多中国研究机构正在积极研究和开发电子终端的高精度计算芯片和技术[3]。

2 影响北斗定位系统的定位精度的因素

2.1 卫星轨道影响

卫星轨道参数该求解方程式中的已知量是求解位置的基础。卫星进入轨道的信息包含在卫星历书内的，卫星历书内的精度取决于定位的精度。通过研究发现，历书的准确性与摄动力模型有关。卫星是绕地飞行物，而重力是维持其轨道运行的基础。由于地球质量分布不均匀，或者是其他星体、潮汐等引起的引力变化，地球引力和其他恒星引起的重力与大气变化会导致卫星的原始轨道与实际卫星轨道不一致，会产生脱节现象。这些摄动力对卫星轨道偏离的影响，需要建立相应的摄动力模型来预报轨道变化，以最大程度地减少误差。北斗定位系统采用了3种轨道面，包括21 528 km的中轨道，35 786 km倾斜地球同步轨道以及地球同步轨道[4]。为了估计和预测卫星的轨道，需要3种卫星模型。GPS系统只是其中一个轨道卫星，这种摄动力模型已经有30多年的完善北斗卫星观测数据积累不足，且摄动力模型参考GPS模型，摄动力模型与光压模型还不能满足定位精度对摄动力模型的要求。根据模型的要求类别不同，摄动模型始终是研究的重点。对摄动力造成的误差的预测与修正是减弱卫星轨道误差的关键，可以从下面几方面入手，减小这种误差[5]。

2.2 原子钟的影响

卫星与接收机的距离等于光速和时间的乘积。光速快时，距离误差变大，时间误差变小，需要足够的时间单位来估计可以接受范围内的误差。在导航系统中，GPS、GLONASS、以及北斗卫星都使用所的是原子钟作为计量时间的工具。原子钟用于测量时间的参考频率，并来自于特定原子运动发出的能量波的频率。相应谐振线的宽度决定了原子钟输出频率的稳定性。卫星中使用的原子墙是星载子钟。与地球的地球时钟相比，它的亮点在于准确性和稳定性。另外，还需要高频稳定性，需要原子钟，小尺寸、轻、使用时间长等方面取舍后的选择。就准确性和稳定性而言，国产卫星比外国卫星要弱一些。卫星的预测模型将成为中国导航系统和定位研究的热点。原子钟的性能由频率精度和工作频率的稳定性来衡量。稳定性是原子常数的属性，它测量原子钟保持特定频率的能力。短期和中期稳定性是重要的监测指标，它将在确定更新时间方面发挥重要作用[6]。对经典铷钟的分析表明，铷钟的稳定性受光频率的强烈影响、微波频率和光感测噪声的影响。减少这3种影响是提高铷钟性能的关键。Galileo系统使用了POP铷钟和氢钟作为原子钟。POP铷钟使用脉冲技术，与传统铷钟相比，降低了光频移的影响，铷钟的性能几乎与被动氢手表的性能相同，使用来自GPS系统的氙气作为气体缓冲器，使用了光学滤镜技术来减少光检噪声的影响，并提高了铷钟的稳定性。卫星之间的时钟信息不同步，卫星的稳定性低，限制了精确的位置。为了降低时钟信息中的失误引起的精度定位[7]。图2为原子钟运行流程。

图2 原子钟运行流程

2.3 电离层延迟

通常，电离层的高度在60～1 000 km的大气层范围内。电离涉及大量电子和自由离子。当卫星信号通过离子发射器时，它会扭曲信号路径或改变其传播速度。电离层的延迟导致的距离通常在白天为15 m，夜间3 m，纬向50 m，水平150 m。从信号传输过程中的延迟可以看出电离层对定位精度的影响，这影响了传播时间精度的测量，从而降低位置的准确性。通过审查其有效机制，可以以某种方式降低电离层的影响[8]。

2.4 多路径效应的影响

为了接收导航信号，接收器周围的反射器反射的导航信号会直接干扰卫星信号；观测值与实际值不同。出现这种问题就被称为多径。多径误差是随机误差，模型微分系统的创建不能解决它们。可以通过以下公式获得并评估多径效应对负载信号的影响：

式中，So是直接卫星信号；Sr表示反射信号；A表示卫星信号幅值；μ表示反射后的信号是振幅系数[9]。

φ对θ求导并令之为0。

于是得θ=±cos-1(-μ)时φ取得极大值φmax=±sin-1μ。

从测量阶段看到，误差达到波长的1/4。对于BDS，误差可以达到4.8 cm，这在很大程度上取决于C/A代码，最大误差为150 m。从以上分析可以看出，产生的许多影响与原始信号相位的变化有关。

3 提高北斗卫星导航系统定位精度的措施

3.1 对摄动力造成的误差进行预测与修正

（1）创建一个极地卫星模型。根据GPS卫星的轨道旋转模型，有必要配置北斗轨道旋转模型并优化IGO卫星和GEO卫星固有的摄动力模型参数。安装模型以提高卫星轨道的准确性；

（2）国家基准站的建设改善了轨道，特别是GEO卫星的轨道对准，并具有良好的几何分布，以削弱轨道误差对准确定位的影响。

（3）改善卫星空间分布的几何形状。考虑到北斗二号卫星的当前结构，在14颗卫星中有5颗是地球静止轨道，这大大限制了卫星的分布。尝试集成多系统，改善从卫星接收器接收卫星的地理形状，并使用GPS和GLONASS卫星。

（4）增加卫星数。仅使用14个北斗二代卫星系统发送电文。由于可以同时接受的卫星数量受到限制，因此，减少重复位置的数量，并可以通过增加卫星数量来增加冗余度。如果要增加具有两个以外的多卫星系统的卫星的数量以提高卫星定位精度的卫星数量[10]。

3.2 抑制时钟信息误差，提高定位精度

（1）改善空间时钟的性能。在准确性，稳定性和学习速度方面提高原子钟的性能。提高氢钟对新型原子钟的研究，例如比微波钟更有效的原子钟，将改善由原子种对定位精度的影响。

（2）建立更准确的模型来预测原子钟的差异。当原子钟的特性受到限制时，该模型用于使用基于地面的同步激光功能预测时钟的运动，以及根据一天中的时间同步和调整卫星时钟。

（3）星载卫星钟组技术研究。在准确性方面，钟组的表现优于单台钟。这就是为什么使用原子资源来提高航天器的准确性和稳定性的原因，在该航天器中，许多原子钟被用来在卫星中组成钟组。

（4）充分发挥卫星间的星间链路作用。钟组通过中间时钟改善了卫星形成的时钟会更有均匀性和稳定性。

3.3 削弱电离层的影响提高定位精度

（1）创建单频接收机中常用的电离层校正模型。电离层是不均匀且不稳定的气体层，但是电离层在两个区域内通常都是不规则的，但是，仍然存在一些规律，例如长期发展和变化。在调整电离层校正模型时，导航卫星会发送正确的参数，而接收器会根据内部校正模型使用正确的参数来校正电离层误差。通过校正，可以解决超过75%的电离层误差。

（2）对于单频接收机，还有其他减轻电离层影响的方法。考虑到电离对编码观测和相位测量任务的影响。汽车晶体占总晶体的99%，该算法结合使用了两者，以消除电离层校正对卫星信号的影响。

（3）2x频率可用于消除单个电离误差。由于电离层是传播介质，因此电磁波的传播速度取决于频率。卫星警报使用两个不同的频率，通过创建不含离子的化合物，可以消除电离层的滞后效应。

（4）使用差分系统来减少电离层误差。从已知精确坐标的信息源接收卫星消息，以确定位置信息，并将允许位置与已知坐标进行比较，计算错误信息，然后将此信息发送到另一次传输中的接收器，从而确保确定另一个接收器位置的准确性。

3.4 降低多路径效应的影响

（1）选择适当的断点。避免在控制点附近产生强烈的反射因素，例如平静的水面。如果物体的反射率与物体的介电常数之间存在明显的相关性，则介电常数就是最大反射率。最好在没有反射镜的开放空间中选择位置。

（2）合适的增加观察时间。在接收机处产生多径效应，接收器从卫星接收信号。Beedu导航系统使用除GEO卫星以外的所有其他卫星轨道。卫星和反射器之间的时间不同，所以其角度也不同，多径效应可以分为固定相位和周期性分量，以增加观察时间并消除周期性分量。

（3）接收机的硬件增强。反射信号是在反射器，特别是地表水反射器反射后接收的接收器，这些信号的高度通常小于正确信号的高度。通过在接收天线下方安装限制板或直径缩回环，才可以使得此功能可以抑制大部分反射信号[11]。

（4）改进算法。当卫星信号到达接收器时，需要对其进行滤波处理。反射信号的幅度和相位与直接来自卫星的信号不同。可以使用高级处理技术来减少对反射信号的干扰。

4 结 论

本文首先从空间星座、地面运控以及用户终端等方面对北斗卫星导航系统的组成进行了分析，然后从卫星轨道影响、原子钟的影响、电离层延迟以及多路径效应的影响等方面对影响北斗定位系统的定位精度的因素进行了分析，最后从对摄动力造成的误差进行预测与修正、抑制时钟信息误差，提高定位精度、削弱电离层的影响提高定位精度以及降低多路径效应的影响等方面提出了提高北斗卫星导航系统定位精度的措施。换句话说，北极星卫星导航系统已在中国各个地区广泛使用。为了更有效地确保国家安全，需要适当改进和优化当前的卫星定位模型，以最大程度地减少影响精度的误差。