應用北斗衛(wèi)星實際數(shù)據(jù)的定位性能分析

劉春曉

摘 要：該文通過收集北斗導航衛(wèi)星的實際數(shù)據(jù)，計算北斗系統(tǒng)衛(wèi)星一個軌道周期內(nèi)的衛(wèi)星位置，并分析北斗衛(wèi)星在亞太地區(qū)不同緯度情況下的可視情況。結(jié)果表明，北斗衛(wèi)星的利用率在亞太地區(qū)比GPS衛(wèi)星更好。

關鍵詞：北斗 導航衛(wèi)星 定位性能 精度

中圖分類號：P228 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）07（b）-0000-00

北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)（以下簡稱“北斗系統(tǒng)”）是我國自主研制的衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)。北斗一代（BeiDou-1）是一種區(qū)域有源衛(wèi)星導航系統(tǒng)，覆蓋范圍為中國境內(nèi)及周邊部分國家。繼Beidou-1衛(wèi)星導航系統(tǒng)之后，我國正在建設具有全球覆蓋能力的無源衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)即北斗系統(tǒng)（BeiDou navigation satellite system，BDS）。北斗系統(tǒng)不但具有導航定位和授時能力，還能提供其它衛(wèi)星定位系統(tǒng)不能提供的服務（通信服務）。北斗系統(tǒng)的建立過程可以分為兩個階段：第一階段，到2012年底，實現(xiàn)亞太地區(qū)的無源定位能力；第二階段，到2020年底，實現(xiàn)全球無源定位能力。到2012年10月25日為止，北斗系統(tǒng)已成功發(fā)射了5顆地球同步靜止軌道衛(wèi)星（GEO），5顆傾斜地球同步軌道（IGSO）衛(wèi)星和4顆中圓地球軌道（MEO）衛(wèi)星，能為亞太地區(qū)提供區(qū)域無源定位服務，隨著更多MEO衛(wèi)星的成功發(fā)射，北斗系統(tǒng)將具備為全球提供無源導航定位服務的能力。

不同于美國全球定位系統(tǒng)（GPS）及俄國格洛納斯衛(wèi)星導航系統(tǒng)

（GLONASS）星座由單一的MEO衛(wèi)星組成，北斗系統(tǒng)星座不但包含了MEO衛(wèi)星，同時還有GEO衛(wèi)星和IGSO衛(wèi)星。

GEO衛(wèi)星周期和地球自轉(zhuǎn)周期一樣，并且GEO衛(wèi)星軌道面和地球赤道面重合，相對地球靜止不動。IGSO衛(wèi)星的軌道高度和GEO衛(wèi)星的軌道高度一樣，但是和地球赤道面形成55°夾角。

IGSO衛(wèi)星軌道周期和地球自轉(zhuǎn)周期一樣。相對于地球上的觀測者，IGSO衛(wèi)星的軌跡形似“8”字。由于北斗系統(tǒng)星座與其它衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)有很大的區(qū)別，所以很有必要對其進行分析。

1北斗系統(tǒng)導航衛(wèi)星在不同緯度下的可視分析

過去有諸多學者對北斗系統(tǒng)的星座進行過分析，但大多基于仿真數(shù)據(jù)。如利用仿真數(shù)據(jù)分析北斗系統(tǒng)星座，探討北斗系統(tǒng)星座在不同區(qū)域的可視性。本文分別以北京和近赤道地區(qū)為例計算衛(wèi)星的天空視圖，結(jié)果顯示，在亞太低緯度地區(qū)，BDS的GEO和IGSO衛(wèi)星全部在視野以內(nèi)。在高緯度地區(qū)（北京），GEO衛(wèi)星全部在視野以內(nèi)，且全部分布在觀測者視野的南半部分，IGSO衛(wèi)星會在某些時刻運行到視野以外。

為了更加客觀地分析北斗系統(tǒng)的特點，收集了一個軌道周期的北斗系統(tǒng)廣播星歷數(shù)據(jù)（日期為2012年5月29日）。其計算結(jié)果表明在亞太地區(qū)赤道附近，所有的GEO與IGSO衛(wèi)星都可視，并且GEO衛(wèi)星分布在東西方向的正上空。IGSO衛(wèi)星在整個軌道周期都可跟蹤到，并且衛(wèi)星高度角在整個軌道周期內(nèi)大于22.5°。在亞太高緯度地區(qū)（北京），GEO衛(wèi)星分布在觀測者視角的南半部分，

IGSO衛(wèi)星部分時刻會運行出視野以外，但大部分時候，IGSO衛(wèi)星相對于地球上高緯度地區(qū)觀測者可視。和GPS、GLONASS等衛(wèi)星導航系統(tǒng)比較起來，對于亞太地區(qū)的觀測者，北斗系統(tǒng)衛(wèi)星星座具有更加高效的利用率。

2北斗系統(tǒng)相對靜態(tài)定位精度性能分析

目前為止，北斗系統(tǒng)已經(jīng)能為亞太地區(qū)提供無源定位服務。為驗證北斗系統(tǒng)相對靜態(tài)定位精度，在北京地區(qū)利用兩臺BDS/GPS接收機收集了6期（每期觀測時長為20min）靜態(tài)數(shù)據(jù)，接收機的采樣頻率設置為1HZ，基線長度約633m，為了降低多路徑的影響，衛(wèi)星截止高度角設為15°。周跳的探測與修復是利用相位觀測值進行高精度測量的必要步驟?；诮M合觀測值的周跳探測與修復方法和GIPSY軟件中使用的Turbo edit方法不能探測出當L1載波和L2載波存在相同大小周跳的情況。采用基于MWWL組合觀測值和總電子含量變化速率技術探測與修復北斗系統(tǒng)和GPS相位觀測值周跳。這種周跳探測方法能夠精確探測與修復載波相位觀測值上的小周跳。利用雙差相位觀測值組成觀測方程，可估計出位置參數(shù)與整周模糊度浮點解，并用最小二乘降相關分解法方法進行整周模糊度的固定，回代觀測方程，可估計出高精度的基線向量，結(jié)果見圖1。

圖1結(jié)果表明，單獨利用北斗系統(tǒng)和GPS進行基線估計，兩者的精度相當。我國北斗系統(tǒng)已經(jīng)具有為亞太地區(qū)測繪及相關部門提供高精度的定位服務能力。

圖1單獨利用北斗系統(tǒng)和GPS系統(tǒng)估計的基線長度對比

3北斗系統(tǒng)實時高精度動態(tài)定位精度性能分析

GPS已廣泛應用于實時高精度動態(tài)定位領域，為大壩、橋梁等大型工程提供安全監(jiān)測提供技術手段。利用單歷元算法“實時”分別處理15min北斗系統(tǒng)和GPS觀測值，得到三個坐標軸方向誤差的時變序列（見圖2）。在X軸與Y軸方向上，GPS誤差小于北斗系統(tǒng)。Z軸方向上，北斗系統(tǒng)與GPS誤差相當。

圖2利用單歷元算法“實時”估計北斗系統(tǒng)與GPS基線精度對比

4結(jié)語

在近赤道地區(qū)，所有北斗系統(tǒng)的GEO和IGSO衛(wèi)星在整個軌道周期內(nèi)都為可視；在高緯度地區(qū)，GEO衛(wèi)星在整周軌道周期內(nèi)可視，IGSO衛(wèi)星在大部分的軌道周期內(nèi)都可以被高緯度地區(qū)北斗系統(tǒng)接收機跟蹤到。分別以6期（每期20min）北斗系統(tǒng)和GPS靜態(tài)觀測值計算基線，兩者的精度相當，最大偏差不超過4mm。利用單歷元算法“實時”計算每個歷元的位置變化量，在X軸和Y軸方向上，北斗系統(tǒng)的精度比GPS稍差，在Z軸方向上，北斗系統(tǒng)的精度和GPS相當。同時，X軸和Y軸上出現(xiàn)的較大的誤差并沒有一種隨機性，隨著北斗系統(tǒng)的建立和完善，這種誤差一定能夠得到有效的去除和削弱。

參考文獻

[1]劉路沙.北斗衛(wèi)星為神州導航[J].中國測繪，2010（4）：34-35.

[2]趙靜，曹沖.GNSS 系統(tǒng)及其技術的發(fā)展研究[J].全球定位系統(tǒng)，2008（ 5）： 27-31.