北斗系統(tǒng)的導航和定位研究

李璽

【摘 要】隨著科技的不斷進步，北斗系統(tǒng)的導航和定位越來越精確。為了進一步分析北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的定位精度，文章重點分析了影響精度的常見誤差源，并針對各個誤差源給出了提高精度的方法，實測數(shù)據(jù)表明：北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的靜態(tài)定位精度在X、Z方向優(yōu)于2m，Y方向優(yōu)于5m，可以滿足大部分用戶的需求。

【關(guān)鍵詞】北斗系統(tǒng)；導航；定位研究

一、衛(wèi)星可見性分析

分別對一般服務區(qū)域和重點服務區(qū)域24小時內(nèi)平均衛(wèi)星可見數(shù)和某市（30°34′N，114°14′E）24小時內(nèi)的衛(wèi)星可見數(shù)進行仿真。仿真分析配置如下：（1）衛(wèi)星星座構(gòu)成如前言中所述；（2）仿真時間長度設置：1day；（3）仿真步長設置：1min；（4）網(wǎng)格分辨率：1°×1°；（5）衛(wèi)星觀測截止角：15°。結(jié)果如圖1～圖2所示。

從圖中可以看出：（1）系統(tǒng)在一般服務區(qū)域能夠100%滿足平均四顆以上衛(wèi)星可見數(shù)，滿足定位的基本要求，絕大部分區(qū)域的可見星數(shù)到達7顆以上；（2）在重點服務區(qū)域，可見星數(shù)達到至少7顆至多11顆，可獲得較高的定位精度；（3）衛(wèi)星星座對服務區(qū)域內(nèi)中低緯度的中部地區(qū)覆蓋性良好，而對于服務區(qū)域的兩側(cè)和高緯度地區(qū)覆蓋性相對一般；（4）以武漢為觀測點，平均可見數(shù)達到10顆，同時實時可見星數(shù)均能保持在8-13顆，擁有良好的穩(wěn)定性。

二、北斗定位誤差分析

為描述這種定位精度與幾何結(jié)構(gòu)的互動關(guān)系，可引入幾何定位精度系數(shù)。定位精度除了取決于等效距離誤差外，還取決于地面接收機與高空衛(wèi)星的幾何圖形結(jié)構(gòu)。在測距誤差一定的情況下，當觀測點與衛(wèi)星的幾何圖形不同時，定位誤差的大小也不同。幾何精度衰減因子（GDOP）是一個直接影響定位精度、但又獨立于觀測值和其他誤差之外的一個量。而在衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)應用時需要迅速捕獲視角內(nèi)的衛(wèi)星及可見星，而可見星的數(shù)量及空間拓撲結(jié)構(gòu)會影響GDOP值的大小。

對服務區(qū)域內(nèi)GDOP和誤差進行分析。對于可選取衛(wèi)星數(shù)量較多的區(qū)域，使用7顆衛(wèi)星進行仿真分析；對于可選衛(wèi)星數(shù)量較少的區(qū)域，選取不少于4顆衛(wèi)星進行仿真，仿真配置同上一節(jié)。

圖4、圖5分別為系統(tǒng)在一般服務區(qū)域和重點服務區(qū)域24小時平均GDOP分布情況。

從圖4、圖5可以看出，北斗區(qū)域衛(wèi)星導航系統(tǒng)在一般服務區(qū)域平均GDOP值分布在3～7范圍內(nèi)、重點服務區(qū)域分布在4.8～7的范圍內(nèi)，且GDOP值隨觀測點位置變化分布比較均勻，無明顯跳變區(qū)域，說明系統(tǒng)在服務區(qū)域具有良好的定位精度和穩(wěn)定性。

值得注意的是，圖1～圖3中，在低緯度尤其是赤道附近衛(wèi)星可見數(shù)最多，從理論上講相應的GDOP值是最小的，但圖4～圖5的仿真結(jié)果并非如此。事實上，衛(wèi)星可見數(shù)的多少與GDOP值的大小沒有必然的聯(lián)系，不一定成反比關(guān)系變化，GDOP值的大小不僅與衛(wèi)星數(shù)的多少有關(guān)，最主要的是與衛(wèi)星與觀測點構(gòu)成的幾何圖形好壞有關(guān)。

三、結(jié)論

文章以北斗二代衛(wèi)星導航系統(tǒng)星座設計為基礎，建立了北斗區(qū)域衛(wèi)星導航系統(tǒng)的定位模型，對衛(wèi)星可見性、GDOP以及定位誤差做了詳盡的仿真分析，得出了衛(wèi)星可見數(shù)在服務區(qū)域內(nèi)的分布及隨緯度的變化趨勢，精度衰減因子在服務區(qū)域內(nèi)的分布情況以及系統(tǒng)在武漢地區(qū)的衛(wèi)星可見數(shù)、GDOP和定位誤差。文章同時對星座計劃改進前后，系統(tǒng)服務區(qū)域內(nèi)西部地區(qū)的定位性能進行了分析。結(jié)果表明：（1）系統(tǒng)在整個服務區(qū)域均滿足4顆以上衛(wèi)星可見數(shù)，重點服務區(qū)域可見數(shù)達到7～11顆，可見性與覆蓋性良好。（2）一般服務區(qū)域GDOP值分布在范圍3～7，重點服務區(qū)域4.8～7，參照GDOP等級分布均達到良好以上，且隨時間、位置變化較穩(wěn)定。（3）以武漢地區(qū)為例，系統(tǒng)在三個坐標方向的誤差范圍分別為10m、40m、15m，定位誤差范圍為15m，鐘差不大于100ns，基本到達預期指標。

四、結(jié)語

北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)是我國自主研發(fā)、獨立運行的衛(wèi)星導航系統(tǒng)，是全球四大衛(wèi)星導航系統(tǒng)之一，是我國重大空間和信息化基礎設施，也是我國國民經(jīng)濟穩(wěn)定安全運行的重要保障。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，衛(wèi)星導航與定位技術(shù)取得了巨大的進步，已經(jīng)成為當今世界高技術(shù)群中對現(xiàn)代社會最具影響力的技術(shù)之一，并且已然滲透到國民經(jīng)濟的各個領域。因此，未來衛(wèi)星導航與定位技術(shù)將進入以保障地球系統(tǒng)環(huán)境安全、發(fā)展戰(zhàn)略性新興空間信息產(chǎn)業(yè)、探索地球系統(tǒng)的新階段。

參考文獻

[1] 周巍.北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)精密定位理論方法研究與實現(xiàn)[D].鄭州：解放軍信息工程大學，2013.

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