...力测控系统及其精度改进发方法

刘玉军+张行知+赵萌

[摘 要]北斗系统作为我国自行研制的全球卫星导航系统，是联合国卫星导航委员会已认定的定位系统。北斗系统具有广泛的应用背景，但不同使用背景下对定位精度的要求不同需要的系统复杂度也不同。本文针对北斗的主要定位原理及方式，对有源定位、无源定位的测距误差进行分析，并对差分修正、伪基站修正方法进行比较并分析了其场合实用性，为北斗在不同领域的应用提供理论依据。

[关键词]北斗；定位误差； 差分修正；伪卫星

中图分类号：P228.1 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）25-0138-01

1 引言

中国北斗卫星导航系统（BeiDou Navigation Satellite System，BDS）是中国自行研制的全球卫星导航系统。是继美国全球定位系统（GPS）、俄罗斯格洛纳斯卫星导航系统（GLONASS）之后第三个成熟的卫星导航系统。北斗卫星导航系统（BDS）和美国GPS、俄罗斯GLONASS、欧盟GALILEO，是联合国卫星导航委员会已认定的定位系统。

目前北斗卫星导航系统已经广泛应用于地质调查、测绘、交通、海洋渔业、减灾救灾等多个领域，并产生了显著的经济和社会效益。其中北斗一号卫星导航系统覆盖了中国及周边国家和地区，不仅可为中国也可为周边国家服务；北斗二号将覆盖全球，逐渐发展成为具有全球导航能力的卫星定位系统[1]。

虽然北斗事业在近年来得到迅猛发展，但受目前卫星数量及几何精度衰减因子（GDOP）的影响。采用纯粹的卫星定位算法，其定位精度只能达到10m左右。针对不同的应用背景，可采用不同的北斗卫星体制及误差修正方法，本文针对北斗的主要定位原理及方式，对有源定位、无源定位的测距误差进行分析，并对差分修正、伪基站修正方法进行比较，浅析如何在实际应用场景中选择合适的北斗应用机制。

2 北斗定位原理

北斗卫星系统分为北斗一号及北斗二号系统，其定位方式又分为有源定位及无源定位，下面分别就这两种定位方式进行进行论述及比较。

2.1 北斗一号定位方式

北斗一号卫星导航系统的定位是基于三球相交原理。即分别以地心和1号、2号工作卫星3个点为球心，以用户机至这3个点的距离（R1、R2、R3）为半径，形成3个相交的球面，3个球面的公共交点有两个（P1、P2），排除位于南半球的另一个交点P2，由已知的3个球心位置和半径可以求解出用户机P1点唯一的三维位置信息。在实际计算中，用户机至地心的距离R1由用户机内高度表测出的用户机至地表的高度H加上用户机对应地面点的高程R替代（即：R1=H+R），用户机至1号、2号工作卫星的距离R2、R3可由信号传递时间乘以光速计算获取，两颗工作卫星的位置可由测轨站精确测出。

R1为用户机至地心的距离，R2为用户机至1号卫星的距离，R3为用户机至2号卫星的距离，R为用户机至地面的高程，H为高度表测出的用户机至地表的高度。

北斗一号导航系统的优点是定位只需要两颗卫星。但北斗双星定位系统是一种主动式双向测距的有源定位（应答式）系统：定位一般由用户机向中心站发出请求。中心站对其响应，解算出用户三维定位数据后再将位置信息发射出去由该用户获取，用户机自身无定位能力，处于被动地位。

这种工作特点带来了以下几方面的应用问题[2]：①用户定位的同时失去了无线电隐蔽性，存在着用户位置容易暴露的缺点，这在军事上相当不利的，会使使用北斗一号有源定位的用户有被暴露出来的危险；②用户数量有限，限制了定位信息的更新频度，不能满足高动态用户的定位需要；③定位数据实时性差，对于高速用户等效于加大了的定位误差；④北斗一号有源定位功能要依赖数字地图，在制作精确数字地图有困难的地区定位误差会增大。这些问题限制了北斗双星定位系统的应用范围。

2.2 北斗二号定位方式

北斗二号卫星系统是中国开发的独立的全球卫星定位系统，并不是北斗一号功能的简单延伸，而更类似于全球定位系统和伽利略系统。第二代北斗导航定位卫星在高度为21500km的中圆轨道运行，标志着中国自行研制的北斗卫星导航系统进入新的实际应用发展建设阶段。其定位原理与GPS类似。

3 北斗误差修正处理

现实中采用的北斗误差修正处理算法主要包括两种：差分修正和伪卫星修正，本节将对其进行分析比较。

3.1 伪距差分原理

伪距差分是使用最为广泛的差分技术之一。地面校准基站坐标已经精确测量，通过校准基站接收机对北斗卫星信号进行测量，比较星站距与测量伪距的差值作为伪距修正量，然后将其播发给位于差分服务范围内的用户接收机，从而就实现了消除公共误差的目的[4]。

伪距差分能将测距误差降低到米级以内，但建立差分北斗校准基站需要较高的成本且基站覆盖范围受限，因此校准基站的建立与维护一般由大公司运营，普通用户想要利用该差分校正信息需要运营公司交费或购买这些公司的指定设备。用差分修正技术的另一种手段是基于单差或双/多差分的修正手段。

3.2 伪卫星系统原理[3]

伪卫星，实际上是一个发射与真卫星测距导航信号（与北斗卫星信号同步）类似的地面站，位置是精确测量的，它类似导航卫星，所以加入了伪卫星的导航系统定位原理与普通的四星定位原理基本相同。在GDOP 值较大区域或某一卫星出现故障时，伪卫星可代替该卫星来改善 GDOP，提高导航精度。

在地面合适位置上安置伪卫星基站，伪卫星站通过授时技术与北斗卫星精确时间同步后，按类似于北斗卫星的信号格式发射导航信号，用户接收机同时接收北斗卫星和伪卫星信号并进行定位解算。然而时间同步是实现伪卫星站正常工作的前提，因此必须提供一套完整可靠的时统系统。伪卫星站由高稳定度恒温晶振（频率准确度小于10-9产生系统基准时钟，通过北斗卫星系统对该时钟进行对时。北斗授时机输出 1pps脉冲信号，伪卫星站原子钟亦输出1pps 脉冲信号，两信号同时输入到数据处理系统进行比对，测量出时间间隔，得到输出原子钟相位调整控制量，然后对伪卫星站原子钟进行调整，即可实现伪卫星主站时钟与北斗系统的时钟同步。

4 总结

本文就北斗一号及北斗二号的定位原理进行描述，总结北斗终端伪距定位的误差源及误差大小。在此基础上介绍了常用的北斗误差修正方法：伪距差分修正及伪卫星修正方法。

实际应用中对于公共交通等领域可结合地图信息采用单站直接空间解算的办法实现精度较低的定位，或利用单差方式辅助提高精度。对于飞机着陆、地质勘探等等领域可采用地面站校准或伪基站的方式进行误差修正以满足高精度要求。

参考文献

[1] 陈军.北斗卫星导航定位系统应用综述[C].第九届全国信号和智能信息处理与应用学术会议专刊，2015：115-118.

[2] 刘雅娟.北斗三星无源定位技术[J].测控遥感与导航定位，2006，36（2）：36-38.

[3] 邓中亮.基于北斗的新型区域差分增强系统的研究[C].第六届中国卫星导航学术年会论文集：2015：95-100.

[4] 测控技术.北斗二代差分着陆系统引导定位精度研究[J].测控技术， 2015，34：297-300.