应用北斗卫星实际数据的定位性能分析

刘春晓

摘 要：该文通过收集北斗导航卫星的实际数据，计算北斗系统卫星一个轨道周期内的卫星位置，并分析北斗卫星在亚太地区不同纬度情况下的可视情况。结果表明，北斗卫星的利用率在亚太地区比GPS卫星更好。

关键词：北斗 导航卫星 定位性能 精度

中图分类号：P228 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）07（b）-0000-00

北斗卫星导航系统（以下简称“北斗系统”）是我国自主研制的卫星导航定位系统。北斗一代（BeiDou-1）是一种区域有源卫星导航系统，覆盖范围为中国境内及周边部分国家。继Beidou-1卫星导航系统之后，我国正在建设具有全球覆盖能力的无源卫星导航定位系统即北斗系统（BeiDou navigation satellite system，BDS）。北斗系统不但具有导航定位和授时能力，还能提供其它卫星定位系统不能提供的服务（通信服务）。北斗系统的建立过程可以分为两个阶段：第一阶段，到2012年底，实现亚太地区的无源定位能力；第二阶段，到2020年底，实现全球无源定位能力。到2012年10月25日为止，北斗系统已成功发射了5颗地球同步静止轨道卫星（GEO），5颗倾斜地球同步轨道（IGSO）卫星和4颗中圆地球轨道（MEO）卫星，能为亚太地区提供区域无源定位服务，随着更多MEO卫星的成功发射，北斗系统将具备为全球提供无源导航定位服务的能力。

不同于美国全球定位系统（GPS）及俄国格洛纳斯卫星导航系统

（GLONASS）星座由单一的MEO卫星组成，北斗系统星座不但包含了MEO卫星，同时还有GEO卫星和IGSO卫星。

GEO卫星周期和地球自转周期一样，并且GEO卫星轨道面和地球赤道面重合，相对地球静止不动。IGSO卫星的轨道高度和GEO卫星的轨道高度一样，但是和地球赤道面形成55°夹角。

IGSO卫星轨道周期和地球自转周期一样。相对于地球上的观测者，IGSO卫星的轨迹形似“8”字。由于北斗系统星座与其它卫星导航定位系统有很大的区别，所以很有必要对其进行分析。

1北斗系统导航卫星在不同纬度下的可视分析

过去有诸多学者对北斗系统的星座进行过分析，但大多基于仿真数据。如利用仿真数据分析北斗系统星座，探讨北斗系统星座在不同区域的可视性。本文分别以北京和近赤道地区为例计算卫星的天空视图，结果显示，在亚太低纬度地区，BDS的GEO和IGSO卫星全部在视野以内。在高纬度地区（北京），GEO卫星全部在视野以内，且全部分布在观测者视野的南半部分，IGSO卫星会在某些时刻运行到视野以外。

为了更加客观地分析北斗系统的特点，收集了一个轨道周期的北斗系统广播星历数据（日期为2012年5月29日）。其计算结果表明在亚太地区赤道附近，所有的GEO与IGSO卫星都可视，并且GEO卫星分布在东西方向的正上空。IGSO卫星在整个轨道周期都可跟踪到，并且卫星高度角在整个轨道周期内大于22.5°。在亚太高纬度地区（北京），GEO卫星分布在观测者视角的南半部分，

IGSO卫星部分时刻会运行出视野以外，但大部分时候，IGSO卫星相对于地球上高纬度地区观测者可视。和GPS、GLONASS等卫星导航系统比较起来，对于亚太地区的观测者，北斗系统卫星星座具有更加高效的利用率。

2北斗系统相对静态定位精度性能分析

目前为止，北斗系统已经能为亚太地区提供无源定位服务。为验证北斗系统相对静态定位精度，在北京地区利用两台BDS/GPS接收机收集了6期（每期观测时长为20min）静态数据，接收机的采样频率设置为1HZ，基线长度约633m，为了降低多路径的影响，卫星截止高度角设为15°。周跳的探测与修复是利用相位观测值进行高精度测量的必要步骤。基于组合观测值的周跳探测与修复方法和GIPSY软件中使用的Turbo edit方法不能探测出当L1载波和L2载波存在相同大小周跳的情况。采用基于MWWL组合观测值和总电子含量变化速率技术探测与修复北斗系统和GPS相位观测值周跳。这种周跳探测方法能够精确探测与修复载波相位观测值上的小周跳。利用双差相位观测值组成观测方程，可估计出位置参数与整周模糊度浮点解，并用最小二乘降相关分解法方法进行整周模糊度的固定，回代观测方程，可估计出高精度的基线向量，结果见图1。

图1结果表明，单独利用北斗系统和GPS进行基线估计，两者的精度相当。我国北斗系统已经具有为亚太地区测绘及相关部门提供高精度的定位服务能力。

图1单独利用北斗系统和GPS系统估计的基线长度对比

3北斗系统实时高精度动态定位精度性能分析

GPS已广泛应用于实时高精度动态定位领域，为大坝、桥梁等大型工程提供安全监测提供技术手段。利用单历元算法“实时”分别处理15min北斗系统和GPS观测值，得到三个坐标轴方向误差的时变序列（见图2）。在X轴与Y轴方向上，GPS误差小于北斗系统。Z轴方向上，北斗系统与GPS误差相当。

图2利用单历元算法“实时”估计北斗系统与GPS基线精度对比

4结语

在近赤道地区，所有北斗系统的GEO和IGSO卫星在整个轨道周期内都为可视；在高纬度地区，GEO卫星在整周轨道周期内可视，IGSO卫星在大部分的轨道周期内都可以被高纬度地区北斗系统接收机跟踪到。分别以6期（每期20min）北斗系统和GPS静态观测值计算基线，两者的精度相当，最大偏差不超过4mm。利用单历元算法“实时”计算每个历元的位置变化量，在X轴和Y轴方向上，北斗系统的精度比GPS稍差，在Z轴方向上，北斗系统的精度和GPS相当。同时，X轴和Y轴上出现的较大的误差并没有一种随机性，随着北斗系统的建立和完善，这种误差一定能够得到有效的去除和削弱。

参考文献

[1]刘路沙.北斗卫星为神州导航[J].中国测绘，2010（4）：34-35.

[2]赵静，曹冲.GNSS 系统及其技术的发展研究[J].全球定位系统，2008（ 5）： 27-31.