北斗差分定位技术

北斗局域差分定位技术

刘雅娟

(中国电子科技集团公司第54研究所,河北石家庄050081)

摘 要 针对北斗双星定位系统的有源定位方式,提出了北斗三星无源定位技术,但是北斗三星无源定位的精度不高,难以满足某些用户的要求。为此,借鉴G PS 差分定位,介绍了一种可提高北斗无源定位精度的北斗局域差分技术,包括工作原理、被采用的原因和使用条件等。最后详细阐述了研制北斗无源局域差分定位设备的作用和意义。

关键词 无源定位;差分;差分基准站;北斗局域差分定位中图分类号 P22811 文献标识码 A

Local Area Differential Positioning T echnique of B eidou

LI U Y a 2juan

(The 54th Research Institute o f CETC ,Shijiazhuang H ebei 050081,China )

Abstract C ompared to the active positioning m ode of the Beidou ,a passive positioning technique based on the three geostationary satellites of Beidou is presented.S ince positioning accuracy of the passive positioning technique based on the three geostationary satellites of Beidou can not satis fy the demands of s ome users ,a technique using DG PS positioning and based on the Beidou local area differential positioning that can improve positioning accuracy is presented ,including the principles ,the considerations of choosing this scheme ,and the conditions in use and s o on.Finally ,the effects and significance of developing the equipment with the Beidou local area differential passive positioning are elaborated particularly.

K ey w ords passive positioning ;difference ;differential reference station ;Beidou local area differential positioning

收稿日期:200529220

0 引言

无源快速定位系统受到国内外普遍重视,主要的方法包括长基线和短基线的到达时差定位、多站测向交叉定位、天文测量等。这些方法各有利弊,单独使用都难以保证准确及时和可靠的快速定位。“北斗一号”双星定位系统的建设,提供了自主的定位、通信和授时服务,但限于其有源定位的工作模式和几十m 的定位精度,不能直接应用于某些要求无电磁波静默、定位精度要求高的场合。因此,为了尽可能地满足目前的一些特殊需求,文献[1]提出了一种利用北斗三颗地球同步卫星实现全天候、高精度、快速实时定位的工作模式,解决北斗无源定位问题,但是定位误差很大。

从文献[1]的分析可以知道,北斗三星定位精度取决于2个因素:①伪距测量值的精度,它是由伪距测量过程中各项误差所决定的;②用户与3颗北斗卫星的位置关系。实际上,在北斗三星无源定位中,由星历误差、大气折射误差、地球自转和相对论效应

等引起的误差Δρui ,其数值是很大的;再由于北斗三颗地球同步卫星的位置基本处于一个以地球为圆心

的同一个圆周上,与用户构成的几何位置关系不好,

结果造成陆地用户三星定位误差很大,不能够满足大多数陆地用户要求。因此,如何提高三星无源定位精度就成为一个很值得讨论的问题。

1 何谓北斗局域差分技术

所谓的北斗局域差分技术,就是通过在北斗用户机周围建立北斗差分基准站,得到由星历、大气折射、地球自转和相对论效应等误差源而造成的测距误差,并将之通知北斗用户;北斗用户在测距过程中将之差掉,以提高测距精度,进而达到改善定位精度的技术。

其工作原理是:在“北斗一号”卫星覆盖区域内,在一个位置确知的地方设立一套差分基准站设备,该设备连续接收北斗3颗卫星发播的出站信号,测量卫星至自己的伪距,然后根据已知位置反算出伪

距的改正量即差分信息Δρu1、Δρu2、Δρu3;再借用北

斗一号系统的短消息通信功能,按通信方式将差分信息等有关数据转发出去,如图1所示,经卫星传到地面控制中心站;地面控制中心站再按照出站信号

测控遥感与导航定位

2006年无线电工程第36卷第4期37 

北斗差分定位技术

图1 

北斗差分定位技术

北斗差分改正数传播路径示意图格式对其打包广播给差分基准站附近的用户。每一差分基准站同时接收自身发播的电文和其他差分基准站发播

的差分改正数和完好性信

息,以确定自身的完好性。而差分基准站附近的用户设备对“北斗一号”卫星的出站信号进行伪码测距,获得对两颗北斗卫星的距离观测量;同时提取导航电文中的卫星星历、拆解多个差分基准站发送的的差分改正数、完好性信息;然后经过局域差分数据处理,得到精确的用户位置,获得被测点位置坐标。

2 为何采用北斗局域差分技术

采用北斗局域差分技术主要有以下几方面的原因。

首先,由于高空不均匀地球重力场及太阳、月亮引力对卫星运动的影响,导致卫星位置测算误差,一图2 星历误差造成测距误差的示意图般误差不大,但在太阳黑子激烈活动时,将会产生较大误差,所以卫星的实际位置与其广播的星历之间是有差异的,而此差异又是时时变化的,用户无从确

切知道由此引起的测距误差Raa ′的大小,如图2所示;

其次,北斗上下行出站信号要穿过分布在离地面几十km ~几百km 之间的电离层和分布在离地面十几km 以下的对流层。由于电离层和对流层的折射系数不同于真空中的折射系数,因此电波在它们中的传播路径大于在真空中的传播路径,从而引起附加的信号传播延迟。这种附加的信号传播延迟是不确定的,因为大气中的电离子密度、电离层的厚度及对流层的水汽密度都是时时变化的。所以使用某些模型校正法来修正大气折射的影响是有限度的,精度也较低。而北斗用户也不能够使用对电离层修正效果好的双频修正法来修正电离层的影响,因为北斗不具备象G PS 那样的双频体制。所以北斗无源定位用户无法知道大气折射造成的测距误差的大小。因此,为满足用户无源定位精度要求,为简化设备、减少投资,在三星无源定位设备中,采用了简单实用、效果突出的北斗局域差分技术。

3 北斗局域差分技术的使用环境

值得注意的是,北斗无源局域差分定位是建立在下列条件下的:差分基准站和用户设备须处在一定的区域范围内,这样才能认为在同一时刻两者具有基本相同的测距误差,即两者测距误差是相关的。

实际上,两者所处的位置不同,设备本身也不一样,因此误差不可能完全相同。一般,卫星星历对两者造成的误差基本相同,而大气传播误差只能认为大致相同,而设备噪声和多路径误差等对两者是不同的。也就是说,北斗差分技术只能够消除差分基准站和用户设备的共有误差。在共有误差中,象大气传播误差,只有在2台设备处于同一个位置时才完全相同;随着两者距离的增加,大气折射引起的误差会变成弱相关,用户设备就得不到很好的修正,因此要根据定位精度要求和地理位置的状况,以适当的距离和合适的数量在用户设备周围布置差分基准站。

为了达到更好的差分效果,消弱设备噪声的影响,在研制过程中,要使差分基准站和用户设备在硬件构成上趋于一致,尽量采用噪声系数很小的低噪声场放;尽量提高伪码测距的分辨率。在实际定位测量中,要注意采取适当的措施,消弱多路径误差的影响,具体的方法有:①差分基准站应选择在植被较好的地方,要避免附近有大面积的平静水面;不要选在山坡上;要离开建筑物;②如果天线的安装载体表面比较光滑、平整,可以在天线下面设置的表面粗燥的抑径板,以阻挡反射波。

4 结束语

目前,北斗三星无源局域差分定位设备已经研制

成功。北斗三星无源局域差分定位方式,不但充分挖掘了北斗双星定位系统的系统资源,还提高了北斗双星定位系统的可用性,扩大了其应用场合,在一定程度上达到了类似G PS 的卫星无源定位要求。±

参考文献

[1]刘雅娟.北斗三星无源定位技术[J ].无线电工程,

2006,36(2):36-39.

[2]杨震.G PS 定位网[J ].无线电工程,2004,34(9):63-64.作者简介

刘雅娟 女,(1965-),中国电子科技集团公司第54研究所高级工程师。主要研究方向:导航定位与测控技术。

测控遥感与导航定位

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