北斗卫星导航系统的精密定轨与定位研究

发表时间：2020-11-02T11:31:34.890Z 来源：《基层建设》2020年第18期 作者： 李铁

[导读] 摘要：在卫星数量有限的情况下，获取导航卫星的精确轨道和时钟差是提高卫星导航系统精确定位服务能力的关键。 身份证号码：13092119911013XXXX

摘要：在卫星数量有限的情况下，获取导航卫星的精确轨道和时钟差是提高卫星导航系统精确定位服务能力的关键。多模块数据融合是确定新卫星导航系统精确轨道和时钟差参数的有效方法，可以充分利用现有导航系统的精确时空基准。 关键词：北斗卫星导航系统；PANDA；精密定轨；北斗差分；

为了实现北斗系统的高精度应用，需要获取卫星精密轨道和卫星精密时钟差产品。针对北斗卫星精密定轨和精密钟差的确定，研究了定轨中各种摄动误差修正方法，以提高定轨精度，并进一步分析了北斗精密定位的能力。实验结果对现阶段北斗导航卫星系统的服务能力具有一定的参考价值。

一、北斗卫星精密定轨和精密单点定位

北斗/GPS双模观测数据。跟踪站网络将同时观测两个不同系统的北斗/GPS观测。因此，将充分利用GPS数据对地面站进行精确定位和时间同步，进而对北斗卫星进行精确定轨。北斗卫星的精确定轨策略如下：首先，计算地面站的坐标、钟差和天顶对流层延迟ZTD参数；第二步是固定地面接收机的时钟差和ZTD参数，同时求解6颗北斗卫星的初始位置、卫星时钟差和9个光压力参数。另外，投注跟踪网络接收机同时接收GPS和北斗卫星信号，导致接收机在接收两种不同系统的信号时出现时间偏差。由于接收机时钟差是通过GPS卫星观测来计算的，确定接收机时钟差后计算北斗卫星轨道需要估算各站的卫星系统时间偏差。处理 2013年8月1日至8月10日，（年积日244到253 d）的实测数据，以三天的测量数据的计算段北斗卫星精密轨道确定和计算段首尾重叠部分（24小时）轨道不同形式1周轨道差值（年积日245到251h），北斗系统工作时卫星（C01、C04 C06 C07和C08）重叠不同统计准确性如图1和图2所示。

图1北斗卫星径向重叠精度

图1给出了各重叠弧下工作卫星的径向重叠精度，从图中可以看出径向重叠精度可达10 cm量级，与当前伽利略试验卫星的重叠弧精度基本一致。IGSO卫星（C06、C07、C08）高于GEO卫星（C01、C04），这主要是由GEO卫星的静止几何特性造成的。

图2 C06卫星重叠精度

图2为C06卫星各方向重叠精度。从图中可以看出，C06各个方向的重叠精度可以达到10-20 cm的精度。实现了当前伽利略测试卫星重叠弧的精度。为了分析北斗卫星系统的高精度定位功能，同时测试基于PANDA软件的北斗卫星精密轨道和时钟差产品，开展了基于北斗卫星系统的精密点定位（PPP）应用研究。精度单点定位实验选取2011年9月1日至2011年9月5日（共244-248 d）在BETS网络中的实测数据。以一天24小时为计算弧，对投注网络跟踪站进行静态精度单点定位。估算的参数包括跟站坐标（以伪距离定位坐标为先验值，限制为20

m）、接收机时钟差、对流层参数等。固定北斗卫星精密轨道和时钟误差是PANDA获取的北斗卫星精密轨道和时钟误差产品。通过投注网双模式跟站的GPS观测数据，可以获得其高精度坐标，直接对比其高精度GPS定位点位置坐标，可以评估北斗精密单点定位精度。可以看出，静态精密单点定位单独使用北斗卫星系统在飞机上可以达到5厘米的准确性和10厘米的高度，和统计均方根可以达到2厘米的准确性在飞机上和7厘米高度。验证了北斗卫星系统实现高精度定位导航的能力。为了分析不同导航系统之间的可能的系统错误（北斗和GPS），CHDU站不参与参数估计和使用精确的轨道和北斗卫星钟差计算其他电台进行精密单点定位的CHDU站在北斗卫星精密定轨。连续五天的定位结果如下图3所示。

图3 CHDU站精密单点定位精度

从图3可以看出，虽然站点没有参与精确轨道计算，但其定位精度可以达到平面精度2cm，高程5cm。同时，图中还显示了不同导航系统（北斗和GPS）在导航定位终端中可能出现的系统误差，这些误差可能是由卫星的几何构型和频率差异造成的。但总体而言，可以利用密集的地面参考站获取北斗导航卫星系统高精度的轨道和时钟误差参数，为用户提供广域精确的单点定位服务。 二、北斗卫星导航系统高精度相对定位

1.短基线精度相对定位。目前，相对定位仍是亚毫米/毫米坐标计算的主要方法。基于北斗卫星观测实验网络，选取长度约为436 m的短

基线进行北斗基线测量实验。利用GPS数据处理软件TGO对GPS数据进行求解，得到基线的参考坐标。严格可靠的北斗/GPS数据预处理是获得高精度融合北斗/GPS基线计算的前提。采用所提出的自动周跳检测与修复方法进行数据预处理，可以检测出一周的小周跳。在参数计算方面，基于MLAMBDA模糊度的方法比常用的LAMBDA方法更有效。最后，对GPS、北斗以及北斗/GPS融合的基线计算结果进行统计分析。表1是静态与动态模式下的2013年5月19日~2011年5月25日（年积日170到176 d）连续一周平均结果，各模式（GPS、北斗、GPS+北斗融合）基线分量均以商业软件TGO处理的基线为参考。 表1 GPS和北斗基线解算结果统计表 使用PANDA软件计算GPS基线组件的静态模式和商业软件TGO处理参考基线非常接近（东、北、垂直方向分别为：-0.80，1.60 - 1.20毫米），分别使用基线的北斗数据采集精度达到毫米级，但计算精度与GPS略低（东，北方向和垂直方向，分别为6.20，0.70，5.00毫米-），有明显的系统误差，系统误差可能原因是接收机天线相位中心误差引起的。由表1还可以看出，PANDA软件分别计算的GPS动态基线东向平均精度为9.10mm，北向平均精度为7.40mm，高程平均精度为16.70mm。由于北斗卫星数量少、星座构型不均匀等原因，北斗动态计算精度较低（东向、北向、高程平方分别为：4.50、13.40、31.90mm）。北斗/ GPS集成而言，静态基线的解决方案是与单一的GPS系统效果不明显（表1），和动态模式在北斗/ GPS数据融合可以提高基线解的精度，天基线精度计算时间，与单独的GPS基线相比，东、北方向，垂直方向分别增加了33.3%，28.6%，29.4%，大尺度增强精度的主要原因在于观测数据冗余度的提高和观测几何结构的增强。 图4为2013年产品日171d GPS与GPS+北斗融合动态基线处理结果。 图4年积日171 d的动态基线解算结果 从图中可以看出，GPS动态基线解在dE、dN、dU方向的精度分别为0.6、0.5、1.4cm，GPS+北斗在dE、dN、dU方向的精度分别为0.3、0.4、1.0cm。对北斗数据的整合显著改善了这一时期的动态结果，特别是高程方向精度从1.4 cm提高到1.0 cm。 2.北斗伪距离和相位差分定位。GPS差分定位由于消除或弱化了卫星导航定位中接收机时钟差、卫星时钟差等各种误差，且载波模糊度经过二次误差后为整数而得到广泛应用。伪距离差定位的精度一般为米电平，只能用于导航或其他精度要求不高的应用中。实时载波差相精度可达厘米级，一般用于制图等高精度应用中。为了测试当前北斗导航系统的准确性和可用性，我们使用了两个测试数据进行分析。（1）城区（20- 30km）伪距离差分和相位差分定位。本实验利用武汉区域测试网的参考站数据进行差分定位测试。定位方式分为实时和后计算两种，计算坐标以GPS RTK结果（平面精度为3cm，高程为5cm）作为参考。（2）跨省区（240公里）伪距离差分定位实验。本次测试的基准站位于武汉大学，移动站位于车内。将车载移动站数据和基准站数据分解为伪距离差和单点定位，与GPS精密单点定位和INS（精度为0.2m）组合结果进行对比，测试结果平面精度为2.53m，高程精度为2.86m。误差分布如图5所示。 图5伪距差分和单点定位精度分布统计 从上面的测试和定位结果可以看出，基于现有北斗导航系统的伪距离差定位精度比北斗伪距离单点定位有了很大的提高。北斗伪距差的平面精度优于2 m，高程精度优于4 m，普通GPS系统的导航精度优于4到20 m。在北斗区域系统建设初期，在各种误差无法很好消除的情况下，伪距离和相位差技术是提高北斗导航用户和精确定位用户导航定位精度的有效手段。 总之，通过对地面参考站网的增强，北斗导航系统可以实现比我国普通GPS更高的导航定位精度。因此，充分利用我国卫星导航地面参考站资源，建立北斗卫星导航系统地基增强服务体系具有重要的战略意义。 参考文献： [1]李平，刘劲松．北斗卫星导航系统的精密定轨与定位分析.2018. [2]赵秀梅．王宏宇，浅谈北斗卫星导航系统的精密定轨与定位研究.2019.