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北斗卫星系统实施精密定位导航的核心理论
【摘 要】 我国自主研发并独立运行的北斗卫星导航系统已成为国内打破国外卫星导航产业垄断的关键技术.北斗卫星系统的开发应用中,提升精度增强功能是最为重要的技术研究目标.本文针对北斗的精密定位导航理论,探讨了其中的数据质量分析处理、模糊运算等核心理论,同时了高精度动态相对定位理论应用的可行性,旨在为北斗系统的高精度发展提供一定参考.
【关键词】 北斗卫星系统 精密定位导航 关键技术
北斗卫星导航系统,是我国立足于突破国外卫星导航产业垄断,集中优势资源经自主研发后问世的全球卫星导航系统,技术上已经实现了与其他导航系统的兼容,目前已实现有序组网并独立开通运行.在北斗面向区域或全球推广的过程中,先要正视行业被GPS 所占的被动现状,同时应在各项关键技术与核心理论上加强创新突破,要构建与GPS 存有差别的成熟理论.因此,认真研究北斗系统实施精密定位导航的理论方法,是十分必要和可行的.
一、数据质量分析处理
北斗系统信号主要有载波、测距码以及服务电文三部分,因其具有三种不同频率值的频点,因而在载波与伪距观测量上均有不同表示.北斗精密定位功能的设计中,载波相位正是基本观测量之一.由于载波相位值会随设备故障或信息异常出现周跳偏差,使得定位误差增多,因此有必要加强周跳监视探测和修复,这也成为了解决北斗精密定位能力的关键问题,同时还是开展观测数据质量分析与数据预处理的难点所在.通常,周跳检测可由检验量选取与检测估计两大程序完成.检验量的高低会直观影响周跳探测的分辨率,通过简化检测估计难度可提高检测效果.由于载波相位波长与伪距值相比,前者约占后者的千分之一,因此载波相位的多径与噪声效应相比之伪码均可忽略.若主要分析北斗观测伪距和相位组合后的多径与噪声,就可对北斗系统中单体设备分析伪距测量噪声与多径提供最合理的方案.北斗系统要实施精密定位导航,需要有能准确接受处理信号的接收机,并确保接收机的测量精度够高.要提高接收机的测量性能,就需要加强数据质量分析的载波相位噪声水平的分析.零基线检验法是常规分析接收机载波相位噪声的科学实用方法之一.该法主要借助两台接收机分别独立接入功率分配器后直连一个接收机天线,经半小时数据采集工作后直接处理两台接收机的观测数据,迅速计算接收机不同基线的三维坐标分量值与基线长.利用零基线检验方法能够反应出不同接收机观测值受偶然因素所产生的误差,从而反馈基线观测值与真值差异.利用零基线法进行实践试验后北斗接收机的载波相位噪声可达mm 级观测量,体现出了高精度测量能力.
二、数据模糊运算
北斗卫星独立运行整周模糊度的确定同样是其精密定位导航的核心理论技术,确保模糊度的运算正确性,能够确保卫星的定位精度与效率.一旦模糊度确定,相位观测量等同于处于mm 量级的距离观测量,从而满足精密定位中的cm、mm 量级指标需求.而若模糊度的运算出现错误,则将增大位置误差量,时而卫星信号载波相位的周跳现象更为明显,误差增大.对于其数据的模糊运算正确性,应在确保双差残余误差消除的基础上,通过固体潮或相对论效应误差模型,尽可能消除电离层延迟、对流层延迟等干扰,满足模糊度的精度要求.
三、静态测数处理
北斗卫星系统的定位导航精度提升,应积极开展静态化的观测量数据处理分析.在研究过程中,可以采用BeiDou/GPS 双模接收机等设备,充分掌握其属性与特点,利用GPS功能获得测站坐标数据,然后以此数据来考核验证北斗测定值的定位精度.具体操作中,首先用双模接收机完成北斗相对定位的观测数据记录,并保持相同参数设置,获知设备的即时坐标,通过相关公式求得基线与坐标之间的重复性.
四、动态相对定位
卫星导航系统的动态相对测量技术,来源自载波相位差分技术.丢与相对定位标准模式而言,首先要在基准点设一接收机完成静态测量,并在流动点设一接收机完成动态测量,设备之间完成同步观测后利用差分运算,得出流动点与基准点间的相对位置,即获得精确坐标.动态相对测值可按实时或事后处理方式来决定,若考虑短基线动态测量中未明显出现电离层或对流层延迟以及星历误差,则可快速通过实时的接收机观测来确定模糊度求解运算,只需要考虑观测质量、观测值模型、卫星结构与观察确认准则等因素.而对于当前几十公里的基线则需要利用OTF 算法理论开展事后定位.通常,北斗系统的动态相对定位参数运算会利用Kalman 滤波算法实现.在运算中,要注重观测过程中的卫星数量变化,加强对待估参数变化的滤波情况处理.
结束语：虽然北斗卫星系统在实施定位时与GPS 的原理并无区别,但考虑到期星座构型与广播星历精度等要素的独特性,还应该加强对北斗系统的核心理论与关键技术的研究探讨.相信通过更多的技术研发与改进,北斗必然能够获得更高精度的定位效能.
参 考 文 献
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