摘要：随着北斗卫星导航系统的建设与发展，致力于为全球用户提供稳定、可靠、优质的卫星导航服务，推动全球卫星导航事业在民航的发展。介绍了卫星导航系统的定位误差，以及影响定位精度的主要因素，通过与作为真值数据的ＧＰＳ／ＩＮＳ组合导航定位数据进行比较，对不同海拔地区动态测试点定位精度进行分析。对高海拔山脉地区和低海拔平原地区，仿真分析了实测数据下精度因子与可见星数目的占比分布，并统计分析了两种海拔地区的动态定位测试精度。分析结果表明：北斗卫星导航系统在低海拔平原地区和高海拔山脉地区均可以提供实时导航定位服务，并可解算出卫星系统的动态定位精度，且定位结果均符合《北斗卫星导航系统公开服务性能规范》标准，满足用户的定位要求。
关键词：北斗卫星导航系统；动态定位；定位精度；组合导航系统
北斗卫星导航系统是我国正在实施的自主发展，独立运作的全球卫星导航系统，目前已具备亚太区域导航服务能力。基于载波相位观测量的定位解算可以获得较高的精度，但是这涉及到整周模糊度的确定和处理，实时性较差。针对交通运输等需要实时提供导航定位服务的用户来说，更关心的是基于伪距的单点定位的精度，但是伪距单点定位的精度受卫星轨道、卫星钟差、电离层及对流层误差等因素的影响。北斗导航系统是由三种处于不同轨道高度的异质卫星组成的混合星座导航系统，由于卫星测距精度与卫星星历相关，而不同轨道上的轨道误差对卫星星历又会产生不同的影响，因此，在分析和评估北斗卫星导航系统单点定位精度时，必须考虑不同轨道卫星测距精度的差异影响。
1.北斗卫星导航系统精度指标的概念
1.1北斗卫星导航系统精度指标体系
北斗卫星系统精度指标体系与GPSSPS和PPS标准中规定的精度指标体系一致。北斗卫星导航系统精度指标体系可以划分为空间信号精度指标和服务精度指标。空间信号精度指标包括URE及其1阶导数URRE、2阶导数UARE和协调世界时偏差误差UTCOE，其中，URE是空间信号精度指标的重要组成部分，定义了由导航卫星播发的广播星历误差和广播钟差参数误差在平均用户测距方向上的投影。服务精度指标定义了在系统服务区内用户使用导航系统进行定位、测速和授时所达到的精度，其中，系统服务区是指55?S–55?N、70?E–150?E范围内的大部分区域，如图1所示。在系统服务区内，URE在95%的置信度内优于2。5m，用户高程方向和水平方向定位精度在95%的置信度内分别优于10m。
图1北斗卫星导航系统服务区
到2020年，建成由五颗地球静止轨道和30颗地球非静止轨道卫星组网而成的全球卫星导航系统，其空间段采用三种轨道卫星组成的混合星座，抗遮挡能力强;在导航信号上可以提供多频信号，通过信号组合提高服务精度。实现全球范围内的无盲区导航。定位精度达到2.5～5米;测速精度为0.2米/秒;授时精度为20纳秒;短报文字数也得到增加。随着“北斗”系统的不断完善，今后还将提供至厘米级的服务。届时，其精度将与美国GPS系统不分伯仲。
1.2北斗卫星导航系统动态定位误差分析
北斗卫星导航系统由空间部分，地面控制管理部分和用户终端部分组成，针对于接收机来说，引起北斗定位误差的来源主要有系统误差，传播延迟，接收机的固有误差。系统误差，包括卫星星历误差、卫星钟差及卫星设备延迟等误差；传播延迟，包括信号传播延迟、载波相位周跳和多径误差；接收机固有误差，包括观测噪声、接收机钟差及设备延迟误差。
2.影响定位精度的主要因素
卫星几何分布是影响北斗卫星导航系统定位精度的主要因素，通常用几何精度衰减因子ＧDOP来表示。北斗系统定位误差与精度因子DOP的大小成正比。即在相同的测量误差条件下，DOP值越小，定位误差越小。各个DOP值可从权系数阵Ｈ获得，而决定权系数阵的几何矩阵Ｇ只与可见卫星的几何分布情况有关。
其中
可见卫星的几何分布有着较小的DOP值，则它将有一个较好的卫星几何分布，定位精度也就随之越高。观测卫星在空间的分布范围越大，GDOP值越小，测量精度越高；反之，观测卫星在空间的分布范围越小，则GDOP值越大。测量精度越大。因此，可以参照GDOP值的大小来决定观测效果的好坏。
3.计算与分析
在利用自编软件进行导航解算时，采用前面叙述的加权定位方法，并采用Kalman滤波建立P－V－A模型进行导航解算。在时间段一内:图1中给出了车辆测试过程中可视北斗导航卫星的个数及对应的PDOP值及东、北、天三个方向的误差趋势图。
图2可视卫星数与PDOP对应关系及位置误差曲线图
在时间段三内:图3给出了车辆测试过程中可视北斗导航卫星的个数及对应的PDOP值及东、北、天三个方向的误差趋势。表1给出了利用自编软件与接收机内部软件在三个测试时间段内定位误差对应的最大值和均方根。
表1不同时间段内对应的误差值
可视卫星数对PDOP值影响较大，当可视卫星数变化时，PDOP值也随之变化；当PDOP值发生跳变时，定位精度随着变化；在东向上定位精度明显优于北向和天向方向，而北向定位精度又好于天向方向；在三个测试时间段内，东向最大误差为4.79m，北向最大误差为6.03m，天向最大误差为10.98m；在第一个测试时间段内，可视卫星数变化较为频繁，导致定位精度出现较大的跳变，但总体趋势仍处于平稳状态；对测试结果进行统计分析发现，基于95%的统计模型下，水平定位精度在5m以下，高程方向也优于10m，可以满足交通等用。在整个测试过程中，我们发现利用自编软件得到的导航结果整体优于北斗接收机利用内部软件解算得到的结果，这说明了采用加权定位算法的优越性和可靠性。
针对某些跳变结果，下一步将采用抗差滤波、自适应滤波等算法进行导航定位解算，以得到更加平滑的导航定位结果。由于设备等原因，目前仅对单频B3数据进行处理，而B1B3双频数据的导航结果预计会好于B3单频的。
4.定位精度比较
北斗系统服务性能规范约定，导航用户的水平定位精度优于10m，高程定位精度优于10m。利用MGEX测站可以比较评估单GPS系统和单北斗系统的定位精度。兼容互操作是卫星导航系统的重要发展方向。多星座卫星导航系统可以减小定位精度因子，减弱某单一卫星系统出现重大故障带来的隐患，提高导航的可用性和完好性.进行GPS系统和北斗系统组合定位，可以评估其对单系统定位的精度提升.组合定位处理时，除测站位置外，还解算北斗系统接收机钟差和GPS系统接收机钟差.表4为亚太地区10个MGEX测站GPS单系统、北斗单系统和GPS/北斗组合双系统定位结果比较，表中N为地平坐标系的北向，E为地平坐标系的东向，U为地平坐标系的高程方向。这10个MGEX测站分别为:JFNG站(30?N，114?E)、GMSD站(31?N，131?E)、CUT0站(32?S，114?E)、KRGG站(49?S，70?E)、MCHL站(26?S，148?E)、MRO1站(26?S，116?E)、NRMG站(22?S，166?E)、PTVL站(18?S，168?E)、PERT站(32?S，116?E)以及YAR2站(29?S，115?E)。
受目前北斗导航卫星空间信号精度和卫星几何分布情况影响，单北斗系统定位精度目前仍差于单GPS系统。但是导航用户组合定位精度明显好于单一系统定位精度。
结论
与国外成熟的卫星导航系统相比，“北斗”系统起步晚，系统及终端建设还处于发展过程之中，目前在实际使用过程中会出现部分地区卫星信号不稳定、终端设备操控性欠佳等问题。应该看到，当前存在的这些问题是新产业发展的必经阶段，随着组网的日趋完善和终端设备性能的不断提升，这些问题终将得到解决。无论是高海拔山脉地区还是低海拔平原地区，均可实现自主定位，定位结果均可满足用户的定位需求。随着北斗导航系统由区域向全球的不断发展，可见卫星数会增多，空间星座结构的布局会不断完善，改善区域导航的定位精度。
参考文献
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论文作者:王锐成
论文发表刊物:《科技新时代》2019年5期
论文发表时间:2019/7/22
标签：精度论文; 北斗论文; 误差论文; 导航系统论文; 系统论文; 接收机论文; 组合论文; 《科技新时代》2019年5期论文;