唐 旭，何秀鳳

（河海大學(xué) 衛(wèi)星及空間信息應(yīng)用研究所，南京 210098）

1 引言

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng) （以下簡(jiǎn)稱(chēng) “北斗系統(tǒng)”）是我國(guó)自主研制的衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)。北斗一代（BeiDou－1）是一種區(qū)域有源衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，覆蓋范圍為中國(guó)境內(nèi)及周邊部分國(guó)家。繼BeiDou－1衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)之后，我國(guó)正在建設(shè)具有全球覆蓋能力的無(wú)源衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)即北斗系統(tǒng) （BeiDou navigation satellite system，BDS）。北斗系統(tǒng)不但具有導(dǎo)航定位和授時(shí)能力，還能提供其它衛(wèi)星定位系統(tǒng)不能提供的服務(wù) （通信服務(wù)）。北斗系統(tǒng)的建立過(guò)程可以分為兩個(gè)階段：第一階段，到2012年底，實(shí)現(xiàn)亞太地區(qū)的無(wú)源定位能力 （圖1）；第二階段，到2020年底，實(shí)現(xiàn)全球無(wú)源定位能力［1-5］。到2012年10月25日為止，北斗系統(tǒng)已成功發(fā)射了5顆地球同步靜止軌道 （geostationary earth orbit，GEO）衛(wèi)星，5顆傾斜地球同步軌道（inclined geosynchronous satellite orbit，IGSO）衛(wèi)星和4顆中圓地球軌道 （medium earth orbit，MEO）衛(wèi)星，能為亞太地區(qū)提供區(qū)域無(wú)源定位服務(wù)，隨著更多MEO衛(wèi)星的成功發(fā)射，北斗系統(tǒng)將具備為全球提供無(wú)源導(dǎo)航定位服務(wù)的能力。

圖1 北斗系統(tǒng)衛(wèi)星運(yùn)行軌跡（2012年底，北斗系統(tǒng)第一階段星座）

不同于美國(guó)全球定位系統(tǒng) （global positioning system，GPS）及俄國(guó)格洛納斯衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（global navigation satellite system，GLONASS）星座由單一的MEO衛(wèi)星組成，北斗系統(tǒng)星座不但包含了MEO衛(wèi)星，同時(shí)還有GEO衛(wèi)星和IGSO衛(wèi)星。GEO衛(wèi)星周期和地球自轉(zhuǎn)周期一樣，并且GEO衛(wèi)星軌道面和地球赤道面重合，相對(duì)地球靜止不動(dòng)。IGSO衛(wèi)星的軌道高度和GEO衛(wèi)星的軌道高度一樣，但是和地球赤道面形成55°夾角。IGSO衛(wèi)星軌道周期和地球自轉(zhuǎn)周期一樣。相對(duì)于地球上的觀測(cè)者，IGSO衛(wèi)星的軌跡形似 “8”字。

由于北斗系統(tǒng)星座與其它衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)有很大的區(qū)別，所以很有必要對(duì)其進(jìn)行分析。

2 北斗系統(tǒng)導(dǎo)航衛(wèi)星在不同緯度下的可視分析

過(guò)去有諸多學(xué)者對(duì)北斗系統(tǒng)的星座進(jìn)行過(guò)分析，但大多基于仿真數(shù)據(jù)。文獻(xiàn) ［6］利用仿真數(shù)據(jù)分析北斗系統(tǒng)星座，探討北斗系統(tǒng)星座在不同區(qū)域的可視性。本文分別以北京和近赤道地區(qū)為例計(jì)算衛(wèi)星的天空視圖，結(jié)果顯示，在亞太低緯度地區(qū)，BDS的GEO和IGSO衛(wèi)星全部在視野以內(nèi)。在高緯度地區(qū) （北京），GEO衛(wèi)星全部在視野以內(nèi)，且全部分布在觀測(cè)者視野的南半部分，IGSO衛(wèi)星會(huì)在某些時(shí)刻運(yùn)行到視野以外。

圖2 近赤道地區(qū)GEO和IGSO衛(wèi)星視圖

為了更加客觀地分析北斗系統(tǒng)的特點(diǎn)，收集了一個(gè)軌道周期的北斗系統(tǒng)廣播星歷數(shù)據(jù) （日期為2012年5月29日）。其計(jì)算結(jié)果表明在亞太地區(qū)赤道附近，所有的GEO與IGSO衛(wèi)星都可視，并且GEO衛(wèi)星分布在東西方向的正上空。IGSO衛(wèi)星在整個(gè)軌道周期都可跟蹤到，并且衛(wèi)星高度角在整個(gè)軌道周期內(nèi)大于22.5°（見(jiàn)圖2）。在亞太高緯度地區(qū) （北京），GEO衛(wèi)星分布在觀測(cè)者視角的南半部分，IGSO衛(wèi)星部分時(shí)刻會(huì)運(yùn)行出視野以外，但大部分時(shí)候，IGSO衛(wèi)星相對(duì)于地球上高緯度地區(qū)觀測(cè)者可視 （見(jiàn)圖3）。和GPS、GLONASS等衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)比較起來(lái)，對(duì)于亞太地區(qū)的觀測(cè)者，北斗系統(tǒng)衛(wèi)星星座具有更加高效的利用率。

圖3 北京地區(qū)GEO和IGSO衛(wèi)星視圖

3 北斗系統(tǒng)相對(duì)靜態(tài)定位精度性能分析

目前為止，北斗系統(tǒng)已經(jīng)能為亞太地區(qū)提供無(wú)源定位服務(wù)。為驗(yàn)證北斗系統(tǒng)相對(duì)靜態(tài)定位精度，在北京地區(qū)利用兩臺(tái)BDS/GPS接收機(jī)收集了6期 （每期觀測(cè)時(shí)長(zhǎng)為20min）靜態(tài)數(shù)據(jù)，接收機(jī)的采樣頻率設(shè)置為1Hz，基線長(zhǎng)度約633m，為了降低多路徑的影響，衛(wèi)星截止高度角設(shè)為15°。周跳的探測(cè)與修復(fù)是利用相位觀測(cè)值進(jìn)行高精度測(cè)量的必要步驟?；诮M合觀測(cè)值的周跳探測(cè)與修復(fù)方法和GIPSY軟件中使用的Turbo edit方法不能探測(cè)出當(dāng)L1載波和L2載波存在相同大小周跳的情況。采用基于MWWL組合觀測(cè)值和總電子含量變化速率技術(shù)探測(cè)與修復(fù)北斗系統(tǒng)和GPS相位觀測(cè)值周跳［10-11］。這種周跳探測(cè)方法能夠精確探測(cè)與修復(fù)載波相位觀測(cè)值上的小周跳。利用雙差相位觀測(cè)值組成觀測(cè)方程，可估計(jì)出位置參數(shù)與整周模糊度浮點(diǎn)解，并用最小二乘降相關(guān)分解法方法進(jìn)行整周模糊度的固定，回代觀測(cè)方程，可估計(jì)出高精度的基線向量，結(jié)果見(jiàn)圖4及圖5。

圖4和圖5結(jié)果表明，單獨(dú)利用北斗系統(tǒng)和GPS進(jìn)行基線估計(jì)，兩者的精度相當(dāng)。我國(guó)北斗系統(tǒng)已經(jīng)具有為亞太地區(qū)測(cè)繪及相關(guān)部門(mén)提供高精度的定位服務(wù)能力。

圖4 單獨(dú)利用GPS、北斗系統(tǒng)解算靜態(tài)基線的結(jié)果 （X，Y，Z方向）

圖5 單獨(dú)利用北斗系統(tǒng)和GPS系統(tǒng)估計(jì)的基線長(zhǎng)度對(duì)比

4 北斗系統(tǒng)實(shí)時(shí)高精度動(dòng)態(tài)定位精度性能分析

GPS已廣泛應(yīng)用于實(shí)時(shí)高精度動(dòng)態(tài)定位領(lǐng)域，為大壩、橋梁等大型工程提供安全監(jiān)測(cè)提供技術(shù)手段。利用單歷元算法 “實(shí)時(shí)”分別處理15min北斗系統(tǒng)和GPS觀測(cè)值，得到三個(gè)坐標(biāo)軸方向誤差的時(shí)變序列 （見(jiàn)圖6）。在X軸與Y軸方向上，GPS誤差小于北斗系統(tǒng)。Z軸方向上，北斗系統(tǒng)與GPS誤差相當(dāng)。

5 結(jié)論

到2012年底，北斗系統(tǒng)已能為亞太地區(qū)提供無(wú)源導(dǎo)航定位服務(wù)。本文利用BDS/GPS雙頻接收機(jī)接收廣播星歷和觀測(cè)數(shù)據(jù)，計(jì)算北斗系統(tǒng)衛(wèi)星一個(gè)軌道周期內(nèi)的衛(wèi)星位置，并分析北斗衛(wèi)星在亞太地區(qū)不同緯度情況下的可視情況。結(jié)果表明北斗衛(wèi)星的利用率在亞太地區(qū)比GPS衛(wèi)星更好。在近赤道地區(qū)，所有北斗系統(tǒng)的GEO和IGSO衛(wèi)星在整個(gè)軌道周期內(nèi)都為可視；在高緯度地區(qū)，GEO衛(wèi)星在整周軌道周期內(nèi)可視，IGSO衛(wèi)星在大部分的軌道周期內(nèi)都可以被高緯度地區(qū)北斗系統(tǒng)接收機(jī)跟蹤到。分別以6期 （每期20min）北斗系統(tǒng)和GPS靜態(tài)觀測(cè)值計(jì)算基線，兩者的精度相當(dāng)，最大偏差不超過(guò)4mm。利用單歷元算法 “實(shí)時(shí)”計(jì)算每個(gè)歷元的位置變化量，在X軸和Y軸方向上，北斗系統(tǒng)的精度比GPS稍差，在Z軸方向上，北斗系統(tǒng)的精度和GPS相當(dāng)。同時(shí)，X軸和Y軸上出現(xiàn)的較大的誤差并沒(méi)有一種隨機(jī)性，隨著北斗系統(tǒng)的建立和完善，這種誤差一定能夠得到有效地去除和削弱。

圖6 利用單歷元算法 “實(shí)時(shí)”估計(jì)北斗系統(tǒng)與GPS基線精度對(duì)比

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