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北斗导航系统无源算法及定位精度分析


2014-03-24

摘要:能提供这种服务的有美国的全球定位系统(GPS),俄罗斯的全球导航卫星系统(GLONASS),我国的“北斗导航系统”也初步具有这种功能。逐步扩展为全球卫星导航系统。
关键词:北斗导航系统,全球定位系统,全球卫星导航系统

  引言
  现代战争是海陆空天一体化联合作战的战争,是以电子战、信息战为核心,以空中打击为主要手段的高技术战争。现代战争要求“稳、准、狠”地摧毁敌方有生力量及军事设施,快速制服敌方,尽可能减少己方的伤亡和消耗,尽量避免伤及平民百姓。因而,覆盖全球的中远程精确导航定位和通信服务在现代战争中的地位和作用越来越显著,引起世界各国军事部门的高度关注。
  目前,能提供这种服务的有美国的全球定位系统(GPS),俄罗斯的全球导航卫星系统(GLONASS),我国的“北斗导航系统”也初步具有这种功能;欧洲的“伽利略”卫星定位计划也在紧锣密鼓地进行中。随着中国北斗卫星导航系统的建设,将形成美、俄、欧、中在卫星导航系统上的“四强争霸”格局。
  1 北斗导航系统
  北斗导航系统从20世纪80年代末期开始预研,于1996年实施。建设中的中国北斗导航系统(COMPASS)空间段计划由5颗静地同步轨道卫星和30颗非静地同步轨道卫星组成。我国已先后于2000年10月31日、12月21日、2003年5月25日发射了3颗静地同步轨道卫星,组成了“北斗一号”双星定位系统;地面测控系统已基本建成;各类用户设备经多年研究,已突破技术难点,进入推广应用阶段;整个“北斗一号”系统经过试运行,已开始投入运营,为各类用户提供有源定位、通信(简短报文传送)和授时服务。2007年2月3日成功发射了第4颗北斗导航试验卫星。三颗静地同步轨道卫星,一颗为备份星。在此基础上建立的中国北斗导航试验系统运行至今工作稳定、状态良好,已在测绘、电信、水利、交通运输、勘探和国家安全等诸多领域逐步发挥重要作用。第4颗北斗导航试验卫星曾因帆板无法打开发生故障,但目前已成功排除。2007年4月14日又发射了第5颗北斗导航卫星(COMPASS-M1),我国将在未来几年里陆续发射系列北斗导航卫星,计划2008年左右满足中国及周边地区用户对卫星导航系统的需求,并进行系统组网和试验,逐步扩展为全球卫星导航系统。这个系统将主要用于国家经济建设,为交通运输、气象、石油、海洋、森林、通信、公安等部门以及其他特殊行业提供高效的导航定位服务。
  “北斗一号”系统是我国拥有自主权的一种高精度卫星导航定位系统,系统由地面测控设备(中心参考站、地面中心站、广播信号接收中心、卫星通信网主站、北斗卫星信息处理中心、标校站、气压高度测量站)、三颗静地同步轨道卫星(一颗为备份)、用户设备(机载、舰载、车载、便携、普通型用户机和指挥型用户机)组成。
  目前“北斗一号”系统的主要性能如下。
  ⑴提供平面定位服务
  平面定位分两档,一档定位精度:20m;二档定位精度:100m。
  ⑵通信能力
  通信能力:120个汉字(报文传递)。。
  ⑶用户数量
  用户数量上限:50000;
  ⑷时间传播(UTC)精度
  时间传播(UTC)<数十纳秒。
  ⑸服务范围
  服务范围:北纬5度到北纬55度;东经70度到东经144度。
  北斗导航系统与GPS及GLONASS有显著的不同:“北斗一号”系统设计为有源工作方式进行定位,具有通信(简短报文双向传送)功能。
  “北斗一号”系统的显著特点为:用户位置解算完全由地面站完成,信息高度集中;具有通信功能,便于集中指挥控制和管理;可采用数字地图,使系统具有更高的定位精度。
  但是系统也有局限性和缺陷:系统服务覆盖范围受限。因所有用户位置的解算全部由地面站完成,导致系统有用户数量上限。
  因完成一次定位,信息要在用户和地面站间往返,有着“秒”量级的时间延迟,导致定位数据有较大的滞后误差。尤其对于机载高速用户滞后误差影响更大。
  因采用有源定位方式,不能实现无线电静默工作,导致军事用户隐蔽性差。
  针对有源型北斗用户机的不足,在研发各类有源型用户机的同时,也研发了无源型用户机。无源北斗用户机工作时,勿需向外辐射无线电信号,只接收北斗双星播发的广播数据。利用本机时钟测量卫星播发的信号帧头到达的时间,从而测得用户到三颗卫星的伪距(含有时钟差的距离),再加上机载高精度气压测高装置即可以进行定位导航。其定位精度可达三百米以内(CEP误差)。无源北斗用户机有以下优点:
  无源实时定位时,可实现无线电静默工作,避免电磁暴露,隐蔽性强;用户数量不受限制,不占用北斗导航系统入站通信链路,避免了有源方式下大量用户同时申请定位时产生的通信链路堵塞现象,应用范围广泛;导航定位数据更新率快、滞后误差小,特别适用机载等高速载体;用户位置的解算全部由用户机本身完成,无需地面站参与,因而用户数量不受限制,系统抗毁能力提高。
  2 无源定位算法分析
  2.1无源定位解算模式
  无源工作方式时有以下四种可供选择的定位解算模式。
  (1)两星+气压高度表+其他导航装置(已经采用并经过飞行实验)
  两星+气压高度表+其他导航装置的定位解算方程为:
  
  解算此方程即可得接收机的位置和接收机的钟差。
  影响定位精度的主要因素有:北斗无源接收机的测量误差、气压高度表的测量误差、其他导航装置的测量误差和定位解算处理误差。
  (2)两星+气压高度表+高稳定度本地钟源(已经采用并经过飞行实验)
  两星+气压高度表+高稳定度本地钟源的定位解算方程为:
  
  要求无源北斗接收机使用稳定度和“北斗”系统时钟的稳定度基本相当的高精度时钟源。
  影响定位精度的主要因素有:无源北斗接收机的时钟误差、气压高度表测量误差和定位解算处理误差。
  (3)三星+气压高度表
  三星+气压高度表的定位解算方程为:
  

此工作模式对本地钟的稳定度要求较低。
  影响定位精度的主要因素为:无源北斗接收机的测量误差、高度表的测量误差和定位解算处理误差。
  (4)三星+高稳定度本地钟源
  三星+高稳定度本地钟源的定位解算方程为:
  
  要求无源北斗接收机要使用高稳定度的原子钟,其稳定度应和“北斗”系统时钟的稳定度基本相当。
  上述定位解算方程中各参变量的物理含义分别为:
  (x , y , z):待解算的接收机的位置;
  (xi , yi , zi):卫星的位置(i=1,2,3);
  Rui:接收机到卫星的伪距(i=1,2,3);
  RH:气压高度表的测量值;
  Re:地球的半径;
  Δt:用户机与北斗导航系统的钟差;
  C:光速。
  2.2无源定位算法设计
  无源北斗导航定位装置的无源定位不同于有源定位,它必须通过连续跟踪测量接收机到两个卫星间的伪距和接收到卫星有关星历数据自行解算出接收机的位置。目前北斗一号系统仅有三颗同步卫星(含一颗备份星),位置结算中要获得足够的观测量,必须引入高度数据。考虑到三颗卫星中有一颗备份星,为保证系统可靠性,还需使用高稳定度钟源为本地基准。当三颗卫星都工作正常时可采用三星+气压高度的工作模式,当有一颗故障时采用两星+气压高度+高稳定钟源工作模式。这样用户自行解算出位置必须满足两个条件:第一,接收机在每次使用前有一个基准位置给予输入,以便解方程时初值的确定;第二,良性状态下接收机的时钟和卫星的时钟基本一致,也就是说时钟偏差带来的测距误差可忽略不计。第一个条件可以使用在开始能预知接收机位置的场合;第二个条件可以采用铷原子钟解决时钟的漂移问题,同时在测距前通过一段时间的信号接收,检测出两者时钟差异给予补偿使其达到一致。
  现以两星定位解算模式为例进行详细分析。
  无源定位的解算方程为:
  
  X1,Y1,Z1,X2,Y2,Z2为两颗卫星的坐标参数,由卫星出站信号随时提供。
  X0,Y0,Z0为接收机天线位置。
  R0为地球半径,H0为天线离地面高度。
  R10为第一颗卫星到接收机的距离。
  R20为第二颗卫星到接收机的距离。
  R00为接收机天线到地心的距离。。
  如已知X1,Y1,Z1,X2,Y2,Z2,R00和实测得到R10、R20,就能从上述方程解算出接收机的位置。
  上伪距初值R10和R20。需由初始接收机的坐标值推算得到:
  
  上述方程从已知接收机的位置和卫星的位置来解算相互间的距离是比较方便的,但反之从距离来解算接收机的位置就比较复杂。
  由于无源定位一般是连续的,每次计算位置的变化量?X0,?Y0,?Z0相对是比较小的,因此可以采用线性化的迭代技术:
  
  
  
  
  
  
  实时递推计算接收机的位置坐标,也可采用卡尔曼滤波方法递推估计接收机的位置坐标。
  2.3测量误差的补偿
  北斗导航系统的定位精度主要取决于伪距测量精度和卫星星历的数据质量。卫星星历的数据主要由北斗一号系统决定,其接收机主要是提高接收灵敏度、降低误码率提高接收星历的数据质量。造成伪距测量误差主要有下列几方面:卫星和接收机的时钟偏移;信号穿过大气层时的延迟;接收信号的多径效应;接收机硬件电路的延迟。
  如:接收机的时钟与卫星时钟相对偏差为10-9,则一小时后的测距积累误差为3600s×10-9=3.6μs,对应距离为1.08km。。为减少长时间无源定位的积累误差,应采用合理的算法或与其他定位方式组合以消除单一无源定位产生的积累误差。
  信号穿过大气层时由于气候的变化而造成信号延迟的变化。这种变化必将造成伪距的测量误差。北斗一号系统已充分考虑了这个问题,它在地面设置了一定数量的标校站,在不断检测不同区域电离层和对流层的变化,对信号造成延迟大小变化的参数在卫星出站信号中传送给用户机,用户机可以通过这些参数对伪距测量值进行修正。
  3 结束语
  北斗导航系统是我国完全自主的导航系统,它的投入运营对我国国防事业具有重要意义。自北斗导航系统投入运营以来,系统工作可靠,较早时候有源用户设备已进入装备阶段,近两年以来,各种无源北斗导航设备相继通过试飞鉴定,其精度达到高速载机导航要求,目前已开始装备部队。相信随着北斗导航系统不断的完善与发展,将为我国国防事业做出更大的贡献。另外,无源北斗导航与载机的各种自主导航设备(如多普勒、惯导等)的组合导航也有广泛的应用前景。
 

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