北斗导航定位系统中的差分技术应用

李俊炜

摘要：文章利用差分GPS相关原理，在此基础上进行分析，建立了适用于北斗导航定位系统的差分定位技术，解决了定位不准确的问题，这在一定程度上提高了北斗导航定位系统的定位精度。

关键词：北斗导航定位系统；差分技术；定位精度

1.北斗导航系统研究背景

2000年北斗导航卫星的发射成功标志着我国北斗导航卫星系统的初步建成，经过十几年的发展我国北斗导航定位系统卫星数量逐渐增多，系统逐渐完善，极大地促进了我国国民经济事业和国防建设事业的发展需求，进一步提高了我国卫星导航定位技术。北斗导航卫星的发射成功标志着我国拥有了自主的卫星导航系统，也打破了美国、俄国在卫星导航领域中的垄断局面。

2.导航定位差分技术

当前GPS差分定位技术的应用已经较为成熟，其对应的原理：在固定的（站台）地点，通过测地获得其“精确位置数据”，再将该站台的“所测位置数据”进行传输，利用一个c/A码用户接收器来接收该数据信息，通过“所测位置数据”和“精确位置数据”的差异分析，就能得知“GPS定位误差修正量”。其次通过无线电发射机传播这些“定位误差修正量”，而区域内的其他c/A码用户的接收器正好接受，并将接收器的定位数据进行修正。“差分式GPs系统”的应用，使得c，A码用户接收器有了更精确的定位，是之前定位精度的10倍多。

GPS定位时有3部分误差，分别是：第一是用户接收机都存在的如卫星钟、星历、电离层、对流层等方面的误差；第二是传播延迟误差，这类误差是用户测量不成或者是校正模型计算不出的；第三是用户接收机自身存在的固有误差，表现在内部噪音、通道延迟、多径效应方面。差分技术的应用，完全消除了第一种误差，并将第二种误差消除掉大多数，这要由基准接收机与用户接收机之间的距离来决定，而对于第三种误差，差分技术则不起作用。由此可以看出差分技术的应用，能够很大的改善GPS中的定位功能。通过各用一台GPS基准接收机和用户接收机，以实时处理技术或者是事后处理技术，就能消除用户测量中的误差源，即电离层效应与对流层效应。

事实上，差分技术就是对1个测站进行2个目标的观测量和2个测站进行1个目标的观测量的差的求值，或者说是和1个测站进行一个目标的2次观测量的差的求值。最终的目的是将包括公共误差与公共参数在内的公共项进行消除。这早在无线电定位系统中就有了普遍的应用。

3.北斗导航定位系统中的差分定位技术

通过差分定位技术可以提高定位精度，实现差分定位技术主要有伪距单点定位算法与载波相位测量算法。在北斗导航定位系统中的伪卫星技术借鉴了传统的全球定位系统中的导航算法。通过地面上的卫星接收站来提高系统的定位精度。用户可以同时接收北斗信号以及卫星信号，能够实现快速定位。如果卫星的数量多于两颗，那么可以连同北斗系统形成四星的卫星定位系统。接收站1通过测量距离4颗星的距离，一般是通过测定信号传输的时间来乘以光速来计算相应的距离。伪卫星导航定位技术是模拟的GPS导航定位系统，其中伪卫星是用于模拟卫星发出GPS信号，伪卫星基站模拟卫星信号接收的地面基站，也就是接收站。

卫星基站的设置中通过将其中一个基站设置为差分基站，可以实现差分定位。由于已经知道差分卫星的精确坐标可以计算出其距离卫星的实际距离，然后将其与观测伪距进行比较并进行修正，最终将上述实时数据发送出去。利用修正过的伪距进行定位计算，最终求得用户接收机的精确位置。由于通过修正能够导致其中的公共误差消失，比如卫星时钟偏差、星历误差、电离层误差、对流层误差，因而可以较好地提高系统定位精度。

伪卫星定位技术与GPs全球定位系统所采用的技术类似，本文以GPS定位技术为基础，对于伪距观测单点定位算法以及载波相位技术来对算法的精度进行详细的分析。

（1）伪距单点定位算法。

其中P_i为第，颗卫星的伪距观测值，（x_j，y_j，z_j）与△ts第j颗卫星的位置以及时钟差，通过电文数据可以获取到，其中（x，y，z）与△t为接收机的位置和时钟差，为需求的量。

由于初始情況下接收机的粗略位置可能存在较大的误差，如果在线性化的过程中消去高阶项会引起较大的线性误差，在卫星坐标计算的过程中时间参数也无法精确确定，上述未知参数都会导致求解的最终结果出现较大的误差，一般采用迭代法求取线性方程组中的解。得到近似数值之后再代入方程进行一步步的迭代直到迭代结果收敛，就可以得到最终的解。

3.2坐标转换

在定位算法实现的过程中必然会涉及地心直角坐标系和大地坐标系之间的转换。在导航定位算法中，需要建立某种空间坐标系，以此来确定卫星的轨道参数以及接收机的位置参数以及速度等。卫星导航技术中的诸多位置参数一般是采用地理坐标来进行表示，也就是经纬度，而卫星的空间位置一般采用轨道参数来表示。因而在选择建立的坐标系的过程中要便于实现上述不同坐标之间的转换与联系为宜，并且便于考虑到卫星的空间运动以及地球自转的影响。所以卫星导航系统一般采用的地心直角坐标系。坐标系的原点为地心，坐标系的xoy面与赤道面重合，oX轴指向格林尼治子午线与赤道交点，oz轴与地球的极轴重合。

用户在地球表面上的位置一般表示为地理坐标也就是经常所说的经纬度，其被称为大地坐标系，然而地球并非是正圆球体，其地球表面的起伏非常大，因而为了提高定位的精度，需要一种与地球表面较为吻合的椭球体来代替地球，所选取的原则为椭球面与大地水准面之间的高度差的平方和为最小。在实践中一般采用椭球体来代表地球，采用椭球面来代替大地基准面，一般采用WGS-84椭球体模型，来代替地球。在导航定位系统计算的过程中，往往需要在大地坐标系和地心直角坐标系之间转换，如果定位的精度不高，会对最终的定位结果产生较为显著的影响，转换的关系表示如下列公式所示，其中入为经度，V维度，h为高度。

再计算出相应的地理坐标也就是大地坐标之后要将其转换为直角坐标，对计算结果的准确性进行验证。单次转换的精度比较高，所造成的误差基本可以忽略。通过对初始设定的经纬度数值进行修改可以看到对定位精度的影响比较小，但是误差也会随着计算次数的增多而逐渐累加，因而在计算过程中尽量避免中间转换，在计算最后进行统一转换。

4.结语

综述，在进行GPS差分技术的分析后，文章提出了对北斗导航定位系统较为适合的差分定位技术，以北斗卫星、伪卫星的组合导航定位的原理与算法为基础，实现地合直角坐标系和大地坐标系之间的相互转换这种算法，从而利用差分定位技术提高GPS的定位精度。这一计算得到了良好的伪距单点定位与伪距差分定位结果，通过与对应硬件的结合实现定位。