陈双巧
（浙江交通职业技术学院，杭州311112）
摘要：由于人们对LBS (Location Based Services, 基于位置的服务)需求的飞速增长，卫星导航系统与其他技术集合正逐渐成为相关科研人员的研究方向。卫星导航系统可全天候、全天时为各类用户提供定位、导航、授时服务，但也存在影响GNSS定位结果的误差，通过分析城市环境实测数据下可见星数量与DOP值的占比分布，以及分析了两种条件下的动态定位测试精度。结果表明：北斗卫星导航系统在城市开阔及行道林遮挡环境下基本可以满足实时导航定位服务，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，基本满足用户的普通定位需求。
关键词：北斗卫星导航系统；动态定位；定位精度
全球导航卫星系统GNSS(Global Navigation Satellite System)又称天基PNT(Position、Navigation、Timing)系统，是指利用在太空中的导航卫星对地面、海洋和空间用户进行导航定位的一种空间导航定位技术。卫星导航定位技术目前已基本取代了无线电导航、天文测量和传统大地测量技术，并推动了全新导航定位领域研究的发展。当今GNSS系统不仅成为世界各国重大的空间和信息化基础设施，也成为体现现代化大国地位和国家综合国力的重要标志。
北斗卫星导航系统
北斗卫星导航系统由空面段、地面段和用户段三部分组成，可在全球范围内全天候、全天时为各类用户提供高精度、高可靠定位、导航、授时服务，并具短报文通信能力。2018年12月26日，北斗三号基本系统开始提供全球服务。2019年9月，北斗系统正式向全球提供服务，在轨39颗卫星中包括21颗北斗三号卫星：有18颗运行于中圆轨道、1颗运行于地球静止轨道、2颗运行于倾斜地球同步轨道。2019年9月23日5时10分，在西昌卫星发射中心用长征三号乙运载火箭，成功发射第四十七、四十八颗北斗导航卫星。2019年11月5日凌晨1点43分，成功发射第49颗北斗导航卫星，北斗三号系统最后一颗倾斜地球同步轨道（IGSO）卫星全部发射完毕，12月16日15时22分，在西昌卫星发射中心以“一箭双星”方式成功发射第五十二、五十三颗北斗导航卫星。至此，所有中圆地球轨道卫星全部发射完毕。2020年3月9日19时55分，中国在西昌卫星发射中心用长征三号乙运载火箭，成功发射北斗系统第54颗导航卫星。2020年6月23日9时43分，我国在西昌卫星发射中心成功发射北斗系统第五十五颗导航卫星，暨北斗三号最后一颗全球组网卫星，7月31日，北斗三号全球卫星导航系统正式开通，为全球用户提供定位精度优于10米、测速精度优于0.2米/秒、授时精度优于20纳秒、服务可用性优于99％的定位、导航和授时服务。
2卫星导航系统定位误差
GNSS卫星导航定位，是基于被动式测距原理， GNSS信号接收机被动地测量来自GNSS卫星的导航定位信号的传插时延，从而测得GNSS信号接收天线相位中心和GNSS卫星发射天线相位中心之间的距离（即站星距离），进而将它和GNSS卫星在轨位置联合解算出用户的三维坐标。主要影响GNSS定位结果的误差按相关性可以分为：
(1)与卫星有关的误差：主要包括GNSS卫星轨道误差、卫星时钟误差、卫星天线相位中心偏差等；
(2)与信号传播路径有关的误差：主要包括对流层延迟、电离层延迟、多径效应等；
(3)与接收机和观测站有关的误差：主要包括接收机钟差、接收机天线相位中心偏差等；
(4)其他误差：除了以上三类误差以外，还有地球自转误差、固体潮影响误差、大洋负荷等误差。
为了实现高精度定位，必须尽可能地消除各种误差对定位结果的影响。目前采用消除误差的方法为对于那些目前现有模型可以比较准确描述的误差源，采用尽可能精确的模型进行改正，对于目前还无法模型化的误差，则把它作为未知参数参与估计运算或者是进行组合消除。
2.1 GNSS卫星误差
（1）卫星星历误差：实时的获取到卫星位置、速度和钟差修正量是利用卫星导航定位系统进行导航定位的前提条件，卫星星历误差又等效为伪距误差，是指由星历给出的卫星位置与实际位置的差值。卫星箱接收机发放的导航电文中包含了广播星历，是根据地面控制中心跟踪站的观测数据进行外推而得，具有一定的差异。
（2）卫星钟差：卫星时钟误差即卫星的时钟时间和标准时间之间的差别。对于伪距观测量来说，信号从卫星到达地面接收机的传播时间与传播速度相乘便是卫星到接收机的空间传播距离。钟差将导致距离误差以及相位误差，北斗和GPS卫星都采用高质量的钟，但它们与标准时之间的存在着0.1ns到1ns之间的偏差和漂移量，由此将引起3km到30km的等效距离误差。
2.2传播误差
（1）电离层延迟：指高度在50km~1000km之间的大气层，由于电离层中气体分子受到太阳等天体的射线的辐射，产生强烈的电离，形成大量的自由电子和正离子。对卫星信号产生影响，使信号路径发生弯曲，传播速度也受影响。电离层中的电子浓度分布不均匀，随着高度的增高而增加，到某高度达到最大值，随后又随着高度的增高而减少。电离层传播延迟与仰角、太阳辐射、季节等有关。对于同一定位接收机，观测的角度不同，电离层传播延迟误差也不同，仰角越低，误差越大。电离层传播延迟误差在一天的时间内变化小道几米，大到20米，典型情况下白天延迟10~20m，夜晚延迟3~6m。电离层延迟误差还随着纬度不同、季节的不同而发生变化。电离层传播延迟误差可通过双频接收机同步观测某颗卫星来获得，并且在年积日周期（120天或270天）或地磁指数周期（27天）内，不同日期同一时刻的电离层传播延迟误差也基本相同。
（2）对流层误差：对流层是离地面高度40km以下的大气层。对流层中的中性元子和分子对信号产生影响使得信号发生折射效应，对流层的延迟误差与频率无关。一般而言，对流层延迟与北斗或GPS天线位置、大气温度、压力、和湿度有关。卫星仰角较低时，对流层的延迟可达数十米。对流层的延迟随着视线到卫星的天顶角增大而增大，在天顶方向对流层的延迟约为2m。
（3）多路径误差：号从卫星传播到接收机时，会受到高楼、地面、物体等反射或折射，从而影响信号到达接收机天线的时间，造成伪距和载波相位观测量的准确性。多路径效应的大小主要取决于接收机天线周围的环境，若观测地点处于平坦空旷、无建筑的环境时，多路径效应将会很小；若观测环境处于繁华城市中，周围建筑成群、车辆成群，多路径效应则将较为明显，多路径误差具有随机性，减少多路径效应的有效途径是选择良好的观测地点，避免物体、建筑对信号的反射。在可用卫星较多的情况下，可以适当排除容易产生多径干扰的低仰角卫星参与解算，减小定位误差。
2.3接收机测量误差
（1）接收机钟差：接收机钟差是指接收机的时间与卫星的时间不一致产生的时间差，一般的接收机都采用石英钟，比较稳定，但是也会存在着差异，一般消除接收机钟差主要通过将钟差作为未知参数，连同位置坐标一并解算得出；也有通过求差法进行削弱接收机的钟差。
（2）天线相位中心偏差：接收机在接收卫星信号时，都是以天线的相位中心为准，所以天线的相位中心与几何中心存在的偏差即为天线相位中心偏差。这种偏差由接收机天线的性能好坏决定，一般使用同一种接收机时，采用相对定位来消除天线中心相位偏差。
3卫星导航系统定位方法
卫星不间断地发送自身的星历参数和时间信息用户接收到这些信息后经过计算求出接收机的三维位置三维方向以及运动速度和时间信息。
差分定位(Differential positioning)，是根据两台以上接收机的观测数据来确定观测点之间的相对位置的方法，它既可采用伪距观测量也可采用相位观测量，又称为相对定位。相对定位利用基准站已知坐标和卫星星历计算出观测值的校正值，并通过无线电设备(数据链)将校正值发送给运动中的卫星接收机(流动站)，流动站应用接收到的校正值对自己的卫星观测值进行改正，以消除卫星钟差、接收机钟差、大气电离层和对流层折射误差的影响。如果观测时间足够长可达到mm级精度。
目前的卫星定位系统在进行定位测量时，不论是测码伪距绝对定位还是测相伪距绝对定位，由于卫星星历误差、接收机钟与卫星钟同步差、大气折射误差等各种误差的影响，导致定位精度较低。由于人们对基于位置的服务需求的飞速增长，无线定位技术特别是AGPS（Assisted GPS，网络辅助GPS）定位技术的依赖更深，AGPS结合了GPS定位和蜂窝基站定位的优势，借助蜂窝网络的数据传输功能，可以快速获取高精度定位数据，在移动设备中广泛使用。
4实际测试
动态定位测试的场所位于城市内校园环境，海拔高度为30～50m，测试路线分别为开阔环境下和建筑物及树木遮挡环境。
4.1可见星分析
仅仅依赖单一卫星导航定位系统获取定位数据需满足可观测的卫星数不少于4颗。在实际测试中，设置截止高度角为15°，针对开阔环境下直线线路和建筑物及树木遮挡环境下环形线路进行测试，对可见星数量进行分析。在测试过程中，开阔环境下直线线路的可见星数量均大于4颗，最多可达到14颗，全部观测历元的数据均参与定位解算，其中74.89%的历元观测卫星大于9颗，且29.12%的历元可观测到12颗星，而且根据测试高度角数据显示，在此道路环境下，可以形成比较好的卫星星座几何构型，对定位精度解算有较高帮助。
在建筑物及树木遮挡环境下环形线路测试过程中，由于树木遮挡，以及部分道路受建筑物单墙影响，约有2%左右的观测历元的数据不满足可见星数量大于4颗的要求，且无法获取准确定位数据。测试路段中，可见星数量最多可以达到11颗，其中85.86%的观测卫星大于8颗。
4.2 DOP值分析
DOP（Dilution of Precision，几何精度因子）值用来衡量观测卫星的空间几何分布对定位精度的影响。包括：GDOP、PDOP、HDOP、VDOP和TDOP。本次测试以包括经度、纬度、高程和时间等因子的GDOP为主，对开阔环境下直线线路和建筑物及树木遮挡环境下环形线路的定位精度进行分析。
在可观测结算的所有历元中，开阔环境下直线线路下93.52%历元的GDOP值小于6，建筑物及树木遮挡环境下环形线路中，87.69%历元的GDOP值小于6。在98%的置信统计下，开阔环境下直线线路下和建筑物及树木遮挡环境下环形线路的GDOP值分别为9.7和5.97。因此开阔环境下直线线路与建筑物及树木遮挡环境下环形线路相比，开阔环境下直线线路路段的测量精度更高。
4.3 动态定位精度分析
实际测验中利用移动设备AGPS模式获取的定位坐标为基准值，分别计算开阔环境下直线线路路段和建筑物及树木遮挡环境下环形线路卫星系统的三维定位误差，得到卫星系统的动态定位精度。
在开阔环境下直线路段，可见星数量较多，GDOP值较小，定位结果较好，三维定位误差如下：东向定位误差为2.54m，北向定位误差为1.93m，天向定位误差为5.64m，均在10m以下，满足《北斗卫星系统公开服务性能规范》的要求。
在建筑物及树木遮挡环境下环形路段，由于卫星星座几何构型略差，三维定位误差要高于开阔环境下直线路段：东向定位误差为2.76m，北向定位误差为3.32m，天向定位误差为7.97m，但也均在10m以下，可实现普通用户的基础定位需求。
5结语
卫星导航系统可实现自主定位，在开阔环境下，可观测卫星数较多，观测卫星在空间的分布范围大，动态定位精度更高。在建筑物及树木遮挡环境下环形线路，因为外部环境的影响，观测卫星数相对减少，卫星在空间的几何分布范围相对较小，定位结果会因为观测卫星的影响产生误差突变，使得动态定位精度降低，但定位结果均满足《北斗卫星系统公开服务性能规范》要求。在实际城市环境中，会遇到隧道、桥梁、地下停车库等遮挡卫星信号等问题，还会受到电磁波干扰、阻塞，出现卫星信号接受困难或丢失、错误等情况，及其容易出现可见卫星数量不足、定位精度低等问题，降低定位的可靠性和精确性。因此，增加定位系统传感器数量，对多源信息进行紧密的融合处理，形成有效的功能整体，输出精确的定位结果，是目前定位领域的主要研究和发展方向。
参考文献
[1] 张丰兆,刘瑞华,倪育德,等. 北斗卫星导航系统动态定位精度测试与分析[J]. 全球定位系统,2018,43(1):43-48. DOI:10.13442/j.gnss.1008-9268.2018.01.008.
[2] 中国卫星导航系统管理办公室(CSNO)．北 斗 卫 星 导航系统公开服务性能规范[S]．2013.
[3] 邱望智.基于GPS/北斗卫星的列车导航定位研究[D].北京:北京交通大学,2014.