天津七六四通信导航技术有限公司天津300210
摘要：随着北斗卫星导航系统的应用和普及，定位也将会引入更多的先进技术，比如BP神经网络、深度学习等，分析定位过程中存在的误差及影响因素，进一步降低动态定位误差，提高动态定位性能。基于此，本文对北斗卫星导航系统定位精度进行了分析。
关键词：北斗；卫星轨道；原子钟；电离层；多路径；差分
引言
卫星定位在国防建设、森林防火、抗震救灾、海洋渔业、交通、水利等行业发挥了重要作用。在卫星定位系统中GPS的应用最广，与其相比北斗卫星导航系统在市场占有率与服务体验上还有一定差距。但作为国家十三五规划重点推进项目，北斗系统的广泛应用，有利于我国摆脱对GPS的过度依赖，消除国家战略安全的潜在威胁。为了增加科研人员以及普通用户对北斗系统的了解，加快北斗系统的推广，对北斗定位系统定位精度的研究是很有必要的。
1.北斗定位系统的定位精度
1.1卫星轨道影响
卫星轨道参数作为求解方程中的已知量，是求解位置的基础。卫星轨道信息是包含在卫星历书内的，历书的精度决定了定位的精度，通过对历书的生成与更新的研究，发现历书的精度与摄动力模型有关。卫星是绕地飞行物，万有引力是其维持在运行轨道面的力学基础，由于地球质量分布不均匀，或者是其他星体、潮汐等引起的引力变化，以及大气阻力与太阳光压的影响，卫星偏离了原定轨道，从而造成导航电文内包含的历书信息与卫星实际轨道不符。这些摄动力对卫星轨道偏离的影响，需要建立相应的摄动力模型来预报轨道变化，修正历书减小误差。北斗定位系统采用了三种轨道面，包括中轨道，倾斜地球同步轨道以及地球同步轨道，需要建立三种摄动力模型用来预测并纠正卫星轨道。GPS系统只有中轨道卫星，并且摄动力模型已经经过三十多年的完善，北斗卫星观测数据积累不足，且摄动力模型参考GPS模型，摄动力模型与光压模型还不能满足定位精度对摄动力模型的要求，依据北斗系统的三轨道面的摄动力模型仍然是研究的重点。
卫星轨道变动的动力来自于摄动力与发动机，其中摄动力是带来误差的外力。对摄动力造成的误差的预测与修正是减弱卫星轨道误差的关键，可以从下面几方面入手，减小这种误差：
1）建立精确的北斗导航卫星摄动力模型，在借鉴GPS中轨道卫星摄动力模型的基础上，建立北斗3轨道摄动力模型并优化摄动力模型参数，特别是针对IGSO卫星、GEO卫星的摄动力模型建立，从而提高卫星轨道预测精度；
2）国家基准站的建设，通过国家基准站的建设，特别是良好几何分布的基准站建设，提高对在轨卫星定位精度的监测，特别是对GEO卫星的轨道监测，实时更新历书，提高历书精度，削弱轨道误差对定位精度的影响；
3）改善卫星的空间分布几何构型，鉴于当前北斗二代星座构成，14颗卫星中有5颗是地球同步静止卫星，极大地束缚了卫星的几何均匀分布能力。可以尝试多系统融合，借助GPS、GLONASS卫星改善北斗接收机接收到的卫星的空间几何分布构型；
4）增加卫星数量，北斗二代系统只有14颗卫星在运行播发电文，同一时间所能接收到的卫星数量有限，位置冗余度较小，可以通过增加接收卫星数量，增大冗余度，提高卫星定位精度，多星系统或增加北斗卫星数量都能达到增加卫星数量的目的。
1.2原子钟的影响
卫星到接收机的距离等于光速与时间的乘积。鉴于光的速度很大，很小的时间误差就会造成较大的距离误差。这就要求时间计量单位要足够小，才能将误差控制在可接受的范围内。从导航系统来看，GPS、GLONASS、Galileo以及北斗系统都是使用的原子钟作为时间计量器件。原子钟是依靠特定原子能级跃迁释放的能量波的频率作为参考频率进行时间计量的，该跃迁对应的共振谱线的宽度决定了原子钟输出信号的频率稳定度。卫星上使用的原子钟是星载原子钟，相较于地面原子钟更注重精度与稳定度，其还要求频率稳定度高、体积小、重量轻、寿命长、可靠性高，这就要求原子钟性能上做出一些牺牲。北斗导航系统的原子钟均采用铷原子钟，就是在体积、重量、寿命、性能等方面取舍后做出的选择。国产星载铷钟，在精度和稳定性上相较于GPS和Galileo的星载钟稍显逊色，星载卫星钟性能及预报模型的研究成为我国导航定位工作的研究热点。
星载原子钟的性能是通过星载原子钟的频率准确度、频率漂移率、频率稳定度来衡量的，其中稳定度表征了原子钟授时的稳定性，是衡量原子钟维持在特定频率的能力。中短期频率稳定度是星载原子钟最重要的指标，对于地面控制部分确定广播星历更新时间具有重要作用。分析传统铷钟发现，铷钟稳定度主要受光频移、微波腔牵引频移和光检噪声的影响，削弱三者的影响是提高星载铷钟性能的关键。Galileo系统采用了POP铷钟和被动型氢钟作为星载原子钟，POP铷钟采用脉冲光抽运技术，与传统铷钟利用激光抽运相比，很好地降低了光频移影响，使GalileoPOP铷钟性能接近被动型氢钟的水平，而功耗和体积与星载铷钟相当。
GPS系统的BLOCKⅡF卫星采用氙气作为缓冲气体，再利用光滤波技术，从而降低了光检噪声的影响，提高了星载铷钟的稳定度。
卫星间的时钟信息不同步，星载钟的稳定性低等问题制约着定位精度的提高，可以从下面几点入手，抑制时钟信息误差带来的定位精度的下降。
1）提高星载原子钟性能。在准确度、稳定度、漂移率上改善原子钟性能，通过提高星载铷钟性能、研究新型原子钟如氢钟、微波离子钟等技术更先进、性能更好的星载原子钟改善原子钟对定位精度的影响；
2）建立更加准确的原子钟钟差预报模型。在原子钟性能提升有限的情况下，利用钟差预报模型，配合地面控制站的星地激光同步功能，依据地面控制部分的时间基准同步、校准卫星时钟；
3）研究星载卫星钟组技术。从守时功能来看，钟组优于性能最好的单台钟。因此，在不扩大能耗的前提下，利用卫星上的多个原子钟组成钟组，充分利用原子钟资源，提高星载钟的精度与稳定性；
4）充分发挥卫星间的星间链路作用。通过星间卫星组成钟组，通过星间钟组的互补性提高星载钟的时间统一性、稳定性。
1.3电离层延迟
电离层一般是指高度位于60km~1000km之间的大气层，电离层中存在着大量的自由电子和正离子，当卫星信号通过电离层时，信号的路径会发生弯曲，传播速度会发生变化。电离层延迟引起的距离误差一般在白天可达15m，夜间可达3m，天顶方向最大可达50m，水平方向可以达到150m。电离层对定位精度的影响反映在对信号传播过程中时间的延迟，破坏了传播时间的准确性，影响伪距的测量，从而降低了定位精度。从其影响机理分析，通过一些手段可以削弱电离层的影响。
1）建立电离层修正模型，这是单频接收机通常采用的方式。虽然电离层是非均匀的、不稳定的气态层，同一地区的电离层往往不规则，但其长期变化仍然存在一些规律。通过建立电离层修正模型，由导航卫星播发修正参数，而接收机依据内部修正模型，利用修正参数修正电离层误差。这种修正可以修正电离层75%以上的测距误差。
2）对于单频接收机还有另外一种方式可以削弱电离层带来的影响，分析电离层对码观测值和载波相位观测值的影响发现，就其一阶项而言，数据值相同，符号相反，并且一阶项改正占总改正的99%。利用算法给二者加权组合，基本消除电离层折射对卫星信号的影响。
3）消除电离层一阶项误差，还可以利用双频接收机，因电离层是弥散性介质，电磁波在其中的传播速度与频率有关，利用两个以上不同频率的卫星信号的伪距差，组成无电离层组合，就能够消除电离层延迟的影响。
4）利用差分系统削弱电离层误差，差分是指有已知准确坐标信息的基点接收卫星电文解算位置信息，将解算的位置与已知坐标比较，计算误差信息，将此信息播发给其他接收机，从而提高其他接收机的定位精度。
结语
文章从卫星定位原理出发，从空间与时间的准确性角度，阐述分析了影响北斗卫星定位精度的因素，并总结分析了前人提出的一些改善措施。希望对有关人士有所帮助。
参考文献：
[1]成跃进.现代卫星导航定位系统发展介绍[J].空间电子技术，2015，12（01）：17-25.
[2]唐金元，于潞，王思臣.北斗卫星导航定位系统应用现状分析[J].全球定位系统，2008（02）：26-30.