２Ｏ１３年１２月第６期 现代导航
北斗高精度定位技术试验研究
贾永军 ，张良 ，王立兵２，吴杰
（１国防科学技术大学航天科学与工程学院，长沙４１００７３：２ ６３９６１部队，北京１０００１２）
摘 要：针对北斗导航定位系统目前仅能达到１０ｍ左右单点定位精度的现状，提出利用北斗
局域差分技术提高定位精度，实现北斗高精度定位系统并验证差分定位精度。试验结果表明，北
斗伪距差分定位精度优于２ｍ（１ｏ），载波相位差分定位精度优于３ｃｍ（１ｏ）。
关键词：北斗；伪距差分；载波相位差分
中图分类号：ＴＮ９６６ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７４—７９７６－（２０１３）０６—３９１—０５
Ｒｅｓｅａｒｃｈ ａｎｄ ＥｘＰｅｒｉｍｅｎｔ ｏｎ Ｈｉｇｈ Ａｃｃｕｒａｃｙ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｗｉｔｈ Ｃｏｍｐａｓｓ
ＪＩＡ Ｙｏｎｇｆｕｎ，ＺＨＡＮＧ Ｌｉａｎｇ・ ＷＡＮＧ Ｌｉｂｉｎｇ， ＷＵＪｉｅ
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ０ ｔｈｅ ｓｉｔｕａｔｉｏｎ ｏｆ Ｃｏｍｐａｓｓ ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ ｐｏｓｉｔｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｔｈａｔ ｔｈｅ ａｃｃｕｒａｃｙ ｏｆ Ｃｏｍｐａｓｓ ｓｔａｎｄａｒｄ ｐｏｉｎｔ ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ ｉｓ １０ｍ（１ａ），ｔｈｅ ｄｉｆｅｒｅｎｃｅ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ Ｃｏｍｐａｓｓ ｉｓ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ ｔｏ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ ａｃｃｕｒａｃｙ，ＳＯ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｈｉｇｈ
ａｃｃｕｒａｃｙ ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｃａｎ￣ｂｅ ｒｅａｌｉｚｅｄ ａｎｄ ｔｈｅ ａｃｃｕｒａｃｙ ｏｆ ｄｉｆｅｒｅｎｃｅ ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ ｉｓ ｖａｌｉｄａｔｅｄ．Ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｒｅｓｕｌｔｓ ｉｎｄｉｃａｔｅ
ｔｈａｔ ｔｈｅ ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ ａｃｃｕｒａ￣ｒ０ｆ Ｃｏｍｐａｓｓ ｐｓｅｕｄｏ ｄｉｆｅｒｅｎｃｅ ｉｓ ｂｅＲｅｒ ｔｈａｎ ２ｍ（１０），ａｎｄ ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ ａｃｃｕｒａｃｙ ｏｆ ｃａｒｒｉｅｒ ｐｈａｓｅ
ｄｉｆｅｒｅｎｃｅ ｉｓ ｂｅＲｅｒ ｔｈａｎ ３ｃｍ（１ｏ）． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：Ｃｏｍｐａｓｓ￣ｐ 目ｄｏ Ｄｉｆｅｒｅｎｃｅ；Ｃａｒｒｉｅｒ Ｐｈａｓｅ Ｄｉｆｅｒｅｎｃｅ
‘
０引言
北斗二号卫星导航系统正式运行，为用户提供
了一种新的导航定位选择，不必完全依赖美国的 ＧＰＳ系统。一般情况下，利用北斗二号卫星导航系 统伪距信息实现无源自主定位，精度可优于１０ｍ［¨。
但是，有些特殊的应用场合则需要更高的定位精 度，如加密测量控制网、工程测量等［２，３］，定位精度 要求达到米级甚至更高。以往只能采用高精度测
角、测距器材，采用导线法连续测量完成，速度慢、
效率低，己无法满足用户快速、高效、低成本的需
求。本文提出了基于北斗伪距差分和载波相位差分 的高精度定位方法，对定位精度进行了分析，并搭
收稿日期：２０１３．１１－０２。 建相应的定位系统进行了试验验证。试验结果表
明，北斗伪距差分定位精度可达２ｍ（１ｂ），载波相
位差分定位精度可达ｌｃｍ（１ｏ）。
１北斗高精度定位基本原理
１．１北斗定位的主要误差源
卫导定位是利用一组卫星的伪距、星历、卫星 信号发射时间等观测量来实现的。由于用户钟差未
知，因此，要获得载体的三维坐标，必须对４颗及
以上卫星进行测量。在这一定位过程中，存在着三
部分误差。一部分是与卫星有关的误差，包括卫星
钟误差、星历误差等；第二部分为传播路径误差，
包括电离层误差、对流层误差，多径效应等；第三 部分为用户接收机所固有的误差，例如内部噪声、
・３９２・ 现代导航 ２０１３笠
通道延迟、接收天线电气相位中心误差等 钔。
表１北斗定位精度分析
单频伪距单系统 双频伪距单系统 误差源 定位（ｍ） 定位（ｍ）
星历误差 １．０ １．０ 卫星误差 卫星钟 １．Ｏ １．０
电离层 ２．５ ０．１
传播误差 对流层 ０．６ ０．６
多路径 １．２ ０－３ 用户机伪距 用户机 观测噪声 ０＿３ ０．１ 误差 其它 ０．２ ０．１
用户等效距离误差 ３．１９ １．５７ （ｒｍｓ）
导航解的平面精度 总计 ９．５７ ４．７２ （ＲＭＳ，ＨＤＯＰ＝３，）
导航解的高程精度 ９．５７ ４．７２ （ＲＭＳ，ＶＤＯＰ－－－－３，）
从表１的分析结果可以看出，对于单频用户机，
定位精度一般接近１０ｍ；采用双频定位，可大幅减
弱电离层影响，在理论上可以将定位精度提高到５ｍ 左右。上述误差按误差性质可分为系统误差和偶然
误差两类。无论从误差的大小还是从对定位结果的
有害影响来讲，系统误差都比偶然误差要大得多，
且有一定的规律可循。因而，可以采取局域差分技
术对系统误差的影响加以消除或削弱。
１．２局域差分工作原理
把一台北斗接收机放在位置己知的精确点上，
作为差分基准站。基准站将经过改正的位置信息或 经过改正的伪距信息通过通信链路播发出去【５］。另
外，也可以将精确的点位信息加原始观测信息发播
给用户，由用户自行改正。各用户设备接收到基准 站播发的差分信息，加上自身测得的伪距信息，求
解出自身位置。通常认为，在一定的距离范围内，
若基准站和用户机同步观测同一颗卫星，则其观测
值相应于同一卫星的同一轨道弧段，包含相同的误
差。因此，用户机可以利用基准站测得的误差修正
自己的测量误差，以达到提高定位精度的目的。利 用差分技术，表１中的卫星误差完全可以消除；传
播误差大部分可以消除，其效果主要取决于基准站
与用户接收机之间的距离，距离越小消除效果越 好；用户机误差则无法消除。 另外，基准站也可以与其它基准站或测地型用
户机组成局域后处理系统，播发局域组网差分定位 信息，如图１所示。用户机接收此差分定位信息后，
进行定位解算。
ＢＤ卫星
基准站 基准站
图１局域差分原理示意图
１－３差分计算的基本模型
１－３．１伪距差分基本模型 伪距差分信息计算的基本原理是基准站接收
机测得天线到卫星的距离，并将计算得到的真实距 第６期 贾永军等：北斗高精度定位技术试验研究 ・３９３・
离与含有误差的测量值进行比较，利用一个ａ－，ａ滤
波器将此差值滤波并求出其偏差值。 设基准站ＪＲ测得至第 颗卫星的伪距为：
Ｐ？：ｐ｜＋Ｃ（ｄｔｊ—ｄＴｒ、）＋ｄｐ｜＋ｄ｜ ０ｎ＋ｄ｜ ｏｐ （１、）
式中： ：基准站接收机在时刻ｔ测得的基准站至
第，颗卫星的伪距； ：基准站接收机 在时刻ｔ
至第，颗卫星的真实距离； ：第，颗卫星时钟相 对于卫星导航系统时的偏差；识：基准接收机时
钟相对于卫星导航系统时的偏差；ｄｐ／：卫星星历
误差在基准站引起的距离偏差；戤 ：电离层时延 在基准站引起的距离偏差； ：对流层时延在基
准站引起的距离偏差；Ｃ：真空中的电磁波传播速
度。 根据基准站的已知坐标和卫星星历，可以精确
算得时刻ｔ第，颗卫星至基准站 的真实距离 ， ＝ （２）
式中，（ＸＲ，ＹＲ， ）是基准站Ｒ的三维已知坐标，
， ， ）是第 颗卫星发射信号时刻的三维坐标。
于是伪距改正值为：
△ｐ ＝ｐ 一Ｐｉ ｆ、、
：一Ｃ（ｄｔｉ—ｄＴ 一ｄｐ：一ｄ Ｊ． ｎ—ｄ； ｏｐ
基准站对此伪距改正值进行０ｃ．Ｄ滤波，然后将
滤波值播发给用户接收机。用户接收机利用此改正 值对自身测得的伪距观测值进行改正，从而获得较
为精确的伪距观测值，并进而得到较为精确的定位
结果。 １．３．２载波相位差分基本模型
由基准站、用户接收机测得的载波相位观测
值，组成双差，可得如下观测方程：
＝ 一 （ 忡 】）＋ ＋
其中： 为载波相位双差观测值； 载波波长； 、
为第ｋ、，号卫星的位置矢量，由广播星历计算；
为基准站位置矢量，已知； ，为基线矢量，即用 户接收机与基准站的坐标差，未知； 为整周模
糊度，未知； 为测量误差。
采用整周模糊度求解技术求得 后，式（４）
中只有未知参数 ，。假设用户接收机不动，由多颗
卫星、多个时刻的载波相位双差观测值，即可求解 得到基线矢量ｉ，。因为 通常为０．０２周（１ｏ），
为０．２３６３ｍ（北斗Ｂ３频点），所以 的求解精度可
达５ｍｍ。 （４）
１．４精度分析
１．４．１伪距差分精度分析 对于我国的重点区域，水平、高程方向几何精
度衰减因子ＨＤＯＰ、ＶＤＯＰ都小于３。表２的分析
结果表明，对于单频用户，用户等效距离误差ＵＥＲＥ 为０．５４ｍ，单频伪距差分定位精度一般为１．６４ｍ左
右。双频用户，ＵＥＲＥ为０．３７ｍ左右，定位精度一
般为１．１２ｍ。另外，伪距差分支持长距离的定位，
在ｌＯＯｋｍ以内，定位精度随距离增加变化范围不
大，是一种应用很广的定位方式。
表２伪距差分定位精度分析
单频实时伪距差分 双频实时伪距差分 误差源 （＜１Ｏｋｍ）（ｍ） （＜ｌＯｋｍ）（ｍ）
星历误差 ０ ０
卫星钟 ０ ０
电离层 ０．２ ０．０
对流层 ０．１ ０．１
基准站用户机测量误差 ０．４ ０－３
流动站用户机测量误差 Ｏ＿３ Ｏ．２
用户等效距离误差（ｒｍｓ１ ０．５４ ０．３７ 导航解的平面精度（ＲＭｓ，ＨＤＯＰ＝３，） １．６４ １．１２ 导航解的高程精度（ Ｓ，ＶＤＯＰ＝３，） １．６４ １．
１２ ・３９４・ 现代导航 ｝２０ 年
１．４．２载波相位差分精度分析
表３的分析结果表明，在ｌＯｋｍ基线长度上， 载波相位差分定位精度可优子ｌ＿２６】ｆｎ ： ： ≮ ：００
表３载波相位差分定位精度分析
载波相位差分 误差源 备注 （＜ｌＯｋｍ）（ｍ） 星历误差 ０ 卫星钟 Ｏ 电离层 ０ 双差观测值消掉 对流层 ０ 双差观测值消掉 多路径 ０．００３ 双差相位观测值 天线对中误差（包括相位中心误差） ０．００５ 双差载波相位噪声 ０．００３ 用户等效距离误差（ｒｍｓ） ０．００６６ 上述７项总体影响 平面精度（ＲＭＳ，ＨＤＯＰ＝３，） Ｏ．０１９７
２北斗高精度定位系统的实现及精度
验证
２．１北斗差分基准站和测地型北斗差分用户机的
实现
差分基准站接收机主要用于接收和处理卫星 导航信号，产生差分信息。为了提高差分基准站接 收机的可靠性和可维护性，就要求各个模块功能相
对独立，接口关系简单、清楚。依据这个原则，差
分基准站接收机可以划分为天线模块、射频模拟、
基带信号处理模块、数据处理模块、应用处理模块、 实时动态载波相位差分定位ＲＴＫ模块、电源模块
等，如图２所示。
Ｌ．一……………………
图２基准站用户机组成框图
天线模块的电气相位中心位于精确的已知的 点位上。天线模块接收卫星信号，经过低噪放进行
信号放大。射频模块把来自天线模块的经低噪放放 大的信号，经下变频及主中放放大，ＡＧＣ控制后，
为信号处理模块提供满足一定同幅度要求的中频
信号。基带处理模块完成导航信号的捕获、跟踪、 导航电文解调、伪距和载波相位测量，及输出导航
电文、原始观测量等任务。数据处理模块主要完成
数据处理，形成基线解算处理所需要的原始观测信 息，差分信息形成以及定位测速功能。应用处理模
块主要负责人机界面的数据交互、控制等功能。电
源模块包括电源管理、充电器、适配器、ＤＣ／ＤＣ、