基于北斗导航定位系统关键技术研究

基于北斗导航定位系统关键技术研究

隋丙辉

中国人民解放军 91710部队

摘要：众所周知，北斗卫星导航定位系统是我国自主研发的卫星导航定位系统，其在独立自主方面的优势十分明显。这一系统的最终发展目标是能够在全球范围内进行定位服务。本文先简单阐述了北斗卫星导航定位系统的基础工作理论，又提出了该系统当中的关键技术，希望能够为相关工作的落实提供合理参考。

关键词：北斗导航；定位系统；定位技术

北斗卫星导航定位系统完全由我国自主研发，且能够和当下世界上其他的卫星导航定位系统实现兼容，也可以相互操作。该系统的三大基础功能有快速定位、双向通信和精密授时三种，该系统在2020年已经实现了全球卫星导航的目标。目前我国的北斗卫星导航系统已经跻身于世界四大导航定位系统的行列当中，其他三种是美国知名的GPS全球定位系统、俄罗斯的GLONASS定位系统，以及欧盟的伽利略定位系统，显然北斗卫星定位系统在世界上已经得到了认可。

一、北斗卫星导航定位系统基础理论

一方面是北斗卫星信号的信号结构，北斗导航定位系统当中，信号使用的是扩频通信技术，传送电文信息使用的则是伪随机码调制^[1]。扩频通信指的是在传输信号时，其使用的频带宽度远超过传输信息需要的最小宽度，使用此种通信方式需要注意的是，工作人员在数据发送之前需要使用伪随机码提前调制数据。该通信方式的优势在于误码率低、抗干扰性和隐蔽性强等，扩频增益的计算公式如下：

在研究信息论的过程当中，技术人员香农总结出了一个与信道容量密切相关的公式，即香农公式：

从香农公式当中可以得知，只需要加大宽带或者提升信噪比，就能达到提升信息传输速率的效果。

另一方面是北斗系统的定位原理，众所周知平面上两条非平行的直线就可以确定一个点^[2]。但在空间当中，需要两个相交的曲面才能确定一条曲线，三个相交的曲面才能确定两个点，这就是北斗导航定位系统的工作原理^[3]。如：某工作人员掌握了三个卫星的空间位置，又得知了被动定位接收机与卫星之间的距离，则该工作人员就能够判断，北斗接收机的位置在以卫星为中心，卫星到接收机距离为半径的三个球形的共同交点上。在一般的情况下工作人员需要思卫星才能完成定位解算，原因在于需要将卫星本身的时延也作为位置变量考虑。

二、基于北斗导航定位系统关键技术

（一）接收机定位

北斗导航定位系统中，定位接收机的硬件结构如图1所示。

图 1 北斗定位接收机总体结构

根据图1内容可以得出结论，天线接到信号之后会将其传输到射频模块，处理之后会再次传输，将信号转移到基带模块当中，之后还会经过数据处理和定位解算两个环节。在北斗卫星导航定位系统当中，接基带处理和导航定位解算模块的计算特点有十分明显的差异。其中基带处理模块的计算对实时性要求高，同时计算量大，因此在精确度方面的要求比较基础。导航定位解算模块则是对计算的实时性要求比较低，计算量也不大，但对数据处理精度要求严格，这两部分的工作对北斗导航定位系统接收机性能都有十分重要的决定性作用。

在定位接收机当中，减少误差产生属于比较关键的技术，产生误差的原因比较多样化，常见的原因是卫星运行轨道方面和大气折射等原因，这些误差会对北斗导航定位系统的工作精度产生比较重要的影响。某工作人员认为，需要根据查不同的误差产生原因设计相应的修正方式，最终达到提升系统定位工作精确程度的目的。该工作人员将未知参数带入伪距解算方程组，北斗接收机位置解算的同时，就会将未知参数同步解算出来。除了此种方式之外，工作人员还可以选择针对定位误差的特点设计修正模型，或者进行差分定位的方式修正部分误差，需要注意的是在工作中，部分影响不严重的定位误差可以忽略。

（二）信号传播

在信号传播过程中，技术要点同样是避免误差。一种是电离层误差，电离层位于大气范围中，具体位置是地球表面50km-1000km之间。在太阳辐射的影响下，其中的部分气体分子会产生电离化，最终成为自由电子。这些自由电子就是导致卫星信号传播误差的主要原因之一，其修复可以使用修正模型，以Klobuchar电离层延时修正模型为例，这种模型能够利用电离层24h内的延时变化规律将电离层误差尽可能消除。其工作原理是在电离层在夜间的时延比较畹町，能够保持在5ns左右，在白天，门店里程的时延最大值一般出现在2∶00PM，根据这一特点，工作人员得出了相应的变化规律，整理成公式如下：

另一种是对流层误差，众所周知，对流层中的大气状态难以控制，尤其是上边界值不固定。需要注意的是对流层上边界不仅与纬度的高低有明显的关系，还会受到季节影响产生变化。在对流层当中很容易产生逆温现象，卫星信号在经过对流层的过程当中，其传播速度会产生比较明显的变化，同时信号传播方向也会改变，这些都属于不确定因素，也是导致对流层产生误差的主要原因。针对此种误差，通常会使用霍尔普斯修正模型进行处理，其公式如下：

但需要注意即便是使用该模型修正，依旧会存在部分误差，工作人员根据经验将精确度规范在＜0.5m即可。

结束语：

综上所述，显然该系统的建立对我国的科学技术发展来讲有至关重要的意义，即拥有自己的卫星导航系统，能够避免为未来受制于人，同时该导航系统每年能够给我国创造巨大的经济效益，不仅如此还能帮助我国节约以往引进国外系统的资金。北斗卫星导航系统的建立意味着我国科学技术水平已经达到了世界领先地位，且技术储备有明显提升。

参考文献：

[1]杨洪磊，司兴登，梁仕斌，苗雪鹏.北斗导航定位系统在架空输电线路覆冰监测中的应用研究[J].电子元器件与信息技术，2021,5(03):94-95.

[2]褚英双，郭晶云.集装箱码头集卡北斗导航定位系统设计与应用[J].集装箱化，2020,31(12):22-25.

[3]吴晓明.船用北斗导航系统终端定位性能的检测验证[J].中国航海，2020,43(04):89-93+115.