北斗/GPS双模系统在汽车定位中的关键技术研究

[摘 要]GPS精密单点定位技术因无须自己架设地面基准站，使用成本低，在汽车导航定位技术中得到广泛应用。但因覆盖卫星数不足，该定位技术仍存在诸多不足，使得在汽车领域的应用受到了限制。随着中国北斗导航系统的发展，及服务的完善，出现了多系统相互融合的技术，大大提高了定位精度。结合到我国现状，本文对北斗/GPS双模定位技术进行研究。

[关键词]GPS导航；双模系统；捕获；选星；双模定位

中图分类号：P228.4 文I标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）11-0101-01

引言

近些年来，随着我国科学技术的不断的发展，卫星导航领域也在不断地提升，在汽车领域由于单模导航系统定位能力受位置条件及出口地区的限制，逐渐在被淘汰，现在在中国地区采用GPS-BeiDou双模组合方式，来提高车辆定位精度。另外，随着科技的进步双模导航系统必定会成为发展的主导。本文就针对北斗/GPS导航系统的双模定位中的关键技术做进一步的剖析和研究。

1 北斗和 GPS 导航系统工作原理

1.1 北斗导航系统

北斗导航卫星系统跟其他导航系统一样，由空间段、地面段和用户端三部分构成，提供导航、定位、授时3类服务，而且值得骄傲的是北斗导航系统是由中国自主研发。最开始研发北斗卫星导航系统的目的就是要能够向用户提供全球范围内最好的服务，即高精度、高可靠定位、导航、授时服务。现在北斗卫星导航系统已覆盖亚太地区（17颗分布在亚太地区）， 2020年将完成35颗卫星发射提供全球服务。

1.2 GPS导航系统

向全世界免费提供使用权，但美国只向外国提供低精度的卫星信号，且一旦发生战争，美国可以关闭该系统对某地区的信息服务。

GPS是世界上第一个成熟、可供全民使用的全球卫星定位导航系统。该系统由28颗中高轨道卫星组成，其中24颗为个工作星，4颗为备用星，分布在6个等间隔的近圆轨道上，每个轨道分布4颗卫星。卫星轨道高度约为20220千米，轨道倾角为55°，轨道周期为12小时。

GPS接收机对每颗卫星产生伪距和载波相位两个基本距离测量值，伪距是信号接收时间与信号发射时间的差再乘以真空光速，其中信号接收时间由接收机内部时钟得到，而发射时间则涉及信号中测距码相位的测量。接收机获得的另一个基本观测量是载波相位，它在分米级、厘米级的精密定位中起着关键性作用。GPS用户设备可分为数据接收和处理两部分，其中接收部分主要是各类GPS或兼容GPS的接收机前端处理模块；数据处理部分包括各类数据处理软件以及微处理机。

1.3 北斗/GPS双模接收机的工作原理

通过对北斗和GPS导航系统在构成体系、时空系统上的兼容性和差异性分析可以得出，可以实现北斗和GPS的双系统融合。组合后的北斗/GPS双模系统，接收机可以同时接收北斗和GPS卫星信号。在组成系统架构上，与单模接收机原理相似，北斗/GPS双模接收机也可分为：射频前端、基带信号处理以及导航定位3大模块。

北斗和GPS天线的极化方式相同，根据兼容性，可以共用一副天线进行信号采集，双模接收机的射频前端能够共用。射频模块其主要作用是对高频的卫星信号进行变频处理，使其输出为能够进行数字信号处理的中频信号；基带信号处理和定位模块，主要是对卫星信号进行捕获、跟踪、导航电文解调以及位置解算处理，将定位的结果位置信息数据输入给车载导航系统，并于地图数据进行匹配，完成车辆定位。

1.4 北斗/GPS 双模导航定位方式

北斗/GPS双模软件接收机，可以在两种模式下工作，分别是单模式（单北斗和单GPS）和组合模式（北斗/GPS）。在组合定位方式上也可分为两种，分别是定位结果融合和伪距融合。如图1示，定位结果融合：分别计算两个独立导航系统的定位结果，然后将其进行加权组合得到最终结果。由于两个单系统定位精度不同，对组合定位结果的权重很难计算，所以此方法往往很难保证定位结果的精度。

如图2示，伪距融合：通过北斗和GPS系统间的时间差，将北斗和GPS的伪距进行联合观测，可得到精确的车辆位置。这种方法很好的将两个不同的导航系统融合在一起，能够将每种系统的优势更好发挥，最终提高车辆的定位精度。

2 北斗/GPS 卫星位置解算

北斗/GPS卫星位置的解算主要是对导航系统的卫星具置进行精确的解算，导航系统的控制命令是通过导航电文及导航位置信息保存到卫星储存器里，通过卫星来进行传送。在运用中，车载导航主机接收到卫星信号，并对信号中的导航点位进行解码，能得到卫星运行轨道参数，若精确计算卫星的具置和卫星的运动变化，必须通过这些参数来获取。所以北斗/GPS卫星位置解算就是必不可少的。

3 北斗/GPS 双模系统选星算法研究

双模导航系统，在同一位置可以观测到卫星个数比单模系统观测到的卫星个数多，信号质量也有所提高（北斗分布密度明显高于GPS卫星密度），车载导航系统可根据软件算法筛选出信号强、可信度高的卫星进行定位，并采用北斗定位优先的策略来做出跟踪和定位。可以提高定位成功率，及定位精度。另外，在双模卫星定位系统中若能够快速的捕获更多的卫星信号，就必须要创造多条的卫星跟踪通道，并且在接受到的同时需要增加接收机的运算量。所谓的卫星选星算法就是能够准确的掌握卫星数量，从一切可见星中挑出一部分位置最好的卫星组合。

城市、峡谷（多径）路况，北斗+GPS双模系统定位轨迹更精准，具体测试结果如图3、图4。

4 结束语

随着全球卫星导航技术不断发展和进步，车载导航系统技术方向一定会是双模和多模卫星导航技术，因为，无需更改硬件设计方案，即可适配全球各地区出口市场，开发成本低、节省成本，且定位精确。所以，在车载导航领域GPS+北斗双模导航系统有这广阔的发展前景。

参考文献

[1] 张龙.北斗/GPS双模定位中的关键技术研究[D].长安大学，2016.

[2] 李亚飞.北斗/GPS双模定位关键技术研究[D].中国地质大学（北京），2014.