航天科工--基于北斗的公安勤务定位监控管理系统

doi:10.3969/j.issn.1003-3106.2023.05.002引用格式:金天,苏雨,纪永亮,等.基于北斗B1C 信号的DPE 方法定位性能分析[J].无线电工程,2023,53(5):1007-1014.[JIN Tian,SU Yu,JI Yongliang,et al.Analysis of Positioning Performance of DPE Method Based on BDS B1C Signal [J].RadioEngineering,2023,53(5):1007-1014.]基于北斗B1C 信号的DPE 方法定位性能分析金㊀天,苏㊀雨,纪永亮,鞠㊀易(北京航空航天大学电子信息工程学院,北京100083)摘㊀要:城市峡谷环境的高精度定位是全球卫星导航定位系统亟待解决的重要问题之一㊂近年来提出的直接位置估计(Direct Position Estimation,DPE)方法是基于 导航域 实现位置的最优估计,现有研究集中于全球定位系统(GlobalPositioning System,GPS)信号进行分析验证,缺乏新体制信号的对比和抗多径原理分析,并且计算量过大不易实现㊂针对以上问题,基于北斗卫星导航系统(BDS)B1C 信号,设计了一种快速DPE 软件接收机,并基于城市峡谷环境下的真实信号验证了BDS B1C 新体制信号DPE 软件接收机的实际性能㊂实际试验表明,相同信号相干积分长度和卫星几何精度因子情况下,DPE 接收机使用二进制偏置载波调制(Binary Offset Carrier,BOC)新体制信号相较于二进制相移键控(Binary Phase Shift Keying,BPSK)信号在城市峡谷环境下定位精度具有显著提升㊂关键词:最优估计;B1C 信号;直接位置估计;抗多径中图分类号:TN967.1文献标志码:A开放科学(资源服务)标识码(OSID ):文章编号:1003-3106(2023)05-1007-08Analysis of Positioning Performance of DPE Method Based onBDS B1C SignalJIN Tian,SU Yu,JI Yongliang,JU Yi(School of Electronic and Information Engineering ,Beihang University ,Beijing 100083,China )Abstract :High-precision positioning in urban canyon environment is one of the important issues that need to be solved urgently inthe global satellite navigation and positioning system.The direct position estimation (DPE)method proposed in recent years is theoptimal estimation of position based on the navigation domain .Existing research focuses on the analysis and verification of Global Positioning System (GPS)signals,lacks the comparison of new system signals and the analysis of anti-multipath principles,and thecalculation is too large to be implemented.To solve the above problems,a fast DPE software receiver based on BeiDou NavigationSatellite System (BDS)B1C signal is designed,and the practical performance of BDS B1C new system signal DPE software receiver based on the real signal in the urban canyon environment is verified.The experimental results show that under the same signal coherent integration length and satellite geometry accuracy factor,DPE receivers using new Binary Offset Carrier (BOC)system signals have asignificant improvement in positioning accuracy in the urban canyon environment as compared to the Binary Phase Shift Keying(BPSK)signals.Keywords :optimal estimation;B1C signal;DPE;anti-multipath收稿日期:2022-12-25基金项目:国家自然科学基金(62071020)FoundationItem:NationalNaturalScienceFoundationofChina(62071020)0㊀引言全球导航卫星系统(Global Navigation SatelliteSystem,GNSS)在城市峡谷环境下,因受到卫星可见性差㊁几何精度因子低和附近建筑物的信号反射等影响[1],反射或其他非视距(Non Line of Sight,NLOS)信号叠加在直达视距(Line of Sight,LOS)信号之上[2],限制了独立GNSS 导航终端的定位精度[3]㊂近年来,直接位置估计(Direct Position Estima-tion,DPE)方法为城市峡谷等复杂环境下使用GNSS 信号进行定位服务提供了一种新方法㊂DPE 接收机与传统GNSS 接收机分别对接收的卫星信号进行跟踪㊁再进行导航解算的两步法不同,其将码/载波跟踪环路和导航解算集成到一个步骤当中,通过对接收信号进行一步估计获取位置㊁速度和时间(Position,Velocity,and Time,PVT)信息[4]㊂2007年, Closas等[5]分别推导了传统两步法定位方法和DPE 定位方法的克拉美罗下界(Cramér-Rao Lower Bound,CRLB),证明了DPE方法定位性能不弱于传统定位方法㊂Closas等[6]提出了基于DPE方法的GNSS接收机结构设计与实现方法,通过仿真分析证明了这种接收机结构能够在多径传播和弱信号等复杂场景提供PVT信息㊂Gusi-Amigo等[7]对传统定位方法与DPE定位方法在加性高斯白噪声信道下的定位性能进行理论分析,并推导了DPE方法的近似Ziv-Zakai边界,理论结果表明DPE方法在低信噪比场景下具有更好的鲁棒性㊂Axelrad等[8]提出了一种 集体检测 的辅助GPS技术来实现快速捕获和直接定位,其通过正确组合卫星相关值来降低位置解算所需的载噪比,室外实验显示当使用1ms数据时其水平定位精度约为50m㊂Ng等[9]使用自主研发的软件平台Py-GNSS实现了利用NLOS 全球定位系统(Global Positioning System,GPS)信号进行城市导航的DPE方法,通过实验证明DPE方法在水平方向的定位误差比传统标量跟踪方法减少了40m㊂现有的基于DPE方法的接收机研究主要集中于GPS系统的二进制相移键控(Binary Phase Shift Keying,BPSK)调制信号进行,并未考虑二进制偏置载波调制(Binary Offset Carrier,BOC)新信号体制对DPE接收机性能的影响㊂北斗卫星导航系统(BDS)B1C信号作为北斗三号最主要的公开服务信号为全球用户提供高质量的定位㊁导航及授时服务[10]㊂不少学者对北斗三号的数据质量和定位性能进行了分析与评估[11-15]㊂然而上述分析均基于传统接收机结构进行理论和实验分析,缺乏DPE方法的性能评估㊂基于此,本文从B1C信号应用于DPE方法在弱信号㊁抗多径2个方面的优势进行分析,评估了其在城市峡谷环境下的定位性能㊂1㊀接收信号模型B1C信号是北斗三号系统导航定位服务主用新体制信号[16],载波频率为1575.42MHz,带宽为32.736MHz㊂由于其载波频率与GPS L1C/A㊁伽利略卫星导航系统(GALILEO)E1OS相同,与上述2个频点的导航信号能够实现兼容与互操作㊂B1C 信号为复合包络信号,包含2个正交分量:数据分量和导频分量㊂其中,数据分量采用BOC(1,1)调制;导频分量采用QMBOC(6,1,4/33)调制[17],由低频子载波BOC(1,1)和高频子载波BOC(6,1)组成㊂目前B1C信号支持宽带接收和窄带接收2种测量方法[18]㊂B1C接收信号经过射频前端滤波㊁放大㊁下变频和AD转换后,其中频信号可以表示为: r(tk)=ðN i=1{r i B1C_data(t k)+j r i B1C_pilot(t k)}+n(t k),(1) r i B1C_data(t k)=12D i B1C_data(t k,τi,f d i,t k)C i B1C_data(t k,τi,f d i,t k)㊃sc i B1C_data(t k,τi,f d i,t k,θi,0,f IF),(2) r i B1C_pilot(t k)=32C i B1C_pilot(t k,τi,f d i,t k)㊃sc i B1C_pilot(t k,τi,fd i,t k,θi,0,f IF),(3)式中:r i B1C_data(t k)为第i颗星的数据分量, r i B1C_pilot(t k)为第i颗星的导频分量,N为可见星总数量,t k为采样时间,τi为第i颗星的传播延时,f di,t k 表示t k时刻的多普勒频移,θi,0表示第i颗星的初始载波相位,f IF为信号中频载波频率,D i B1C_data表示第i颗星数据支路导航电文数据,C i B1C_data为第i颗星数据支路测距码,sc i B1C_data为第i颗星数据支路子载波,C i B1C_pilot表示第i颗星导频支路测距码,sc i B1C_pilot 表示第i颗星导频支路子载波㊂采用直接位置估计方法进行导航参数估计时需要将所有可见星的信号在导航域进行能量累加,之后通过一步估计得到导航解㊂城市峡谷弱信号环境下,所有可见星一个码周期的能量累加值难以实现精确的位置估计㊂为了减少算法计算量和复杂度,本文仅使用信号导频支路进行信号能量累加㊂一方面,B1C信号数据信道和导频信道功率比为1ʒ3;另一方面,B1C信号导频支路有10ms码周期,具有更大的相干积分增益㊂综上所述,B1C信号相比其他GNSS信号在DPE接收机城市峡谷环境应用中具有更明显的优势㊂根据以上分析,中频信号可以简化为:㊀㊀r(t k)=ðN sat=1{j A i C i B1C_pilot(t k,τi,f d i,t k)㊃sc i B1C_pilot(t k,τi,f d i,t k,θi,0,f IF)}+n(t k),(4)式中:A i为导频支路信号幅度㊂2㊀直接位置估计方法2.1㊀极大似然估计基于导航域的直接定位方法可以实现导航参数的最优估计[19]㊂DPE的导航域待求解是一个七维的状态矢量χ=[P T,v T,δt]T,P=[x,y,z]表示接收机在ECEF坐标系下的三维位置坐标向量,v=[v x, vy,v z]表示接收机地心地固(Earth-Centered Earth-Fixed,ECEF)坐标系下三维速度向量,δt表示时钟偏差㊂DPE方法的核心思想是建立用户接收机位置坐标与用户接收机接收信号中所有卫星的传输时延和多普勒频率之间的联系㊂DPE方法可以看作传统方法的逆过程㊂传统方法通过分别在不同信号处理通道最大化接收信号和本地产生的卫星PRN序列之间的相关性来估计不同可见星的传输时延和多普勒频率㊂DEP方法通过定义一组候选位置集,将候选位置集中的每一个位置元素与时间延迟紧密联系起来,以联合方式计算所有候选位置元素处的相关能量㊂本地复制信号可以看作是可见星信号的联合信号㊂最后,通过代价函数选择最大化相关性的候选位置元素作为估计位置㊂代价函数是从接收信号中获取PVT参数的最大似然估计,可以表示为:χ^=argmaxχ{ðM i=1Λi(τi(χ),f d i(χ))},(5)式中,M表示可见星数量,Λi(τi(χ),f d i(χ))表示候选位置χ处第i个可见星的预测信号和接收信号的相关值,该相关值大小由预测码相位和多普勒频率共同决定㊂2.2㊀2层网格搜索方法式(5)所示为七维的非凸函数优化问题,为了降低直接求解庞大的计算量,本文将其问题降阶为求解三维的非凸函数优化问题㊂钟差作为先验信息添加到预测信号的生成过程中㊂导航域的状态矢量简化为:χ=[x,y,z]T㊂(6)将式(6)带入式(5)可得简化后的代价函数为:χ^=argmaxχ{ðM i=1Λi(x,y,z)}㊂(7)因此,代价函数的求解仅与待求解位置相关㊂传统的DPE接收机使用二分搜索算法[20]或稀疏度不同的离散网格搜索算法[21]实现快速位置估计㊂城市峡谷环境下根据传统定位方法获取的先验位置预测值受多径影响具有较大误差,采用传统搜索方法对式(7)进行求解时存在定位精度差㊁计算复杂度高和局部收敛等问题㊂本文使用2层网格搜索算法对式(7)进行求解,具体步骤如下:①把传统定位方法获得的定位结果χ-=[x-,y-,z-]T作为当前接收机导航状态量的先验预测值㊂②以γ-为中心,生成第一层等间隔的离散网格点[χ-1,χ-2, ,χ-N]㊂综合考虑搜索范围和计算复杂度,本文选择网格间隔为10m,网格范围为ʃ100m㊂③将2中生成的离散网格点带入式(7),得到第一层网格的粗略位置估计值χ㊃=[x㊃,y㊃,z㊃]T㊂④以第一层网格搜索位置估计结果χ㊃为中心,生成第二层精细化等间隔的离散网格点[χ㊃1,χ㊃2, ,χ㊃M]㊂考虑到参数估计更高的分辨率,本文选择网格间隔为1m,网格范围为ʃ10m㊂⑤将4中生成的精细化离散网格点带入式(7),可以得到搜索范围内的全局最优解χ^=[x^, y^,z^]T㊂2层网格搜索算法具有以下3点优势:①第一层全局粗略搜索能够有效避免传统二分搜索算法在多径误差下由先验预测值误差引起的局部最优收敛;②第二层精细化网格搜索相较于稀疏度不同的离散网格搜索算法在先验预测值存在较大多径误差情况下能够有效提高参数估计精度;③相较于全局精细化搜索,2层网格搜索算法极大减小了搜索网格点数㊂为方便理解,以x㊁y二维搜索为例,2层网格搜索算法的原理如图1所示㊂图1㊀2层网格搜索算法原理Fig.1㊀Principle of two-level grid search algorithm3㊀多径误差分析影响GNSS接收机定位精度的误差主要包括电离层延迟㊁对流层延迟㊁卫星时钟误差㊁相对论误差和多径误差等㊂其中,卫星时钟误差㊁对流层延迟㊁电离层延迟和相对论误差等可以通过理论模型㊁差分技术来抑制或者消除㊂多径误差由于其与接收机周边环境的强相关性,是目前最难消除的误差之一㊂城市峡谷环境下,天线接收信号是直射信号与多个反射信号产生干涉后的合成信号㊂多径信号对传统接收机信号处理的影响主要体现在两方面:一方面,伪码跟踪环跟踪的是合成信号的伪码相位,合成信号与本地信号的相关函数会发生畸变,从而导致延迟锁相环(Delay Loop Lock,DLL)跟踪误差;另一方面,载波跟踪环通过利用本地载波与接收信号载波直接的相位差来动态调整本地载波相位,当接收信号为合成信号而不是直射信号时,二者之间存在偏差㊂多径信号对载波跟踪的影响远小于对伪码跟踪的影响,伪码跟踪误差可以达到百米量级,载波相位误差为厘米级㊂DPE方法根据相关能量直接进行位置估计㊂本地复制伪码与合成信号的相关运算,可以看作是伪码分别与直射信号和反射信号的相关值累加结果㊂根据式(4)可以得到B1C合成信号的自相关函数:㊀㊀RΣ(τ)=R(τ)+R M(τ)=R(τ)+ðM i=1αi R(τ-τi)cosϕi,(8)式中:R(τ)表示本地复制伪码与直射信号的相关函数,R M(τ)表示本地复制伪码与反射信号的相关函数,αi㊁τi㊁ϕi分别为第i个反射信号相对于直射信号的幅值㊁延时和相位㊂由于QMBOC(6,1, 4/33)信号绝大部分功率是由BOC(1,1)组成,为了减少相关时的计算量,本文使用BOC(1,1)信号相关函数进行后面的分析㊂一方面,BOC(1,1)信号相关函数如图2所示,相对于相同码速率的GPS L1BPSK调制信号更加陡峭,具有更好的多径分辨能力[22];另一方面,直接位置估计方法本身的抗多径性能相比传统定位方法更加优异,具体建模分析如下㊂本文以直射信号存在情况下,只有1条反射路径下的信号进行叠加为例进行数学建模㊂首先对相关函数进行归一化处理,可以将式(8)中相关函数分别表示为分段函数:R(τ)=-1-τ,τɪ[-1,-0.5)3τ+1,τɪ[-0.5,0)-3τ+1,τɪ[0,0.5)τ-1,τɪ[0.5,1)ìîíïïïï,(9)RM(τ)=-α1㊃(τ-τ1)㊃cosϕ1-α1㊃cosϕ1,τɪ[τ1-1,τ-0.5)3㊃α1㊃(τ-τ1)㊃cosϕ1+α1㊃cosϕ1,τɪ[τ1-0.5,τ1)-3㊃α1㊃(τ-τ1)㊃cosϕ1+α1㊃cosϕ1,τɪ[τ1,τ+0.5)α1㊃(τ-τ1)㊃cosϕ1-α1㊃cosϕ1,τɪ[τ+0.5,τ+1)ìîíïïïï,(10)式中:ϕ1ɪ[0,2π),α1ɪ[0,1]㊂当τ1小于0.5个码片时组合信号的相关函数可以表示为:RΣ(τ)=-1-τ,τɪ[-1,τ1-1)(-1-α1㊃cosϕ1)㊃τ+α1㊃cosϕ1㊃(τ1-1)-1,τɪ[τ1-1,τ1-0.5)(3+3㊃α1㊃cosϕ1)㊃τ+(1-3㊃τ1)㊃α1㊃cosϕ1+1,τɪ[τ1-0.5,0)(3㊃α1㊃cosϕ1-3)㊃τ+(1-3㊃τ1)㊃α1㊃cosϕ1+1,τɪ[0,τ1)(-3-3㊃α1㊃cosϕ1)㊃τ+(1+3㊃τ1)㊃α1㊃cosϕ1+1,τɪ[τ1,0.5)(1-3㊃α1㊃cosϕ1)㊃τ+(1+3㊃τ1)㊃α1㊃cosϕ1-1,τɪ[0.5,τ1+0.5)(1+α1㊃cosϕ1)㊃τ-(1+τ1)㊃α1㊃cosϕ1-1,τɪ[τ1+0.5,1)α1㊃(τ-τ1)㊃cosϕ1-α1㊃cosϕ1,τɪ[1,τ1+1)ìîíïïïïïïïïïïï㊂(11)㊀㊀根据式(11),当反射波幅值α1为0.5,延时τ1为0.4码片,相对相位ϕ1为0ʎ时,合成信号的相关函数如图2(a)所示,其他参数相同,相对相位ϕ1为180ʎ时,合成信号的相关函数如图2(b)所示㊂(a)同相(b)反相图2㊀BOC信号多径误差Fig.2㊀BOC signal multipath error由图2可以看出,不论多径信号同相还是反相,合成信号的自相关函数均不再关于0码片偏移量处左右对称㊂传统定位方法通过码环鉴别器不断调整本地复制伪随机码相位,直到超前和滞后相关器输出的相关结果E 与L 相等为止,此时码环跟踪误差等于0㊂多径信号引起的码相位测量误差是以自相关函数值相等的E 和L 水平连线线段中点至0码片偏移量处的水平距离δcp ㊂同相多径信号会使伪距测量值偏大,反相多径信号会使伪距测量值偏小㊂因此,传统两步法定位方法定位结果受多径信号影响较大㊂DPE 方法直接通过对相关峰最高值的位置估计进行位置解算,从图2中可以看出,多径信号的存在情况下合成信号的自相关函数峰值与直射信号的自相关函数峰值均位于同一相位处㊂因此DPE 方法能够有效抑制多径信号对定位精度的影响㊂4㊀实验结果及分析为了对BDS B1C 信号直接定位方法在城市峡谷环境的定位性能进行评估,本文搭建了基于DPE 方法的软件接收机性能评估平台,包括天线㊁功分器㊁多通道信号采集器㊁GNSS 软件接收机㊁DPE 软件接收机和数据分析模块㊂性能评估平台工作流程如图3所示㊂图3㊀性能评估平台半实物原理Fig.3㊀Semi-physical schematic diagram of performance evaluation platform㊀㊀为了模拟更加接近真实的城市峡谷环境,选择位于环形楼宇中心的实际信号采集点,数据采集环境如图4所示㊂图4㊀实测数据采集场景Fig.4㊀Measured data acquisition scene使用功分器将天线接收信号分为2路,分别通过多通道信号采集器采集中频数据,数据采集参数如表1所示㊂表1㊀数据采集参数Tab.1㊀Data acquisition parameters参数数值中频频率/MHz 27.92采样率/MHz 112前端带宽/MHz 40数据量化位数/b 1GPS GDOP5.61BDS GDOP5.75定位卫星数量5㊀㊀采集后的中频数据,一路数据由GNSS 软件接收机进行处理,另一路数据由DPE 软件接收机进行处理㊂数据分析模块完成2种软件接收机输出结果与标定基准坐标的对比分析㊂信号采集时GPS 卫星分布如图5所示㊂信号采集时刻播发BDS B1C 信号的卫星分布如图6所示㊂分别用传统软件接收机㊁DPE 软件接收机对采集到的实际信号进行处理,相关长度均为10ms㊂图7为BDS B1C 信号和GPS L1C /A 信号使用2种定位方法的定位误差比较㊂图5㊀GPS 卫星几何分布Fig.5㊀Geometric distribution of GPS satellites图6㊀BDS 卫星几何分布Fig.6㊀Geometric distribution of BDSsatellites图7㊀不同定位方法的定位误差Fig.7㊀Positioning errors of different positioning methods表2给出了实测信号2种定位方法定位误差的均值㊁标准差和均方根误差㊂表2㊀不同定位方法定位误差比较Tab.2㊀Comparison of positioning errors of different methods单位:m接收机类型信号类型均值标准差均方根误差SDR 接收机GPS L1C /A18.90 3.5519.24BDS B1C13.16 1.5613.25DPE 接收机GPS L1C /A14.03 2.7114.29BDS B1C10.342.7210.69㊀㊀可以明显看出,在实际城市峡谷环境下,DPE 接收机使用GPS L1C /A 信号和BDS B1C 信号相较于传统接收机均方根误差分别降低了25.7%㊁19.3%㊂因此,DPE 接收机相较于传统接收机在城市复杂环境下具有明显性能优势㊂使用相同相关长度情况下,BDS B1C 信号能够显著提高DPE 接收机的定位精度,相较于使用GPS L1C /A 信号平均误差和均方根误差分别降低了26.3%和25.2%㊂采用2层网格搜索算法在不降低定位精度的情况下,三维搜索位置点数从8120601降低为18522,计算量得到显著降低㊂为了分析实际城市峡谷环境下信号相关长度对定位性能的影响,图8为DPE 软件接收机分别处理BDS B1C 信号和GPS L1C /A 信号使用不同相关长度的定位误差对比㊂图8㊀不同相关长度的定位误差Fig.8㊀Positioning errors of different correlated lengths表3给出了2种信号在不同相关长度下定位误差的均值㊁标准差和均方根误差㊂可以看出,增加信号相关长度可以显著提高定位精度㊂BDS B1C 信号和GPS L1C /A 信号在30ms 相关长度下均方根误差相比10ms 相关长度分别提升约15.4%㊁9.7%㊂BDS B1C 信号在相同相关长度下的均方根误差均小于GPSL1C /A 信号㊂表3㊀不同相关长度定位误差比较Tab.3㊀Comparison of positioning errors of different correlated lengths定位方法信号类型信号相关长度/ms均值/m 标准差/m 均方根误差/mDPEBDS B1CGPS L1C /A1010.34 2.7210.69209.63 2.9710.07308.552.949.041014.03 2.7114.292013.53 2.3613.733012.652.5712.915㊀结束语本文对BDS B1C信号在DPE方法应用中的弱信号优势和抗多径性能进行了分析,设计实现了一种基于BDS B1C信号的快速DPE软件接收机,将BDS B1C信号体制设计的优异多径分辨能力和直接位置估计方法的抗多径原理相结合来提高接收机在城市复杂环境下的定位精度,并且应用提出的2层网格搜索算法在保证全局最优求解前提下极大地降低了全局搜索的计算量㊂在城市峡谷环境中开展的实际信号定位实验结果表明,30ms相关长度下基于BDS B1C信号的DPE接收机静态定位平均误差为8.55m,均方根误差为9.04m㊂城市峡谷环境静态定位时,同等条件下基于BDS B1C信号的DPE接收机定位精度明显优于传统接收机和基于GPS L1C/A信号的DPE接收机㊂验证了基于BDS B1C信号的DPE接收机在城市峡谷环境下的性能优势,具有一定的实际应用前景㊂参考文献[1]㊀XIE P,PETOVELLO M G.Measuring GNSS MultipathDistributions in Urban Canyon Environments[J].IEEETransactions on Instrumentation and Measurement,2015,64(2):366-377.[2]㊀BRAASCH M S.Performance Comparison of Multipath Mit-igating Receiver Architectures[C]ʊ2001IEEE AerospaceConference Proceedings.Big 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一、GPS/北斗系统及其定位原理ＧＰＳ／全球定位系统（英语：Global Positioning System，通常简称GPS），又称全球卫星定位系统，是一个中距离圆型轨道卫星导航系统。

它可以为地球表面绝大部分地区（98%）提供准确的定位、测速和高精度的时间标准。

系统由美国国防部研制和维护，可满足位于全球任何地方或近地空间的军事用户连续精确的确定三维位置、三维运动和时间的需要。

该系统包括太空中的24颗GPS卫星；地面上1个主控站、3个数据注入站和5个监测站及作为用户端的GPS接收机。

最少只需其中3颗卫星，就能迅速确定用户端在地球上所处的位置及海拔高度；所能收联接到的卫星数越多，解码出来的位置就越精确。

该系统由美国政府于1970年代开始进行研制并于1994年全面建成。

使用者只需拥有GPS接收机即可使用该服务，无需另外付费。

GPS信号分为民用的标准定位服务（SPS，Standard Positioning Service）和军规的精确定位服务（PPS，Precise Positioning Service）两类。

由于SPS无须任何授权即可任意使用，原本美国因为担心敌对国家或组织会利用SPS对美国发动攻击，故在民用讯号中人为地加入选择性误差（即SA政策，Selective Availability）以降低其精确度，使其最终定位精确度大概在100米左右；军规的精度在十米以下。

2000年以后，克林顿政府决定取消对民用讯号的干扰。

因此，现在民用GPS也可以达到十米左右的定位精度。

GPS系统拥有如下多种优点：使用低频讯号，纵使天候不佳仍能保持相当的讯号穿透性；全球覆盖（高达98%）；三维定速定时高精度；快速、省时、高效率；应用广泛、多功能；可移动定位；不同于双星定位系统，使用过程中接收机不需要发出任何信号增加了隐蔽性，提高了其军事应用效能。

GPS系统的组成一个随着地球自转的GPS卫星星座例子。

在此例子中，可接收到的卫星数量是以北纬45°为基准，而此数量会随着时间而变动。

图1北斗智能业务应用思路及规划图2天地立体化通信网络示意图3北斗在勤务战训管理应用示意（2）边境日常管控。

引接营运车辆动态化监管系统数据，并在边境地区执勤、执法和生产作业平台等专用车辆安装北斗车辆监管系统终端，采集车辆及作业平台自身环境和状态信息。

不仅可以获取车辆状态、车主（边民）位置信息、姓名和电话等信息，还可实时动态掌握车辆位置和行动轨迹，同时集成北斗勤务管理系统，融合边境一线执勤力量分布情况，并基于GIS地理信息系统、大数据分析技术，综合展示边境地区所有陆上动态目标的位置信息和行动轨迹，预判、预警监管目标的行为趋势，并对目标进行实时动态管理，可有效减轻值班值勤人员工作负担，提高区域监管监控质效。

还可借助系统内设信息发布功能模块，实现向特定区域内车辆发布禁行或者路况等信息通知[5]，有效对所属辖区内的动态目标实施监管。

（3）应急通信服务。

我国边境一线多处在山高林密、戈壁荒漠，交通不便，通信基础设施匮乏地区。

长期以来边海防地区图4近海船舶综合态势监控应用示意边海防基础设施智能监测监控目前我国边海防基础设施已实现了规模化、多样化和体系化，执勤码头、观察哨、边境铁丝网、执勤板房和标志警示牌呈指数级增长；重点口岸、重要通道和边境敏感地区也均修建了大量的高清设备和拦阻设施。

利用边防基础设施智能运维管理可有效提高边境管控设施维管效率，降低设施维护成本。

基于北斗、物联网和人工智能技术，将低成本、低功耗、小型化终端设备应用到界碑、航标、视频监控前端、拦阻驱离和智能报警等边海防基础设施上，实现设施状态和定位信息自动化采集、相关设备设施的监控和运维。

主要是在一线基础设施上加装相应的北斗智能采集模块，采集设施状态数据，通过移动通信/北斗短报文实现数据传输;通过客户端可以调用中心服务器上的数据，并基于边海防地理信息系统集成综合显示相关边海防基础设施的位置信息、位移信息、周边环境和工作状态等基础信息，从而实现对边海防基础设施的实时、动态监测，也可通过智能维管系统对设施设备的软件系统进行远程。

link appraisement伍爱群1 刘芳宇2 蒯震华1.上海航天信息科技研究院、同济大学；2.院第八〇四研究所图1 北斗卫星导航系统组成示意图图2 北斗混合导航星座设计及其星下点分布示意图GEO卫星星下点为固定点，IGSO卫星星下点为“8”字，MEO卫星星下点为可变弧段基础产品终端产品系统集成运营服务CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION May.2021·中国科技信息2021年第10期航空航天◎平台，价格也各不相同。

目前，2G网络的行车记录仪价格在200~260元左右，4G网络的价格在1000~4500元不等，增加人脸识别监控功能的，则需要5000元左右。

北斗行车记录仪的运用的确为营造更好的货运环境做出了不小的贡献，一方面是帮助公司和监管部门对车辆进行管控，另一方面也是提醒司机不要超速和疲劳驾驶，保障司机和交通道路的安全。

但是，不少车主却对此“叫苦不迭”。

首先是应用与管理层面的问题。

一般来说，重卡上的北斗系统会在监测到车主行车3个半小时的时候报警提醒，但如果此时车主距离服务区或者下个出口特别远，应急车道又不能违停，那就很难避免行车记录仪上超出4小时的疲劳驾驶记录。

此外，还有的车主是因为堵车而“被迫”疲劳驾驶。

另外还存在一些技术层面的问题。

例如卡明明插进去了，信号却错误显示没有插卡；或者老老实实停车休息了，调取的记录却还是有问题等。

还有部分卡车司机认为北斗的行车监管太硬性化、指标化，没有考虑司机们的感受，缺乏人性化管理，可见，以北斗行车记录仪来判断疲劳驾驶，还需要不断地改进与完善。

建议在初步了解了北斗卫星导航系统和北斗行车记录仪的基本情况以后，可以对“北斗掉线”问题进行一定的分析。

通过前面对北斗卫星导航系统的介绍可知，引发争议的“北斗掉线”其实与北斗卫星导航系统之间没有太大的联系。

北斗卫星导航系统为用户提供导航信号，用户终端接收该信号并进行定位。

科技视界Science&Technology VisionScience&Technology Vision科技视界在当今新形势下,公安边境警力的工作异常重要;在信息化技术的支撑下,我国公安边境警力如何提升的信息化工作能力尤为重要[1],[2]。

随着公安边境警力贯彻落实公安部“科技强警”战略的不断深入,定位导航技术在公安边境警力工作中逐步开展应用,是公安边防加强监控管理和提升社会联动应急能力的重要手段[3]。

目前,公安边防指挥系统中的定位导航应用基本上是基于美国的全球定位系统(Global Positioning System,GPS),存在很大的安全隐患[4]。

为了提高指挥调度的安全性和可靠性,我国公安边防部门指挥系统在进行定位导航时,有必要使用我国自主研发的北斗卫星导航系统(BeiDou Navigation Satellite System,BDS),再结合地理信息系统(Geographic Information System,GIS)和现代通信网络系统,从而建立公安边防部门指挥信息服务系统。

本文对北斗卫星导航系统进行了详细介绍,并对北斗卫星导航系统在公安边防部门领域中的应用进行了分析。

1北斗卫星导航系统BDS是我国自行研制的定位导航系统,是继美国GPS系统和俄罗斯格洛纳斯卫星导航系统(GlobalNavigation Satellite System,GLONASS)后世界上第三个实际运行的定位导航系统。

目前,BDS服务范围主要包括中国全境及亚洲部分地区,具有定位精度高、可全天候使用和通信快捷等特点。

北斗卫星导航系统主要由空间段、地面段和用户段三个部分组成。

其中,北斗二代卫星导航系统的空间段由14颗卫星组成的卫星网络,主要包括5颗地球静止轨道(GEO)卫星、5颗倾斜地球同步轨道(IGSO)卫星和4颗中圆地球轨道(MEO)卫星,5颗GEO卫星定点位置为东经58.75°、80°、110.5°、140°和160°;而北斗三号卫星导航系统的空间段则是由5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星组成的混合星座[5],[6]。

中国卫星导航定位协会
中定协〔2014〕号
2014年卫星导航定位科学技术奖奖励决定
根据《国家科学技术奖励条例》和《卫星导航定位科学技术奖奖励办法》及《卫星导航定位科学技术奖实施细则》，中国卫星导航定位协会于2014年3月至8月开展了卫星导航定位科学技术奖评选工作。

全部推荐项目经奖励办公室形式审查，评审专家委员会初审评分、听取重点项目答辩和终审投票，奖励委员会通过，产生了104项获奖项目，并向社会公示。

现在公示期结束，卫星导航定位科学技术奖奖励委员会决定：
一、2014年卫星导航定位科技进步奖
授予3个项目为特等奖；5个项目为一等奖；24个项目为二等奖；32个项目为三等奖。

二、2014年卫星导航定位优秀工程和产品奖
授予1个项目为特等奖；4个项目为一等奖；16个项目为二等奖；19个项目为三等奖。

希望工作在卫星导航与位置服务领域的广大科技工作者以获奖者为榜样，发扬求真务实、勇于创新的精神，进一步攻克核心技术和关键技术，不断的在科技成果，产品研发和市场开拓上取得成绩。

附件：2014卫星导航定位科学技术奖获奖项目名单
二○一四年九月
2014年卫星导航定位科学技术奖
科技进步奖名单
优秀工程和产品奖名单
2014卫星导航定位科学技术奖奖励委员会名单
（按拼音排序）。

《北斗与GNSS终端天线技术与应用》读书随笔目录一、前言介绍 (2)1. 本书背景 (3)2. 作者概述 (3)3. 本书目的和意义 (4)二、北斗与GNSS概述 (5)1. 北斗卫星导航系统介绍 (7)2. 全球导航卫星系统概述 (9)3. 北斗与GNSS的关系及协同发展 (10)三、终端天线技术基础 (11)1. 天线基本原理 (13)2. 终端天线类型及特点 (14)3. 天线性能指标与评估方法 (16)四、北斗与GNSS终端天线技术 (17)1. 北斗终端天线技术 (19)2. GNSS终端天线技术 (21)3. 北斗与GNSS融合终端天线技术 (23)4. 天线技术与信号处理关系 (24)五、终端天线应用案例分析 (25)1. 航空航天领域应用 (27)2. 民用领域应用 (28)3. 物联网及智能设备应用 (29)4. 案例分析中的技术难点与解决方案 (30)六、天线技术发展展望 (32)1. 技术发展趋势及挑战 (33)2. 未来研究方向 (35)3. 技术发展对社会影响及价值 (37)七、书中感悟与体会 (38)1. 学习过程中的收获与启示 (39)2. 对北斗与GNSS技术的认识与理解 (40)3. 对未来科技发展的展望与思考 (42)一、前言介绍随着全球卫星导航系统的飞速发展，卫星导航技术已经深入到我们生活的方方面面。

北斗卫星导航系统作为我国自主研发的全球卫星导航系统，以其高精度定位、导航、授时服务，在全球范围内得到了广泛的应用和认可。

而GNSS（全球导航卫星系统）则是指全球范围内的卫星导航系统，除了美国的GPS，还有俄罗斯的GLONASS，欧洲的伽利略以及中国的北斗等。

在这样的背景下，研究北斗与GNSS终端天线技术及其应用显得尤为重要。

天线作为卫星导航系统的接收端，其性能直接影响到整个系统的接收灵敏度和信号质量。

对天线技术的深入研究和优化，对于提升卫星导航系统的性能和用户体验具有重要意义。

企业风采Enterprise Show促进科技成果转化推动产业化融合—航天恒星北斗系统应用持续推广文 | 王芳 彭昊良 航天恒星科技有限公司北斗系统加装铁路综合平推检查列车航天恒星科技有限公司（简称航天恒星）北斗导航接收机与短报文设备首次应用于中国铁路济南局综合平推检查任务，以确保检查任务中，列车实时定位，检测数据实时回传。

铁路综合平推检查列车由红外线检测车、电务检测车、工务检测车、接触网检测车等专业检测车辆组成，重点对济南局辖线铁路线路质量、机车信号、无线列调场强以及车辆轴温智能探测系统（THDS）质量等进行全面检测。

由于山东省内铁路沿线环境不一，车辆原有GPS导航设备状态不稳定，无法对车辆进行全面地实时跟踪，而加入北斗系统后，使得火车沿线的卫星分布情况变好，从而增强了检测车辆的定位可用性。

本次平推的另一大任务是通过北斗短报文将地面的红外线轴温测量数据传到检测车上，并将评测结果上报企业风采Enterprise Show到指挥中心。

传统无线数传方式只能在过站期间上传，一旦出现故障，列车出站后便无法收到检测数据。

北斗短报文通过卫星链路进行回传，无距离限制，并且减少了铁路局对无线数传设备的维护，节省人力物力，保障平推任务的顺利开展。

北斗系统加装铁路综合平推检查列车是北斗系统在铁路领域的又一应用。

随着行业和用户需求的不断增加，航天特色的北斗与铁路产业化将不断走向融合。

北斗短报文追踪监视设备加装国航首批20架飞机近日，航天恒星同国航机务工程部就民用航空器追踪监视设备进行交流，推动《北斗在运输飞机应用示范项目》进程。

本次交流以国航首批20架飞机安装北斗短报文追踪监视设备为背景，针对符合适航标准的产品研制进。

基于北斗的远程环境监控系统的研究与设计王延文;王尔申;赵志杰;哈哲远;廖馨宇;唐远江;于子航;姚爱华【摘要】为了更好地对空气环境信息进行实时监测,研究设计了基于北斗的远程环境监控系统.系统采用BMP180大气压传感器、DHT11温湿度传感器等对环境信息进行全面监测,利用BDS/GPS双模定位模块对所监测位置进行准确定位,并利用GSM无线通信模块将获取的各项信息发送给PC端监控软件.文中给出了系统的软硬件详细设计,并给出了实验测试结果,结果表明,该系统可以精确的监测空气环境相关信息并将信息实时传递给的PC监控中心,研究结果对实现空气环境质量远程监测和管理具有一定的意义.%To monitor the environment better,we researched and designed a remote environment monitoring system based on Beidou, using BMP180, DHT11 to monitor the environment roundly, GPS/BDS dual mode positioning module to get the accurate position and GSM wireless communication module to send messages to monitoring soft-ware. The detailed designs both the hardware and the software are provided. The results show that the system can monitor the environment accurately and send messages to PC monitoring center. The research is significant to moni-tor environment remotely.【期刊名称】《电子器件》【年(卷),期】2018(041)003【总页数】5页(P698-702)【关键词】北斗卫星导航系统;环境监测;GSM;PC监测中心【作者】王延文;王尔申;赵志杰;哈哲远;廖馨宇;唐远江;于子航;姚爱华【作者单位】沈阳航空航天大学电子信息工程学院,沈阳110136;沈阳航空航天大学电子信息工程学院,沈阳110136;沈阳航空航天大学航空宇航学部,沈阳110136;沈阳航空航天大学创新学院,沈阳110136;沈阳航空航天大学创新学院,沈阳110136;沈阳航空航天大学电子信息工程学院,沈阳110136;沈阳航空航天大学航空宇航学部,沈阳110136;沈阳航空航天大学电子信息工程学院,沈阳110136【正文语种】中文【中图分类】TP368.1;TN967.1随着改革开放和经济的高速发展以及工业化和城市化水平不断提高,环境污染问题日益严重,环境问题成了当今社会的热点话题。