我國廣域增強系統(tǒng)中參考站的技術與發(fā)展

摘要參考站是衛(wèi)星導航廣域增強系統(tǒng)的重要組成部分，本文介紹了廣域參考站的任務和組成，對數(shù)據(jù)處理過程中平滑偽距生成及電離層改正等算法進行了推導，討論了天線安裝設計和參考站布局方面應注意的基本原則，最后對參考站未來發(fā)展提出了建議和設想。

關鍵詞廣域增強系統(tǒng)參考站平滑偽距布局

中圖分類號:V24文獻標識碼:A

廣域增強系統(tǒng)通過已知位置的地面參考站對GPS衛(wèi)星連續(xù)觀測，將監(jiān)測到的數(shù)據(jù)經過處理形成差分矢量改正，由同步衛(wèi)星廣播給用戶，以提高GPS的定位精度;參考站是廣域增強系統(tǒng)的重要基礎設施，通過參考站對GPS衛(wèi)星及其差分改正的數(shù)據(jù)進行質量監(jiān)測，來增強GPS的定位精度和完善性。參考站提供的監(jiān)測數(shù)據(jù)決定了中心站估計誤差改正數(shù)和完善性信息的精確性。本文重點對參考站技術現(xiàn)狀加以介紹。

1 我國廣域增強系統(tǒng)的原理與組成

廣域增強系統(tǒng)(WAAS)由美國聯(lián)邦航空局FAA首先提出并研制建設，可以提高覆蓋區(qū)域內的GPS定位精度(通過差分技術)、完好性(提供及時的報警能力)和可用性(通過附加測距信號)。根據(jù)廣域增強系統(tǒng)的特點和我國的國情，我國廣域增強系統(tǒng)包括地面部分和空中部分。地面部分由參考站、中心站、用戶站及輔助設備三個分系統(tǒng)組成，空中部分包括載有導航轉發(fā)器的地球靜止軌道衛(wèi)星。我國廣域增強系統(tǒng)的長遠目標應當是基于 GPS/GLONASS的廣域增強系統(tǒng)。

廣域增強系統(tǒng)采用的是廣域差分技術，通過一定數(shù)量位置精確已知的地面參考站對GPS信號進行連續(xù)觀測，中心站對各類誤差源進行區(qū)分和模型化，計算出每一個誤差源的改正數(shù)，然后把計算得到的改正數(shù)通過通信鏈路廣播給用戶。用戶利用這些改正數(shù)和GPS 接收機的偽距觀測值進行數(shù)據(jù)融合，實現(xiàn)用戶的精確定位。

2 參考站的組成與功能

參考站是廣域增強系統(tǒng)的重要組成部分，每個參考站設有3臺獨立工作的WAAS 接收機， 其中一類參考站的第一和第三套接收機為標準WAAS接收機，第二套接收機采用MINI-WAAS接收機;二類參考站三套接收機都采用MINI-WAAS接收機，且不同型號的接收機在參考站中的安裝位置固定不能互換。WAAS 接收機由多路徑處理板(MEDLL) 和2個獨立工作的L1/ L2 雙頻處理板組成。每個參考站由3臺獨立工作的原子鐘提供穩(wěn)定頻率標準，形成3套高精度接收處理設備，其中1套用于在線熱備份，其他2套在線工作并用于數(shù)據(jù)的獨立性校驗。參考站還配有數(shù)據(jù)綜合處理與發(fā)射設備、氣象設備、供配電設備和防雷電設備等。

參考站的主要功能是采集GPS衛(wèi)星及氣象設備的觀測數(shù)據(jù)，并對所采集的原始觀測數(shù)據(jù)進行預處理。預處理數(shù)據(jù)通過通信鏈路傳送到中心站，由中心站完成各差分改正數(shù)的確定和GPS衛(wèi)星的完好性監(jiān)測，同時對差分改正數(shù)的誤差加以評估。

3 參考站數(shù)據(jù)處理

3.1 參考站數(shù)據(jù)處理流程

參考站用雙頻接收機得到L1和L2的碼偽距和載波相位，同時采集氣壓、溫度、濕度等氣象參數(shù)，對這些數(shù)據(jù)的處理主要包括:計算L1偽距的接收機噪聲;計算相位平滑偽距;計算并平滑電離層延遲;計算電離層延遲變率和檢測相位序列周跳;計算內頻偏差;從偽距中減去到衛(wèi)星的名義距離;偽距加廣播的衛(wèi)星鐘差改正;偽距加電離層改正和對流層改正;從所有可見衛(wèi)星偽距估計參考站鐘差;計算偽距殘差及其置信值等。由于篇幅的限制，本文只介紹數(shù)據(jù)處理流程中平滑偽距、電離層延遲校正方法。

3.2參考站平滑偽距與電離層延遲的計算方法

參考站對衛(wèi)星的偽距觀測是衛(wèi)星軌道改正的基礎數(shù)據(jù)，基于我國WADGPS參考站的實際數(shù)據(jù)，下面介紹用無發(fā)散加權的Hatch濾波方法獲得平滑偽距的過程。假定在參考站用雙頻接收機以每秒一次的采樣率得到L1和L2的偽距和載波相位，根據(jù)最小二乘中的加權平均原理，忽略偽距和偽距差的相關，并已知它們的標準差和，則平滑偽距表述如下:

(1)式中，下標代表歷元，為平滑偽距的方差，由下式確定:(2)

已知，計算，則，從而得到平滑偽距。同理可得到，則偽距差:(3)

由載波平滑偽距差可以計算電離層延遲:(4)

最后，這些偽距殘差同電離層延遲估值一起送到中心站。利用加權Hatch濾波方法來進行載波相位平滑偽距.可以顯著地抑制偽距中噪聲的影響，可以估計觀測值精度隨時間的情況，不過它需依靠經驗公式來給定平滑后偽距的方差。

3.3 參考站天線的安裝設計

參考站的天線不同于一般的接收天線，應專門設計，主要遵循以下原則。

(1)多路徑誤差在參考站必須被有效抑制，以獲得更好的精度。為抑制干擾直接信號的地面反射信號，天線應放置于不易產生多路徑影響的位置，各天線應有一定距離，以避免各天線多路徑影響的相關性。所以天線安裝位置上應有良好的地質、地勢，周圍高度5度視角范圍不應有高大建筑物活或山丘遮擋，無大型反射面(如水庫、大型體育館等)。(2)合理選擇天線位置和方向。根據(jù)參考站的工作特點，結合其他設備天線的工作方式確定天線方向和位置，特別是在GEO衛(wèi)星、GPS衛(wèi)星的來播放向上。(3)天線安裝位置要避開有害氣體、強電場、強噪聲等的影響。(4)天線應安裝在水泥或鋼結構支架上，天線離地面(基準面)高度要800mm。

4我國參考站的布局情況

參考站的數(shù)量和相對位置關系到差分改正數(shù)的精度。在廣域差分技術中主要誤差源是星歷誤差、電離層延遲誤差、對流層誤差、接收機噪聲和多路徑效應等。其中星歷誤差和電離層延遲誤差為主要誤差源，但星歷鐘差不涉及參考站的布局和數(shù)量問題，所以參考站在我國區(qū)域的建設要重點考慮其對電離層延遲誤差影響，以及對對流層誤差和多路徑效應的影響。適當選擇參考站的地址，應考慮如下要素。

(1)考慮地理位置、基礎設施(如通訊、電力等因素)以及維護等問題。保證參考站安全、穩(wěn)定、可靠。(2)參考站在服務區(qū)內要有較大的跨度和較好的幾何圖形結構，并大致均勻分布，以保證最大范圍地跟蹤衛(wèi)星。為能保證衛(wèi)星軌道和衛(wèi)星鐘以及均勻的電離層探測精度，其監(jiān)測區(qū)域的半徑一般為300-1000km。(3)參考站多路徑效應的影響一般較大，所以避開多路徑效應較強烈的環(huán)境。(4)考慮建站成本和維修費用。在區(qū)域大小一定的情況下參考站數(shù)量越多，差分改正數(shù)的精度越高，但參考站增多，會使建站成本和維修費用大大增加。而且，當參考站分布到一定密度時，再增加站點對改正數(shù)精度提高的意義已不大，所以參考站的分布數(shù)量要綜合考慮。

根據(jù)我國地理位置覆蓋范圍廣闊和南部地區(qū)地處電離層赤道異常區(qū)域的特點，以及國防建設和國民經濟發(fā)展的需要，可以得出我國衛(wèi)星導航廣域差分增強系統(tǒng)的參考站布局原則:東南沿海和中部地區(qū)密集，西北地區(qū)稀疏。在我國建立20個左右的參考站基本上可以滿足我國廣域系統(tǒng)的精度指標要求，但在青藏高原西南部和內蒙古北部地區(qū)的電離層穿透點相對較少。因此，對于我國的GPS廣域增強系統(tǒng)來說，在考慮其參考站布局時，可以適當在這些地區(qū)加密。利用當前所能觀測到的27顆GPS衛(wèi)星，參考站為大體均勻分布于中國區(qū)域的24個站，下圖為我國參考站大致分布圖:

5 結束語

隨著衛(wèi)星導航事業(yè)的發(fā)展和GPS 現(xiàn)代化的升級改造，我國廣域增強系統(tǒng)的建設也取得了一定成果，但其性能與國外其他同類系統(tǒng)(如歐洲EGNOS系統(tǒng))相比較還具有一定的差距。根據(jù)我國實際情況，可考慮適當增加參考站布站規(guī)模，改進參考站和中心站差分算法，進一步提高星歷誤差改正和電離層延遲改正的精度，建立更高精度的衛(wèi)星導航增強系統(tǒng)，滿足更多用戶的使用需求。