衛(wèi)星導(dǎo)航差分系統(tǒng)和增強系統(tǒng)（二）

+ 劉天雄

2 差分系統(tǒng)及其實現(xiàn)方案

2.1誤差分析

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)誤差源分為三類，一是所有用戶共同面臨的誤差，包括衛(wèi)星鐘差、星歷誤差、衛(wèi)星信號發(fā)射天線相位中心偏差；二是不能由用戶測量或由校正模型來計算的傳播誤差，包括大氣電離層和對流層延遲誤差；三是接收機固有的誤差，包括電子線路中的內(nèi)部熱噪聲、通道延遲、接收機天線相位中心偏差以及不確定性的多路徑誤差，如圖1所示。誤差對定位精度的影響的如圖2所示。

在研究誤差對衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)定位的影響時，利用差分技術(shù)可以完全消除第一類誤差；可以消除大部分第二類誤差，但取決于基準接收機和用戶接收機之間的距離；第三類誤差依靠差分技術(shù)無法消除，如空間相關(guān)性較弱的多路徑誤差，是變化很快的隨機噪聲，以及選擇可用性和用戶接收機噪聲帶來的誤差。為了消除前兩類誤差，在基準參考站配置高穩(wěn)定度的原子鐘以提供穩(wěn)定頻率標準，中心站獲得原始測量值，對測量誤差進行分析處理時，若采用誤差分項分析及剝離方法，則必須建立分項誤差模型。如果提高星歷誤差的估計精度，就要建立衛(wèi)星動力學(xué)模型，這種動力學(xué)方法用載波相位作為測量值，因此必須解決整周模糊度問題。

圖1 衛(wèi)星導(dǎo)航中的誤差

圖2 誤差對定位精度的影響

提高系統(tǒng)定位精度的方法主要是對偽距或載波相位等觀測誤差進行改正，采用偽距及其誤差改正數(shù)可以獲得亞米級定位精度，采用載波相位觀測及其誤差改正數(shù)可以獲得厘米級定位精度。改正數(shù)生成方式包括觀測值域改正數(shù)和狀態(tài)域改正數(shù)兩類，觀測值域改正數(shù)不對誤差源細化細分，主要對偽距或者載波相位的觀測量進行綜合誤差改正，該改正數(shù)與地面站地理位置空間強相關(guān)，適用于局域差分改正，是用戶級差分，一般地基差分系統(tǒng)采用觀測值域差分改正；狀態(tài)域改正數(shù)對偽距和載波相位誤差源細化為星歷、鐘差、電離層延遲等誤差，并分別對相應(yīng)誤差進行修正，改正數(shù)與地面站地理位置空間弱相關(guān)，適用于廣域差分，是系統(tǒng)級差分服務(wù)，一般星基差分系統(tǒng)采用狀態(tài)域差分改正。

根據(jù)參考基準站播發(fā)的改正信息，將差分系統(tǒng)分為位置差分、偽距差分和載波相位差分三類，這三類差分方式的工作原理是相同的，都是由基準站發(fā)送改正信息，用戶接收并對于其測量結(jié)果進行改正，以提高定位精度，不同的是播發(fā)的改正數(shù)內(nèi)容不一樣，其差分定位效果也有所不同。

位置差分：從概念上講，實現(xiàn)衛(wèi)星導(dǎo)航差分系統(tǒng)最簡單的辦法是把參考接收機放置在位置已知的基準站上，基準站的接收機接收可解算出基準站的位置坐標。由于存在著星歷誤差、衛(wèi)星鐘漂移、電離層及對流層延遲、多徑效應(yīng)以及SA誤差等其他測量誤差，解算出結(jié)果與基準站的已知坐標是不一樣的，接收機測量值和真值之間存在誤差，基準站利用數(shù)據(jù)鏈將誤差修正信息播發(fā)給周邊用戶，用戶接收到差分改正數(shù)后，可以消除基準站和用戶之間的共有誤差，特別是星歷誤差、衛(wèi)星鐘誤差以及SA誤差。

這種差分方法存在不足，要求所有接收機對同樣一組衛(wèi)星進行偽距測量，要求具有同樣的精度幾何因子GDOP，才能達到所受的偏差影響是相同的要求，因此，用戶接收機必須與按基準站選擇導(dǎo)航衛(wèi)星，或者基準站必須測定并發(fā)送對所有可見衛(wèi)星組合而言的位置校正值，顯然這種方法對用戶來說不方便，對基準站來說也不經(jīng)濟。實際上，不同位置上的用戶接收機和遠端基準站的接收機很難保證定位解算過程中的幾何精度因子GDOP值是相同的。位置差分法適用于用戶與基準站間間隔在100km以內(nèi)的局部區(qū)域。

偽距差分：偽距差分是目前應(yīng)用最廣的一種差分技術(shù)。首先測量位置已知基準站與可見衛(wèi)星之間的距離，與含有星歷誤差、衛(wèi)星鐘漂移、SA誤差、電離5層及對流層延遲等測量誤差的測量偽距加以比較；然后基準站將所有衛(wèi)星的偽距測量偏差廣播給用戶，用戶利用此測距誤差來修正測量的偽距；最后用戶利用改正后的偽距來解出本身的位置，由此消去公共誤差，提高定位精度。

與位置差分類似，偽距差分能消除用戶和基準站之間的公共誤差，但隨著用戶到基準站之間距離的增長又出現(xiàn)了系統(tǒng)誤差，這類誤差用任何差分法都是不能消除的。用戶和基準站之間的距離對于精度提高的程度有決定性影響。

載波相位差分：由于導(dǎo)航衛(wèi)星在軌高速運動，一般要求接收機能夠解算出載波單頻點上變化的多普勒頻移。在使用雙頻接收機的場合，要同時跟蹤兩個頻率。對多普勒頻移積分能極精確地測量出各個時間歷元之間信號載波相位。干涉測量技術(shù)利用這些精確的相位測量值，可獲得厘米級的實時位置精度。雖然在歷元之間信號相位的變化能極精確地測量出來，但從衛(wèi)星到接收機傳播路徑上的載波整周期數(shù)仍是模糊的。確定傳播路徑上的載波整周期數(shù)叫做“載波整周模糊度解算”，它是動態(tài)衛(wèi)星導(dǎo)航差分技術(shù)研究范疇中一個活躍的研究領(lǐng)域。

圖3 RTK定位技術(shù)

利用載波相位相對定位就是RTK（real time kinematic）測量技術(shù)，RTK利用兩部或多部接收機同時跟蹤同樣的多顆導(dǎo)航衛(wèi)星，基準站位于位置已知的固定點上，基準站利用無線電鏈路將位置和測量信息播發(fā)給移動的用戶，用戶接收機內(nèi)置的軟件合成并處理來自基準站信號和來自導(dǎo)航衛(wèi)星的信號，最終實現(xiàn)位置解算，如圖3所示。目前，初始的載波整周模糊度幾乎可用on-the-fly（OTF）技術(shù)實時解模糊。這種方法適用于如下三種情況，①用戶與基準站的距離為10～15km；②用戶需要實時解算出三維位置坐標；③信號傳播路徑無障礙。

為了克服RTK測量技術(shù)有效范圍有限（10～15km）的缺點，近年來在常規(guī)RTK基礎(chǔ)上發(fā)展了網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)，也稱基準站RTK，通常在一個區(qū)域內(nèi)建立多個（一般為三個或三個以上）衛(wèi)星導(dǎo)航監(jiān)測基準站，對該區(qū)域構(gòu)成網(wǎng)狀覆蓋，并以這些基準站中的一個或多個為基準計算和發(fā)播衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)差分改正信息，從而對該地區(qū)內(nèi)的用戶進行實時改正。網(wǎng)絡(luò)RTK的基本原理是在一個較大的區(qū)域內(nèi)稀疏地、較均勻地布設(shè)多個基準站，構(gòu)成一個基準站網(wǎng)，借鑒廣域差分系統(tǒng)和具有多個基準站的局域差分系統(tǒng)中的基本原理和方法來設(shè)法消除或削弱各種系統(tǒng)誤差的影響，獲得高精度的定位結(jié)果。

2.2工作原理

差分技術(shù)意味著我們可以從至少兩個相隔某一固定距離（又稱為基線）的接收機中獲得相似的測量值集合，將兩個接收機得到的相似的測量值線性差分，就可以消除兩個接收機共有誤差。差分衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)組成如圖4所示，包括能夠接收差分修正信號的用戶接收機，一座位置已知的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)基準站（通常又稱為差分臺），基準站接收導(dǎo)航信號并確定位置坐標，由于基準站的位置是確定的，通過比較測量結(jié)果和實際位置（真值）之間的偏差，就可以計算出導(dǎo)航信號中包含的誤差，由此，可以計算出衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的改正數(shù)，然后再由基準站利用通信鏈路將差分修正信息播發(fā)給附近的用戶。

圖4 衛(wèi)星導(dǎo)航差分系統(tǒng)組成

差分系統(tǒng)的道理很簡單，如果我們汽車往右偏了，那么誰都知道稍稍的向左打輪調(diào)整。衛(wèi)星導(dǎo)航差分技術(shù)也是同樣的道理，電離層、對流層、鐘差、星歷的影響不是會產(chǎn)生誤差嗎？首先確定一些位置已知點的信息，如果已知點和被測點距離足夠近，那么可以認為它們受到的那些影響基本是相似的。這樣，計算過程中將它作為參照，來確定應(yīng)該將接收機解算的結(jié)果“左調(diào)”還是“右調(diào)”一些，從而得出更準確的定位結(jié)果。衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)用戶接收機的偽距和載波相位觀測量受到各種誤差的影響，誤差源給相距不遠的用戶所造成的誤差都是類似的，且隨時間緩慢變化。也就是說，誤差在空間和時間上都是相關(guān)的，由于參考站接收機所在的位置是確定的，那么就可以估算出接收機的測量誤差量，這樣的估算誤差的方法習(xí)慣上稱為差分修正，如果參考站接收機附近的用戶能夠接收到差分改正信息，那么就可以用差分改正信息來減少定位解算誤差，稱為衛(wèi)星導(dǎo)航差分系統(tǒng)（Differential GNSS System，DGNSS），所有的DGNSS系統(tǒng)都使用這些誤差的相關(guān)性來改善系統(tǒng)的定位精度。

誤差改正分標量改正和矢量改正兩種。矢量改正數(shù)包括星鐘誤差、星歷誤差和電離層時延等，改正效果好；另一種方法是在服務(wù)區(qū)內(nèi)分別采集各自站點對衛(wèi)星的觀測數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)、電離層延遲數(shù)據(jù)，上報主控站處理后，形成柵格結(jié)點上的服務(wù)能力，如把復(fù)雜的電離層誤差曲面化分割，用戶可以利用內(nèi)插方式選擇電離層延遲修正值。

基準站通過數(shù)據(jù)通信鏈路為用戶提供改正信息，包括：①終端用戶原始偽距測量值的校正值，衛(wèi)星時鐘和星歷的校正值；②基準站原始測量值（偽距和載波相位）；③完好性數(shù)據(jù)（可見衛(wèi)星的“可用”或“不可用”指示，或提供校正值精度的統(tǒng)計值）；④輔助數(shù)據(jù)，包括基準站的位置、健康狀況和氣象數(shù)據(jù)。衛(wèi)星導(dǎo)航差分系統(tǒng)可以按照服務(wù)的地理區(qū)域來分類，小規(guī)模的差分系統(tǒng)服務(wù)區(qū)域為10～100km，為了覆蓋更大的地理區(qū)域，通常還需要采用多基站以及不同的算法。區(qū)域系統(tǒng)覆蓋范圍最大可達1000km，而廣域系統(tǒng)的覆蓋范圍更大。差分系統(tǒng)對各類誤差的修正如表1所示，

表1

對于一個基準站而言，其有效作用范圍（覆蓋范圍）主要由差分系統(tǒng)定位精度要求和數(shù)據(jù)通信鏈路的性能決定。差分定位可以提高精度的原因在于它可以消除基準站與用戶之間的公共誤差，但隨著用戶距基準站的距離的增加、對流層和電離層誤差公共性逐漸減弱而降低?；鶞收竞陀脩糁g的距離對用戶定位精度有著決定性的影響。