衛(wèi)星差分導(dǎo)航定位技術(shù)及誤差問題分析

楊 樂，余 洋，李 瑤

(中國人民解放軍61711部隊，新疆 喀什 844000)

1 北斗導(dǎo)航系統(tǒng)簡介

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是中國自主研發(fā)的定位服務(wù)系統(tǒng)，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展經(jīng)歷了兩個階段，該系統(tǒng)由空間段、地面段與用戶段構(gòu)成。

空間段由35顆各軌道衛(wèi)星組成。主控站負(fù)責(zé)獲取觀測數(shù)據(jù)，得出定位所需導(dǎo)航相關(guān)信息；監(jiān)測站負(fù)責(zé)接收北斗導(dǎo)航信息，可跟蹤觀測衛(wèi)星；注入站用于完成定位所需相關(guān)導(dǎo)航信息導(dǎo)入。北斗導(dǎo)航系統(tǒng)具有短文通信功能，定位精度高，北斗系統(tǒng)用戶接收機每次傳輸短報文信息達(dá)50字，為用戶提供20～100 ns授時精度，未設(shè)立標(biāo)校站水平精度為100 m，可包容最大用戶數(shù)達(dá)540 000戶/時。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)使用擴頻通信技術(shù)，其頻帶寬度大，通過編碼實現(xiàn)。用戶端通過解擴還原最初數(shù)據(jù)信息，擴頻通信有很強的隱秘性等優(yōu)點。

2 載波相位差分定位誤差

差分定位是通過2個監(jiān)測站導(dǎo)航數(shù)據(jù)信息獲取用戶端位置坐標(biāo)，依據(jù)服務(wù)范圍可分為廣域與局域差分系統(tǒng)，基線距離較短的系統(tǒng)服務(wù)范圍較小，基線距離較長的系統(tǒng)定位精度較低。依照校正參考量可分為載波相位差分定位等。載波相位差分定位精度最高，通常利用載波相位差分為RTK定位，根據(jù)定位形式可分為絕對與相對的定位。

載波相位差分是將基準(zhǔn)站載波相位觀測值與用戶觀測值作差分，差分定位精度可達(dá)到厘米級別，由于載波相位差分技術(shù)定位精度高應(yīng)用普遍，衛(wèi)星導(dǎo)航定位應(yīng)用中載波相位差分定位廣泛應(yīng)用于大地測量等方面，通過處理北斗行李文件獲取所需數(shù)據(jù)進(jìn)行差分定位。載波相位觀測值在RTK定位中具有重要作用，載波信號傳輸中同一時間相位值不同。

載波相位差分定位精度受到大氣延時、幾何因素等影響，通?？刹捎幂d波相位觀測值多種線性組合方式進(jìn)行高精度位置信息解算，將B1、B2頻段相應(yīng)載波觀測值信息建立線性組合形式，能改善定位性能，對某型號三頻段接收機，每個頻段對應(yīng)誤差相位觀測值表達(dá)式為φ1=λ1-1(r+g+T-I1)+N1+ε φ1，φ1表示頻點對應(yīng)載波相位觀測值，g為星歷誤差，λ1表示頻段對應(yīng)波長，r為接收機鐘差，T為對流層延時，I1為頻點相應(yīng)電離層延時，N1為頻段對應(yīng)整周模糊度。Ε φ1表示頻點對應(yīng)測量噪聲，依據(jù)電離層延時能得出頻率電離層關(guān)系表達(dá)式：I2=(λ22/λ21)I1，三頻線性組合表達(dá)式為φLC=aφ1+bφ2+cφ3.φ1指頻點對應(yīng)相位觀測值，φLC為頻段線性組合后相位觀測值，abc為組合系數(shù)，整周模糊度NLc=aN1+bN2+cN3，線性組合后波長λLc=(a/λ1+b/λ2+c/λ3)-1，滿足a/λ1+b/λ2+c/λ3>0，線性組合后電離層延時ILc=(a/λ1+bλ2/λ21+cλ3/λ21)I1，提高定位精度，電離層延時ILc滿足a/λ1+bλ2/λ21+cλ3/λ21=0。載波波長根據(jù)線性組合不同，形式不同，第二組到第四組線性組合后載波波長相比其他波長小，第一組線性組合形式相比其他幾組優(yōu)勢明顯，能減少幾何誤差，載波波長較大。

載波相位差分定位誤差主要包括與接收機，與衛(wèi)星及與信號傳播相關(guān)誤差。接收機鐘差是內(nèi)部石英石產(chǎn)生時鐘與北斗標(biāo)準(zhǔn)偏差，接收機鐘差大對定位解算有很大影響。必須消除接收機鐘差影響。抵消固有鐘差在進(jìn)行單點定位數(shù)據(jù)處理時，可減少固有鐘差為孤立未知量求解，載波相位定位中可觀測5顆衛(wèi)星，通過采用載波相位觀測值求差可消除接收機鐘差。接收機噪聲包括電子器件、衛(wèi)星信號的互相關(guān)聯(lián)等，接收機噪聲具有很大偶然性，造成偽距偏差約1 m內(nèi)。

衛(wèi)星精確定位依據(jù)精確授時，時鐘誤差影響站星距離計算精度，包括衛(wèi)星自身產(chǎn)生鐘差與接收機造成鐘差，載波相位測量必須使二者時鐘一致，準(zhǔn)確測量載波相位觀測值必須消除偏差。衛(wèi)星鐘差處理可采用廣播星歷鐘差改正，精度要求高可采用定位相對方式消除鐘差。

3 北斗導(dǎo)航載波相位差分誤差修復(fù)

載波相位差分定位精度高，載波相位差分定位關(guān)鍵問題是處理觀測值產(chǎn)生周跳，處理不好整周模糊度問題會增大定位誤差，使得位置坐標(biāo)偏差大。由于接收機故障造成周計數(shù)突變，故障消失后周計數(shù)開始計數(shù)造成未連續(xù)。產(chǎn)生周跳原因較多，可分為衛(wèi)星信號中斷與衛(wèi)星信號信噪比降低。

GNSS測量時根據(jù)數(shù)學(xué)理論構(gòu)造檢驗量消除載波相位觀測值系統(tǒng)誤差，周跳探測可通過檢查檢測量時間序列，檢測量變化與評判標(biāo)準(zhǔn)存在差異，不在指定范圍內(nèi)存在周跳，須對周跳進(jìn)行探測，通過周跳改正數(shù)修正。通常通過多項式擬合法，高次差法等進(jìn)行周跳檢測與修復(fù)。發(fā)生周跳后觀測值曲線變化非連續(xù)不斷函數(shù)，周跳前觀測值隨時間連續(xù)變化，周跳后觀測值在周跳產(chǎn)生出突變，可借助載波相位觀測值檢測周跳出現(xiàn)歷元修復(fù)。

載波相位差分技術(shù)難點是周跳的探測與修復(fù)、整周模糊度確定問題。確定整周模糊度算法可分為實時動態(tài)非靜態(tài)定位與接收機靜止定位，整周模糊度解算法可分為單元與歷元解算。單元是通過一個觀測值固定整周模糊度，求解模糊度成功率較低。歷元須利用多個觀測數(shù)據(jù)求解整周模糊度，求解成功率較高。整周模糊度確定通過方法估算后驗證得到模糊度正確性。求解方法可分為坐標(biāo)范圍模糊度搜索技術(shù)、基于觀測值范圍搜索技術(shù)。最經(jīng)典高效的方法是最小二乘降相關(guān)LAMBDA法。實時解算用戶接收機精確坐標(biāo)須確定整周模糊度，接收機運動中出現(xiàn)信號失鎖等導(dǎo)致無法修復(fù)，動態(tài)定位中整周模糊度求解，需要多個歷元觀測數(shù)據(jù)確定整周模糊度，目前主要方法有最小二乘降法、模糊度函數(shù)法等。不同求解整周模糊度的方法思路不同，最簡單的是利用偽距輔助估算。

最小二乘降法須連續(xù)觀測2個以上歷元，可進(jìn)行整周模糊度求解。考慮基線長度約束時，模糊度搜索空間改變，稱為CLAMBDA法，排除不可能的模糊度，對模糊度進(jìn)行最優(yōu)估計。考慮基線約束后模糊度確定搜索空間改變，有助于搜索模糊度，觀測歷元數(shù)目較少時求得浮點解存在較大誤差，通過基線約束條件可增加求解正確性。

4 結(jié)語

精密定位技術(shù)是國內(nèi)外學(xué)者研究的熱點，針對可能出現(xiàn)信號失鎖，導(dǎo)致定位不精確，本文研究北斗載波相位差分定位算法，對載波相位差分定位技術(shù)進(jìn)行比較，研究載波相位差分定位技術(shù)原理，明確消除誤差的重要性，研究使用周跳探測相關(guān)算法，將多項式擬合法結(jié)合小波變換法探測周跳，研究整周模糊度在航解算普遍使用方法，研究基于基線約束求解模糊度方法，縮小模糊度搜索空間。