瞿穩(wěn)科,孔 維

(北京市5136信箱,北京100094)

0 引 言

廣域?qū)崟r精密定位技術(shù)與示范系統(tǒng)是2007年國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(863計劃)地球觀測與導(dǎo)航技術(shù)領(lǐng)域重點項目,是在廣域差分和精密單點定位技術(shù)的基礎(chǔ)上,集成先進(jìn)的基準(zhǔn)站觀測數(shù)據(jù)實時采集處理、專用通信網(wǎng)絡(luò)等技術(shù),實現(xiàn)我國陸地、海洋和空中優(yōu)于1m導(dǎo)航定位精度的衛(wèi)星導(dǎo)航增強(qiáng)示范服務(wù)。該系統(tǒng)計劃在全國范圍內(nèi)建設(shè)15個實時秒級采樣率的基準(zhǔn)站,構(gòu)成廣域?qū)崟r精密定位技術(shù)與示范系統(tǒng)的實時基準(zhǔn)站數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò),并通過專用通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為廣域?qū)崟r精密定位技術(shù)與示范系統(tǒng)提供廣域差分?jǐn)?shù)據(jù)源。目前,美國聯(lián)邦航空局(FAA)建設(shè)的廣域增強(qiáng)系統(tǒng)(Wide Area Augmentation system,簡稱 WAAS)已經(jīng)能夠為北美洲地區(qū)陸地、航海和航空用戶提供優(yōu)于米級的導(dǎo)航定位服務(wù)[1]。由于廣域?qū)崟r精密定位技術(shù)與示范系統(tǒng)服務(wù)指標(biāo)是依靠廣域差分改正數(shù)來實現(xiàn),包括導(dǎo)航星座的星歷改正數(shù)、星載時鐘改正數(shù)和電離層延遲改正數(shù),而這些改正數(shù)的生成直接與地面基準(zhǔn)站網(wǎng)絡(luò)的布局有關(guān),因此,對基準(zhǔn)站的布局進(jìn)行分析和研究直接決定著差分改正數(shù)的精度和示范系統(tǒng)最終服務(wù)性能指標(biāo)的實現(xiàn)。

1 基準(zhǔn)站布局設(shè)計的原則

導(dǎo)航星座地面跟蹤基準(zhǔn)站的根本目的是通過基準(zhǔn)站的跟蹤測量,實現(xiàn)對導(dǎo)航星座的星歷改正數(shù)、星載時鐘改正數(shù)和服務(wù)區(qū)上空電離層延遲改正數(shù)的計算,對于導(dǎo)航星座星歷改正數(shù)、星載時鐘改正數(shù)的計算主要是看基準(zhǔn)站的實際分布形成的幾何定軌條件,對服務(wù)區(qū)上空電離層延遲改正數(shù)的計算依賴于基準(zhǔn)站與導(dǎo)航星座形成的電離層穿刺點的質(zhì)量,這是因為基準(zhǔn)站的布局決定著電離層穿刺點的有效數(shù)目、密度及幾何位置等分布規(guī)律,尤其是現(xiàn)階段使用格網(wǎng)電離層模型實現(xiàn)廣域增強(qiáng)時,基準(zhǔn)站的布局對格網(wǎng)電離層模型的外部精度影響很大,在這種情況下,基準(zhǔn)站的布局通常情況下考慮的基本約束條件是基準(zhǔn)站的幾何定軌條件和跟蹤導(dǎo)航星座弧段的長短。

1.1 幾何定軌的條件分析

目前基準(zhǔn)站對導(dǎo)航星座的幾何定軌條件通過測算PDOP值和RDOP值來反映。PDOP是指用戶等效距離誤差 UERE(User Equivalent Range Error)到最終定位誤差的放大系數(shù),它反映了基準(zhǔn)站站址布局位置對定位誤差的影響;RDOP值反映了基準(zhǔn)站站址布局位置對觀測誤差在定軌徑向精度上的放大情況。但是,對于地球靜止衛(wèi)星(GEO),一般利用其在定點位置處與地面基準(zhǔn)站監(jiān)測網(wǎng)對應(yīng)的位置精度因子(PDOP)值和徑向精度因子(RDOP)值,對中軌道衛(wèi)星(MEO)則分別分析幾條有代表性的星下點軌跡對應(yīng)的PDOP和RDOP值的變化[1]。

一般情況下PDOP值和RDOP值越小,幾何法定軌的條件就越好。

1.2 跟蹤觀測導(dǎo)航星座弧段的時間長度

為了保證差分改正數(shù)在一段時間內(nèi)的連續(xù)性和服務(wù)精度的穩(wěn)定性,基準(zhǔn)站對空間導(dǎo)航星座的連續(xù)跟蹤監(jiān)測具有重要作用。顯然,基準(zhǔn)站可監(jiān)測時間越長,對系統(tǒng)精度和完好性監(jiān)視等相關(guān)指標(biāo)就越有利。目前,跟蹤觀測弧段的長短已經(jīng)成為衡量基準(zhǔn)站布局性能的一個重要指標(biāo)。此外,幾何法定軌作為衛(wèi)星實時定軌的一個重要手段,其最基本的要求是同一時刻至少要有3個以上的基準(zhǔn)站跟蹤到同一顆衛(wèi)星,因此,把基準(zhǔn)站布局所能提供的幾何定軌的弧段長短作為設(shè)計的一個約束條件直接關(guān)系著幾何法定軌能夠?qū)崿F(xiàn)的時間段和相關(guān)的PDOP值變化。此外,基準(zhǔn)站一般的跟蹤監(jiān)測區(qū)域的半徑一般在300～1000 km,在區(qū)域大小一定的情況下,基準(zhǔn)站數(shù)量越多,差分改正數(shù)的精度越高,但是當(dāng)基準(zhǔn)站數(shù)量確定后,基準(zhǔn)站在服務(wù)區(qū)內(nèi)具有較好的分布幾何圖形,并大致均勻才能最大限度地提高差分改正數(shù)的精度[2]。

基于中國陸地地區(qū)大部分在北緯15°～55°,東經(jīng)70°～140°的區(qū)域內(nèi),并且西北部的導(dǎo)航定位精度比沿海地區(qū)低等情況,而且中國南海地區(qū)地處低緯度赤道區(qū),電離層赤道異常明顯地影響該地區(qū)上空的電離層分布,因此,東南地區(qū)基準(zhǔn)站的分布密度適當(dāng)要比其它區(qū)域高。

綜上分析,在廣域?qū)崟r精密定位技術(shù)與示范系統(tǒng)數(shù)量確定的15個基準(zhǔn)站中,基本的分布原則是:東南沿海和中部地區(qū)布局密集,西北地區(qū)分布稀疏。

2 基準(zhǔn)站布局設(shè)計和合理性分析

綜合考慮廣域?qū)崟r精密定位技術(shù)與示范系統(tǒng)對基準(zhǔn)站精度指標(biāo)的要求,以及基準(zhǔn)站布局應(yīng)該遵循的約束條件和服務(wù)區(qū)域電離層的實際情況,初步確定以下15個城市作為示范系統(tǒng)基準(zhǔn)站的站址,這些城市分別是:北京、喀什、三亞、哈爾濱、成都、汕頭 、烏魯木齊、寧波、湛江、拉薩、蘭州 、格爾木、鄭州、武漢、昆明?；鶞?zhǔn)站布局見圖1所示。

圖1 GNSS基準(zhǔn)站布局圖

依據(jù)圖1中全國范圍內(nèi)設(shè)計了15個基準(zhǔn)站,由于這15個站還不能獲得足夠的原始觀測數(shù)據(jù),因此,借助中國地殼運(yùn)動觀測網(wǎng)絡(luò)的28個跟蹤站的觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真分析,觀測數(shù)據(jù)選UTC時2009年7月22日0時0分0秒至23時59分59秒。所選的28個站點分布如圖2所示,分別為:BJFS(北京房山)、BJSH(十三陵)、CHUN(長春)、DLHA(德令哈)、DXIN(鼎新)、GUAN(廣州)、HLAR(海拉爾)、H RBN(哈爾濱)、JXIN(薊縣)、KMIN(昆明)、LHAS(拉薩)、LUZH(瀘州)、QION(瓊中)、SHAO(上海)、SUIA(綏陽)、TAIN(泰安)、TASH(塔什庫爾干)、URUM(烏魯木齊)、WUHN(武漢)、WUSH(烏什)、XIAA(西安)、XIAG(下關(guān))、XIAM(廈門)、XNIN(西寧)、YANC(鹽池)、YONG(永興島)、ZHNZ(鄭州)、QDAO(青島)。仿真方法設(shè)計如下:

在上面所選的28個觀測站中,采用與設(shè)計的15個站位置最接近的15個測站作為廣域?qū)崟r精密定位示范系統(tǒng)的基準(zhǔn)站,其余的13站作為測試站,利用選取的15個基準(zhǔn)站對導(dǎo)航星座的鐘差改正數(shù)、星歷改正數(shù)和服務(wù)區(qū)域上空的電離層延遲改正數(shù)進(jìn)行計算,利用剩余的13個站的數(shù)據(jù)與計算出的改正數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合,通過數(shù)據(jù)處理進(jìn)行精度分析,判斷設(shè)計的基準(zhǔn)站布局的合理性分析。在圖2中,三角為選定的基準(zhǔn)站,圓圈為測試站,測試過程分雙頻與單頻兩部分。測試結(jié)果見圖3～15。

圖15 KMIN站精度分析

3 結(jié) 論

從圖3～圖15的仿真計算結(jié)果可知,利用相近的15個中國地殼運(yùn)動觀測網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測站數(shù)據(jù)作為基準(zhǔn)站對導(dǎo)航星座的鐘差改正數(shù)、星歷改正數(shù)和站點上空的電離層改正數(shù)進(jìn)行擬合計算,并把計算出的三類改正數(shù)與13個測試站的接收機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合,結(jié)合雙頻接收機(jī)電離層延遲的修正參數(shù),最終這13個測試站的定位在東北天坐標(biāo)系下都取得了理想的定位精度(厘米級),完全達(dá)到并超過了廣域?qū)崟r精密定位技術(shù)與示范系統(tǒng)的指標(biāo)要求,這表明設(shè)計的15個基準(zhǔn)站的分布是合理的。

對于單頻接收機(jī)定位精度,由于電離層延遲是一個不可小視的誤差源,何玉晶在《我國廣域增強(qiáng)系統(tǒng)的基準(zhǔn)站布局及數(shù)量分析》文章中對基于中國地殼運(yùn)動觀測網(wǎng)絡(luò)站點情況下16個基準(zhǔn)站和20個基準(zhǔn)站布局情況下電離層的穿刺點數(shù)量進(jìn)行了分析,所選擇的16個基準(zhǔn)站與本文選擇的15個基準(zhǔn)站位置分布趨勢基本一致,其結(jié)論是選擇16個或20個基準(zhǔn)站雖然保證了我國大部分陸地地區(qū)每一個電離層格網(wǎng)點內(nèi)都有一個以上的穿刺點,但是在西北、西南、東北部分靠近邊境區(qū)域,由于穿刺點數(shù)量的減少,無論是使用三點擬合算法(T hree-Point Interpolation Algorithm Definitions)還是四點擬合算法(Four-Point Interpolation Algorithm Definitions),都會因為冗余數(shù)據(jù)不夠?qū)е码婋x層延遲改正數(shù)計算精度的下降,從而降低用戶的定位精度,尤其是在導(dǎo)航星座與基準(zhǔn)站之間角度變小時,誤差會更大[3]。因此,在廣域?qū)崟r精密定位技術(shù)與示范系統(tǒng)基準(zhǔn)站數(shù)量確定的情況下,對于西北、西南、東北部分靠近邊境的區(qū)域,對于單頻接收機(jī),為滿足廣域?qū)崟r精密定位技術(shù)與示范系統(tǒng)精度的要求,還需要借助參數(shù)化的電離層延遲模型進(jìn)行輔助修正。

[1] U.S.Federal Aviation Administration.Local Area Augmentation System Performance Analysis/Activities Report[R].Atlantic City:U.S.Federal Aviation Administration,2006.

[2] Ruben Yousuf.Evaluation and Enhancement of the Wide Area Augmentation System(WAAS)[D].Calgary:University of Calgary,2005.

[3] 何玉晶等.我國廣域增強(qiáng)系統(tǒng)的基準(zhǔn)站布局及數(shù)量分析[J].測繪工程,2006,15(3):70-73.