+ 劉天雄

2 差分系統(tǒng)及其實(shí)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(hào)發(fā)射天線相位中心偏差；二是不能由用戶測(cè)量或由校正模型來計(jì)算的傳播誤差，包括大氣電離層和對(duì)流層延遲誤差；三是接收機(jī)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(jī)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(duì)定位精度的影響的如圖2所示。

在研究誤差對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)定位的影響時(shí)，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(zhǔn)接收機(jī)和用戶接收機(jī)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(jī)噪聲，以及選擇可用性和用戶接收機(jī)噪聲帶來的誤差。為了消除前兩類誤差，在基準(zhǔn)參考站配置高穩(wěn)定度的原子鐘以提供穩(wěn)定頻率標(biāo)準(zhǔn)，中心站獲得原始測(cè)量值，對(duì)測(cè)量誤差進(jìn)行分析處理時(shí)，若采用誤差分項(xiàng)分析及剝離方法，則必須建立分項(xiàng)誤差模型。如果提高星歷誤差的估計(jì)精度，就要建立衛(wèi)星動(dòng)力學(xué)模型，這種動(dòng)力學(xué)方法用載波相位作為測(cè)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(duì)定位精度的影響

提高系統(tǒng)定位精度的方法主要是對(duì)偽距或載波相位等觀測(cè)誤差進(jìn)行改正，采用偽距及其誤差改正數(shù)可以獲得亞米級(jí)定位精度，采用載波相位觀測(cè)及其誤差改正數(shù)可以獲得厘米級(jí)定位精度。改正數(shù)生成方式包括觀測(cè)值域改正數(shù)和狀態(tài)域改正數(shù)兩類，觀測(cè)值域改正數(shù)不對(duì)誤差源細(xì)化細(xì)分，主要對(duì)偽距或者載波相位的觀測(cè)量進(jìn)行綜合誤差改正，該改正數(shù)與地面站地理位置空間強(qiáng)相關(guān)，適用于局域差分改正，是用戶級(jí)差分，一般地基差分系統(tǒng)采用觀測(cè)值域差分改正；狀態(tài)域改正數(shù)對(duì)偽距和載波相位誤差源細(xì)化為星歷、鐘差、電離層延遲等誤差，并分別對(duì)相應(yīng)誤差進(jìn)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(jí)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(zhǔn)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(zhǔn)站發(fā)送改正信息，用戶接收并對(duì)于其測(cè)量結(jié)果進(jìn)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(shí)現(xiàn)衛(wèi)星導(dǎo)航差分系統(tǒng)最簡(jiǎn)單的辦法是把參考接收機(jī)放置在位置已知的基準(zhǔn)站上，基準(zhǔn)站的接收機(jī)接收可解算出基準(zhǔn)站的位置坐標(biāo)。由于存在著星歷誤差、衛(wèi)星鐘漂移、電離層及對(duì)流層延遲、多徑效應(yīng)以及SA誤差等其他測(cè)量誤差，解算出結(jié)果與基準(zhǔn)站的已知坐標(biāo)是不一樣的，接收機(jī)測(cè)量值和真值之間存在誤差，基準(zhǔn)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(zhǔn)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(jī)對(duì)同樣一組衛(wèi)星進(jìn)行偽距測(cè)量，要求具有同樣的精度幾何因子GDOP，才能達(dá)到所受的偏差影響是相同的要求，因此，用戶接收機(jī)必須與按基準(zhǔn)站選擇導(dǎo)航衛(wèi)星，或者基準(zhǔn)站必須測(cè)定并發(fā)送對(duì)所有可見衛(wèi)星組合而言的位置校正值，顯然這種方法對(duì)用戶來說不方便，對(duì)基準(zhǔn)站來說也不經(jīng)濟(jì)。實(shí)際上，不同位置上的用戶接收機(jī)和遠(yuǎn)端基準(zhǔn)站的接收機(jī)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(zhǔn)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(cè)量位置已知基準(zhǔn)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(duì)流層延遲等測(cè)量誤差的測(cè)量偽距加以比較；然后基準(zhǔn)站將所有衛(wèi)星的偽距測(cè)量偏差廣播給用戶，用戶利用此測(cè)距誤差來修正測(cè)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(zhǔn)站之間的公共誤差，但隨著用戶到基準(zhǔn)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(zhǔn)站之間的距離對(duì)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(yùn)動(dòng)，一般要求接收機(jī)能夠解算出載波單頻點(diǎn)上變化的多普勒頻移。在使用雙頻接收機(jī)的場(chǎng)合，要同時(shí)跟蹤兩個(gè)頻率。對(duì)多普勒頻移積分能極精確地測(cè)量出各個(gè)時(shí)間歷元之間信號(hào)載波相位。干涉測(cè)量技術(shù)利用這些精確的相位測(cè)量值，可獲得厘米級(jí)的實(shí)時(shí)位置精度。雖然在歷元之間信號(hào)相位的變化能極精確地測(cè)量出來，但從衛(wèi)星到接收機(jī)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(dòng)態(tài)衛(wèi)星導(dǎo)航差分技術(shù)研究范疇中一個(gè)活躍的研究領(lǐng)域。

圖3 RTK定位技術(shù)

利用載波相位相對(duì)定位就是RTK（real time kinematic）測(cè)量技術(shù)，RTK利用兩部或多部接收機(jī)同時(shí)跟蹤同樣的多顆導(dǎo)航衛(wèi)星，基準(zhǔn)站位于位置已知的固定點(diǎn)上，基準(zhǔn)站利用無線電鏈路將位置和測(cè)量信息播發(fā)給移動(dòng)的用戶，用戶接收機(jī)內(nèi)置的軟件合成并處理來自基準(zhǔn)站信號(hào)和來自導(dǎo)航衛(wèi)星的信號(hào)，最終實(shí)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(shí)時(shí)解模糊。這種方法適用于如下三種情況，①用戶與基準(zhǔn)站的距離為10～15km；②用戶需要實(shí)時(shí)解算出三維位置坐標(biāo)；③信號(hào)傳播路徑無障礙。

為了克服RTK測(cè)量技術(shù)有效范圍有限（10～15km）的缺點(diǎn)，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(zhǔn)站RTK，通常在一個(gè)區(qū)域內(nèi)建立多個(gè)（一般為三個(gè)或三個(gè)以上）衛(wèi)星導(dǎo)航監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)站，對(duì)該區(qū)域構(gòu)成網(wǎng)狀覆蓋，并以這些基準(zhǔn)站中的一個(gè)或多個(gè)為基準(zhǔn)計(jì)算和發(fā)播衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)差分改正信息，從而對(duì)該地區(qū)內(nèi)的用戶進(jìn)行實(shí)時(shí)改正。網(wǎng)絡(luò)RTK的基本原理是在一個(gè)較大的區(qū)域內(nèi)稀疏地、較均勻地布設(shè)多個(gè)基準(zhǔn)站，構(gòu)成一個(gè)基準(zhǔn)站網(wǎng)，借鑒廣域差分系統(tǒng)和具有多個(gè)基準(zhǔn)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(gè)相隔某一固定距離（又稱為基線）的接收機(jī)中獲得相似的測(cè)量值集合，將兩個(gè)接收機(jī)得到的相似的測(cè)量值線性差分，就可以消除兩個(gè)接收機(jī)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(hào)的用戶接收機(jī)，一座位置已知的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)基準(zhǔn)站（通常又稱為差分臺(tái)），基準(zhǔn)站接收導(dǎo)航信號(hào)并確定位置坐標(biāo)，由于基準(zhǔn)站的位置是確定的，通過比較測(cè)量結(jié)果和實(shí)際位置（真值）之間的偏差，就可以計(jì)算出導(dǎo)航信號(hào)中包含的誤差，由此，可以計(jì)算出衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的改正數(shù)，然后再由基準(zhǔn)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(jiǎn)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(duì)流層、鐘差、星歷的影響不是會(huì)產(chǎn)生誤差嗎？首先確定一些位置已知點(diǎn)的信息，如果已知點(diǎn)和被測(cè)點(diǎn)距離足夠近，那么可以認(rèn)為它們受到的那些影響基本是相似的。這樣，計(jì)算過程中將它作為參照，來確定應(yīng)該將接收機(jī)解算的結(jié)果“左調(diào)”還是“右調(diào)”一些，從而得出更準(zhǔn)確的定位結(jié)果。衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)用戶接收機(jī)的偽距和載波相位觀測(cè)量受到各種誤差的影響，誤差源給相距不遠(yuǎn)的用戶所造成的誤差都是類似的，且隨時(shí)間緩慢變化。也就是說，誤差在空間和時(shí)間上都是相關(guān)的，由于參考站接收機(jī)所在的位置是確定的，那么就可以估算出接收機(jī)的測(cè)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(jī)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(biāo)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(shí)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(diǎn)對(duì)衛(wèi)星的觀測(cè)數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)、電離層延遲數(shù)據(jù)，上報(bào)主控站處理后，形成柵格結(jié)點(diǎn)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(zhǔn)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(cè)量值的校正值，衛(wèi)星時(shí)鐘和星歷的校正值；②基準(zhǔn)站原始測(cè)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(jì)值）；④輔助數(shù)據(jù)，包括基準(zhǔn)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?yàn)?0～100km，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(dá)1000km，而廣域系統(tǒng)的覆蓋范圍更大。差分系統(tǒng)對(duì)各類誤差的修正如表1所示，

表1

對(duì)于一個(gè)基準(zhǔn)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(zhǔn)站與用戶之間的公共誤差，但隨著用戶距基準(zhǔn)站的距離的增加、對(duì)流層和電離層誤差公共性逐漸減弱而降低?；鶞?zhǔn)站和用戶之間的距離對(duì)用戶定位精度有著決定性的影響。