樂四海，馬瑞

（北京衛(wèi)星導(dǎo)航中心，北京 10094）

0 引言

全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）又稱衛(wèi)星定位、導(dǎo)航和授時系統(tǒng)，是指利用在太空中的導(dǎo)航衛(wèi)星對地面、海洋和空間用戶提供服務(wù)的一種空間導(dǎo)航定位技術(shù)[1,2]。目前GNSS系統(tǒng)主要有美國的GPS、歐洲的GALILEO、俄羅斯的GLONASS和中國的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)[3]-[5]，GNSS的應(yīng)用已擴(kuò)展到海、陸、空、天各種軍用和民用領(lǐng)域并逐步滲透到人們社會生活的各個方面，GNSS的應(yīng)用只受到人們想象力的限制[6]。隨著GNSS的用戶不斷增多和人工智能興起，如智慧城市、無人駕駛等應(yīng)用逐漸擴(kuò)大且導(dǎo)航定位精度要求越來越高：從設(shè)計早期僅提供米級的標(biāo)準(zhǔn)定位服務(wù)到厘米級的精密單點(diǎn)定位服務(wù)。因此，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)基準(zhǔn)站GNSS接收機(jī)數(shù)據(jù)質(zhì)量好壞直接關(guān)系到系統(tǒng)對外服務(wù)精度。

北京基準(zhǔn)站作為北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的基準(zhǔn)參考點(diǎn)，其GNSS接收機(jī)接收信號質(zhì)量、測量精度及穩(wěn)定性至關(guān)重要。操作人員在北斗廣域分米級系統(tǒng)中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時發(fā)現(xiàn)，與其他監(jiān)測站差分結(jié)果相比，北京基準(zhǔn)站某臺GNSS接收機(jī)定位結(jié)果明顯偏大，通過問題查找和數(shù)據(jù)比對分析，其輸出的不同衛(wèi)星偽距間存在明顯分層現(xiàn)象，從而影響到了區(qū)域內(nèi)GNSS接收機(jī)實(shí)時定位結(jié)果偏大，為此本文從該GNSS接收機(jī)接收偽距出現(xiàn)分層現(xiàn)象出發(fā)，采用障樹分析方法，從根源上找出接收機(jī)偽距分層原因并提出偽距修正措施，結(jié)果顯示改進(jìn)后處理方法對接收機(jī)C偽距分層有明顯的弱化作用。

圖1 B1I偽距分層情況

1 數(shù)據(jù)分層現(xiàn)象

通過對北京基準(zhǔn)站GNSS接收機(jī)前期參與業(yè)務(wù)處理情況進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)接收機(jī)C輸出的不同衛(wèi)星偽距間存在明顯的分層現(xiàn)象，即各顆衛(wèi)星的用戶測量誤差（User Range Error，URE）存在不一致性，C機(jī)偽距分層現(xiàn)象如圖1和圖2所示。

圖2 B2I偽距分層情況

1.1 工作原理

GNSS接收機(jī)接收天線接收到衛(wèi)星導(dǎo)航信號后，經(jīng)過低噪聲放大器（LNA）放大，天線電纜傳輸，進(jìn)入射頻信號處理模塊進(jìn)行下變頻、放大、濾波處理，產(chǎn)生的模擬中頻信號經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換（Analog/Digital，A/D）后送給數(shù)字信號處理板進(jìn)行處理，最后輸出觀測數(shù)據(jù)，如圖3所示。

圖3 GNSS接收機(jī)信號流程圖

根據(jù)GNSS接收機(jī)的設(shè)計原理，分析整個導(dǎo)航信號的傳輸處理鏈路，可能會引起接收機(jī)偽距分層現(xiàn)象有以下三種原因：

（1）監(jiān)測接收機(jī)通道一致性指標(biāo)超標(biāo)；

（2）通道環(huán)路參數(shù)出現(xiàn)問題；

（3）衛(wèi)星信號差異。

圖4 GNSS接收機(jī)通道接收信號故障樹圖

1.2 故障樹排查

根據(jù)GNSS接收機(jī)的工作原理，結(jié)合偽距分層現(xiàn)象，建立故障樹分析模型，如圖4所示。

（1）X1：監(jiān)測接收機(jī)通道一致性指標(biāo)超標(biāo)

在北京基準(zhǔn)站對GNSS接收機(jī)C進(jìn)行通道時延一致性驗(yàn)證：設(shè)置所有12個衛(wèi)星通道接收X號衛(wèi)星信號。XX年8月6日～8月8日設(shè)置接收機(jī)所有通道接收1號GEO衛(wèi)星數(shù)據(jù)。分別積累數(shù)據(jù)后隨機(jī)選取兩個通道（1通道和6通道）與其他12個通道作差后分析通道一致性。驗(yàn)證結(jié)果表明，通道時延互差小于0.15ns，滿足指標(biāo)要求，如圖5所示。因此，接收機(jī)通道一致性指標(biāo)超標(biāo)的可能性可以排除。

圖5 GEO衛(wèi)星48小時數(shù)據(jù)1、6通道作差通道一致性示意圖

（2）X2：通道環(huán)路參數(shù)出現(xiàn)問題

為了驗(yàn)證接收機(jī)的通道環(huán)路參數(shù)，用北斗GNSS接收機(jī)接收導(dǎo)航信號模擬源的信號，將監(jiān)測接收機(jī)輸出的觀測數(shù)據(jù)與導(dǎo)航信號模擬源的理論值作差，如圖6所示。從圖6中可以看出，在接收導(dǎo)航信號模擬源的情況下，不存在偽距分層現(xiàn)象。因此，通道環(huán)路參數(shù)出現(xiàn)問題的可能性可以排除。

圖6 接收導(dǎo)航信號模擬源情況下的B1I偽距圖

（3）X3：衛(wèi)星信號差異

由于每顆衛(wèi)星載荷器件特性存在差異，會造成每顆衛(wèi)星到達(dá)地面的導(dǎo)航信號存在差異。因此，衛(wèi)星信號差異就造成GNSS接收機(jī)出現(xiàn)偽距分層現(xiàn)象。

綜上所述，根據(jù)建立的故障樹及排查分析，GNSS接收機(jī)偽距分層的原因是：每顆衛(wèi)星到達(dá)地面的導(dǎo)航信號存在差異引起的。

2 機(jī)理分析

偽距分層現(xiàn)象的來源通常包含以下兩點(diǎn)：(1）每顆衛(wèi)星到達(dá)地面的導(dǎo)航信號存在差異；(2）接收機(jī)的設(shè)計差異和處理差異對不同衛(wèi)星導(dǎo)航信號的測量造成差異。在信號源測試條件下，不同衛(wèi)星測量偏差小于0.1m，而實(shí)際工作環(huán)境中接收空間信號偽距偏差較大。相關(guān)文獻(xiàn)表明，GPS、GLONASS和Galileo系統(tǒng)都存在同樣問題。

通過分析，造成GNSS接收機(jī)偽距分層的現(xiàn)象的原因主要包括衛(wèi)星信號差異和接收機(jī)設(shè)計差異，在接收機(jī)的指標(biāo)滿足技術(shù)要求的情況下，由于處理中心不便于對每顆衛(wèi)星和每臺接收機(jī)的設(shè)備碼偏差（Device Code Bias，DCB）值和頻率間碼偏差（Frequency Code Bias，F(xiàn)CB）值進(jìn)行獨(dú)立估算，因此采取在接收機(jī)中加入偽距偏差修正表的方式解決偽距分層現(xiàn)象問題。

長期記錄北京基準(zhǔn)站接收機(jī)C觀測數(shù)據(jù)，統(tǒng)計在B1、B2和B3頻點(diǎn)不同衛(wèi)星的偽距偏差，在接收機(jī)觀測界面加入“偽距偏差修正表”選項(xiàng)，如圖 7所示。

圖7 接收機(jī)C偽距偏差修正表

圖8 加入偏差后的B1I偽距分層情況

圖9 加入偏差后的B2I偽距分層情況

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

在GNSS接收機(jī)中加入偽距偏差修正表后，在北京基準(zhǔn)站進(jìn)行長期拷機(jī)驗(yàn)證。加入偽距偏差修正表后，B1I、B2I偽距分層情況如圖 8、圖 9所示。從圖中可以看出，當(dāng)加入偽距偏差修正表后，B1、B2和B3頻點(diǎn)的偽距分層現(xiàn)象明顯減小。

4 結(jié)論

GNSS接收機(jī)在北京基準(zhǔn)站出現(xiàn)了偽距分層現(xiàn)象，通過故障樹方法分析排查，最終確定在GNSS接收機(jī)在通道一致性指標(biāo)滿足技術(shù)要求的前提下，偽距分層現(xiàn)象僅出現(xiàn)在實(shí)際收星情況下，這說明偽距分層現(xiàn)象與實(shí)際環(huán)境下的衛(wèi)星信號差異相關(guān)。在處理中心不便于對每顆衛(wèi)星和每臺接收機(jī)的 DCB值和FCB值進(jìn)行獨(dú)立估算的情況下，可以采用偽距偏差修正表解決偽距分層問題。目前，加入偽距偏差修正表的監(jiān)測接收機(jī)在北京站進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，偽距分層現(xiàn)象得到了有效改善，充分說明了解決措施合理有效。