張昂，原彬，張睿

（中國電子科技集團(tuán)公司第二十研究所，西安 710068）

0 引言

傳統(tǒng)的載波相位差分相對定位通常采用基準(zhǔn)站和移動站各一臺接收機(jī)的配置即可實現(xiàn)。但在著陸引導(dǎo)等生命安全相關(guān)領(lǐng)域，傳統(tǒng)的載波相位差分相對定位技術(shù)不能保證其完好性，在發(fā)生故障時會造成完好性風(fēng)險。為保障相對定位系統(tǒng)完好性，通常在基準(zhǔn)站配置多個基準(zhǔn)接收機(jī)實現(xiàn)完好性監(jiān)測，然而多基準(zhǔn)接收機(jī)的引入涉及到差分報文發(fā)送的選擇問題，本文提出一種載波相位差分多基準(zhǔn)接收機(jī)優(yōu)選機(jī)制，該機(jī)制能夠優(yōu)選一臺基準(zhǔn)接收機(jī)作為差分報文發(fā)送的基準(zhǔn)，保證移動站接收最優(yōu)的差分報文，從而保證移動站的定位精度和定位成功率。

1 載波相位差分報文生成機(jī)制

地面基準(zhǔn)站生成的載波相位差分報文中的數(shù)據(jù)質(zhì)量和包含的衛(wèi)星個數(shù)對于精度的提高起著重要作用。該機(jī)制主要包括完好性監(jiān)測、殘差監(jiān)測和基于統(tǒng)計學(xué)的優(yōu)選策略三個步驟，載波相位差分報 文生成機(jī)制如圖1所示。

圖1 載波相位差分報文生成機(jī)制

（1）完好性監(jiān)測。對可用基準(zhǔn)接收機(jī)輸出的鎖定衛(wèi)星的原始觀測量進(jìn)行完好性（SQM、DQM、MQM）判別，只要有一種QM 算法判定某臺可用接收機(jī)的某顆星異常則判定該接收機(jī)的該顆衛(wèi)星不可用。

其中，信號質(zhì)量監(jiān)測（SQM）主要探測和識別接收到的 GPS/BDS測距信號中的異常，其主要由三部分組成：相關(guān)峰監(jiān)測、信號功率監(jiān)測和碼載分歧監(jiān)測[1-5]。

數(shù)據(jù)質(zhì)量監(jiān)測（DQM）主要是監(jiān)測接收機(jī)所接收到的衛(wèi)星導(dǎo)航電文數(shù)據(jù)的可靠性。地基增強(qiáng)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心主要通過數(shù)據(jù)質(zhì)量監(jiān)測算法來檢測更新的 GPS衛(wèi)星星歷和衛(wèi)星的時鐘數(shù)據(jù)的正確性,詳細(xì)算法見文獻(xiàn)1、文獻(xiàn)6和文獻(xiàn)7。

測量質(zhì)量監(jiān)測（MQM）主要是通過利用多個歷元偽距和載波相位測量值的一致性來監(jiān)測因時鐘異常和基準(zhǔn)接收機(jī)故障所引起的測量值階躍和沖擊變化，其主要包括3個部分：接收機(jī)鎖定時間監(jiān)測，載波加速度斜坡階躍監(jiān)測和載波平滑碼偽距的革新性監(jiān)測[1]。

（2）殘差監(jiān)測。通過計算衛(wèi)星殘差監(jiān)測原始觀測量的準(zhǔn)確度，如果某顆衛(wèi)星殘差大于閾值（250m），則判定該接收機(jī)的該顆衛(wèi)星不可用。

殘差（residual）計算公式如式（1）所示：

其中，r是真距，ρ是偽距，是衛(wèi)星鐘差，是基準(zhǔn)接收機(jī)鐘差。

（3）基于統(tǒng)計學(xué)的優(yōu)選策略。通過該策略從多臺基準(zhǔn)接收機(jī)優(yōu)選出一臺搜星個數(shù)多和數(shù)據(jù)質(zhì)量優(yōu)的接收機(jī)作為基準(zhǔn)，保證移動站的 RTK定位精度和定位成功率。

2 基于統(tǒng)計學(xué)的優(yōu)選策略

完好性監(jiān)測和殘差監(jiān)測后，需要通過相關(guān)結(jié)果優(yōu)選出狀態(tài)最優(yōu)的基準(zhǔn)接收機(jī)。本文的核心就是從相關(guān)結(jié)果提出相應(yīng)的策略確保選擇的基準(zhǔn)接收機(jī)數(shù)據(jù)質(zhì)量好和搜星個數(shù)多。

為了綜合考量地面基準(zhǔn)站多基準(zhǔn)接收機(jī)運行GPS和BDS系統(tǒng)的能力，則在優(yōu)選基準(zhǔn)接收機(jī)時需要綜合評判各基準(zhǔn)接收機(jī)雙系統(tǒng)的搜星情況以及數(shù)據(jù)測量的質(zhì)量，只有BDS和GPS的雙頻綜合搜星數(shù)目最多和數(shù)據(jù)質(zhì)量最優(yōu)的基準(zhǔn)接收機(jī)才能作為 RTK的基準(zhǔn)位置，并把該基準(zhǔn)接收機(jī)的原始觀測量打包作為載波相位差分報文廣播至移動站。

基于統(tǒng)計學(xué)的優(yōu)選策略如下：

（1）判別該基準(zhǔn)接收機(jī)是否可用。應(yīng)處于正常工作狀態(tài)且正常搜星；該基準(zhǔn)接收機(jī)被SQM/DQM/MQM標(biāo)記為異常的總衛(wèi)星數(shù)不得超過2個；

（2）BDS/GPS雙系統(tǒng)四頻點各搜星個數(shù)不低于4顆；

（3）每個導(dǎo)航系統(tǒng)的雙頻點搜星個數(shù)之差不超過3顆衛(wèi)星；

（4）計算BDS/GPS雙系統(tǒng)各雙頻點搜星個數(shù)的均值μ和標(biāo)準(zhǔn)差σ，統(tǒng)計各基準(zhǔn)接收機(jī)各導(dǎo)航系統(tǒng)的和

圖2 基準(zhǔn)接收機(jī)優(yōu)選機(jī)制

（5）每個可用基準(zhǔn)接收機(jī)鎖定衛(wèi)星的殘差平均值大于等于所有可用基準(zhǔn)接收機(jī)殘差平均值；

單個基準(zhǔn)接收機(jī)鎖定衛(wèi)星的殘差平均值計算如下：

其中，n為該基準(zhǔn)接收機(jī)鎖定衛(wèi)星個數(shù)，residualsati為該衛(wèi)星的殘差值，計算公式見式（1）。

所有可用基準(zhǔn)接收機(jī)殘差平均值計算如下：

其中，m是可用基準(zhǔn)接收機(jī)個數(shù)。

（6）若μBDS-2σBDS和μGPS-2σGPS的最大值在同一個基準(zhǔn)接收機(jī)上，則選取該基準(zhǔn)接收機(jī)；反之，則求每個基準(zhǔn)接收機(jī)的μBDS-2σBDS和μGPS-2σGPS的均值和方差，分別記為α和β，并計算α-2β，則選取α-2β最大值的基準(zhǔn)接收機(jī)。

（7）若基準(zhǔn)接收機(jī)同時存在多個基準(zhǔn)接收機(jī)α-2β最大值相同情況，則從中優(yōu)選鎖定衛(wèi)星的殘差平均值最小的基準(zhǔn)接收機(jī)。

基于統(tǒng)計學(xué)的優(yōu)選策略流程圖如圖2所示。

3 仿真試驗

為了驗證本文提出的策略，開展了仿真試驗，該試驗通過對載波和偽距的原始觀測量加注故障，驗證多臺基準(zhǔn)接收機(jī)相對1臺基準(zhǔn)接收機(jī)在面對完好性風(fēng)險時的可用性。

分別采用一臺基準(zhǔn)接收機(jī)作基準(zhǔn)站和一臺移動接收機(jī)以及四臺基準(zhǔn)接收機(jī)和一臺移動接收機(jī)兩種方案試驗。其中，移動站保持靜止?fàn)顟B(tài)，移動站位置為（34.2378728571，108.909674311，388.0335），基線長度500m，仿真時間3600s。在基準(zhǔn)接收機(jī)鎖定的兩顆星B1頻點偽距添加+300m偏差。

方案1：一臺基準(zhǔn)接收機(jī)和一臺移動接收機(jī)

采用一臺基準(zhǔn)接收機(jī)（基準(zhǔn)站）和一臺移動接收機(jī)（移動站），在向該基準(zhǔn)接收機(jī)鎖定的兩顆星B1頻點偽距添加+300m偏差后，以高度定位結(jié)果為例，如圖3所示。

從圖3可以看出，高度大約有2～3m的跳變。對定位模式進(jìn)行統(tǒng)計，RTK固定解成功率降低為98.22%，定位的均值和標(biāo)準(zhǔn)差如表1所示。

表1 B1偽距偏差300m經(jīng)緯高定位均值和標(biāo)準(zhǔn)差

方案2：四臺基準(zhǔn)接收機(jī)一臺移動接收機(jī)

采用四臺基準(zhǔn)接收機(jī)（基準(zhǔn)站）和一臺移動接收機(jī)（移動站）。故障加注前，基準(zhǔn)接收機(jī)1是RTK的基準(zhǔn)。對基準(zhǔn)接收機(jī)1鎖定的兩顆星B1頻點偽距添加+300m偏差，可以看出該策略將基準(zhǔn)接收機(jī)1判定為異常，同時選擇基準(zhǔn)接收機(jī)2為載波相位差分的基準(zhǔn)。如表 2所示。在本文提出的策略下，以高度定位結(jié)果為例，移動站的定位結(jié)果如圖4所示。

表2 策略引入后基準(zhǔn)接收機(jī)選擇結(jié)果

從圖4可以看出，高度值沒有出現(xiàn)跳變。對定位模式進(jìn)行統(tǒng)計，RTK固定解成功率為100%，定位的均值和標(biāo)準(zhǔn)差如表3所示。

對比表2和表3，可以看出面對同樣的完好性風(fēng)險時，采用本文的提出策略生成載波相位差分報文，其移動站定位的均值和標(biāo)準(zhǔn)差更優(yōu)。

表3 策略引入后經(jīng)緯高定位均值和標(biāo)準(zhǔn)差

圖3 B1偽距偏差300m高度定位結(jié)果

圖4 策略引入后高度定位結(jié)果

4 結(jié)論

單個基準(zhǔn)接收機(jī)作基準(zhǔn)站時，一旦出現(xiàn)完好性風(fēng)險則無法有效規(guī)避，將會導(dǎo)致移動站出現(xiàn)定位精度下降和 RTK成功率降低。為了保證系統(tǒng)的完好性，基準(zhǔn)站設(shè)置多臺基準(zhǔn)接收機(jī)，需要從中選取數(shù)據(jù)質(zhì)量高且衛(wèi)星數(shù)多的基準(zhǔn)接收機(jī)用于 RTK定位的基準(zhǔn)。本文基于多基準(zhǔn)接收機(jī)狀態(tài)下提出的一種載波相位差分報文優(yōu)化生成方法，通過多次故障加注試驗證明其可以有效的從4臺基準(zhǔn)接收機(jī)選出1臺數(shù)據(jù)質(zhì)量、搜星個數(shù)和狀態(tài)穩(wěn)定性綜合狀態(tài)最佳的基準(zhǔn)接收機(jī)，保證移動站的定位精度和定位成功率。