付宇，謝淑香

（1.中國兵器工業(yè)試驗(yàn)測(cè)試研究院，陜西渭南，714200；2.北京無線電計(jì)量測(cè)試研究所，北京，100089）

0 引言

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是我國根據(jù)國家安全和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的需要，自主建設(shè)、獨(dú)立運(yùn)行的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，是為全球用戶提供全天候、全天時(shí)、高精度的定位、導(dǎo)航和授時(shí)服務(wù)的國家重要空間基礎(chǔ)設(shè)施。目前北斗系統(tǒng)的應(yīng)用已非常普遍，北斗相關(guān)產(chǎn)品也早已進(jìn)入我們的視線，在交通運(yùn)輸、地理數(shù)據(jù)采集、漁業(yè)、減災(zāi)、農(nóng)業(yè)和電力等方面已經(jīng)得到了廣泛的使用，北斗應(yīng)用正處于一個(gè)快速發(fā)展的時(shí)期，還將不斷有新的應(yīng)用領(lǐng)域出現(xiàn)[1]。目前，由于技術(shù)發(fā)展的限制，北斗導(dǎo)航系統(tǒng)在高動(dòng)態(tài)條件下實(shí)現(xiàn)高精度導(dǎo)航定位測(cè)量技術(shù)，還是一項(xiàng)技術(shù)難題。本文針對(duì)北斗衛(wèi)星系統(tǒng)精確定位中的載波相位差分時(shí)間比對(duì)技術(shù)進(jìn)行了分析和研究，為高動(dòng)態(tài)條件下實(shí)現(xiàn)高精度導(dǎo)航定位測(cè)量提供技術(shù)基礎(chǔ)。

1 差分定位技術(shù)

目前國際上差分定位技術(shù)依照系統(tǒng)對(duì)參考站設(shè)置需求，主要分為以下三種：

第一種為單基準(zhǔn)站差分定位系統(tǒng)，顧名思義系統(tǒng)只需要一個(gè)基準(zhǔn)站，且基準(zhǔn)站的坐標(biāo)精確已知，該系統(tǒng)成本較低，是普通用戶最常采用的差分定位方式，通常為滿足厘米級(jí)的高精度定位需求，移動(dòng)站與基準(zhǔn)站的距離需控制在20km范圍內(nèi)[2]。

第二種為局域差分定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)需要多個(gè)參考站以一定的密度均勻地分布在需要差分技術(shù)作用的區(qū)域，移動(dòng)站在該區(qū)域內(nèi)可獲得各基準(zhǔn)站的差分信息平差量，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)高精度的相對(duì)定位，通常要求移動(dòng)站與參考站的基線距離不超過150km。

第三種為廣域差分定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)對(duì)移動(dòng)站與基準(zhǔn)站的基線距離沒有嚴(yán)格的要求，各基準(zhǔn)站采用對(duì)各種觀測(cè)誤差分別進(jìn)行處理的方式，通過插值擬合計(jì)算移動(dòng)站所需的各項(xiàng)誤差的差分改正數(shù)，進(jìn)而達(dá)到提升定位精度的目的。

2 載波相位差分定位技術(shù)

載波相位差分定位技術(shù)利用在短基線下移動(dòng)站與基準(zhǔn)站的各項(xiàng)觀測(cè)誤差具有較高的時(shí)間相關(guān)性和空間相關(guān)性的特性，通過對(duì)基準(zhǔn)站和移動(dòng)站的觀測(cè)信號(hào)進(jìn)行載波相位差分處理，達(dá)到了削弱甚至消除電離層、對(duì)流層、相對(duì)論、多徑等多種觀測(cè)誤差的目的，從而實(shí)現(xiàn)了高精度的相對(duì)定位和相對(duì)時(shí)間差測(cè)量。

2.1 載波相位差分時(shí)間比對(duì)原理

載波相位差分時(shí)間比對(duì)方法利用GNSS差分定位技術(shù)，通過星間單差消除衛(wèi)星鐘差，對(duì)單差載波相位觀測(cè)方程正交分解或者雙差消除接收機(jī)鐘差，固定出基線的整周模糊度從而可以解算出基線矢量[3]。對(duì)接收機(jī)時(shí)鐘偏差的計(jì)算中，使用偽距和載波相位的組合觀測(cè)方程，單差消除衛(wèi)星鐘差的影響，將基線矢量和偽距/載波相位觀測(cè)值作為已知量，在此基礎(chǔ)上計(jì)算包含了接收機(jī)鐘差的載波相位單差整周模糊度[4]。相比于利用偽距測(cè)量值的共視時(shí)間傳遞方法，載波相位測(cè)量值擁有更高的精度，時(shí)間比對(duì)結(jié)果也更加精確[5]。相比于雙向衛(wèi)星時(shí)間頻率傳遞的方法，利用差分技術(shù)不受設(shè)備限制，成本低易于實(shí)現(xiàn)，更容易得到廣泛有效的應(yīng)用。

圖1給出了利用GNSS差分技術(shù)進(jìn)行高精度時(shí)間比對(duì)的原理。其中，幾何距離單差值可由GNSS差分定位方法解算，精度毫米級(jí)。偽距測(cè)量值估計(jì)粗略L1-L2的差值，載波相位測(cè)量值解算整周模糊度，得到精確的L1-L2差值。最終解算得到1-2ns級(jí)別的鐘差時(shí)間t。GNSS 載波相位觀測(cè)值較偽距觀測(cè)值的精度要高2～3個(gè)量級(jí)，可以實(shí)現(xiàn)更高精度的GNSS時(shí)間比對(duì)。但由于載波信號(hào)是一種周期性的正弦信號(hào)，相位測(cè)量只能測(cè)定其不足一個(gè)波長(zhǎng)的部分，存在著整周不確定性問題，使解算過程比較復(fù)雜。因此利用載波相位進(jìn)行鐘差解算的重點(diǎn)和難點(diǎn)即整周模糊度的解算。

圖1 高精度載波相位時(shí)間比對(duì)原理

2.2 整周模糊度解算方法分析

解算載波整周模糊度時(shí)可以采用單頻或者多頻的模式，兩者原理相同。利用雙頻接收機(jī)，將觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行線性組合，可以完成消除誤差，周跳探測(cè)等。雙頻觀測(cè)數(shù)據(jù)的噪聲除了電離層延遲與信號(hào)頻率有關(guān)之外，其它的噪聲一般都與信號(hào)頻率無關(guān)，所以，為了分析線性組合觀測(cè)值的特性，可以只考慮電離層延遲的影響，忽略其它的噪聲影響。在數(shù)據(jù)處理的過程中，經(jīng)常使用的線性組合有：無電離層組合、電離層殘差組合、寬巷相位組合等。通常，將雙頻載波進(jìn)行寬巷組合得到的組合波長(zhǎng)更長(zhǎng)，有利于整周模糊度的固定。

在載波相位單差時(shí)間比對(duì)中，整周模糊度的固定是一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。根據(jù)RTK技術(shù)的相關(guān)理論可知，只要接收機(jī)對(duì)初始?xì)v元的可見星實(shí)現(xiàn)持續(xù)跟蹤，則整周模糊度的維數(shù)不會(huì)發(fā)生變化，而觀測(cè)方程的冗余度會(huì)隨著歷元數(shù)的增加而增加，因此多歷元模型具有更好的可靠性。本文中同時(shí)使用偽距在載波的信息對(duì)整周模糊度進(jìn)行求解，由于偽距的精度較低，單歷元雖然也能解算出載波的整周模糊度，但是準(zhǔn)確度較低。因此本文采用多歷元模型通過對(duì)觀測(cè)方程遞歸的方法解算初始整周模糊度。具體實(shí)施過程如下。

偽距聯(lián)合載波求解整周，觀測(cè)方程和結(jié)合方程如下：

其中c表示光速，t表示接收機(jī)相對(duì)鐘差，τ=c?t表示將接收機(jī)鐘差化為單位為米的量，b表示基線，Si表示第i顆衛(wèi)星的視向矢量。

通過上述式可以求得單差整周模糊度?N以及接收機(jī)鐘差?。多歷元解算有助于提高解算準(zhǔn)確性，為了求得初始整周，將多個(gè)歷元的方程聯(lián)立求解。計(jì)算過程中避免大量的矩陣運(yùn)算，使用對(duì)系數(shù)矩陣QR分解的方式對(duì)方程進(jìn)行遞歸。

3 結(jié)論

載波相位觀測(cè)值測(cè)量的是接收機(jī)與衛(wèi)星之間的幾何距離，由于衛(wèi)星軌跡的連續(xù)性，因而載波相位測(cè)量的值也應(yīng)該是對(duì)連續(xù)的星地幾何距離的采樣，變化應(yīng)該是平緩的（當(dāng)然相位觀測(cè)值中還包含噪聲的影響）。若觀測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)生周跳，則會(huì)導(dǎo)致觀測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)生突變，產(chǎn)生偏差。周跳探測(cè)從本質(zhì)上講就是從載波相位觀測(cè)數(shù)據(jù)中尋找可能存在的這種偏差?，F(xiàn)有的周跳探測(cè)方法主要有高次差法、多項(xiàng)式擬合法、多普勒法、偽距載波相位組合法、電離層殘差組合二階歷元間差分及TurboEdit 方法。載波相位時(shí)間比對(duì)過程中，粗差剔除和周跳探測(cè)能夠有效的減小觀測(cè)數(shù)據(jù)突變產(chǎn)生的偏差，載波平滑碼偽距使碼觀測(cè)值的精度得到提高，降低系統(tǒng)觀測(cè)噪聲。