關于增強GPS精密定位的研究與探討

林亞斌 王春范 劉繼巍

(遼寧省第十地質大隊，遼寧撫順 113004)

0 引言

隨著時代的發展，原來以GPS為主的可見星的數目比較少，在一定程度上無法滿足現在高樓密集區及深山峽谷的跟蹤，更不能準確的對其進行定位。在這種情況下，應該根據現在高樓密集區及深山峽谷地帶進行相應的分析，并采取相應方法對這些區域進行準確的定位。本文主要從偽衛星技術和GPS技術綜合定位技術進行相應定位，以增強GPS在特殊地區的精密定位。

1 對偽衛星進行分析

所謂的偽衛星就是布設在地面上發射某種定位信號的發射器，通常情況下，其發射的是類似于GPS的信號，也是由于這個原因偽衛星一般都是針對GPS設計的。偽衛星最大的優勢就是其在合成并精確進行定位時，可以不用像GPS衛星那樣從零開始發射精確定時信號，其主要是轉發衛星相關復制信號，其功能類似于鏡子能將衛星信號放射給用戶接收機，這時用戶接收機就可以對衛星信號的偽距和地面上偽衛星相同信號為依據進行相應的測量。之后，就可以以這兩個偽距值之差得出兩偽距之間的差值。結果表明，其誤差內容包括接收機噪聲、大氣電流層、對流層及多徑誤差等，這其中影響最大的是多徑誤差，其他的誤差可以忽略不計。然而偽衛星只是一個單純的信號發射裝置，并不能接收相應的數據。要想使偽衛星接收更多的數據、信號，是需要對其進行相應裝置的，裝置后就是發射裝置接收器。這種接收器相較于信號發射裝置，其優勢是既能發射信號，又能接收其他衛星發出的信號。這些優勢的形成得益于接收器硬件組成部分，其主要包括偽衛星、接收器、放大器、增強運程控制器用來調節信號的強度、無線通信系統用來收集接收數據和遠程命令及控制總線、功率總線及RF天線等。在設計自差分的時候，可以用接收部分對自身的RF前端發射部分輸出進行相應的監測。這里的前端可以采用專用線的前端或是無線廣播的形式對偽衛星信號進行追蹤，但是在使用無線廣播形式的時候，必須先將其功率降低，減少外界的干擾。只有這樣，才能對偽衛星信號進行追蹤。此外，偽衛星有屬于自己的自校準衛星陣列。其自校偽衛星陣列是由不少于3個靜止收發器單元、1個接收器綁定單元、無線以太網、1臺PC機組成的。只要通過以太網就能用PC機計算出和存貯收發器之間的距離信息。自校準偽衛星陣列最大的優勢就是能同時計算出組成陣列的靜止收發器位置和移動單元的位置。雙向測距技術是用自差分來測量線路偏移的，最后再通過雙向測距計算出兩個收發器之間的距離能更好實現自校偽衛星陣列。當接收器內部偽衛星和接收機距離為零時，線路偏移誤差和接收機鐘誤差就是系統誤差。計算出誤差后，自校偽衛星陣列通過優化集合圖形對收發器進行設置，在此基礎上進行校對過程的初始化，然后用載波進行相位測量，這時移動單元會定一個精確的初始位置，通過靜止收發器和移動單元之間的雙向測距計算出整個周期數。如果移動單元不在靜止收發器范圍內，可以用載波進行相應的估算，再用載波進行測量，校對的結果就能達到厘米級的定位精度，能實現增強GPS精確定位。

2 對偽衛星增強GPS精密定位進行分析

2.1 對偽衛星路徑誤差進行分析

從上述分析可知，偽衛星多路徑問題是影響其增強GPS系統正常運行的重要因素。出現這一問題的原因有兩種，一種是由偽衛星近地面傳播信號引起的，這也是多路徑問題最主要的原因。另一種是偽衛星本身具有彌補盲區功能引起的，特別是當盲區多在高樓密集區、山區峽谷區、地下室或是地下隧道等地方的時候，常會出現多路徑問題，可見解決偽衛星多路徑誤差問題是增強GPS精密定位的主要限制性因素。從上面的論述中可以知道，偽衛星多路徑不僅包括衛星信號的反射、折射后所形成的干擾，同時也包括偽衛星發射天線本身的干擾。一般情況下反射可以分為近距離反射和遠距離反射兩種，遠距離反射反映的是高頻成分，近距離反射反映的則是低頻成分。相關調查表明，偽衛星的近距離低頻成分出現的次數比較多，其對精密定位的影響最大;偽衛星本身的信號傳播路徑比較低，再加上GPS路徑信號大多來源于比天線低的反射面形成的相應干擾，對低頻率的衛星信號有一定的屏蔽作用，因此，在用GPS專用抗多路徑天線解決偽衛星多路徑問題時，用此種方法是不適用的;衛星在軌道上是處于運動狀態的，其與接收機之間的幾何關系也是變化的，GPS多路徑誤差的大小也是隨之變化的，要想更好的減少偽衛星的多路徑誤差，就應該對GPS觀測數據進行平均。從以上幾個方面的論述來看，影響偽衛星增強GPS精密定位的重要因素是偽衛星多路徑誤差。要想解決偽衛星多路徑誤差除了第一段論述的方法外，還應該加強用數據處理法進行解決。動態環境中的多路徑誤差難以消除，但是偽衛星在靜態環境中應用的時候，偽衛星和用戶儲備常會處在靜止或是準靜止狀態，在這種情況下，會出現很多靜態誤差，且這些靜態誤差近似于常量，運用相應方法可以減弱或消除多路徑誤差帶來的相應影響。要想更好的解決這一問題，可以采用相應的估算方法，可以利用長時間的GPS和偽衛星聯合觀測值對模糊度浮點解進行相應的解釋，在此基礎上用FARA方法對整數解進行固定。當模糊值不準確的時候，可以通過相應方式對其進行進一步處理，直到整數值不再變化為止。要想實現上述估算值，有兩種方法，一種是用直接得到的多路徑誤差值對衛星原始載波相位直接進行改進，一種是將得到估算值作為多路徑誤差未知數先驗信息，通過這一信息來完成平差計算。

2.2 對偽衛星增強GPS精密度定位結果進行分析

本文所選用加拿大永久跟蹤站在其主樓平臺試驗對衛星增強GPS精密度定位結果進行分析。在進行該實驗前，應先準備1臺發射器、2臺NovatelDL4機，并對偽衛星和接收機進行相應功能設置，將偽衛星窗口和PC機連接在一起，再用衰減器對發射器輸出功率進行相應的調節，以保證信號的正常接收。在進行試驗的時候，將間隔時間設置為10 s，通過相應性能實驗，可以得出四種實驗結果。第一種在觀測的時候，采用三顆衛星，雖對平面定位結果有一定的影響，但是其垂直定位的精度并不高;第二種是在GPS衛星圖中選出4顆衛星，并保證這4顆衛星在40°以上，其根本目的是對深谷環境進行定位，結果表明誤差相對較少，能對垂直方向進行定位，也能將多路徑消除;第三種是在上面論述的基礎上，通過衛星多路徑效應對相應的模型進行改正，以增強GPS精確定位，并對相應數據結果進行處理，垂直精確度可達到2 mm～3 mm;最后一種是以前三種為依據的，其將觀測點改為三顆星的同時，又加入偽衛星進行完成4顆星定位。實踐證明，加入第四顆星后，能夠實現2 mm～4 mm垂直精度。從四種結果可以看出，增加一顆偽衛星對增強GPS精密度定位效果比較好。

3 結語

偽衛星概念在很久之前就已經被提出來，但是由于其自身存在一定問題，并未廣泛應用。隨著科學技術的發展，偽衛星定位系統在地下、飛行導航至火星探測等方面得到了應用。就目前來看，偽衛星定位系統已經成為增強GPS精密定位的有效方法之一。雖然現在的偽衛星系統仍有不足之處，但其可以和GPS等多種模式組合進行相應導航和定位，以增強GPS精密定位。在不久的將來其技術達到一定程度的時候，將會取代GPS系統進行單獨的導航。

［1］劉文龍，王 堅，趙小平.偽衛星增強GNSS系統的可靠性研究［J］.測繪通報，2009(6):160-161.

［2］楊 光.GPS和偽衛星組合定位技術及其在形變監測中的應用研究［J］.測繪學報，2006(4):56-57.

［3］杜 娜.GPS系統地面偽衛星增強方案及抗多徑技術的研究［D］.南京:南京航空航天大學，2004.

［4］何秀鳳，桑文剛，楊 光.偽衛星增強GPS精密定位新方法［J］.東南大學學報(自然科學版)，2005(3):36-37.