GPS信號(hào)改正參數(shù)研究

辛　潔，任　暉，王冬霞，趙金賢，胡彩波

(北京衛(wèi)星導(dǎo)航中心，北京 100094)

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GPS信號(hào)改正參數(shù)研究

辛潔，任暉，王冬霞，趙金賢，胡彩波

(北京衛(wèi)星導(dǎo)航中心，北京 100094)

A Study on Correction Parameters of GPS Signal

XIN Jie，REN Hui，WANG Dongxia，ZHAO Jinxian，HU Caibo

摘要：精確的信號(hào)改正參數(shù)是提高導(dǎo)航定位精度的關(guān)鍵。為了對(duì)導(dǎo)航定位服務(wù)進(jìn)行有效的經(jīng)營(yíng)，需要在每一個(gè)信號(hào)離開衛(wèi)星發(fā)播天線的時(shí)間內(nèi)，考慮鐘差、通道延遲、碼相位位移、用戶鐘偏差，以及電離層、對(duì)流層等大氣因素的影響。通過對(duì)GPS導(dǎo)航電文結(jié)構(gòu)的研究，給出了單、雙頻用戶的鐘差改正參數(shù)、設(shè)備群延遲改正參數(shù)、電離層改正參數(shù)等參數(shù)算法，并在此基礎(chǔ)上給出了信號(hào)間改正參數(shù)(ISCs)的算法。最終結(jié)合改正參數(shù)的應(yīng)用范例，對(duì)改正參數(shù)應(yīng)用的可行性進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞：改正參數(shù)；導(dǎo)航定位精度；導(dǎo)航電文結(jié)構(gòu)；信號(hào)間改正參數(shù)；可行性

自1973年美國(guó)國(guó)防部正式批準(zhǔn)了以軍事目的而建設(shè)的全球定位系統(tǒng)(Global Position System，GPS)方案[1]以來，系統(tǒng)已進(jìn)行了大量的提升用戶服務(wù)性能及增加在線能力的現(xiàn)代化改造[2]。發(fā)射入軌的新一代衛(wèi)星有著更精準(zhǔn)的時(shí)鐘和更強(qiáng)的擴(kuò)展能力，能播發(fā)新增信號(hào)。地面控制網(wǎng)增加了終端跟蹤網(wǎng)絡(luò)密度，增強(qiáng)了播發(fā)給用戶的導(dǎo)航信息(navigation，NAV)中衛(wèi)星鐘和衛(wèi)星軌道預(yù)測(cè)的計(jì)算能力。GPS接收機(jī)的生產(chǎn)商通過探索空間信號(hào)(signal in space，SIS)特性，尋求解決顯著的地理空間問題途徑，研發(fā)更好的測(cè)量方法，并使得舊的解決方法更加健全。

對(duì)于民用用戶，GPS現(xiàn)代化最讓人興奮的方面在于新增加了3個(gè)定位服務(wù)信號(hào)[3]：L2C、L5和L1C(與L1C定位服務(wù)信號(hào)一樣，L5在同一載波上擁有2個(gè)獨(dú)立的定位服務(wù)信號(hào))。擁有新信號(hào)和傳統(tǒng)L1 C/A信號(hào)等多重信號(hào)的現(xiàn)代化衛(wèi)星能夠剔除由電離層路徑延遲造成的抗差雙頻或三頻測(cè)距誤差，并提供3種譜的獨(dú)立服務(wù)。如果出現(xiàn)射頻干擾(radio frequency interference，RFI)致使3個(gè)頻率中1個(gè)或2個(gè)不可用，剩余的頻率均可獨(dú)立使用。

為了對(duì)4個(gè)民用定位服務(wù)進(jìn)行有效的經(jīng)營(yíng)，在每一個(gè)信號(hào)離開衛(wèi)星發(fā)播天線的時(shí)間內(nèi)，需要考慮信號(hào)間偏差(inter-signal corrections，ISBs)的測(cè)距影響。同時(shí)，為了簡(jiǎn)化接收機(jī)設(shè)置，不考慮接收機(jī)正在使用哪一個(gè)或組合信號(hào)/服務(wù)，在播發(fā)屬于新L2C、L5和L1C定位服務(wù)信號(hào)的民用導(dǎo)航(civil navigation，CNAV)信息中加入內(nèi)部信號(hào)改正參數(shù)[4]。4個(gè)民用信號(hào)中的每一個(gè)都有一個(gè)以L1 P(Y)為參考碼的ISC參數(shù)。

一、改正參數(shù)算法

1. 鐘差改正參數(shù)

對(duì)雙頻用戶來說，廣播星歷子幀1發(fā)播的系數(shù)描述了發(fā)播參數(shù)時(shí)間間隔的偏差。該項(xiàng)改正用于計(jì)算衛(wèi)星鐘差偏差項(xiàng)、漂移和齡期，同時(shí)，也用于計(jì)算群延遲偏差和平均群延遲差異的補(bǔ)充特性。但這些系數(shù)不包括相對(duì)論效應(yīng)改正，用戶設(shè)備還需要確定相對(duì)論改正。一般而言，改正信號(hào)接收時(shí)刻時(shí)間和天線相位中心的衛(wèi)星碼相位時(shí)間偏差(以GPS時(shí)間為基準(zhǔn))關(guān)系為

t=tSV+ΔtSV

(1)

(2)

式中，t表示GPS系統(tǒng)時(shí)間，若t-tOC大于302 400 s，從t中減去604 800 s；若t-tOC小于-302 400 s，則在t中加上604 800 s；tSV表示電文發(fā)射時(shí)刻有效的碼相位時(shí)間，當(dāng)由GPS時(shí)計(jì)算得到系數(shù)值時(shí)，tSV的敏感性可忽略；ΔtSV表示衛(wèi)星PRN碼相位時(shí)間偏差；af0、af1、af2為多項(xiàng)式系數(shù)；tOC表示鐘差參考時(shí)刻；Δtr表示相對(duì)論效應(yīng)改正項(xiàng)

(3)

(4)

在估計(jì)NAV參數(shù)時(shí)，控制段將用下面的等價(jià)公式進(jìn)行相對(duì)論效益改正

(5)

式中，R是衛(wèi)星的瞬時(shí)位置向量；V是衛(wèi)星的瞬時(shí)速度向量；c是光速。此式不受地固旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系還是地心慣性坐標(biāo)系的限制。

2. 設(shè)備群延遲改正算法

改正項(xiàng)TGD起初用來計(jì)算L1 P(Y)和L2 P(Y)間的設(shè)備群延遲，主要用作基于合同商在衛(wèi)星制造時(shí)的測(cè)量。每個(gè)衛(wèi)星的TGD會(huì)不斷更新，以反映真實(shí)的在軌設(shè)備群延遲差異。該改正項(xiàng)主要是為單頻用戶考慮。

當(dāng)用戶僅使用L1 P(Y)進(jìn)行碼相位偏差改正時(shí)，公式如下

(ΔtSV)L1P(Y)=ΔtSV-TGD

(6)

當(dāng)用戶僅使用L2 P(Y)進(jìn)行碼相位偏差改正時(shí)，公式如下

(ΔtSV)L2P(Y)=ΔtSV-γ12TGD

(7)

將L1和L2的標(biāo)準(zhǔn)頻率記為fL1和fL2，得到

(8)

TGD不等于衛(wèi)星設(shè)備群延遲差異的均值，而是測(cè)量值，代表平均設(shè)備群延遲差異乘以1/(γ12-1)，從而得到雙頻用戶的表達(dá)式TGD為

TGD=1/(γ12-1)((ΔtSV)L1P(Y)-(ΔtSV)L2P(Y))

(9)

3. 電離層改正算法

電離層延遲是導(dǎo)航定位系統(tǒng)不可忽略的主要誤差源[5-6]。由于電離層具有色散特性，不同頻率穿過電離層時(shí)產(chǎn)生的折射效應(yīng)不同[7-9]，利用這個(gè)特性就可以估計(jì)電離層對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)傳輸引入的延遲量。

對(duì)于L1 P(Y) 和L2 P(Y)，TGD與L2 P(Y) ISC成固定的倍數(shù)關(guān)系，即

ISCL2P=(1-γ12)TGD

(10)

通過將涉及L1P和L2P的式(1)和式(2)相減，再代入式(14)的比例關(guān)系，得到電離層改正評(píng)估方程為

(11)

從而得到電離層偏差

(12)

對(duì)于雙頻用戶來說，電離層效應(yīng)改正過的偽距方程為

(13)

式中，PR表示電離層效應(yīng)改正過的偽距；PRi表示i通道測(cè)得的偽距值。

若雙頻用戶需對(duì)有電離層引起的群延遲進(jìn)行改正，得到電離層與群延遲間的關(guān)系如下

(14)

雙頻用戶可通過時(shí)間延遲差對(duì)接收時(shí)刻進(jìn)行改正，對(duì)于單頻用戶可采用以下模型進(jìn)行改正，從而使由電離層傳播效應(yīng)造成的RMS誤差降低至少50%。如果在擴(kuò)展運(yùn)行階段或衛(wèi)星處于自主導(dǎo)航模式時(shí)，GPS運(yùn)控系統(tǒng)(OCS)無法上傳數(shù)據(jù)，則使用該模型將會(huì)產(chǎn)生不可預(yù)知的后果。電離層改正模型為

(15)

二、ISCs算法

偽距測(cè)量涉及自由空間距離、地面站接收機(jī)偏差、電離層、對(duì)流層、相關(guān)性、衛(wèi)星和地面鐘差，以及信號(hào)間改正等因素影響。這里僅給出L1P、L2P、L1CA、L2C和L5Q的偽距方程，其他信號(hào)方程類似。在各種操作中均不考慮流層、相關(guān)性、時(shí)鐘等影響因素，不將它們列入方程。以L1 P(Y)碼信號(hào)為例，所有內(nèi)部信號(hào)的偽距測(cè)量定義與L1P的關(guān)系如下

PRL1P=R+iono

(16)

PRL2P=R+γ12iono-ISCL2P+BL2P

(17)

PRL1CA=R+iono-ISCL1CA+BL1CA

(18)

PRL2C=R+γ12iono-ISCL2C+BL2C

(19)

PRL5Q=R+γ15iono-ISCL5Q+BL5Q

(20)

式中，PRi表示基于頻率i的偽距測(cè)量； R表示自由空間距離；iono表示電離層改正；Bi表示地面站頻率i與L1P的偏差；ISCi表示頻率L1P和頻率i間的信號(hào)間改正；γij表示頻率i和頻率j的平方比。

1.L1C/A的ISC

通過將涉及L1P和L1C/A的式(1)和式(3)相減，得到L1C/A的信號(hào)間改正評(píng)估方程為

ISCL1CA=PRL1P-PRL1CA+BL1CA

(21)

2.L2C的ISC

通過將涉及L2P和L2C的式(2)和式(4)相減，得到L2C信號(hào)間改正評(píng)估方程為

PRL2P-PRL2C=ISCL2C-ISCL2P-(BL2C-BL2P)

(22)

又由TGD與L2P(Y)ISC成固定的倍數(shù)關(guān)系得到

(23)

3.L5Q的ISC

(24)

三、改正參數(shù)的應(yīng)用

對(duì)于用戶接收機(jī)來說，典型的改正參數(shù)應(yīng)用如圖1所示。接收機(jī)基于衛(wèi)星播發(fā)時(shí)間估計(jì)，得到鐘差改正多項(xiàng)式、對(duì)流層模型及電離層模型后，再結(jié)合碼相位位移、通道延遲、GPS時(shí)間、用戶鐘偏差等參數(shù)值后，進(jìn)行過濾和坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，從而得到用戶位置、速度和時(shí)間。其中，ERD表示導(dǎo)航電文改正表(NMCT)中的偽距估計(jì)誤差。每個(gè)ERD值由地面站計(jì)數(shù)，代表衛(wèi)星星歷誤差減去光速和衛(wèi)星鐘差乘積的徑向分量。衛(wèi)星星歷及鐘差通過當(dāng)前估值減去廣播值得到。因此，ERD值可以用于改正用戶觀測(cè)偽距。

PRc=PR-ERD

(25)

式中，PRc表示經(jīng)NMCT中的ERD值改正過的偽距。

美國(guó)研制的廣域增強(qiáng)系統(tǒng)(wideareaaugmentsystem，WAAS)已成功利用經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃陀^測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)GPS星歷改正數(shù)、鐘差改正數(shù)和電離層延遲改正數(shù)的分離和計(jì)算，并通過地球同步軌道衛(wèi)星(geostationaryearthorbit，GEO)將改正數(shù)和GPS星座的完好性狀況向覆蓋區(qū)廣播。

2013年6月，ISCs首次作為在軌導(dǎo)航電文信息的一部分播發(fā)，標(biāo)志著ISCs參數(shù)評(píng)估進(jìn)入在軌試驗(yàn)階段。根據(jù)美國(guó)全球定位系統(tǒng)現(xiàn)代化民用導(dǎo)航信號(hào)(CNAV)現(xiàn)場(chǎng)直播測(cè)試計(jì)劃，在軌衛(wèi)星播發(fā)的部分ISC值[10]見表1。

圖1　改正參數(shù)的應(yīng)用范例

ns

目前在軌播發(fā)的ISC值還存在欠缺，其主要原因之一在于包含未標(biāo)校的監(jiān)測(cè)站偏差，監(jiān)測(cè)站偏差通常有零點(diǎn)幾納秒的偏差；同時(shí)，在軌觀測(cè)ISC值僅源于單監(jiān)測(cè)站的觀測(cè)，存在不可預(yù)知的偏差。

四、結(jié)束語

本文基于對(duì)GPS導(dǎo)航電文結(jié)構(gòu)的研究，給出了單雙頻用戶的鐘差改正參數(shù)、設(shè)備群延遲改正參數(shù)、電離層改正參數(shù)等參數(shù)算法，并在此基礎(chǔ)上給出了以L1 P(Y)為參考碼的L2P、L1CA、L2C和L5Q間的ISC參數(shù)算法，最后結(jié)合監(jiān)測(cè)接收機(jī)應(yīng)用改正參數(shù)及ISCs在軌播發(fā)實(shí)例，對(duì)改正參數(shù)的可行性進(jìn)行了初步分析。

近幾次局部戰(zhàn)爭(zhēng)表明，美軍所具備的“導(dǎo)航優(yōu)勢(shì)”是其在戰(zhàn)爭(zhēng)中占有絕對(duì)作戰(zhàn)優(yōu)勢(shì)的關(guān)鍵因素，發(fā)展衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)及開展導(dǎo)航定位技術(shù)的應(yīng)用研究究已成為各國(guó)關(guān)注的焦點(diǎn)。面對(duì)新的國(guó)際形勢(shì)，注重跟蹤研究國(guó)外衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)及其軍事應(yīng)用技術(shù)的動(dòng)向，發(fā)展我國(guó)獨(dú)立、高效、穩(wěn)定安全的衛(wèi)星導(dǎo)航導(dǎo)航系統(tǒng)，不斷提高我國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)的應(yīng)用水平，有著十分重要的意義。

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中圖分類號(hào)：P228

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：0494-0911(2016)03-0022-03

作者簡(jiǎn)介：辛潔(1988—)，女，碩士，工程師，主要研究衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)。E-mail：15810539683@139.com

收稿日期：2015-02-10； 修回日期： 2015-11-03

引文格式： 辛潔，任暉，王冬霞，等. GPS信號(hào)改正參數(shù)研究[J].測(cè)繪通報(bào)，2016(3)：22-24.DOI:10.13474/j.cnki.11-2246.2016.0077.