衛(wèi)星導(dǎo)航差分系統(tǒng)和增強(qiáng)系統(tǒng)（三）

+ 劉天雄

2.3 實(shí)現(xiàn)方案

2.3.1 局域差分系統(tǒng)

局域差分系統(tǒng)（Local Arae Differential GNSS，LADGNSS）的工作原理建立在基準(zhǔn)站和用戶的誤差與同一時(shí)空相關(guān)基礎(chǔ)上，基準(zhǔn)站和用戶對(duì)導(dǎo)航衛(wèi)星同步同軌跟蹤，通過偽距差分技術(shù)，當(dāng)基準(zhǔn)站和用戶之間的距離間隔小于150km時(shí)，用戶定位精度一般優(yōu)于5m。當(dāng)基準(zhǔn)站和用戶之間的距離增大，特別是間隔大于300km時(shí)，基準(zhǔn)站和用戶之間定位誤差的相關(guān)性就會(huì)減弱，用戶定位精度就會(huì)迅速降低。

LADGNSS系統(tǒng)包括基準(zhǔn)站、數(shù)據(jù)通信鏈和用戶終端三部分，如圖5所示。LADGNSS系統(tǒng)基準(zhǔn)站需要有厘米級(jí)精度的三維位置坐標(biāo)，基準(zhǔn)站周圍在全視野內(nèi)至少應(yīng)有高度角5°以上的凈空間，基準(zhǔn)站配置的導(dǎo)航接收機(jī)應(yīng)能提供偽距和載波相位信息，以及與之匹配的自動(dòng)氣象記錄儀。用戶導(dǎo)航接收機(jī)應(yīng)具備接收差分信號(hào)和解調(diào)解碼功能。

圖5 LADGPS系統(tǒng)組成及信息流

在大多數(shù)運(yùn)行的LADGNSS系統(tǒng)中，基準(zhǔn)站不測(cè)定位置坐標(biāo)誤差，而是測(cè)定并廣播每顆可見衛(wèi)星的偽距校正值。在LADGNSS方案中，參考站的位置是確定的，并播發(fā)差分修正信息，LADGNSS無線鏈路所用頻段為100kHz～1.5GHz。LADGNSS定位精度取決于用戶與參考站的距離，以及無線電鏈路發(fā)射差分修正信息的延遲量。LADGPS系統(tǒng)主要應(yīng)用于城市或近海域建立一個(gè)或多個(gè)基準(zhǔn)站和播發(fā)站的LADGNSS網(wǎng)，提供較高精度的實(shí)時(shí)導(dǎo)航和定位服務(wù)。

20世紀(jì)80年代后期，為滿足美國對(duì)海事導(dǎo)航的定位精度需求，美國海岸警衛(wèi)隊(duì)USCG研發(fā)了海事GPS差分系統(tǒng)——MDGPS，從1989年開始陸續(xù)改造MDGPS系統(tǒng)的無線電信標(biāo)，采用283.5kHz～325.0kHz頻段，廣播RTCM SC-104電文格式的GPS差分改正數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)傳輸速率為100bps，覆蓋美國沿海區(qū)域、大湖地區(qū)、美國大陸的內(nèi)河水路、夏威夷、阿拉斯加以及波多黎等地區(qū)。1999年3月投入運(yùn)營以來，即使在GPS實(shí)施選擇可用性SA期間，MDGPS能為離參考站100km的用戶提供1～10m（95%）的定位精度。

2.3.2 廣域差分系統(tǒng)

局域差分系統(tǒng)只有一個(gè)基準(zhǔn)站，當(dāng)用戶遠(yuǎn)離基準(zhǔn)站時(shí)，用戶定位精度將逐漸惡化。為了克服這個(gè)問題，美國研發(fā)了GPS廣域差分系統(tǒng)（Wide Area Differential GPS，WADGPS）。WADGPS系統(tǒng)將大量基準(zhǔn)站均勻離散分布在不同的位置上，將觀測(cè)誤差按誤差的不同來源劃分為星歷誤差、衛(wèi)星鐘差以及大氣對(duì)流層折射和電離層延遲誤差。基準(zhǔn)站接收并預(yù)處理GPS信號(hào)，同時(shí)將計(jì)算出來的差分信息利用地面光纖傳輸給中心處理站，中心處理站分析來自各地基準(zhǔn)站的DGPS信息，給出中心站視界范圍內(nèi)的每一顆GPS衛(wèi)星的信號(hào)的差分修正參數(shù)，然后上傳給地球步靜止軌道衛(wèi)星，由衛(wèi)星再把差分改正數(shù)廣播給地面用戶。

廣域差分技術(shù)的基本思想是對(duì)GNSS觀測(cè)量的誤差源加以區(qū)分，并對(duì)每一個(gè)誤差源分別加以“模型化”,然后將計(jì)算出來的每一個(gè)誤差源的誤差修正值，通過數(shù)據(jù)通訊鏈廣播給用戶，對(duì)用戶接收機(jī)的觀測(cè)誤差加以改正，以達(dá)到削弱這些誤差源影響，改善用戶定位精度的目的。它克服了技術(shù)中對(duì)參考站和用戶之間時(shí)空相關(guān)性的限制，提高了較遠(yuǎn)距離時(shí)用戶的定位精度及可靠性。關(guān)于差分技術(shù)所針對(duì)的誤差元主要包括衛(wèi)星星歷誤差、衛(wèi)星鐘差以及電離層延遲誤差。改正了這些誤差影響，即使用戶接收機(jī)為單頻，也能獲得較好的定位精度。

衛(wèi)星長期誤差校正：校正由衛(wèi)星時(shí)鐘和星歷引起的誤差，以四維矢量的形式播發(fā)誤差，廣播頻率1次/120秒；

衛(wèi)星快速誤差校正：校正衛(wèi)星時(shí)鐘快速變化誤差，以標(biāo)量形式播發(fā)，廣播頻率6次/秒；

電離層延遲校正：校正電離層延遲誤差，使用電離層網(wǎng)格模型，播發(fā)各個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)校正模型，用戶接收到網(wǎng)格點(diǎn)數(shù)據(jù)后，按照內(nèi)插法計(jì)算本地電離層延遲，廣播頻率1次/300秒。

WADGPS包括多個(gè)分布式基準(zhǔn)站，或成為一個(gè)基準(zhǔn)站網(wǎng)絡(luò)（每個(gè)基準(zhǔn)站包含一個(gè)或多個(gè)GPS接收機(jī)，它們測(cè)量所有可見衛(wèi)星所廣播信號(hào)的偽距和載波相位）、一個(gè)或多個(gè)中央處理站（處理基準(zhǔn)站提供的偽距和載波相位原始數(shù)據(jù)，以獲得每顆衛(wèi)星的廣播星歷和廣播時(shí)鐘誤差的估計(jì)值），以及一條為用戶提供校正值的數(shù)據(jù)鏈（差分修正信息按特定方式通過通信衛(wèi)星或者地面調(diào)頻廣播提供給用戶），系統(tǒng)組成如圖6所示。

WADGPS系統(tǒng)提供給用戶的修正量與DGPS和LADGPS系統(tǒng)不同，WADGPS系統(tǒng)從覆蓋區(qū)域的參考站網(wǎng)絡(luò)采集測(cè)量數(shù)據(jù)并處理，把偽距誤差分解成其各個(gè)分量（星歷修正量、時(shí)鐘偏差修正量以及電離層和對(duì)流層時(shí)延參數(shù)），并對(duì)整個(gè)區(qū)域估計(jì)各個(gè)分量，并對(duì)每一個(gè)誤差源分別加以“模型化”，然后將計(jì)算出來的每一個(gè)誤差源的誤差修正值（差分修正值），通過數(shù)據(jù)通信鏈傳輸給用戶。

WADGPS系統(tǒng)對(duì)整個(gè)區(qū)域估計(jì)各個(gè)觀測(cè)量的誤差，精度與用戶和基準(zhǔn)站的遠(yuǎn)近程度無關(guān)，因此WADGPS系統(tǒng)克服了LADGPS系統(tǒng)中基準(zhǔn)站和用戶之間時(shí)空相關(guān)性的限制，提高了差分GPS定位精度及定位可靠性。目前WADGPS系統(tǒng)的水平定位精度可達(dá)1m，垂直定位精度可達(dá)1.5m。

圖6 WADGPS系統(tǒng)系統(tǒng)組成

在此基礎(chǔ)上，美國建設(shè)了國家差分GPS系統(tǒng)（Nationwide Diあerential GPS System，NDGPS），NDGPS是美國地基GPS差分系統(tǒng)，為美國大陸本土和水路用戶的GPS差分定位服務(wù)，由美國海岸警衛(wèi)隊(duì)、美國聯(lián)邦鐵路管理局、聯(lián)邦公路管理局運(yùn)行管理，170個(gè)參考基站分布在美國大陸，并將原美國空軍地波急救網(wǎng)絡(luò)（GWEN）站升級(jí)為NDGPS參考站，地面參考站的廣播天線安裝在100m高的塔上，無線電信號(hào)作用距離為400km，采用數(shù)字廣播方式播發(fā)GPS信號(hào)的差分修正信息，差分信號(hào)播發(fā)流程如圖7所示，實(shí)時(shí)精度1～3米，后處理精度2～5厘米。

NDGPS在美國大陸的大部分地區(qū)可以實(shí)現(xiàn)雙重覆蓋，如圖8所示，為美國水陸運(yùn)輸、農(nóng)業(yè)、林業(yè)、資源勘察、環(huán)境管理、應(yīng)急救援等領(lǐng)域提供高精度的定位服務(wù)，目前已有五十多個(gè)國家采用NDGPS標(biāo)準(zhǔn)建造了GPS地基差分系統(tǒng)。

NDGPS已啟動(dòng)現(xiàn)代化工作，包括建設(shè)高精度NDGPS系統(tǒng)（High Accuracy NDGPS，HA-NDGPS），HANDGPS系統(tǒng)在服務(wù)覆蓋范圍區(qū)域內(nèi)提供10～15cm的實(shí)時(shí)定位精度，如前述，當(dāng)前NDGPS的定位精度為1～3m，而GPS標(biāo)準(zhǔn)定位服務(wù)的精度為10～16m，將定位精度的比較如圖9所示。

目前商業(yè)運(yùn)作比較成功的廣域差分系統(tǒng)有OmniSTAR、SkyFix和StarFix系統(tǒng)，提供GPS差分定位服務(wù)，OmniSTAR在陸地應(yīng)用，SkyFix和StarFix系統(tǒng)主要在海上應(yīng)用。OmniSTAR利用分布全球的100多個(gè)地面參考站，為用戶提供亞米級(jí)、優(yōu)于20cm、優(yōu)于10cm的三種精度水平的差分定位服務(wù)。

亞米級(jí)定位服務(wù)基于虛擬基準(zhǔn)站（VBS）的模式，每個(gè)參考站單獨(dú)跟蹤GPS衛(wèi)星并計(jì)算偽距差分改正數(shù)，采用RTCM格式對(duì)偽距差分改正數(shù)編碼并播發(fā)給用戶，用戶接收機(jī)采用距離倒數(shù)加權(quán)最小二乘法估計(jì)虛擬參考站改正數(shù)。利用載波相位觀測(cè)和精密單點(diǎn)定位技術(shù)，提供參考站網(wǎng)絡(luò)估計(jì)的GPS衛(wèi)星星歷和鐘差信息，電離層延遲的影響通過雙頻接收機(jī)加以消除，實(shí)現(xiàn)優(yōu)于20cm的定位服務(wù)。利用載波相位改正數(shù)和雙頻數(shù)據(jù)處理，實(shí)現(xiàn)優(yōu)于10cm的定位服務(wù)。SkyFix和StarFix系統(tǒng)概念與OmniSTAR系統(tǒng)類似的精密單點(diǎn)定位技術(shù)，但實(shí)現(xiàn)方式不同，利用商業(yè)地球靜止軌道衛(wèi)星播發(fā)差分信息，與GPS接收機(jī)聯(lián)合解算用戶位置，詳見www.omnistar.com及www.skyfix.com網(wǎng)站相關(guān)說明。

美國John Deere集團(tuán)的NavCom和精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)公司研發(fā)了GPS廣域差分系統(tǒng)——StarFire，利用分布全球的60多個(gè)地面參考站、2個(gè)位于美國的獨(dú)立控制中心、3顆Inmarsat公司轉(zhuǎn)發(fā)器播發(fā)L頻段差分改正數(shù)據(jù)（GPS衛(wèi)星星歷和鐘差數(shù)據(jù)），通過雙頻接收機(jī)消除電離層延遲的影響，為用戶提供24小時(shí)的亞米級(jí)和亞分米級(jí)定位服務(wù)，詳見www.navcomtec.com/StarFire網(wǎng)站相關(guān)說明。

圖7 NDGPS系統(tǒng)差分信號(hào)播發(fā)流程

圖8 美國國家差分GPS系統(tǒng)（NDGPS）服務(wù)覆蓋范圍

圖9 NDGPS和HA-NDGPS的定位精度