我國廣域增強系統中參考站的技術與發展

摘要參考站是衛星導航廣域增強系統的重要組成部分，本文介紹了廣域參考站的任務和組成，對數據處理過程中平滑偽距生成及電離層改正等算法進行了推導，討論了天線安裝設計和參考站布局方面應注意的基本原則，最后對參考站未來發展提出了建議和設想。

關鍵詞廣域增強系統參考站平滑偽距布局

中圖分類號:V24文獻標識碼:A

廣域增強系統通過已知位置的地面參考站對GPS衛星連續觀測，將監測到的數據經過處理形成差分矢量改正，由同步衛星廣播給用戶，以提高GPS的定位精度;參考站是廣域增強系統的重要基礎設施，通過參考站對GPS衛星及其差分改正的數據進行質量監測，來增強GPS的定位精度和完善性。參考站提供的監測數據決定了中心站估計誤差改正數和完善性信息的精確性。本文重點對參考站技術現狀加以介紹。

1 我國廣域增強系統的原理與組成

廣域增強系統(WAAS)由美國聯邦航空局FAA首先提出并研制建設，可以提高覆蓋區域內的GPS定位精度(通過差分技術)、完好性(提供及時的報警能力)和可用性(通過附加測距信號)。根據廣域增強系統的特點和我國的國情，我國廣域增強系統包括地面部分和空中部分。地面部分由參考站、中心站、用戶站及輔助設備三個分系統組成，空中部分包括載有導航轉發器的地球靜止軌道衛星。我國廣域增強系統的長遠目標應當是基于 GPS/GLONASS的廣域增強系統。

廣域增強系統采用的是廣域差分技術，通過一定數量位置精確已知的地面參考站對GPS信號進行連續觀測，中心站對各類誤差源進行區分和模型化，計算出每一個誤差源的改正數，然后把計算得到的改正數通過通信鏈路廣播給用戶。用戶利用這些改正數和GPS 接收機的偽距觀測值進行數據融合，實現用戶的精確定位。

2 參考站的組成與功能

參考站是廣域增強系統的重要組成部分，每個參考站設有3臺獨立工作的WAAS 接收機， 其中一類參考站的第一和第三套接收機為標準WAAS接收機，第二套接收機采用MINI-WAAS接收機;二類參考站三套接收機都采用MINI-WAAS接收機，且不同型號的接收機在參考站中的安裝位置固定不能互換。WAAS 接收機由多路徑處理板(MEDLL) 和2個獨立工作的L1/ L2 雙頻處理板組成。每個參考站由3臺獨立工作的原子鐘提供穩定頻率標準，形成3套高精度接收處理設備，其中1套用于在線熱備份，其他2套在線工作并用于數據的獨立性校驗。參考站還配有數據綜合處理與發射設備、氣象設備、供配電設備和防雷電設備等。

參考站的主要功能是采集GPS衛星及氣象設備的觀測數據，并對所采集的原始觀測數據進行預處理。預處理數據通過通信鏈路傳送到中心站，由中心站完成各差分改正數的確定和GPS衛星的完好性監測，同時對差分改正數的誤差加以評估。

3 參考站數據處理

3.1 參考站數據處理流程

參考站用雙頻接收機得到L1和L2的碼偽距和載波相位，同時采集氣壓、溫度、濕度等氣象參數，對這些數據的處理主要包括:計算L1偽距的接收機噪聲;計算相位平滑偽距;計算并平滑電離層延遲;計算電離層延遲變率和檢測相位序列周跳;計算內頻偏差;從偽距中減去到衛星的名義距離;偽距加廣播的衛星鐘差改正;偽距加電離層改正和對流層改正;從所有可見衛星偽距估計參考站鐘差;計算偽距殘差及其置信值等。由于篇幅的限制，本文只介紹數據處理流程中平滑偽距、電離層延遲校正方法。

3.2參考站平滑偽距與電離層延遲的計算方法

參考站對衛星的偽距觀測是衛星軌道改正的基礎數據，基于我國WADGPS參考站的實際數據，下面介紹用無發散加權的Hatch濾波方法獲得平滑偽距的過程。假定在參考站用雙頻接收機以每秒一次的采樣率得到L1和L2的偽距和載波相位，根據最小二乘中的加權平均原理，忽略偽距和偽距差的相關，并已知它們的標準差和，則平滑偽距表述如下:

(1)式中，下標代表歷元，為平滑偽距的方差，由下式確定:(2)

已知，計算，則，從而得到平滑偽距。同理可得到，則偽距差:(3)

由載波平滑偽距差可以計算電離層延遲:(4)

最后，這些偽距殘差同電離層延遲估值一起送到中心站。利用加權Hatch濾波方法來進行載波相位平滑偽距.可以顯著地抑制偽距中噪聲的影響，可以估計觀測值精度隨時間的情況，不過它需依靠經驗公式來給定平滑后偽距的方差。

3.3 參考站天線的安裝設計

參考站的天線不同于一般的接收天線，應專門設計，主要遵循以下原則。

(1)多路徑誤差在參考站必須被有效抑制，以獲得更好的精度。為抑制干擾直接信號的地面反射信號，天線應放置于不易產生多路徑影響的位置，各天線應有一定距離，以避免各天線多路徑影響的相關性。所以天線安裝位置上應有良好的地質、地勢，周圍高度5度視角范圍不應有高大建筑物活或山丘遮擋，無大型反射面(如水庫、大型體育館等)。(2)合理選擇天線位置和方向。根據參考站的工作特點，結合其他設備天線的工作方式確定天線方向和位置，特別是在GEO衛星、GPS衛星的來播放向上。(3)天線安裝位置要避開有害氣體、強電場、強噪聲等的影響。(4)天線應安裝在水泥或鋼結構支架上，天線離地面(基準面)高度要800mm。

4我國參考站的布局情況

參考站的數量和相對位置關系到差分改正數的精度。在廣域差分技術中主要誤差源是星歷誤差、電離層延遲誤差、對流層誤差、接收機噪聲和多路徑效應等。其中星歷誤差和電離層延遲誤差為主要誤差源，但星歷鐘差不涉及參考站的布局和數量問題，所以參考站在我國區域的建設要重點考慮其對電離層延遲誤差影響，以及對對流層誤差和多路徑效應的影響。適當選擇參考站的地址，應考慮如下要素。

(1)考慮地理位置、基礎設施(如通訊、電力等因素)以及維護等問題。保證參考站安全、穩定、可靠。(2)參考站在服務區內要有較大的跨度和較好的幾何圖形結構，并大致均勻分布，以保證最大范圍地跟蹤衛星。為能保證衛星軌道和衛星鐘以及均勻的電離層探測精度，其監測區域的半徑一般為300-1000km。(3)參考站多路徑效應的影響一般較大，所以避開多路徑效應較強烈的環境。(4)考慮建站成本和維修費用。在區域大小一定的情況下參考站數量越多，差分改正數的精度越高，但參考站增多，會使建站成本和維修費用大大增加。而且，當參考站分布到一定密度時，再增加站點對改正數精度提高的意義已不大，所以參考站的分布數量要綜合考慮。

根據我國地理位置覆蓋范圍廣闊和南部地區地處電離層赤道異常區域的特點，以及國防建設和國民經濟發展的需要，可以得出我國衛星導航廣域差分增強系統的參考站布局原則:東南沿海和中部地區密集，西北地區稀疏。在我國建立20個左右的參考站基本上可以滿足我國廣域系統的精度指標要求，但在青藏高原西南部和內蒙古北部地區的電離層穿透點相對較少。因此，對于我國的GPS廣域增強系統來說，在考慮其參考站布局時，可以適當在這些地區加密。利用當前所能觀測到的27顆GPS衛星，參考站為大體均勻分布于中國區域的24個站，下圖為我國參考站大致分布圖:

5 結束語

隨著衛星導航事業的發展和GPS 現代化的升級改造，我國廣域增強系統的建設也取得了一定成果，但其性能與國外其他同類系統(如歐洲EGNOS系統)相比較還具有一定的差距。根據我國實際情況，可考慮適當增加參考站布站規模，改進參考站和中心站差分算法，進一步提高星歷誤差改正和電離層延遲改正的精度，建立更高精度的衛星導航增強系統，滿足更多用戶的使用需求。