廣域實時精密定位技術與示范系統(tǒng)基準站布局的設計與分析①

瞿穩(wěn)科,孔 維

(北京市5136信箱,北京100094)

0 引 言

廣域實時精密定位技術與示范系統(tǒng)是2007年國家高技術研究發(fā)展計劃(863計劃)地球觀測與導航技術領域重點項目,是在廣域差分和精密單點定位技術的基礎上,集成先進的基準站觀測數(shù)據(jù)實時采集處理、專用通信網(wǎng)絡等技術,實現(xiàn)我國陸地、海洋和空中優(yōu)于1m導航定位精度的衛(wèi)星導航增強示范服務。該系統(tǒng)計劃在全國范圍內建設15個實時秒級采樣率的基準站,構成廣域實時精密定位技術與示范系統(tǒng)的實時基準站數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡,并通過專用通信網(wǎng)絡技術為廣域實時精密定位技術與示范系統(tǒng)提供廣域差分數(shù)據(jù)源。目前,美國聯(lián)邦航空局(FAA)建設的廣域增強系統(tǒng)(Wide Area Augmentation system,簡稱 WAAS)已經(jīng)能夠為北美洲地區(qū)陸地、航海和航空用戶提供優(yōu)于米級的導航定位服務[1]。由于廣域實時精密定位技術與示范系統(tǒng)服務指標是依靠廣域差分改正數(shù)來實現(xiàn),包括導航星座的星歷改正數(shù)、星載時鐘改正數(shù)和電離層延遲改正數(shù),而這些改正數(shù)的生成直接與地面基準站網(wǎng)絡的布局有關,因此,對基準站的布局進行分析和研究直接決定著差分改正數(shù)的精度和示范系統(tǒng)最終服務性能指標的實現(xiàn)。

1 基準站布局設計的原則

導航星座地面跟蹤基準站的根本目的是通過基準站的跟蹤測量,實現(xiàn)對導航星座的星歷改正數(shù)、星載時鐘改正數(shù)和服務區(qū)上空電離層延遲改正數(shù)的計算,對于導航星座星歷改正數(shù)、星載時鐘改正數(shù)的計算主要是看基準站的實際分布形成的幾何定軌條件,對服務區(qū)上空電離層延遲改正數(shù)的計算依賴于基準站與導航星座形成的電離層穿刺點的質量,這是因為基準站的布局決定著電離層穿刺點的有效數(shù)目、密度及幾何位置等分布規(guī)律,尤其是現(xiàn)階段使用格網(wǎng)電離層模型實現(xiàn)廣域增強時,基準站的布局對格網(wǎng)電離層模型的外部精度影響很大,在這種情況下,基準站的布局通常情況下考慮的基本約束條件是基準站的幾何定軌條件和跟蹤導航星座弧段的長短。

1.1 幾何定軌的條件分析

目前基準站對導航星座的幾何定軌條件通過測算PDOP值和RDOP值來反映。PDOP是指用戶等效距離誤差 UERE(User Equivalent Range Error)到最終定位誤差的放大系數(shù),它反映了基準站站址布局位置對定位誤差的影響;RDOP值反映了基準站站址布局位置對觀測誤差在定軌徑向精度上的放大情況。但是,對于地球靜止衛(wèi)星(GEO),一般利用其在定點位置處與地面基準站監(jiān)測網(wǎng)對應的位置精度因子(PDOP)值和徑向精度因子(RDOP)值,對中軌道衛(wèi)星(MEO)則分別分析幾條有代表性的星下點軌跡對應的PDOP和RDOP值的變化[1]。

一般情況下PDOP值和RDOP值越小,幾何法定軌的條件就越好。

1.2 跟蹤觀測導航星座弧段的時間長度

為了保證差分改正數(shù)在一段時間內的連續(xù)性和服務精度的穩(wěn)定性,基準站對空間導航星座的連續(xù)跟蹤監(jiān)測具有重要作用。顯然,基準站可監(jiān)測時間越長,對系統(tǒng)精度和完好性監(jiān)視等相關指標就越有利。目前,跟蹤觀測弧段的長短已經(jīng)成為衡量基準站布局性能的一個重要指標。此外,幾何法定軌作為衛(wèi)星實時定軌的一個重要手段,其最基本的要求是同一時刻至少要有3個以上的基準站跟蹤到同一顆衛(wèi)星,因此,把基準站布局所能提供的幾何定軌的弧段長短作為設計的一個約束條件直接關系著幾何法定軌能夠實現(xiàn)的時間段和相關的PDOP值變化。此外,基準站一般的跟蹤監(jiān)測區(qū)域的半徑一般在300～1000 km,在區(qū)域大小一定的情況下,基準站數(shù)量越多,差分改正數(shù)的精度越高,但是當基準站數(shù)量確定后,基準站在服務區(qū)內具有較好的分布幾何圖形,并大致均勻才能最大限度地提高差分改正數(shù)的精度[2]。

基于中國陸地地區(qū)大部分在北緯15°～55°,東經(jīng)70°～140°的區(qū)域內,并且西北部的導航定位精度比沿海地區(qū)低等情況,而且中國南海地區(qū)地處低緯度赤道區(qū),電離層赤道異常明顯地影響該地區(qū)上空的電離層分布,因此,東南地區(qū)基準站的分布密度適當要比其它區(qū)域高。

綜上分析,在廣域實時精密定位技術與示范系統(tǒng)數(shù)量確定的15個基準站中,基本的分布原則是:東南沿海和中部地區(qū)布局密集,西北地區(qū)分布稀疏。

2 基準站布局設計和合理性分析

綜合考慮廣域實時精密定位技術與示范系統(tǒng)對基準站精度指標的要求,以及基準站布局應該遵循的約束條件和服務區(qū)域電離層的實際情況,初步確定以下15個城市作為示范系統(tǒng)基準站的站址,這些城市分別是:北京、喀什、三亞、哈爾濱、成都、汕頭 、烏魯木齊、寧波、湛江、拉薩、蘭州 、格爾木、鄭州、武漢、昆明。基準站布局見圖1所示。

圖1 GNSS基準站布局圖

依據(jù)圖1中全國范圍內設計了15個基準站,由于這15個站還不能獲得足夠的原始觀測數(shù)據(jù),因此,借助中國地殼運動觀測網(wǎng)絡的28個跟蹤站的觀測數(shù)據(jù)進行仿真分析,觀測數(shù)據(jù)選UTC時2009年7月22日0時0分0秒至23時59分59秒。所選的28個站點分布如圖2所示,分別為:BJFS(北京房山)、BJSH(十三陵)、CHUN(長春)、DLHA(德令哈)、DXIN(鼎新)、GUAN(廣州)、HLAR(海拉爾)、H RBN(哈爾濱)、JXIN(薊縣)、KMIN(昆明)、LHAS(拉薩)、LUZH(瀘州)、QION(瓊中)、SHAO(上海)、SUIA(綏陽)、TAIN(泰安)、TASH(塔什庫爾干)、URUM(烏魯木齊)、WUHN(武漢)、WUSH(烏什)、XIAA(西安)、XIAG(下關)、XIAM(廈門)、XNIN(西寧)、YANC(鹽池)、YONG(永興島)、ZHNZ(鄭州)、QDAO(青島)。仿真方法設計如下:

在上面所選的28個觀測站中,采用與設計的15個站位置最接近的15個測站作為廣域實時精密定位示范系統(tǒng)的基準站,其余的13站作為測試站,利用選取的15個基準站對導航星座的鐘差改正數(shù)、星歷改正數(shù)和服務區(qū)域上空的電離層延遲改正數(shù)進行計算,利用剩余的13個站的數(shù)據(jù)與計算出的改正數(shù)進行數(shù)據(jù)融合,通過數(shù)據(jù)處理進行精度分析,判斷設計的基準站布局的合理性分析。在圖2中,三角為選定的基準站,圓圈為測試站,測試過程分雙頻與單頻兩部分。測試結果見圖3～15。

圖15 KMIN站精度分析

3 結 論

從圖3～圖15的仿真計算結果可知,利用相近的15個中國地殼運動觀測網(wǎng)絡監(jiān)測站數(shù)據(jù)作為基準站對導航星座的鐘差改正數(shù)、星歷改正數(shù)和站點上空的電離層改正數(shù)進行擬合計算,并把計算出的三類改正數(shù)與13個測試站的接收機進行數(shù)據(jù)融合,結合雙頻接收機電離層延遲的修正參數(shù),最終這13個測試站的定位在東北天坐標系下都取得了理想的定位精度(厘米級),完全達到并超過了廣域實時精密定位技術與示范系統(tǒng)的指標要求,這表明設計的15個基準站的分布是合理的。

對于單頻接收機定位精度,由于電離層延遲是一個不可小視的誤差源,何玉晶在《我國廣域增強系統(tǒng)的基準站布局及數(shù)量分析》文章中對基于中國地殼運動觀測網(wǎng)絡站點情況下16個基準站和20個基準站布局情況下電離層的穿刺點數(shù)量進行了分析,所選擇的16個基準站與本文選擇的15個基準站位置分布趨勢基本一致,其結論是選擇16個或20個基準站雖然保證了我國大部分陸地地區(qū)每一個電離層格網(wǎng)點內都有一個以上的穿刺點,但是在西北、西南、東北部分靠近邊境區(qū)域,由于穿刺點數(shù)量的減少,無論是使用三點擬合算法(T hree-Point Interpolation Algorithm Definitions)還是四點擬合算法(Four-Point Interpolation Algorithm Definitions),都會因為冗余數(shù)據(jù)不夠導致電離層延遲改正數(shù)計算精度的下降,從而降低用戶的定位精度,尤其是在導航星座與基準站之間角度變小時,誤差會更大[3]。因此,在廣域實時精密定位技術與示范系統(tǒng)基準站數(shù)量確定的情況下,對于西北、西南、東北部分靠近邊境的區(qū)域,對于單頻接收機,為滿足廣域實時精密定位技術與示范系統(tǒng)精度的要求,還需要借助參數(shù)化的電離層延遲模型進行輔助修正。

[1] U.S.Federal Aviation Administration.Local Area Augmentation System Performance Analysis/Activities Report[R].Atlantic City:U.S.Federal Aviation Administration,2006.

[2] Ruben Yousuf.Evaluation and Enhancement of the Wide Area Augmentation System(WAAS)[D].Calgary:University of Calgary,2005.

[3] 何玉晶等.我國廣域增強系統(tǒng)的基準站布局及數(shù)量分析[J].測繪工程,2006,15(3):70-73.