衛星導航局域差分系統的載波平滑技術

謝元斌

（中國電子科技集團公司 第二十研究所，陜西 西安 710068）

0 引言

衛星導航單點定位在水平與垂直方向上的定位精度在95%的時間里能分別達到約10m和20m，這遠未達到航空導航等一些應用系統對米級內定位精度的要求。為提高定位精度，減小測量誤差是有效的措施之一，而局域差分技術是一種應用廣泛地降低衛星導航系統中各種測量誤差的方法。

1 局域差分原理

局域差分的基本工作原理主要是依據衛星時鐘誤差、衛星星歷誤差、電離層延時與對流層延時所具有的空間相關性和時間相關性這一事實。對于處于同一地域內的不同接收機，它們對衛星的測量值中所包含的上述4種誤差成分近似相等或者高度相關。一般的，地面站的接收機的位置是精確得知的，作為基準接收機。通過基準接收機可以得到能降低測量誤差的差分修正量，地面站將差分修正量播發給機載接收機，機載接收機可以利用差分修正量來校正同一顆衛星的測量值，從而提高機載接收機的測量和定位精度。

為了在差分系統中得到更高的偽距測量精度，可以將測量精度跟高的載波相位測量值加入到偽距測量中，即載波平滑碼偽距技術。在差分系統中，地面站接收機和機載接收機都可以使用這種技術，下面討論載波平滑技術在地面站接收機和機載接收機的使用方法。

2 地面系統載波平滑技術

地面系統主要處理產生差分校正量，計算差分校正值的第一步是使用載波相位觀測量的變化值平滑碼觀測量。載波相位平滑用于減小粗測偽距中的快變誤差，如接收機噪聲引起的高頻誤差。基本原理為對于每個信道的觀測量進行濾波：

式（1）中，N=τ/T，τ為平滑濾波時間常數，通常取 100s，T 為原始觀測量的采樣間隔，通常為 0.5s。 ρm，n（k）和 φm，n（k）為 k 時刻接收機 m 對衛星 n的碼和載波相位觀測量。 ρs，m，n（k）為 k時刻接收機 m 對衛星 n的平滑碼偽距。

濾波中假設衛星是連續被接收機跟蹤的。如果接收機失去衛星的鎖定時，濾波器需要被重置。

3 用戶接收機載波平滑技術

用戶接收機也需對接收的測量值進行載波平滑。目前，碼載波的漂移率達到0.01m/s，平滑濾波器的輸出需要在初始化200s內達到小于0.1m的誤差，同下述濾波器的穩態響應有關：

式(2)和式(3)中，Pn是載波平滑的偽距（m），Pn-1是前一時刻載波平滑偽距（m）,Pproj是映射的偽距（m）,ρn是原始偽距測量值（碼回路載波驅動，1階或高階，單邊噪聲帶寬大于或者等于0.125Hz），λ是波長（m）,φn是累積的載波相位測量值 （弧度）,φn-1是前一時刻累積的載波相位測量值（弧度），以及α是濾波權重函數（最小單位），等于采樣點與100s時間常數的比值,α是濾波權重函數（最小單位），等于采樣點與100s時間常數的比值。

需要注意的是用戶載波平滑濾波器和地面載波平滑濾波器都是用來匹配從而避免由電離層差異引起的相關誤差。平滑可以同時同捕獲過程一起執行，這樣可以更快得到平滑值。

4 實驗結果

本文將上述方法分別引用于地面系統衛導接收機和用戶衛導接收機，通過試驗對比了有載波平滑算法和無載波平滑算法的定位精度，定位誤差曲線圖如圖1和圖2所示。圖1是無平滑算法定位誤差曲線，圖2是有平滑算法定位誤差曲線。從圖中可以看出，無載波平滑算法時，定位誤差在1m范圍內，且抖動較大，而應用載波平滑算法后，定位誤差在0.3m范圍內，相對無載波平滑算法抖動小，且較為平滑。通過對試驗數據的統計，無載波平滑算法時定位誤差的方差為0.52m，而有載波平滑算法時定位誤差的方差僅為0.13m。有載波平滑算法的定位精度較無載波平滑算法提高了75%。

圖1 無平滑算法定位誤差曲線

圖2 有平滑算法定位誤差曲線

5 結論

通過對載波平滑碼偽距方法和實驗結果的分析可知，載波平滑碼偽距能夠有效的降低衛導接收機的定位誤差。在局域差分系統中，地面系統和用戶系統同時使用載波平滑技術能極大的提高用戶系統的定位精度，通過實驗的分析，用戶系統的定位精度可提高75%。

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