GNSS高仰角選星組合差分精度分析

胡耀坤中電科現(xiàn)代導(dǎo)航（西安）科技有限公司，陜西西安　710068

GNSS高仰角選星組合差分精度分析

胡耀坤
中電科現(xiàn)代導(dǎo)航（西安）科技有限公司，陜西西安710068

摘要地基增強(qiáng)系統(tǒng)（Ground-based Augmentation Systems，GBAS），是在偽距差分定位提高精度的基礎(chǔ)上，增加了一系列完整的監(jiān)測算法，為配置相應(yīng)機(jī)載設(shè)備的飛機(jī)提供I類精密進(jìn)近（CAT-I）甚至更高標(biāo)準(zhǔn)的精密進(jìn)近、著陸引導(dǎo)服務(wù)。本文運(yùn)用了多系統(tǒng)GNSS組合差分的方法，在保證足夠的測距源數(shù)據(jù)的前提下，提高觀測仰角門限進(jìn)行選星組合差分定位。

關(guān)鍵詞GNSS；GPS；高仰角；組合差分格式

1　GBAS地面站處理過程

GBAS地面系統(tǒng)處理包括差分校正和完好性監(jiān)測。

1.1 差分處理

對GNSS衛(wèi)星信號進(jìn)行解碼，載波平滑偽距，產(chǎn)生偽距校正信息，廣播差分信息報(bào)文等，同時(shí)為后續(xù)完好性監(jiān)測算法提供數(shù)據(jù)。

1.2 完好性監(jiān)測算法

包括：測量質(zhì)量監(jiān)測（Measurement Quality Monitoring，MQM），數(shù)據(jù)質(zhì)量監(jiān)測（Data Quality Monitoring，DQM），信號質(zhì)量監(jiān)測（Signal Qualit y Monitoring，SQM），多接收機(jī)一致性校驗(yàn)（Multiple Reference Consistency Check，MRCC）檢查每顆衛(wèi)星校正值在多接收機(jī)間的一致性，報(bào)文監(jiān)測（Message Field Range Test，MFRT）驗(yàn)證平均偽距校正值和校正值率符合電文有效格式。

1.3 執(zhí)行監(jiān)測

包含一系列復(fù)雜的故障處理邏輯，處理各種完好性監(jiān)測算法的結(jié)果并采取適當(dāng)?shù)姆椒ǎㄈ纾焊綦x）來避免完好性風(fēng)險(xiǎn)。每個(gè)完好性監(jiān)測算法都針對每個(gè)信道或者衛(wèi)星產(chǎn)生一個(gè)flag，而EXM則協(xié)調(diào)這些監(jiān)控器的工作，同時(shí)綜合這些flags。EXM在系統(tǒng)級上隔離單個(gè)監(jiān)控器檢測出的失效的測量值，同時(shí)在確定該失效已經(jīng)排除的情況下重新引入該觀測值。

2　GBAS組合選星

在雙系統(tǒng)衛(wèi)星接收機(jī)中，過度的冗余信息并不能提高太多的定位精度，反而會(huì)帶來巨大的計(jì)算量，增加GBAS地面站處理的計(jì)算負(fù)擔(dān)。為此，在滿足GBAS機(jī)載定位精度要求的前提下，實(shí)時(shí)地選擇盡量少的衛(wèi)星用于地面站差分修正量的計(jì)算，減少過多的冗余信息，降低導(dǎo)航運(yùn)算量至關(guān)重要[4-6]。

在滿足用戶定位精度要求的前提下實(shí)時(shí)地選擇盡量小數(shù)目的衛(wèi)星，以用戶可接受的GDOP值的損失換取導(dǎo)航運(yùn)算量的大幅降低，適當(dāng)提高衛(wèi)星仰角門限，以提高機(jī)載用戶的定位精度，并對該方法進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的定位精度，可以表示為幾何精度因子和用戶等效距離誤差的乘積，即：

其中，sp表示定位精度的標(biāo)準(zhǔn)偏差，sGDOP表示幾何精度因子的值，sUERE表示用戶等效距離誤差的標(biāo)準(zhǔn)差。GDOP值反映了定位衛(wèi)星星座的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對用戶等效距離誤差的放大程度。

假設(shè)組合導(dǎo)航系統(tǒng)中各系統(tǒng)的等效測距誤差近似一致，則GDOP值可以表征定位精度的大小，也即用戶對定位精度的要求可以通過GDOP閾值（GDOP Threshold，簡稱GDOPT）來體現(xiàn)。

組合導(dǎo)航系統(tǒng)的幾何精度因子可以表示為：

其中，H表示組合導(dǎo)航系統(tǒng)的測量矩陣。

雙星座組合導(dǎo)航系統(tǒng)的測量矩陣可以表示為：

其中，ai、ayi和azi（i=1,L,ns 1 ,ns 1 +1,Ln ）表示第 i 顆x衛(wèi)星的方向余弦，ns1表示GPS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的可見衛(wèi)星數(shù)，n-ns1表示BD2衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的可見衛(wèi)星數(shù)。

下面以GPS/BEIDOU組合GBAS差分導(dǎo)航系統(tǒng)為例，對提高仰角門限組合選星差分定位進(jìn)行分析證驗(yàn)。

3　GPS/BD2高仰角選星GBAS驗(yàn)證

GPS/BD多系統(tǒng)GBAS基準(zhǔn)站采用的是多系統(tǒng)GBAS地面站，機(jī)載用戶設(shè)備采用的是北京航空航天大學(xué)研制的GNSS多模導(dǎo)航接收機(jī)。高仰角組合選星地面驗(yàn)證試驗(yàn)于2014年11月19日9時(shí)至16時(shí)進(jìn)行，采用的是地面靜態(tài)試驗(yàn)驗(yàn)證的方式，測試基線距離約20KM，經(jīng)過測試處理分析，試驗(yàn)結(jié)果如下。

不同仰角情況下，高度方向的定位誤差如圖1所示。

不同仰角情況下，水平X方向的定位誤差如圖2所示。

不同仰角情況下，水平Y(jié)方向的定位誤差如圖3所示。

4　結(jié)論

經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果表明，組合差分精度在仰角門限設(shè)為20度的時(shí)候最優(yōu)，繼續(xù)增大門限，會(huì)導(dǎo)致測距源的減少使得結(jié)果變差，因此，GPS/BD2組合差分，在測距源數(shù)量增大的前提下，適當(dāng)提高衛(wèi)星仰角門限，進(jìn)行組合選星，能夠?yàn)镚BAS系統(tǒng)提供更好的定位精度，同時(shí)，減少了地面站及機(jī)載用戶的處理運(yùn)算量。

參考文獻(xiàn)

[1]謝鋼.GPS原理與接收機(jī)設(shè)計(jì)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2009.

[2]Elliott D. Kaplan， Christopher J. Hegarty，寇艷紅，譯.GPS原理與應(yīng)用[M]，北京：電子工業(yè)出版社，2007.

中圖分類號TP39

文獻(xiàn)標(biāo)識碼A

文章編號1674-6708（2015）139-0147-01