衛星差分導航定位技術及誤差問題分析

楊 樂，余 洋，李 瑤

(中國人民解放軍61711部隊，新疆 喀什 844000)

1 北斗導航系統簡介

北斗衛星導航系統是中國自主研發的定位服務系統，北斗衛星導航系統發展經歷了兩個階段，該系統由空間段、地面段與用戶段構成。

空間段由35顆各軌道衛星組成。主控站負責獲取觀測數據，得出定位所需導航相關信息；監測站負責接收北斗導航信息，可跟蹤觀測衛星；注入站用于完成定位所需相關導航信息導入。北斗導航系統具有短文通信功能，定位精度高，北斗系統用戶接收機每次傳輸短報文信息達50字，為用戶提供20～100 ns授時精度，未設立標校站水平精度為100 m，可包容最大用戶數達540 000戶/時。北斗衛星導航系統使用擴頻通信技術，其頻帶寬度大，通過編碼實現。用戶端通過解擴還原最初數據信息，擴頻通信有很強的隱秘性等優點。

2 載波相位差分定位誤差

差分定位是通過2個監測站導航數據信息獲取用戶端位置坐標，依據服務范圍可分為廣域與局域差分系統，基線距離較短的系統服務范圍較小，基線距離較長的系統定位精度較低。依照校正參考量可分為載波相位差分定位等。載波相位差分定位精度最高，通常利用載波相位差分為RTK定位，根據定位形式可分為絕對與相對的定位。

載波相位差分是將基準站載波相位觀測值與用戶觀測值作差分，差分定位精度可達到厘米級別，由于載波相位差分技術定位精度高應用普遍，衛星導航定位應用中載波相位差分定位廣泛應用于大地測量等方面，通過處理北斗行李文件獲取所需數據進行差分定位。載波相位觀測值在RTK定位中具有重要作用，載波信號傳輸中同一時間相位值不同。

載波相位差分定位精度受到大氣延時、幾何因素等影響，通常可采用載波相位觀測值多種線性組合方式進行高精度位置信息解算，將B1、B2頻段相應載波觀測值信息建立線性組合形式，能改善定位性能，對某型號三頻段接收機，每個頻段對應誤差相位觀測值表達式為φ1=λ1-1(r+g+T-I1)+N1+ε φ1，φ1表示頻點對應載波相位觀測值，g為星歷誤差，λ1表示頻段對應波長，r為接收機鐘差，T為對流層延時，I1為頻點相應電離層延時，N1為頻段對應整周模糊度。Ε φ1表示頻點對應測量噪聲，依據電離層延時能得出頻率電離層關系表達式：I2=(λ22/λ21)I1，三頻線性組合表達式為φLC=aφ1+bφ2+cφ3.φ1指頻點對應相位觀測值，φLC為頻段線性組合后相位觀測值，abc為組合系數，整周模糊度NLc=aN1+bN2+cN3，線性組合后波長λLc=(a/λ1+b/λ2+c/λ3)-1，滿足a/λ1+b/λ2+c/λ3>0，線性組合后電離層延時ILc=(a/λ1+bλ2/λ21+cλ3/λ21)I1，提高定位精度，電離層延時ILc滿足a/λ1+bλ2/λ21+cλ3/λ21=0。載波波長根據線性組合不同，形式不同，第二組到第四組線性組合后載波波長相比其他波長小，第一組線性組合形式相比其他幾組優勢明顯，能減少幾何誤差，載波波長較大。

載波相位差分定位誤差主要包括與接收機，與衛星及與信號傳播相關誤差。接收機鐘差是內部石英石產生時鐘與北斗標準偏差，接收機鐘差大對定位解算有很大影響。必須消除接收機鐘差影響。抵消固有鐘差在進行單點定位數據處理時，可減少固有鐘差為孤立未知量求解，載波相位定位中可觀測5顆衛星，通過采用載波相位觀測值求差可消除接收機鐘差。接收機噪聲包括電子器件、衛星信號的互相關聯等，接收機噪聲具有很大偶然性，造成偽距偏差約1 m內。

衛星精確定位依據精確授時，時鐘誤差影響站星距離計算精度，包括衛星自身產生鐘差與接收機造成鐘差，載波相位測量必須使二者時鐘一致，準確測量載波相位觀測值必須消除偏差。衛星鐘差處理可采用廣播星歷鐘差改正，精度要求高可采用定位相對方式消除鐘差。

3 北斗導航載波相位差分誤差修復

載波相位差分定位精度高，載波相位差分定位關鍵問題是處理觀測值產生周跳，處理不好整周模糊度問題會增大定位誤差，使得位置坐標偏差大。由于接收機故障造成周計數突變，故障消失后周計數開始計數造成未連續。產生周跳原因較多，可分為衛星信號中斷與衛星信號信噪比降低。

GNSS測量時根據數學理論構造檢驗量消除載波相位觀測值系統誤差，周跳探測可通過檢查檢測量時間序列，檢測量變化與評判標準存在差異，不在指定范圍內存在周跳，須對周跳進行探測，通過周跳改正數修正。通常通過多項式擬合法，高次差法等進行周跳檢測與修復。發生周跳后觀測值曲線變化非連續不斷函數，周跳前觀測值隨時間連續變化，周跳后觀測值在周跳產生出突變，可借助載波相位觀測值檢測周跳出現歷元修復。

載波相位差分技術難點是周跳的探測與修復、整周模糊度確定問題。確定整周模糊度算法可分為實時動態非靜態定位與接收機靜止定位，整周模糊度解算法可分為單元與歷元解算。單元是通過一個觀測值固定整周模糊度，求解模糊度成功率較低。歷元須利用多個觀測數據求解整周模糊度，求解成功率較高。整周模糊度確定通過方法估算后驗證得到模糊度正確性。求解方法可分為坐標范圍模糊度搜索技術、基于觀測值范圍搜索技術。最經典高效的方法是最小二乘降相關LAMBDA法。實時解算用戶接收機精確坐標須確定整周模糊度，接收機運動中出現信號失鎖等導致無法修復，動態定位中整周模糊度求解，需要多個歷元觀測數據確定整周模糊度，目前主要方法有最小二乘降法、模糊度函數法等。不同求解整周模糊度的方法思路不同，最簡單的是利用偽距輔助估算。

最小二乘降法須連續觀測2個以上歷元，可進行整周模糊度求解。考慮基線長度約束時，模糊度搜索空間改變，稱為CLAMBDA法，排除不可能的模糊度，對模糊度進行最優估計。考慮基線約束后模糊度確定搜索空間改變，有助于搜索模糊度，觀測歷元數目較少時求得浮點解存在較大誤差，通過基線約束條件可增加求解正確性。

4 結語

精密定位技術是國內外學者研究的熱點，針對可能出現信號失鎖，導致定位不精確，本文研究北斗載波相位差分定位算法，對載波相位差分定位技術進行比較，研究載波相位差分定位技術原理，明確消除誤差的重要性，研究使用周跳探測相關算法，將多項式擬合法結合小波變換法探測周跳，研究整周模糊度在航解算普遍使用方法，研究基于基線約束求解模糊度方法，縮小模糊度搜索空間。