北斗導航載波相位差分定位技術分析

王新鐘

（國能新朔鐵路有限責任公司通信技術分公司，內蒙古鄂爾多斯，017000）

0 引言

北斗導航是基于北斗系統，通過對互聯網、通信網絡加以整合，進而形成的定位平臺。現階段，多地鐵路維護部門均已將北斗導航應用在設備定位環節，隨著運行時間的增加，該技術的優點也逐漸顯露了出來，即：通過對設備進行可靠、全天候且高精度的定位及導航的方式，確保車輛、人員及其他鐵路設備始終處于監管下，相關人員可視情況對其進行實時調度與管理，使設備價值得到發揮。

1 北斗導航差分說明

1.1 系統構成

北斗導航的發展可被劃分成兩個階段，2000.10-2007.2為第一階段，該階段我國所發射衛星數量為4顆，這4顆衛星均順利進入預設軌道，用戶可借助處于運行狀態的衛星，獲得自身所需定位及授時服務。2007.3開始進入第二階段，該階段研究人員將重心轉向建立區域導航還有全球導航方面，北斗導航所能提供服務，逐漸由早期的定位及授時，向文件提供和導航延伸。

該系統可被拆分成三部分，分別是空間段（衛星）、地面段（基站）、用戶段（接收機）。空間段包括35顆衛星，且不同衛星對應不同運行軌道，現有軌道包括GEO軌道、IGSO軌道和MEO軌道。地面段通常是指監測站、主控站以及注入站，監測站的職責是接收衛星所傳遞導航信息，將相關信息提供給主控站，在降低衛星軌道確定難度的基礎上，確保衛星時間可得到同步更新[1]。主控站負責獲取觀測值，通過預處理的方式，獲得精密定位所需信息。注入站的核心功能為導入導航數據與信息。

相較于傳統的GPS系統，該系統新增了以下功能：首先是短報文通訊，接收機每次所能傳輸信息約為50個字；其次是精準授時，授時精度通常為40ns至80ns；再次是包容海量用戶，該系統所能包容用戶最大數值為每小時52萬戶；最后是高精度定位，在沒有對標校站進行設立時，水平定位精度約為100m，而設立相應標校站后，相關精度可提升至15m至20m。

1.2 差分原理

差分定位的優勢，主要是可最大程度提升定位精確度，通過對觀測信息進行實時獲取的方式，快速且精準的確定觀測對象位置。事實證明，隨著該技術得到廣泛應用，企業生產及日常生活均變得更加便利，對其進行研究是大勢所趨。受多方因素影響，衛星導航定位與實際情況存在誤差的問題始終未能得到徹底解決，單點定位所能達到精度無法滿足鐵路維護作業要求，基于此，有關部門提出引入差分技術，對定位精度加以提高。

1.3 誤差源分析

北斗導航所提供信號，通常有三類誤差存在，分別是傳播誤差、空間誤差和用戶誤差。傳播誤差往往是指對流程層差以及電離層誤差，空間誤差以星歷誤差和星鐘誤差為主，用戶誤差同樣可分成兩類，即噪聲誤差、多徑誤差[2]。現有接收機常見偽距誤差和估計值如下：

表1 偽距測量值受誤差源影響程度

1.4 技術詳細分類

根據差分校正對應目標參量，可將差分劃分成三類，分別是偽距差分，位置差分，還有本文研究的載波相位差分。符合鐵路維護作業要求的差分技術，主要有偽距差分以及載波相位差分，下文將對相關技術進行詳細說明：

1.4.1 載波相位差分

鐵路作業對設備定位精度所提出要求為不超過1m，本文所討論技術的精度往往以毫米為單位，由此可見，將載波相位差分用于鐵路日常維護作業，可使定位精度最大程度接近預期。

（1）原理

首先，基準站經由數據鏈向接收機發送實時測量值。其次，由接收機對接收測量值、自身測量值做差分運算，獲得差分測量值。最后，根據基線向量、整周模糊度相關數值，對設備所在位置加以確定。

（2）特點

基于該技術所得出測量值的單位多為厘米級。受誤差空間所存在相關性制約，在基線長度處于特定范圍內時，測量值單位可達到毫米級。

1.4.2 偽距差分

（1）原理

第一步，由接收機對衛星信號進行解碼，獲得測量值。第二步，結合星歷、基準站坐標，對衛星和基準站間的幾何距離、測量誤差加以確定。第三步，基準站借助數據鏈向接收機發送差值，接收機可根據差值對偽距進行修正，通過定位解算的方式，對真實位置加以確定。

（2）特點

該技術的應用范圍較大，大部分商用接收機所用技術均為偽距差分。鐵路設備運行的特點，主要是基準站、移動站距離不斷增加，基于該技術對設備進行定位，其精度往往難以獲得保障。

2 建立相關差分模型

2.1 載波相位差分

該技術的應用主要涉及四部分內容，分別是：其一，檢測并修復載波周跳。其二，模糊浮點運算與求解。其三，模糊度搜索。其四，檢驗模糊度準確性。無論是人員、車輛，還是其他鐵路設備，在正常情況下，均處于移動狀態，要想對其進行實時定位，關鍵是要最大程度縮短對整周模糊度進行運算并求解需要花費的時間，并保證最終結果準確[3]。

該方案指出為徹底消除衛星鐘差、接收機鐘差給測量值所造成影響，分別在空中、地面對觀測量差分進行運算，根據運算結果建立以下方程：

在雙差觀測公式中，Ф代表載波相位差分所得出觀測向量。P代表偽距差分所得出觀測向量。Rn代表接收機和移動站對應基線向量。?代表載波相位差分所得出觀測噪聲。?P代表偽距差分所得出觀測噪聲。λ代表波長。G代表觀測矩陣。N代表整周模糊度。

研究人員考慮到要想使測量效益達到預期，關鍵要確保測量值滿足連續可用的要求，遂決定基于無幾何距離法，對載波周跳進行高效檢測并修復。該環節能否取得理想效果，通常決定著定位的精確度，分析表明，周跳產生原因是信號失鎖/中斷使整周計數出現突變/間斷，這也間接說明周跳會增加整周相位出現偏差的概率，進而給測量值造成影響，只有對周跳進行高效探測并正確修復，才能使定位精準度達到鐵路維護作業要求。隨后，在忽略模糊度所對應整數約束的前提下，引入LSAST法，結合觀測方程依次確定基線向量、模糊度浮點。將模糊度浮點導入LAMBDA算法中，通過固定整周模糊的方式，對整數最優解和基線向量加以確定。此時，若基準站位置確定，可推斷出移動站所處位置。

模糊度求解同樣會給定位結果帶來影響，上文提到的整周模糊度，通常是指用戶測量自身和衛星間距離時，觀測到載波波長對應小數波長，由于獲取波長整周數難度極大，傳統測距技術往往要通過長時間觀測，才能獲得確定模糊度所需數據，在此基礎上，對觀測所得數據加以處理并得出最終結果，無法保證觀測結果的時效性[4]。引入LSAST法，可從根本上解決上述問題，其現實意義有目共睹。

2.2 建立偽距差分模型

3 定位精度試驗分析

3.1 搭建試驗平臺

研究人員以驗證定位精度為目的，結合鐵路維護作業特點，對動態跑車試驗平臺進行搭建，通過分析不同技術所展現出精度的方式，確定符合有關部門需求的定位方法。試驗流程如下：第一步，確定無遮擋、視野開闊的場地；第二步，在已知點對接收機天線（基準站）加以固定；第三步，基于試驗設備（跑車）對接收機天線（移動站）進行安裝；第四步，提前開啟接收機，經過10min的預熱后，使試驗設備沿規劃路線勻速行駛；第五步，分別利用不同技術，對設備行駛30min內的位置及坐標進行記錄。

3.2 分析試驗結果

結合各技術所表現出定位精度（見表2）可知，關于水平定位，偽距差分的精度在0.8m左右，單點定位的精度在4.6m左右，本文所討論技術的精度在0.03m左右。關于垂直定位，偽距差分的精度在2m左右，單點定位的精度在5.4m左右，本文所討論技術的精度在0.03m左右。綜上，偽距差分的精度單位為分米級別；單點定位的精度單位為米級，無法滿足鐵路維護作業要求；載波相位差分的精度單位為厘米級別，可為有關部門維護工作的開展提供幫助。

表2 各技術定位精度

4 結論

文章以鐵路維護作業對定位精度所提出要求為落腳點，結合北斗衛星導航特點，借助動態跑車試驗分析載波相位差分所具有定位精度。通過試驗可知，常規偽距差分的定位精度約為0.8m，而垂直定位的精度約為2m，本文研究載波相位的精度約為3cm，定位精度提升明顯，可最大程度滿足鐵路維護作業對精度所提出要求，其實際應用價值有目共睹。