分布式广域差分gps实时定位系统的技术特点

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1、分布式广域差分GPS实时定位系统的技术特点 陈俊勇 刘经南 胡建国 (国家测绘局 100830) 【摘 要】 本文介绍了广域差分GPS实时定位系统的基本思想、 基本构成、 工作流程和它的技术特 点。针对广域差分GPS实时定位系统中的数据通讯和难点,通过改进计算技术和软件的方法,提出了分布式 广域差分GPS实时定位系统。相对通常的广域差分GPS实时定位系统来说,该 “分布式” 的技术特点是以预 报精密星历来代替星历差分改正;设立地区性差分基准站来计算星钟差分改正和电离层差分改正;极大的降 低了主控站和跟踪、 用户站之间的大范围、 长距离、 高速率的实时数据通讯的要求,它既能满足我国未来十年 对导

2、航和定位的要求,又比较适合中国目前的通讯技术和装备以及对投资强度的需求。 一、 广域差分GPS实时定位系统 1.广域差分GPS的基本思想 广域差分GPS(W ide A rea DGPS, WADGPS)技 术的基本思想是对GPS观测量的误差源加以区分,并 对每一个误差源分别加以 “模型化”,然后将计算出来 的第一个误差源的误差修正值(差分改正值 ), 通过数 据通讯链传输给用户,对用户GPS定位的误差加以改 正,以达到削弱这些误差源和改善用户GPS定位精度 的目的。因此削弱了局域差分GPS(LADGPS)技术中 的主控站和用户站之间定位误差对时空的相关性,而 又保持了LADGPS的定位精度。

3、因此在WADGPS系 统中,只要数据通讯链有足够的能力,主控站和用户站 间的距离原则上是没有限制的。 WADGPS所针对的这些误差源主要表现在三个 方面 : (1) 卫星星历误差,改正此项误差也包括削弱SA 中的 扰动。(2)卫星钟差,改正此项误差也包括削弱 SA中的 干扰。(3)电离层对GPS无线电波传输的时 间延迟误差,改正这项误差,即使用户接收机为单频 时,也可能获得较好的定位精度。WADGPS系统就是 为削弱这三种主要误差源而设计的一种技术性系统工 程。 2. WADGPS的基本构成和工作流程 WADGPS系统一般由一个主控站,若干个GPS卫 星跟踪站,一个差分信号播发站,若干个监测站

4、,相应 的数据通讯网络和若干个用户站构成。系统的工作流 程分解来看,可以分为下面五个步骤: (1)在已知精确地心坐标的若干个GPS卫星跟踪 站上,跟踪接收GPS卫星的广播星历伪距、 载波相位等 信息。 (2)跟踪站所获得的这些信息,包括本站的电离层 延迟改正的双频量测结果,通过数据通讯网络全部传 输至主控站。 (3)在主控站计算出相对于卫星广播星历中电文 值的差分改正值,即包括卫星星历误差改正,卫星钟差 的差分改正及电离层时间延迟的差分改正。 (4)将这些差分改正值通过差分信号播发站(数据 通讯网络)传输至用户站。 (5)用户站利用这些差分改正值改正他们所接收 到的GPS信息,以改善用户站GP

5、S导航和定位精度。 3. WADGPS系统布设方案 普通WADGPS(CWADGPS)实时定位系统的布设 方案基本有以下两种类型: 第一种方案是跟踪站用双频GPS接收机,但用户 站可允许使用单频GPS接收机。主控站可以将电离层 时间延迟参数的计算与卫星星历与钟差改正值的计算 分别进行。主控站的计算工作比较简化,且主要集中于 卫星星历改正和钟差的计算上。这一方案比较适用于 中等精度要求的陆海定位。 第二种方案是跟踪站和用户站都用双频GPS接收 机。这时用户能自由进行电离层时间延迟改正,所以在 主控站播发的电文中不一定必须包括此项改正,这样 就减少了主控站的计算时间,从而可以提高主控站传 2 测

6、绘 通 报 1997年 第10期 输电文的更新速度。这一方案能满足陆上精密定位的 要求。在第一种方案中,用户站利用主控站的电离层时 间延迟改正参数。也就是说,用户站进行这项改正时, 要将此项改正配适于一定模型,从而损失一定精度。目 前,一般实用的模型改正方案只能改善50%70% (随 机)。若用户站利用双频自行直接计算用户站的电离层 时间延迟,改正精度将要好得多,可能达到的改善率为 70%90%。当然在方案中用户站也可选用单频接收 机,这将视用户的精度要求而定。总之,本方案的投入 费用较高,但维持费用方面有一定优势,差分定位的精 度最好。 4. WADGPS的技术特点 WADGPS向用户站提供

7、主控站算得的GPS定位 中的不同的主要误差源的差分改正值。区分误差源的 目的是将定位误差和地理环境及大气影响的相关减至 最低限度,以分别改正影响用户站定位精度的相应误 差。WADGPS技术的特点是 : (1) 主控站和用户站的间 隔可以增大至1 000 km1500 km,而不会在精度方面 有显著的降低,也就是说,用户站与主控站间距离增加 而定位精度的下降的速率要比LADGPS缓慢得多。因 此,在中国这样大的国家里若要维持GPS一定的导航 和实时定位精度,则WADGPS系统相对于LADGPS 系统来说,大大减少了对设立主控站的数量要求。(2) 由于能实时给出主要误差源的差分改正值,对削弱SA

8、的影响,WADGPS技术的效果要比LADGPS好。(3) WADGPS系统的作用覆盖区域可扩展到一些困难地 区,如远洋、 沙漠。(4)WADGPS技术由于要求有较好 的硬软件和高效率的强大通讯设备,因此投资、 运行和 维护费用相对来说就比较高,对操作和维持这一费用 的技术要求也比LADGPS复杂得多。同时,用户的 GPS接收机在进行这种类型的差分改正时,需要有更 完善的接收设施和软件。(5)基于上述原因,WADGPS 系统比较复杂,协同性要求高,因此运行功能中的可靠 性和完备性可能不如单一的LADGPS。 二、 分布式WADGPS实时定位系统 1.分布式WADGPS实时定位系统的技术特点 从上

9、面对CWADGPS中的两个布设方案来看,除 了对GPS信号接收和数据处理等需要考虑的问题外, CWADGPS中跟踪站至主控站的数据传输和播发站向 用户站的差分信息传输是关键。它要求传输数据量大, 实时传输,高速率,长距离,而且覆盖面大。因此,在我 国当前数据通讯网比较落后的情况下,这样高要求的 传输数据是建立WADGPS实时定位系统中的技术难 点。 针对这一难点,通过计算技术和软件的改进来缓 解对数据通讯网络的技术要求,从而提出了分布式 WADGPS(DWADGPS)布网方案。 (1)对于推算星历和星钟差分改正来说,与其滞后 的改正,不如事先预报外推的精密星历,以减少对实时 高速数据通讯的要求

10、。基于这一设想,研究成功了利用 中国境内的GPS跟踪站的资料,精确预报GPS卫星精 密星历和相对星钟差的计算技术及其相应软件。根据 我国境内56个地理位置均匀分布的跟踪站(位于国 家GPSA级网点)的不少于 3 d 的GPS跟踪资料,可以 以优于2 m的精度确定外推 2 h 的GPS预报精密星 历。解决了SA中星钟抖动的数据处理技术和相应软 件,而无需外接标频。 用上述GPS预报精密星历和跟踪 数据在外推的 6 s 时间内可以获得精度优于10 10- 9s的预报的卫星相对钟差。 有了这一技术,就可以减少跟踪站至主控站的数 据传输频度,由每 3 s 传输一次降低至 2 h 一次(最长至 12 h

11、传输一次,取决于用户对定位精度的要求 ), 这大 大降低了CWADGPS对数据传输实时性的要求,以适 应我国今后相当一段时间内的数据通讯能力。 (2)设立地区性GPS差分基准站(简称地区站 ), 主控站计算星历改正,地区站计算星钟和电离层改正, 从而分担主控站的计算工作量,降低CWADGPS中的 主控站的计算速度和计算容量的要求,以适应我国缺 乏超大型高速计算机的实际,并且提高整个系统的可 靠性和完备性。 (3)解决了利用上述外推的预报精密星历 (2 h )和 外推的预报卫星相对钟差 (6 s), 在1 000 km1500 km 范围内,获取以C?A码伪距单点定位的精度为 1m 5m的计算技

12、术和相应软件。因此, 由地区站通过地区 播发站将差分信息传输给地区用户,从而大大缓解 CWADGPS系统中中央播发站至用户数据通讯中的长 距离和全国范围覆盖的问题。此外,地区站计算的星钟 和电离层改正结果也更符合本地区要求。 2.分布式WADGPS实时定位系统布设方案 DWADGPS实时定位系统的布设方案原则上应包 括如下内容: (1) 12个主控站。主控站的主要作用有三个方 面,第一方面是数据中心的作用,每 2 h 12h一次收 集、 贮存各跟踪站观测的GPS跟踪数据;第二方面是计 算中心的作用,即每 2 h 12 h一次计算和提供GPS卫 31997年 第10期 测 绘 通 报 星外推的预

13、报精密星历;第三方面是主播站作用,即每 2 h 12 h一次将主要是外推的预报精密星历向地区站 播发。 (2) 46个跟踪站。它们的功能是确定GPS 外推 预报精密星历所需的GPS跟踪资料的接受者和提供 者。跟踪站在中国领土范围内的经度差要尽可能的大。 要有精确的地心坐标,应具有每2 h12 h一次,将本 站在传输时刻前的24 h GPS跟踪数据传输至主控站 的数据通讯和传输能力。 (3) 79个地区站。 地区站是分布式WADGPS 布 网中的一个特点,其主要作用有三个方面:第一是获取 GPS跟踪数据;第二是获取主控站的外推预报精密星 历;第三是每 6 s 计算一次外推预报卫星钟差。根据研 究

14、,地区站的作用半径最大可以按1 000 km左右考虑。 地区站要有每 2 h 12 h向主控站提取一次外推GPS 预报精密星历的数据传输能力。 (4)地区性GPS差分播发站。GPS差分播发站与 上述地区站之间要有专线联系。该站的任务是将地区 站计算的外推 6 s 的GPS卫星相对钟差及其变率、30 m in的电离层改正及主控站计算的GPS卫星外推精密 星历等结果以RTCM或RTCA形式实时、 连续的向用 户播发,一般要求其播发功率的覆盖范围至少为150 km。 (5)用户站。用户站可以备有单频,也可以备有双 频的GPS接收机,但应同时具有接收上述差分信息进 行定位的功能。 用户在接受GPS卫星

15、发播信号的同时, 通过DWADGPS系统接收到各种GPS差分改正数据, 并据此进行伪距单点定位,获得1 m5 m的实时定位 精度。 3.分布式WADGPS的优点 (1)简化数据通讯。分布式DWADGPS技术突破 了普通WADGPS要求在主控站计算全国统一的卫星 钟差,因此分布式WADGPS就不再需要在主控站与跟 踪站及地区差分基准站之间的高速、 实时、 连续的数据 通讯传输,而只要求三者之间每天有数次的数据传输, 在中国目前的情况下这是可以办到的。这样可以大幅 度地减少建立WADGPS中数据通讯链的建设和维持 费用。 (2)分散和减少主控站的计算工作量,由地区差分 基准站计算卫星相对钟差。 分

16、布式WADGPS是由地区 差分基准站计算适合本地区的GPS卫星相对钟差,也 就是说解决了采用单站、 单差来计算地区性卫星相对 钟差的计算技术。利用这一技术,各地区差分基准站即 使不设置原子钟,也能获得1010- 9s精度外推 6 s 的预报卫星相对钟差。同CWADGPS体系中的主控站 计算工作量比较,由于DWADGPS是将星历计算和钟 差计算分别在主控站和地区差分基准站上进行,因此 计算工作量在每个站相对要少,对计算速度要求就可 以适当降低,相应的各种计算设备要求就不是很高,软 件运行也相对要简便,单站的投资费用较少。 参考文献 1 A shKenaziV , et al . W ide2area differential GPS. Naviga2 tion, 1993, 40(3) 2 Kee C, et al . W ide2area differential GPS as a future Navigation system in the U. S.PLAN 94 Conf