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星基定位增強(qiáng)電文處理方法分析

地理信息

2020年03月12日

星基增強(qiáng)電文處理方法分析

早在1997年,斯坦福大學(xué) Parkinson 就提出了將通過5個(gè)或5個(gè)以上基準(zhǔn)站采集原始數(shù)據(jù),并將星歷、星鐘和站鐘在大的估計(jì)器里進(jìn)行聯(lián)合解算。隨后,Enge P采用共視時(shí)間傳遞法將站鐘偏差分離出來,進(jìn)而將解算減少至四維(星歷和星鐘)。1999年,斯坦福大學(xué)和JPL研究小組共同對上述算法進(jìn)一步改進(jìn),采用站間單差消去殘余的電離層和對流層等共同誤差,再利用星際雙差消除基準(zhǔn)站間的誤差,先求解星歷,再利用修正的星歷解算星鐘,SBAS系統(tǒng)普遍采用這種算法。德國的 GFZ 地學(xué)中心通過對幾種算法的綜合分析于2004年指出,以上幾種算法實(shí)質(zhì)上還是星歷和星鐘的統(tǒng)一解算,適用于中軌衛(wèi)星星座,不大適用于中高軌結(jié)合的混合星座。蔡成林等人結(jié)合 BDS 混合星座特點(diǎn),提出了一種將星鐘和星歷誤差解算過程分離的新方法,從而將四維時(shí)空解算變?yōu)槿S空間解算,有效提高了定位精度。


電離層延遲是影響衛(wèi)星導(dǎo)航測距和定位精度最重要誤差源之一。SBAS 可通過多個(gè)連續(xù)運(yùn)行的參考站觀測數(shù)據(jù)對衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)的電離層延遲進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測,并生成電離層差分修正數(shù),從而修正用戶的電離層延遲。SBAS 通常采用格網(wǎng)修正法來修正電離層延遲,其提供的電離層差分修正數(shù)是電離層格網(wǎng)點(diǎn)處的垂直電離層延遲估計(jì)。傳統(tǒng)的電離層修正的格網(wǎng)修正方法,更多地借助電離層的經(jīng)驗(yàn)?zāi)P停ㄈ?Klobuchar 模型、Bent 模型、IRI 模型),其計(jì)算精度不可避免地受到這一類模型本身精度的影響和制約。運(yùn)行的SBAS系統(tǒng)主要采用三種方式針對每個(gè)電離層格網(wǎng)點(diǎn)進(jìn)行垂直電離層延遲評估:一種是三角格網(wǎng)插入的卡爾曼濾波方法(Solar-TRIN)。假設(shè)電子容量是固定的,通過電離層穿刺點(diǎn)測量的傾斜總電子容量(TEC)值,計(jì)算球型網(wǎng)格點(diǎn)上的TEC 值 ;第二種是廣泛應(yīng)用于地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)的基于 Kriging 插入方法,該方法利用已知的樣本值和設(shè)定的協(xié)方差函數(shù)(變差函數(shù))來確定不同時(shí)間點(diǎn)和位置的未知值,充分利用TEC的空間相關(guān)性,并進(jìn)行不確定性評估測量 ;第三種方法則考慮綜合了以上兩種方法的優(yōu)勢,使用變差函數(shù)考慮空間相關(guān)性。


完好性監(jiān)測是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)故障監(jiān)測和排除的有效手段,能夠檢驗(yàn)衛(wèi)星導(dǎo)航定位服務(wù)品質(zhì)。當(dāng)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)三大完好性監(jiān)測方法為:一是外部增強(qiáng)方法,如廣域增強(qiáng)系統(tǒng)、局域增強(qiáng)系統(tǒng)等在向用戶播發(fā)誤差改正數(shù)的同時(shí)也給出改正數(shù)的完好性信息;二是接收機(jī)自主完好性監(jiān)測 RAIM 方法,利用導(dǎo)航衛(wèi)星的冗余信息,實(shí)現(xiàn)多個(gè)導(dǎo)航解的一致性檢驗(yàn),以達(dá)到完好性監(jiān)測的目的;三是衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)自身基本完好性監(jiān)測和衛(wèi)星自主完好性監(jiān)測。衛(wèi)星鐘是實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)精確定位的基礎(chǔ),其完好性監(jiān)測主要是監(jiān)測衛(wèi)星鐘差異常。因此,SBAS 需對衛(wèi)星鐘的狀態(tài)進(jìn)行密切監(jiān)測,適時(shí)作出故障鐘排除、星載鐘切換等操作。通常,衛(wèi)星鐘差異??梢酝ㄟ^星載原子鐘的高精度頻率或相位比對測量、動(dòng)態(tài) Allan方差和基于滑動(dòng)窗口的最小二乘擬合算法,并結(jié)合來二階多項(xiàng)式模型、灰色模型、Kalman濾波器模型等多種衛(wèi)星鐘差模型實(shí)現(xiàn),但實(shí)時(shí)性上大多難以滿足系統(tǒng)需求。SBAS 完好性監(jiān)測以 EGNOS 和基于GPS 的SBAS的完好性概念最具有代表性。EGNOS 結(jié)合自身系統(tǒng)完好性,可提供空間信號(hào)和完好性標(biāo)志等完好性信息 ;基于 GPS 的 SBAS 結(jié)果廣域增強(qiáng)技術(shù)和地面完好性監(jiān)測技術(shù),提出 UDRE、GIVE 等完好性概念。雖然二者概念不同,但均以觀測方程的形式將誤差通過空間幾何關(guān)系到定位域的誤差之上,使多星座間完好性信息等效利用成為可能。對于 DFMC SBAS 系統(tǒng)完好性來說,因其包含綜合信息完好性和用戶端完好性監(jiān)測兩部分,故可考慮將上述三種方法相結(jié)合,在系統(tǒng)內(nèi)部進(jìn)行信息的完好性參數(shù)計(jì)算,同時(shí)在用戶接收端輔助以接收機(jī)完好性監(jiān)測算法。SBAS 互操作的實(shí)現(xiàn)將能更好的支持民用航空各個(gè)飛行階段的精度和完好性性能需求



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