衛(wèi)星導(dǎo)航增強(qiáng)系統(tǒng)與方法的新進(jìn)展

衛(wèi)星導(dǎo)航增強(qiáng)系統(tǒng)與方法的新進(jìn)展2010-1-11WuhanUniversity內(nèi)容提要12增強(qiáng)系統(tǒng)發(fā)展歷程和趨勢系統(tǒng)軟件35總結(jié)與展望增強(qiáng)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展4導(dǎo)航衛(wèi)星增強(qiáng)系統(tǒng)概念衛(wèi)星定位增強(qiáng)系統(tǒng)發(fā)展導(dǎo)航衛(wèi)星增強(qiáng)系統(tǒng)概念利用局域、區(qū)域和廣域的衛(wèi)星跟蹤基準(zhǔn)站數(shù)據(jù)對(duì)導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)信號(hào)的星歷、鐘差、電離層大氣層傳播延遲等誤差進(jìn)行確定并向用戶播報(bào)，供實(shí)時(shí)用戶進(jìn)行定位修正

為克服導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)在精度、可靠性和可用性方面的脆弱性甚至通過增加衛(wèi)星或地面的測距信號(hào)源以提高系統(tǒng)的導(dǎo)航定位的精度、可用性、可靠性的相關(guān)技術(shù)、方法和系統(tǒng)導(dǎo)航衛(wèi)星增強(qiáng)系統(tǒng)發(fā)展歷程和趨勢基于偽距觀測值基于載波相位觀測值廣域增強(qiáng)系統(tǒng)（WAAS）局域增強(qiáng)系統(tǒng)（LAAS）偽距單點(diǎn)定位單歷元雙差定位單歷元非差定位區(qū)域差分系統(tǒng)常規(guī)RTK精密非差點(diǎn)定位(PPP)廣域差分定位區(qū)域網(wǎng)絡(luò)RTK廣域非差精密定位廣域和區(qū)域統(tǒng)一的非差網(wǎng)絡(luò)RTK北美：WAAS歐洲：EGNOS日本：MSAS（MTSATSatellite-base

AugmentationSystem）

QZSS印度：GAGAN中國：北斗一代/二代增強(qiáng)系統(tǒng)衛(wèi)星定位增強(qiáng)系統(tǒng)的發(fā)展廣域差分GPS系統(tǒng)和WAAS世界已建或在建WAAS

系統(tǒng)SA/WAASWAASEGNOSGAGANMSASChinaWAAS的全球進(jìn)展衛(wèi)星定位增強(qiáng)系統(tǒng)發(fā)展衛(wèi)星定位增強(qiáng)系統(tǒng)發(fā)展美國WASS系統(tǒng)歐洲EGNOS系統(tǒng)衛(wèi)星定位增強(qiáng)系統(tǒng)發(fā)展MTSAS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)IbarakiMCSSapporoGMSFukuokaGMSNahaGMSUserAustraliaMRSHawaiiMRSKobeMCSTokyoGMSGPSConstellationMTSATMCSMasterControlStationMRSMonitorandRangingStationGMSGroundMonitorStationKDD128KbsNTT64Kbs衛(wèi)星定位增強(qiáng)系統(tǒng)發(fā)展日本氣象局和交通部實(shí)施為日本飛行區(qū)的飛機(jī)提供全程通訊與導(dǎo)航服務(wù)日本QZSS日本政府和企業(yè)聯(lián)合開發(fā)的準(zhǔn)天頂衛(wèi)星系統(tǒng)滿足日本山地、峽谷和城市高樓區(qū)高精度車載用戶導(dǎo)航需求的另一增強(qiáng)系統(tǒng)，系統(tǒng)擁有3顆高橢圓軌道IGSO衛(wèi)星能確保60度以上仰角空間至少可見到1顆IGSO衛(wèi)星將為日本及鄰近國家的GNSS服務(wù)提供與GPS兼容的額外測距信號(hào)，從而提高定位的可用性、精確度和可靠性衛(wèi)星定位增強(qiáng)系統(tǒng)發(fā)展北斗一代增強(qiáng)系統(tǒng)衛(wèi)星定位增強(qiáng)系統(tǒng)發(fā)展JPL全球差分GPS系統(tǒng)-IGDGNASA’sglobalrealtimenetworkGDGPSOperationsCenterInternetUplinkBroadcastTDRSSpaceusersInternetTerrestrialandairborneusersIridiumInmarsat衛(wèi)星定位增強(qiáng)系統(tǒng)發(fā)展它是一個(gè)全球性精密非差定位系統(tǒng)局域差分增強(qiáng)系統(tǒng)(LASS)衛(wèi)星定位增強(qiáng)系統(tǒng)發(fā)展衛(wèi)星定位增強(qiáng)系統(tǒng)發(fā)展提高系統(tǒng)完好性(可靠性)的相關(guān)技術(shù)建立衛(wèi)星系統(tǒng)衛(wèi)星健康狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測接收機(jī)對(duì)衛(wèi)星信號(hào)狀態(tài)的自主監(jiān)測衛(wèi)星導(dǎo)航廣域差分和廣域增強(qiáng)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)提高定位精度的相關(guān)技術(shù)計(jì)算并發(fā)播衛(wèi)星軌道和鐘差的實(shí)時(shí)修正數(shù)計(jì)算并發(fā)播廣域的電離層實(shí)延遲時(shí)修正數(shù)提高系統(tǒng)可用性的相關(guān)技術(shù)發(fā)射帶有測距碼的通信衛(wèi)星 (GEO/IGSO/LEO)地面安置帶有測距碼的偽衛(wèi)星區(qū)域連續(xù)運(yùn)行衛(wèi)星定位服務(wù)系統(tǒng)-CORSCORS是利用GNSS技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通信和移動(dòng)通信技術(shù)組成的基準(zhǔn)站網(wǎng)絡(luò)，提供移動(dòng)定位、動(dòng)態(tài)框架等空間位置信息的服務(wù)系統(tǒng)衛(wèi)星定位增強(qiáng)系統(tǒng)發(fā)展區(qū)域性CORS不僅是動(dòng)態(tài)的、區(qū)域的空間數(shù)據(jù)參考框架，同時(shí)也是快速、高精度獲取空間數(shù)據(jù)和地理特征的信息基礎(chǔ)設(shè)施之一建設(shè)中的我國區(qū)域GNSS連續(xù)運(yùn)行參考站服務(wù)系統(tǒng)深圳東莞武漢昆明市廣東省江蘇省沈陽市湖北省河南省湖南省杭州市蘭州市福建省山東省西安市烏魯木齊江西省成都廣西省哈爾濱上海市重慶北京市河北省天津市山西省呼和浩特劉經(jīng)南、劉暉，2008衛(wèi)星定位增強(qiáng)系統(tǒng)發(fā)展全國已建地區(qū)CORS網(wǎng)劉經(jīng)南、劉暉，2008研究試驗(yàn)中的中國廣域?qū)崟r(shí)精密定位系統(tǒng)衛(wèi)星定位增強(qiáng)系統(tǒng)發(fā)展增強(qiáng)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展結(jié)構(gòu)：一個(gè)參考站+若干流動(dòng)站通信：VHF，UHF，擴(kuò)頻，跳頻關(guān)鍵技術(shù)：動(dòng)態(tài)雙差相位模糊度搜索與固定（OTF）精度：水平：1至3厘米；垂直：2至5厘米工作距離：小于10千米意義：實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)精密定位，從而提供了快速測量、精密測圖、工程放樣和工程監(jiān)控的新技術(shù)

常規(guī)RTK技術(shù)常規(guī)RTK存在的問題工作距離短定位精度隨距離的增加而顯著降低單參考站模式可靠性差大的區(qū)域內(nèi)作業(yè)需要多次設(shè)站或設(shè)立多個(gè)參考站增強(qiáng)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展依靠通信網(wǎng)絡(luò)將多個(gè)基準(zhǔn)站數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)接?jì)算中心，聯(lián)合若干基準(zhǔn)站數(shù)據(jù)解算電離層、對(duì)流層影響并用移動(dòng)通訊告知用戶，以提高RTK定位可靠性和精度的方法網(wǎng)絡(luò)RTK增強(qiáng)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)種類VRS:

Trimble推出,軟件:GPS-NETWORK需要雙向通信，支持GSM、GPRS通信用戶無須添置其它設(shè)備MAX和iMAX:

LEICA開發(fā),軟件:

SPIDER支持雙向或單向通信，支持GSM、GPRS通信用戶無須添置其它設(shè)備FKP:

漢諾威Geo++開發(fā),軟件:

GNSMart單向通信；用戶需要專用解碼器CBI:武漢大學(xué)研發(fā)，軟件:POWER-NETWORK支持RTK和PPP；單向或雙向通信；用戶可選專用解碼器增強(qiáng)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展精密單點(diǎn)定位技術(shù)PrecisePointPositioning，記為PPP增強(qiáng)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展利用某一廣域的基準(zhǔn)站網(wǎng)絡(luò)提供的預(yù)報(bào)衛(wèi)星精密星歷或事后精密星歷作為已知坐標(biāo)；同時(shí)利用某種方式得到的精密衛(wèi)星鐘差作為已知鐘差；用戶利用單臺(tái)雙頻雙碼甚至單頻接收機(jī)的觀測數(shù)據(jù)在數(shù)千萬平方公里乃至全球范圍內(nèi)的任意位置都可以2-4dm級(jí)的精度進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位或以2-4cm級(jí)的精度進(jìn)行較快速的靜態(tài)定位精密單點(diǎn)定位技術(shù)是實(shí)現(xiàn)全球精密實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位與導(dǎo)航的關(guān)鍵技術(shù)，也是衛(wèi)星定位方面的前沿研究方向精密單點(diǎn)定位技術(shù)挑戰(zhàn)問題基本觀測方程衛(wèi)星和接收機(jī)偽距/相位硬件延遲（UHD），非差方法無法消除，利用網(wǎng)的差分信息可消除初始化時(shí)間整周模糊度固定問題增強(qiáng)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展非差技術(shù)只能解實(shí)數(shù)模糊度利用基準(zhǔn)站估計(jì)UHD方法，可望解決非差模糊度固定問題寬巷WL組合觀測值的UHD影響---常數(shù)、穩(wěn)態(tài)增強(qiáng)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展整周模糊度固定問題

窄巷NL組合觀測值的UHD影響---非常數(shù)、但在一段時(shí)間符合很好增強(qiáng)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展整周模糊度固定問題BJFS站利用此方法驗(yàn)證的結(jié)果增強(qiáng)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展整周模糊度固定問題

ChristianRocken等學(xué)者于2000年提出了HiRIM區(qū)域電離層模型，該電離層模型將雙差電離層殘差轉(zhuǎn)化為非差電離層殘差，并對(duì)其進(jìn)行平面擬合建模。HiRIM模型在反算非差電離層殘差時(shí)關(guān)鍵是基于以下兩個(gè)假設(shè)：對(duì)于任意一組測站對(duì)，其全部共視衛(wèi)星的站間單差電離層殘差加權(quán)和為零；對(duì)于某顆共視衛(wèi)星，在全部參考站處的非差殘差加權(quán)和為零利用CORS確定區(qū)域電離層模型內(nèi)插測站非差電離層改正增強(qiáng)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展

網(wǎng)絡(luò)RTK與HiRIM方法在理論上基本是一致的，只是具體實(shí)現(xiàn)時(shí)有細(xì)微區(qū)別。

HiRIM方法與網(wǎng)絡(luò)RTK的比較增強(qiáng)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)展區(qū)別:網(wǎng)絡(luò)RTK：基于雙差殘差構(gòu)建誤差改正模型HiRIM：每顆衛(wèi)星分別構(gòu)建誤差改正模型聯(lián)系:當(dāng)電離層薄層高度設(shè)定為0時(shí)，HiRIM方法所得非差殘差中包含的雙差殘差關(guān)系并未發(fā)生變化基于非差電離層改正數(shù)的網(wǎng)絡(luò)RTK方法將全部參考站劃分為若干三角子網(wǎng)，分別對(duì)各子網(wǎng)構(gòu)建每顆可視衛(wèi)星的基于非差電離層改正數(shù)的網(wǎng)絡(luò)RTK方法由于對(duì)每個(gè)子網(wǎng)內(nèi)任意測站每顆可視衛(wèi)星方向精確內(nèi)插其非差電離層改正，故本方法可用于單頻機(jī)基于該方法實(shí)現(xiàn)了對(duì)全球PPP與區(qū)域RTK在技術(shù)上的統(tǒng)一和服務(wù)上的無縫連接。使網(wǎng)內(nèi)和網(wǎng)外用戶基于同一種PPP數(shù)據(jù)處理模式獲得不同精度需求的精密定位服務(wù)，在此可稱之為基于PPP的統(tǒng)一廣域與區(qū)域網(wǎng)絡(luò)RTK定位增強(qiáng)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)展

對(duì)比基于非差的全球/局域網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)一RTK方法傳統(tǒng)PPP統(tǒng)一PPP的RTK網(wǎng)絡(luò)RTK范圍全球區(qū)域/全球區(qū)域解算模式PPPPPPRTK改正信息狀態(tài)域狀態(tài)域/觀測值域觀測值域軌道提供提供提供衛(wèi)星鐘差提供提供提供電離層延遲改正提供提供對(duì)流層延遲估計(jì)提供提供接收機(jī)鐘差估計(jì)估計(jì)估計(jì)觀測值LCL1/L2/LW/LNL1/L2/LW收斂時(shí)間~1800s10-50s10-50s靜態(tài)定位精度~5cm1~3cm1~3cm動(dòng)態(tài)定位精度15~20cm1~3cm1~3cm增強(qiáng)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)展

服務(wù)流程基于非差電離層改正數(shù)的網(wǎng)絡(luò)RTK服務(wù)流程增強(qiáng)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)展算例（江蘇CORS網(wǎng)）——170km試驗(yàn)及結(jié)果分析——基于非差電離層改正數(shù)的單頻網(wǎng)絡(luò)RTK方法數(shù)據(jù)處理模式檢測站個(gè)數(shù)檢測時(shí)段數(shù)衛(wèi)星軌道衛(wèi)星鐘差rms_E(mm)rms_N(mm)rms_U(mm)模糊度收斂時(shí)間L1靜態(tài)9220igsigs7.99.538.515.1igsrec7.910.338.814.9brdbrd7.79.038.415.0brdrec8.110.338.715.1L1動(dòng)態(tài)igsigs9.913.542.320.1igsrec9.913.442.020.0brdbrd9.913.642.320.3brdrec9.913.542.020.1注：數(shù)據(jù)采樣間隔為30s算例（廣州CORS網(wǎng)）——44km試驗(yàn)及結(jié)果分析——基于非差電離層改正數(shù)的單頻網(wǎng)絡(luò)RTK方法數(shù)據(jù)處理模式檢測站個(gè)數(shù)檢測時(shí)段數(shù)衛(wèi)星軌道衛(wèi)星鐘差rms_E(mm)rms_N(mm)rms_U(mm)模糊度收斂時(shí)間L1靜態(tài)1154igsigs8.38.339.811.2igsrec8.17.536.511.1brdbrd8.17.437.211.5brdrec8.17.536.611.2L1動(dòng)態(tài)igsigs9.110.738.117.4igsrec9.210.637.817.2brdbrd9.510.438.217.6brdrec9.310