卫星导航增强系统与方法的新进展

卫星导航增强系统与方法的新进展2010-1-11WuhanUniversity内容提要12增强系统发展历程和趋势系统软件35总结与展望增强系统关键技术发展4导航卫星增强系统概念卫星定位增强系统发展导航卫星增强系统概念利用局域、区域和广域的卫星跟踪基准站数据对导航卫星系统信号的星历、钟差、电离层大气层传播延迟等误差进行确定并向用户播报，供实时用户进行定位修正

为克服导航卫星系统在精度、可靠性和可用性方面的脆弱性甚至通过增加卫星或地面的测距信号源以提高系统的导航定位的精度、可用性、可靠性的相关技术、方法和系统导航卫星增强系统发展历程和趋势基于伪距观测值基于载波相位观测值广域增强系统（WAAS）局域增强系统（LAAS）伪距单点定位单历元双差定位单历元非差定位区域差分系统常规RTK精密非差点定位(PPP)广域差分定位区域网络RTK广域非差精密定位广域和区域统一的非差网络RTK北美：WAAS欧洲：EGNOS日本：MSAS（MTSATSatellite-base

AugmentationSystem）

QZSS印度：GAGAN中国：北斗一代/二代增强系统卫星定位增强系统的发展广域差分GPS系统和WAAS世界已建或在建WAAS

系统SA/WAASWAASEGNOSGAGANMSASChinaWAAS的全球进展卫星定位增强系统发展卫星定位增强系统发展美国WASS系统欧洲EGNOS系统卫星定位增强系统发展MTSAS系统结构IbarakiMCSSapporoGMSFukuokaGMSNahaGMSUserAustraliaMRSHawaiiMRSKobeMCSTokyoGMSGPSConstellationMTSATMCSMasterControlStationMRSMonitorandRangingStationGMSGroundMonitorStationKDD128KbsNTT64Kbs卫星定位增强系统发展日本气象局和交通部实施为日本飞行区的飞机提供全程通讯与导航服务日本QZSS日本政府和企业联合开发的准天顶卫星系统满足日本山地、峡谷和城市高楼区高精度车载用户导航需求的另一增强系统，系统拥有3颗高椭圆轨道IGSO卫星能确保60度以上仰角空间至少可见到1颗IGSO卫星将为日本及邻近国家的GNSS服务提供与GPS兼容的额外测距信号，从而提高定位的可用性、精确度和可靠性卫星定位增强系统发展北斗一代增强系统卫星定位增强系统发展JPL全球差分GPS系统-IGDGNASA’sglobalrealtimenetworkGDGPSOperationsCenterInternetUplinkBroadcastTDRSSpaceusersInternetTerrestrialandairborneusersIridiumInmarsat卫星定位增强系统发展它是一个全球性精密非差定位系统局域差分增强系统(LASS)卫星定位增强系统发展卫星定位增强系统发展提高系统完好性(可靠性)的相关技术建立卫星系统卫星健康状态的实时监测接收机对卫星信号状态的自主监测卫星导航广域差分和广域增强系统的关键技术提高定位精度的相关技术计算并发播卫星轨道和钟差的实时修正数计算并发播广域的电离层实延迟时修正数提高系统可用性的相关技术发射带有测距码的通信卫星 (GEO/IGSO/LEO)地面安置带有测距码的伪卫星区域连续运行卫星定位服务系统-CORSCORS是利用GNSS技术、计算机网络技术、通信和移动通信技术组成的基准站网络，提供移动定位、动态框架等空间位置信息的服务系统卫星定位增强系统发展区域性CORS不仅是动态的、区域的空间数据参考框架，同时也是快速、高精度获取空间数据和地理特征的信息基础设施之一建设中的我国区域GNSS连续运行参考站服务系统深圳东莞武汉昆明市广东省江苏省沈阳市湖北省河南省湖南省杭州市兰州市福建省山东省西安市乌鲁木齐江西省成都广西省哈尔滨上海市重庆北京市河北省天津市山西省呼和浩特刘经南、刘晖，2008卫星定位增强系统发展全国已建地区CORS网刘经南、刘晖，2008研究试验中的中国广域实时精密定位系统卫星定位增强系统发展增强系统关键技术发展结构：一个参考站+若干流动站通信：VHF，UHF，扩频，跳频关键技术：动态双差相位模糊度搜索与固定（OTF）精度：水平：1至3厘米；垂直：2至5厘米工作距离：小于10千米意义：实现了实时动态精密定位，从而提供了快速测量、精密测图、工程放样和工程监控的新技术

常规RTK技术常规RTK存在的问题工作距离短定位精度随距离的增加而显著降低单参考站模式可靠性差大的区域内作业需要多次设站或设立多个参考站增强系统关键技术发展依靠通信网络将多个基准站数据实时传输到计算中心，联合若干基准站数据解算电离层、对流层影响并用移动通讯告知用户，以提高RTK定位可靠性和精度的方法网络RTK增强系统关键技术发展网络RTK技术种类VRS:

Trimble推出,软件:GPS-NETWORK需要双向通信，支持GSM、GPRS通信用户无须添置其它设备MAX和iMAX:

LEICA开发,软件:

SPIDER支持双向或单向通信，支持GSM、GPRS通信用户无须添置其它设备FKP:

汉诺威Geo++开发,软件:

GNSMart单向通信；用户需要专用解码器CBI:武汉大学研发，软件:POWER-NETWORK支持RTK和PPP；单向或双向通信；用户可选专用解码器增强系统关键技术发展精密单点定位技术PrecisePointPositioning，记为PPP增强系统关键技术发展利用某一广域的基准站网络提供的预报卫星精密星历或事后精密星历作为已知坐标；同时利用某种方式得到的精密卫星钟差作为已知钟差；用户利用单台双频双码甚至单频接收机的观测数据在数千万平方公里乃至全球范围内的任意位置都可以2-4dm级的精度进行实时动态定位或以2-4cm级的精度进行较快速的静态定位精密单点定位技术是实现全球精密实时动态定位与导航的关键技术，也是卫星定位方面的前沿研究方向精密单点定位技术挑战问题基本观测方程卫星和接收机伪距/相位硬件延迟（UHD），非差方法无法消除，利用网的差分信息可消除初始化时间整周模糊度固定问题增强系统关键技术发展非差技术只能解实数模糊度利用基准站估计UHD方法，可望解决非差模糊度固定问题宽巷WL组合观测值的UHD影响---常数、稳态增强系统关键技术发展整周模糊度固定问题

窄巷NL组合观测值的UHD影响---非常数、但在一段时间符合很好增强系统关键技术发展整周模糊度固定问题BJFS站利用此方法验证的结果增强系统关键技术发展整周模糊度固定问题

ChristianRocken等学者于2000年提出了HiRIM区域电离层模型，该电离层模型将双差电离层残差转化为非差电离层残差，并对其进行平面拟合建模。HiRIM模型在反算非差电离层残差时关键是基于以下两个假设：对于任意一组测站对，其全部共视卫星的站间单差电离层残差加权和为零；对于某颗共视卫星，在全部参考站处的非差残差加权和为零利用CORS确定区域电离层模型内插测站非差电离层改正增强系统关键技术发展

网络RTK与HiRIM方法在理论上基本是一致的，只是具体实现时有细微区别。

HiRIM方法与网络RTK的比较增强系统关键技术进展区别:网络RTK：基于双差残差构建误差改正模型HiRIM：每颗卫星分别构建误差改正模型联系:当电离层薄层高度设定为0时，HiRIM方法所得非差残差中包含的双差残差关系并未发生变化基于非差电离层改正数的网络RTK方法将全部参考站划分为若干三角子网，分别对各子网构建每颗可视卫星的基于非差电离层改正数的网络RTK方法由于对每个子网内任意测站每颗可视卫星方向精确内插其非差电离层改正，故本方法可用于单频机基于该方法实现了对全球PPP与区域RTK在技术上的统一和服务上的无缝连接。使网内和网外用户基于同一种PPP数据处理模式获得不同精度需求的精密定位服务，在此可称之为基于PPP的统一广域与区域网络RTK定位增强系统关键技术进展

对比基于非差的全球/局域网络统一RTK方法传统PPP统一PPP的RTK网络RTK范围全球区域/全球区域解算模式PPPPPPRTK改正信息状态域状态域/观测值域观测值域轨道提供提供提供卫星钟差提供提供提供电离层延迟改正提供提供对流层延迟估计提供提供接收机钟差估计估计估计观测值LCL1/L2/LW/LNL1/L2/LW收敛时间~1800s10-50s10-50s静态定位精度~5cm1~3cm1~3cm动态定位精度15~20cm1~3cm1~3cm增强系统关键技术进展

服务流程基于非差电离层改正数的网络RTK服务流程增强系统关键技术进展算例（江苏CORS网）——170km试验及结果分析——基于非差电离层改正数的单频网络RTK方法数据处理模式检测站个数检测时段数卫星轨道卫星钟差rms_E(mm)rms_N(mm)rms_U(mm)模糊度收敛时间L1静态9220igsigs7.99.538.515.1igsrec7.910.338.814.9brdbrd7.79.038.415.0brdrec8.110.338.715.1L1动态igsigs9.913.542.320.1igsrec9.913.442.020.0brdbrd9.913.642.320.3brdrec9.913.542.020.1注：数据采样间隔为30s算例（广州CORS网）——44km试验及结果分析——基于非差电离层改正数的单频网络RTK方法数据处理模式检测站个数检测时段数卫星轨道卫星钟差rms_E(mm)rms_N(mm)rms_U(mm)模糊度收敛时间L1静态1154igsigs8.38.339.811.2igsrec8.17.536.511.1brdbrd8.17.437.211.5brdrec8.17.536.611.2L1动态igsigs9.110.738.117.4igsrec9.210.637.817.2brdbrd9.510.438.217.6brdrec9.310