分布式广域差分GPS实时定位系统
摘 要 针对普通广域差分GPS实时定位系统中对数据通讯链的高要求，提出分布式广域差分GPS实时定位系统，解决了预报精密星历、外推卫星相对钟差等技术难点。经过对该系统的中试实践，证明该系统对改善GPS实时定位精度是有保障的。该系统的特点是降低数据通讯链工作频度和实时性的要求，并通过增设区域性差分基准站来计算卫星相对钟误差和电离层改正，以减少主控站的计算工作量。
关键词 全球定位系统 实时定位 广域差分GPS
1 前言
全球定位系统(GPS)受美国AS和SA政策影响，导致我国GPS用户实时定位精度降低到100m左右。美国政府虽于1996年初曾宣布在今后十年内考虑分阶段停止SA［1］，但即使停止SA政策的实施，GPS实时定位精度也难于高过±15 m~30 m。因此，从目前和今后的需要考虑，建立和发展差分GPS系统是提高GPS实时定位精度最为有效的技术手段之一。
差分GPS实时定位技术基本上可分为二种类型，即局域差分GPS(简写为LADGPS)［5~6］和广域差分GPS(简写为WADGPS)［1~4］［7］。局域差分的技术原理是根据主控站和用户站在一定距离内对GPS卫星同步同轨观测值之间存在的相关性，使用户站利用主控站提供的GPS定位误差的综合改正信息，来提高定位精度。LADGPS的作用半径比较小，例如通常伪距差分的作用半径不超过150 km，这时用户站的实时定位精度一般可提高至±3 m～5 m。
WADGPS技术原理是对GPS观测量的误差源分别加以区分和“模型化”，然后将计算出来的每一个误差源的误差修正值(差分值)通过数据通讯链传输给用户，对用户在GPS定位中的误差加以修正，以达到削弱这些误差源和改善用户GPS定位精度的目的。这种方法不仅削弱了LADGPS技术中主控站和用户站之间定位误差对时空的相关性，而且又保持了LADGPS的定位精度。因此在WADGPS系统中，只要数据通讯链有足够能力，主控站和用户站间的距离原则上是没有限制的。
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、若干个监控站、相应的数据通讯网络和若干个用户站组成。按目前通行的WADGPS对通讯的技术要求是：跟踪站需不间断(至少3 s间隔)地实时地向主控站传输GPS卫星的跟踪数据。主控站要通过差分信号播发站对在1 000km范围内的用户不间断地发播差分改正值，其更新率大体是：星历3 min、星钟6 s、电离层1 h。这种传输首先必须是高速率的，否则差分改正的讯龄和时间差会变大而降低导航和定位精度；同时必须是低误码率，否则不能保证用户定位的完备性。总之，WADGPS系统对数据通讯的要求是：(1)传输数据量大；(2)实时传输；(3)高速率；(4)传输距离长；(5)覆盖面大。因此，如何实现这一数据通讯网络是建立WADGPS系统的技术关键。
2 分布式WADGPS的技术特点
从上面的介绍中可看到，WADGPS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号传输，是这一体系中的技术难点。针对这一难点，有两种技术路线可供选择：一是解决数据通讯网络的硬件和设施；另一种是通过软件的改进来缓解WADGPS系统对数据通讯网络的技术要求。我们选择后一种技术路线，提出一种“分布式WADGPS”的技术体系，通过改进差分计算技术来降低普通WADGPS对通讯传输的技术要求。这就是说，可以利用中国目前通用的通讯技术，建立精度相当甚至超过普通WADGPS的差分系统，使之符合中国的现状。
2.1 分布式WADGPS的技术设计思想
(1) 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12 h，最长至24 h传输一次(取决于用户对定位精度的要求)，这也大大降低了普通WADGPS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)，主控站计算精密星历，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，降低普通WADGPS中对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) 由地区站通过地区播发站将差分信息传输给地区用户，从而大大缓解普通WADGPS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也更符合本地区要求。
2.2 分布式WADGPS的技术关键
(1) 研究了利用中国境内的GPS跟踪站的资料，精确确定卫星轨道及其预报精密星历的计算技术及其相应软件。根据我国境内5～6个地理位置均匀分布的跟踪站(位于国家GPS A级网点)的不少于3天的GPS跟踪资料，可以以优于±2 m的精度确定外推4 h的GPS预报精密星历。若由此外推12 h,可以获得精度优于±8 m的GPS预报精密星历。
(2) 研究了对抗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钟时间内可以获得精度优于±10ns的预报卫星相对钟差。
(3) 研究了利用上述外推的预报精密星历(12 h)和外推的预报卫星相对钟差(6 s)，在1000 km～1 500 km范围内，获取以C/A码伪距单点定位的精度为±1 m～5 m的计算技术和相应软件。若加快差分改正更新率，如利用外推4 h内的预报精密星历和外推1s内的预报卫星相对钟差，则获得的伪距单点定位精度可优于±1m。
3 分布式WADGPS的布网方案
3.1 5～6个跟踪站
该方案的功能是确定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，其绝对精度在ITRF框架中一般不得低于±0.2 m。应具有每12 h一次，将本站在传输时刻前的24 h GPS跟踪数据(已经对流层和电离层改正)传输至主控站的数据通讯和传输能力。
3.2 1～2个主控站
主控站的主要作用有二个方面：第一方面是数据中心的作用，即收集、贮存和对外提供各跟踪站观测的GPS跟踪数据；第二方面是计算中心的作用，即计算和提供GPS卫星外推的预报精密星历。主控站具有每12 h一次接收和贮存所有跟踪站的GPS跟踪数据的能力；具有每12 h一次将各GPS卫星外推15 h或28 h的预报精密星历的能力；具有每12 h一次将上述计算结果提供和传输至各个地区站的能力。主控站由于一方面是跟踪站的数据传输通讯节点，又是提供区域性差分基准站数据通讯的节点，因此要有较强的数据传输能力，并要和Internet联网以便及时提取国际IGS的有关数据。为了确保分布式WADGPS的完备性和可靠性，除了必须有一个主控站运行外，还必须另有一个主控站作为热备份，以便前者一旦出现故障，后者能立即替代前者发挥主控站功能。
3.3 7～9个区域性GPS差分基准站(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；第三是计算外推预报卫星钟差。根据研究，地区站的作用半径最大可以按1 000 km左右考虑，但这取决于用户需求和地区播发差分改正的通讯能力。地区站要有每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，一般仍可以采用长话线加调制器的方式解决。地区站本身必须有精确的地心坐标，其相对于主控站的点位精度不得低于10-7。根据主控站的GPS外推预报精密星历和地区站的GPS跟踪数据(已经电离层和对流层改正)，计算本地区的外推6 s的GPS 预报卫星相对钟误差及其变率，每6 s计算一次。此外还应计算本地区的电离层改正。最后应将上述量改换成以RTCM或RTCA规范规定的差分改正格式。
3.4 监测站
监测站的作用是监测整个分布式WADGPS体系提供GPS差分信息的正确性以保证用户使用的安全性。每一个地区站所覆盖的有效工作范围内，应至少有一个监测站。监测站至少要有一台单频GPS接受机，以获取GPS跟踪数据，此外应同用户站一样有接收地区站差分改正信息的能力。监测站本身要有精确地心坐标，相对于跟踪站和地区站的点位精度不能低于10-7。监测站和地区站之间要有良好的通讯联系，一旦根据地区站差分信息所得的监测站定位误差超过报警限值(即超过3σ例如7 m)，则应在规定的示警耗时内(例如6 s内)向主控站和地区站示警。
3.5 GPS差分播发站
GPS差分播发站与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6s的GPS 卫星相对钟差及其变率、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150km。根据我国目前通讯条件，可采用下述四种传输方式：① 利用各市电台调频副载波将GPS差分信息实时传送给用户，这一方式方便实用、投资少，但传输距离一般不超过200km； ② 利用数字蜂窝电话传播，目前已覆盖全国各大城市和干线公路； ③ 利用我国民航系统的通讯系统传播，目前已覆盖全国各机场及航线； ④ 利用中波发GPS差分信息给用户。
3.6 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卫星发播信号的同时，通过分布式WADGPS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1～5 m的实时定位精度。
4 分布式WADGPS系统应达到的技术指标和功能标准
根据中国分布式WADGPS系统的服务范围，可制定该系统应达到的技术指标和功能标准［８~10］。对于某些特殊服务范围，如飞机进场着陆导航定位系统则应另行确定其技术指标和功能标准。
4.1 中国分布式WADGPS系统应达到的技术性能的三个指标
(1) 精度：即在一个给定时间内，用户在系统覆盖的空间内，GPS实时测得的点位值和该点位的真值的符合度。对于分布式WADGPS，在中国领土和领海范围内，用户站的GPS实时定位精度，根据用户站与区域性差分基准站地理位置相关程度的不同，应在1～5 m以内。
(2) 覆盖空间：即为用户能利用系统提供的信息，取得系统事先给定定位精度的空间。对于分布式WADGPS应能覆盖我国全部陆地、岛屿及近海海区。
(3) 更新率：即系统向用户提供差分信息的更新速度。对于分布式WADGPS，卫星星历和卫星钟差的改正值更新率分别为2～12 h(视用户需求)和6 s一次，电离层参数的改正值更新率可为30 min一次。
4.2 分布式WADGPS系统运行功能应达到的三个标准
(1) 完备性：指系统发生故障，系统的差分GPS信号不能用于导航和定位时，系统向用户提供及时报警的能力。它用以下4个参数来加以确定：① 报警限值：指当用户的定位误差超过系统规定的某一限值时，系统向用户发出警报，这一限值称为系统的报警限值。对于分布式WADGPS报警限值为7m。② 示警耗时：用户定位误差超过报警限值的时刻和系统向用户显示这一警报的时刻，这两个时刻之差称为示警耗时。分布式WADGPS系统，示警耗时在空中和海上导航应小于6 s，在陆上导航应小于2 s。③ 示警能力：指在系统覆盖空间内，系统无法向用户发出警报的空间所占的百分比。分布式WADGPS系统在每一区域性基准站作用范围内的该项比例应小于0.5%。④ 失误几率：当在示警能力以内的用户定位误差超过报警限值时，同时又超过规定的示警耗时，而系统没有向用户发出警报，系统出现这种现象的几率称为失误几率。分布式WADGPS系统的失误几率应小于1.61×10-6/d。
(2) 有效性：指在给定时间内(如一个月)，系统提供有效服务的时间百分比，中国的分布式WADGPS系统的有效性指标不能低于95%。现阶段，它主要取决我国通讯传播的有效性。
(3) 可靠性：指在系统服务时间内，系统正常运行的几率。分布式WADGPS系统的该项指标应达到99%。
5 分布式WADGPS系统的工程性中试
1996年8月下旬至10月上旬，在国内进行了分布式WADGPS系统的工程性联调性中间试验。实验系统由4个GPS卫星跟踪站(北京、武汉、拉萨、乌鲁木齐)，1个主控站(国家基础地理信息中心——下简称“信息中心”)，1个地方差分基准站(信息中心)，监测站(北京、武汉)差分信息发播站(北京中央电视塔)，用户站(车载GPS)组成。日常工作流程是：4个跟踪站每天UTC零时起在1h内将一天24h、30s采样率的GPS观测数据通过电话线传输至主控站，主控站启动轨道计算软件，利用连续3天的4个跟踪站的数据计算卫星轨道，并将轨道外推28h作为预报精密星历。预报星历通过电话线传输至差分基准站计算机，机器启动卫星钟差、电离层参数解算软件，以6s和30 min的间隔实时算出卫星钟差和电离层参数并外推之，同时算出卫星钟差变化率。随后，系统启动差分修正信息编码软件，对修正数据进行排队、压缩、编码，通过专用电话线把编码后的修正数据传送至中央电视塔上的RDS编码器，再次编码后发送给用户和监测站。北京的监测站由地区差分基准站中的一台GPS接收机兼任。将其实时广域差分定位结果与该机天线位置的精确地心坐标(Mp≤±0.3 m)比较，若平面和高程分量以及各卫星的伪距残差均不超过±7 m，则认为系统和卫星工作在正常范围之内，否则报警。
5.1 卫星轨道计算
采用无电离层影响的观测量组合形成双差相位观测值，ITRF91历元92.5给定的4个跟踪站坐标作为定轨时的已知约束数据，待估参数为卫星轨道坐标、力模型参数、模糊度参数以及测站天顶方向对流层折射参数，根据3天观测弧段数据估计轨道并外推28h给出预报星历。预报星历与IGS全球精密星历比较，地心坐标各分量差异平均见下表，具有最大差异的卫星都是观测时间短于2 h的卫星。
——系统完好性监测的耗时约7 s，其中卫星跟踪信号从接收、差分修正信息的计算、编码、发射到用户或监测站延迟近2 s；一组完整的差分修正信息约210bit(卫星数为8)，目前中央发播站发播速度为44 bit/s，故收到一组完整差分修正信息并给出单点定位结果需约5 s，所以系统完好性监测的延迟近7 s。
6 结束语
(1) 简化了系统中的数据通讯。分布式WADGPS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，这在中国目前实际是可以办到的。这样还大幅度地减少了建立WADGPS中数据通讯链的建设和维持费用。
(2) 地区站计算卫星相对钟差。分布式WADGPS的第二个技术特色就是由地区站计算适合本区域的GPS卫星相对钟差，也就是说解决了采用单站单差来计算区域性卫星相对钟差的计算技术。利用这一技术，各区域性差分基准站即使不设置原子钟，也能以±10 ns精度外推6秒的预报卫星相对钟差。同时与普通WADGPS体系中的主控站和计算工作量比较，由于计算工作量在每个站相对要少，故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。
(3) 利用外推预报精密星历和外推预报卫星钟差提高用户定位精度。分布式WADGPS的第三个技术特色就是用户软件，即利用上述外推12 h(或24 h)小时(±2 m(或8 m)精度)的GPS预报精密星历，外推6 s(±10 ns精度)的预报卫星相对钟差，能确保用户定位精度在水平方向为1～3 m，垂直方向为2～4 m(在离区域性差分基准站1000km范围之内)。
表1 预报星历与IGS精密星历差异(以卫星地心坐标值表示)
Tab.1 The differences between predicted and precise (IGS) ephmerides (in geocentric coordinates of GPS Satellites)
最小差异 一般差异 最大差异
差异/m 约占比例 差异/m 约占比例差异 约占比例
0.5~1.0 20% 5.0~8.0 60%18.0~22.0 m 5%
5.2 卫星钟差计算
在已知差分基准站精确地心坐标、预报精密星历和较为精确的电离层对流层模型的情况下，利用C/A码伪距就可以精确求出卫星钟差，其数学模型如下：
Vjk(i)=Δtk(i)-Δtj(i)+Rjk(i)/C+Δtion+Δttr+Δtrel-ρjk(i)(1)
上式中：k=(1,2)表示接收机，这里用了两台接收机；j=(S1，…,Sn)表示观测卫星号，Δtion,Δttr,Δtrel分别为电离层、对流层和相对论时延；Rjk为卫地几何距离，ρjk为伪距，C为光速常数，i表示观测历元。令:
Ljk(i)=Rjk(i)/C+Δtion+Δttr+Δtrel-ρjk(i)(2)
有：
Vjk(i)=Δtk(i)-Δtj(i)+Ljk(i)(3)
对于任一历元，两台接收机，Sn个卫星，则有2Sn个观测值。若假定一台接收机钟差已知，则有Sn+1个未知数，可利用最小二乘法解算出该历元的所有卫星钟差。当钟差确定后，按下式确定卫星钟差的变化率：
分布式广域差分向用户同时发送外推6～8 s的卫星钟差及其变化率。用户所需任意时刻t的卫星钟差计算公式为
Δtj(t)=Δtj(i)+dΔtj(i)(t-tj)(5)
利用这一确定钟差的方法，所得卫星相对钟差精度可达±5 ns，外推后可达±10 ns。
5.3 电离层参数计算
这次实验所采用的单站电离层模型是：
VTEC=a0+a1(φ-φ０)+a2(S-S0)+a３(φ-φ0)(S-S0)+a４(φ-φ0)2+a５(S-S0)2 (6)
这里，VTEC为一卫星信号传播路径与电离层单层模型的单层面的交点处天顶方向总电子含量；φ0、λ0为测区中心的地理纬度和经度；S０为测区中心点在该时段中央时刻t0的太阳时角；t为观测时刻；φ、λ为信号路径与单层的交点处的地理纬度和经度；S为观测时刻的太阳时角。
伪距电离层延迟为
电离层延迟改正参数每30 min计算一次系数，VTEC通过相位和伪距的组合观测值确定。
5.4 分布式广域差分实时定位结果及精度分析
利用中央电视塔发送的广域差分修正信息在京津、京石高速公路和京津两市内进行了不同环境和距离下的差分定位实验。其中几个主要结果如下：
——将车载双频双码GPS接收机停在离中央电视塔约50 km的京石公路边静置采样10 min，以1s采样率进行实时广域差分定位。事后进行基线相对定位得到模糊度固定以后的该点精确坐标与差分定位结果相比，在平面坐标系x、y分量和高程h分量的差值，由此得到每一历元差分定位x、y、h三个分量的中误差分别为±0.7 m，±0.6 m，±2.0 m。三个分量10 min差分定位平均值与精确值差异分别为0.2 m,0.1 m，1.5 m。
——车载GPS导航接收机 采样率1 s，沿京石高速公路以80 km/h速度进行动态广域差分定位。动态实时定位精度水平分量均优于±1 m。在GPS信号被阻挡后，在2 s～3 s内即可恢复精度正常的定位。
——将差分修正信号用电话传送至武汉监测站，进行远程(1100 km)广域差分定位(事后)。其水平定位精度为±1.2 m，高程精度为±2.5 m，但x方向和高程方向有近1.0 m的系统偏差，估计是单站电离层模型还不准确的缘故所致。
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