关于增强GPS精密定位的研究与探讨

林亚斌 王春范 刘继巍

(辽宁省第十地质大队，辽宁抚顺 113004)

0 引言

随着时代的发展，原来以GPS为主的可见星的数目比较少，在一定程度上无法满足现在高楼密集区及深山峡谷的跟踪，更不能准确的对其进行定位。在这种情况下，应该根据现在高楼密集区及深山峡谷地带进行相应的分析，并采取相应方法对这些区域进行准确的定位。本文主要从伪卫星技术和GPS技术综合定位技术进行相应定位，以增强GPS在特殊地区的精密定位。

1 对伪卫星进行分析

所谓的伪卫星就是布设在地面上发射某种定位信号的发射器，通常情况下，其发射的是类似于GPS的信号，也是由于这个原因伪卫星一般都是针对GPS设计的。伪卫星最大的优势就是其在合成并精确进行定位时，可以不用像GPS卫星那样从零开始发射精确定时信号，其主要是转发卫星相关复制信号，其功能类似于镜子能将卫星信号放射给用户接收机，这时用户接收机就可以对卫星信号的伪距和地面上伪卫星相同信号为依据进行相应的测量。之后，就可以以这两个伪距值之差得出两伪距之间的差值。结果表明，其误差内容包括接收机噪声、大气电流层、对流层及多径误差等，这其中影响最大的是多径误差，其他的误差可以忽略不计。然而伪卫星只是一个单纯的信号发射装置，并不能接收相应的数据。要想使伪卫星接收更多的数据、信号，是需要对其进行相应装置的，装置后就是发射装置接收器。这种接收器相较于信号发射装置，其优势是既能发射信号，又能接收其他卫星发出的信号。这些优势的形成得益于接收器硬件组成部分，其主要包括伪卫星、接收器、放大器、增强运程控制器用来调节信号的强度、无线通信系统用来收集接收数据和远程命令及控制总线、功率总线及RF天线等。在设计自差分的时候，可以用接收部分对自身的RF前端发射部分输出进行相应的监测。这里的前端可以采用专用线的前端或是无线广播的形式对伪卫星信号进行追踪，但是在使用无线广播形式的时候，必须先将其功率降低，减少外界的干扰。只有这样，才能对伪卫星信号进行追踪。此外，伪卫星有属于自己的自校准卫星阵列。其自校伪卫星阵列是由不少于3个静止收发器单元、1个接收器绑定单元、无线以太网、1台PC机组成的。只要通过以太网就能用PC机计算出和存贮收发器之间的距离信息。自校准伪卫星阵列最大的优势就是能同时计算出组成阵列的静止收发器位置和移动单元的位置。双向测距技术是用自差分来测量线路偏移的，最后再通过双向测距计算出两个收发器之间的距离能更好实现自校伪卫星阵列。当接收器内部伪卫星和接收机距离为零时，线路偏移误差和接收机钟误差就是系统误差。计算出误差后，自校伪卫星阵列通过优化集合图形对收发器进行设置，在此基础上进行校对过程的初始化，然后用载波进行相位测量，这时移动单元会定一个精确的初始位置，通过静止收发器和移动单元之间的双向测距计算出整个周期数。如果移动单元不在静止收发器范围内，可以用载波进行相应的估算，再用载波进行测量，校对的结果就能达到厘米级的定位精度，能实现增强GPS精确定位。

2 对伪卫星增强GPS精密定位进行分析

2.1 对伪卫星路径误差进行分析

从上述分析可知，伪卫星多路径问题是影响其增强GPS系统正常运行的重要因素。出现这一问题的原因有两种，一种是由伪卫星近地面传播信号引起的，这也是多路径问题最主要的原因。另一种是伪卫星本身具有弥补盲区功能引起的，特别是当盲区多在高楼密集区、山区峡谷区、地下室或是地下隧道等地方的时候，常会出现多路径问题，可见解决伪卫星多路径误差问题是增强GPS精密定位的主要限制性因素。从上面的论述中可以知道，伪卫星多路径不仅包括卫星信号的反射、折射后所形成的干扰，同时也包括伪卫星发射天线本身的干扰。一般情况下反射可以分为近距离反射和远距离反射两种，远距离反射反映的是高频成分，近距离反射反映的则是低频成分。相关调查表明，伪卫星的近距离低频成分出现的次数比较多，其对精密定位的影响最大;伪卫星本身的信号传播路径比较低，再加上GPS路径信号大多来源于比天线低的反射面形成的相应干扰，对低频率的卫星信号有一定的屏蔽作用，因此，在用GPS专用抗多路径天线解决伪卫星多路径问题时，用此种方法是不适用的;卫星在轨道上是处于运动状态的，其与接收机之间的几何关系也是变化的，GPS多路径误差的大小也是随之变化的，要想更好的减少伪卫星的多路径误差，就应该对GPS观测数据进行平均。从以上几个方面的论述来看，影响伪卫星增强GPS精密定位的重要因素是伪卫星多路径误差。要想解决伪卫星多路径误差除了第一段论述的方法外，还应该加强用数据处理法进行解决。动态环境中的多路径误差难以消除，但是伪卫星在静态环境中应用的时候，伪卫星和用户储备常会处在静止或是准静止状态，在这种情况下，会出现很多静态误差，且这些静态误差近似于常量，运用相应方法可以减弱或消除多路径误差带来的相应影响。要想更好的解决这一问题，可以采用相应的估算方法，可以利用长时间的GPS和伪卫星联合观测值对模糊度浮点解进行相应的解释，在此基础上用FARA方法对整数解进行固定。当模糊值不准确的时候，可以通过相应方式对其进行进一步处理，直到整数值不再变化为止。要想实现上述估算值，有两种方法，一种是用直接得到的多路径误差值对卫星原始载波相位直接进行改进，一种是将得到估算值作为多路径误差未知数先验信息，通过这一信息来完成平差计算。

2.2 对伪卫星增强GPS精密度定位结果进行分析

本文所选用加拿大永久跟踪站在其主楼平台试验对卫星增强GPS精密度定位结果进行分析。在进行该实验前，应先准备1台发射器、2台NovatelDL4机，并对伪卫星和接收机进行相应功能设置，将伪卫星窗口和PC机连接在一起，再用衰减器对发射器输出功率进行相应的调节，以保证信号的正常接收。在进行试验的时候，将间隔时间设置为10 s，通过相应性能实验，可以得出四种实验结果。第一种在观测的时候，采用三颗卫星，虽对平面定位结果有一定的影响，但是其垂直定位的精度并不高;第二种是在GPS卫星图中选出4颗卫星，并保证这4颗卫星在40°以上，其根本目的是对深谷环境进行定位，结果表明误差相对较少，能对垂直方向进行定位，也能将多路径消除;第三种是在上面论述的基础上，通过卫星多路径效应对相应的模型进行改正，以增强GPS精确定位，并对相应数据结果进行处理，垂直精确度可达到2 mm～3 mm;最后一种是以前三种为依据的，其将观测点改为三颗星的同时，又加入伪卫星进行完成4颗星定位。实践证明，加入第四颗星后，能够实现2 mm～4 mm垂直精度。从四种结果可以看出，增加一颗伪卫星对增强GPS精密度定位效果比较好。

3 结语

伪卫星概念在很久之前就已经被提出来，但是由于其自身存在一定问题，并未广泛应用。随着科学技术的发展，伪卫星定位系统在地下、飞行导航至火星探测等方面得到了应用。就目前来看，伪卫星定位系统已经成为增强GPS精密定位的有效方法之一。虽然现在的伪卫星系统仍有不足之处，但其可以和GPS等多种模式组合进行相应导航和定位，以增强GPS精密定位。在不久的将来其技术达到一定程度的时候，将会取代GPS系统进行单独的导航。

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