卫星导航局域差分系统的载波平滑技术

谢元斌

（中国电子科技集团公司 第二十研究所，陕西 西安 710068）

0 引言

卫星导航单点定位在水平与垂直方向上的定位精度在95%的时间里能分别达到约10m和20m，这远未达到航空导航等一些应用系统对米级内定位精度的要求。为提高定位精度，减小测量误差是有效的措施之一，而局域差分技术是一种应用广泛地降低卫星导航系统中各种测量误差的方法。

1 局域差分原理

局域差分的基本工作原理主要是依据卫星时钟误差、卫星星历误差、电离层延时与对流层延时所具有的空间相关性和时间相关性这一事实。对于处于同一地域内的不同接收机，它们对卫星的测量值中所包含的上述4种误差成分近似相等或者高度相关。一般的，地面站的接收机的位置是精确得知的，作为基准接收机。通过基准接收机可以得到能降低测量误差的差分修正量，地面站将差分修正量播发给机载接收机，机载接收机可以利用差分修正量来校正同一颗卫星的测量值，从而提高机载接收机的测量和定位精度。

为了在差分系统中得到更高的伪距测量精度，可以将测量精度跟高的载波相位测量值加入到伪距测量中，即载波平滑码伪距技术。在差分系统中，地面站接收机和机载接收机都可以使用这种技术，下面讨论载波平滑技术在地面站接收机和机载接收机的使用方法。

2 地面系统载波平滑技术

地面系统主要处理产生差分校正量，计算差分校正值的第一步是使用载波相位观测量的变化值平滑码观测量。载波相位平滑用于减小粗测伪距中的快变误差，如接收机噪声引起的高频误差。基本原理为对于每个信道的观测量进行滤波：

式（1）中，N=τ/T，τ为平滑滤波时间常数，通常取 100s，T 为原始观测量的采样间隔，通常为 0.5s。 ρm，n（k）和 φm，n（k）为 k 时刻接收机 m 对卫星 n的码和载波相位观测量。 ρs，m，n（k）为 k时刻接收机 m 对卫星 n的平滑码伪距。

滤波中假设卫星是连续被接收机跟踪的。如果接收机失去卫星的锁定时，滤波器需要被重置。

3 用户接收机载波平滑技术

用户接收机也需对接收的测量值进行载波平滑。目前，码载波的漂移率达到0.01m/s，平滑滤波器的输出需要在初始化200s内达到小于0.1m的误差，同下述滤波器的稳态响应有关：

式(2)和式(3)中，Pn是载波平滑的伪距（m），Pn-1是前一时刻载波平滑伪距（m）,Pproj是映射的伪距（m）,ρn是原始伪距测量值（码回路载波驱动，1阶或高阶，单边噪声带宽大于或者等于0.125Hz），λ是波长（m）,φn是累积的载波相位测量值 （弧度）,φn-1是前一时刻累积的载波相位测量值（弧度），以及α是滤波权重函数（最小单位），等于采样点与100s时间常数的比值,α是滤波权重函数（最小单位），等于采样点与100s时间常数的比值。

需要注意的是用户载波平滑滤波器和地面载波平滑滤波器都是用来匹配从而避免由电离层差异引起的相关误差。平滑可以同时同捕获过程一起执行，这样可以更快得到平滑值。

4 实验结果

本文将上述方法分别引用于地面系统卫导接收机和用户卫导接收机，通过试验对比了有载波平滑算法和无载波平滑算法的定位精度，定位误差曲线图如图1和图2所示。图1是无平滑算法定位误差曲线，图2是有平滑算法定位误差曲线。从图中可以看出，无载波平滑算法时，定位误差在1m范围内，且抖动较大，而应用载波平滑算法后，定位误差在0.3m范围内，相对无载波平滑算法抖动小，且较为平滑。通过对试验数据的统计，无载波平滑算法时定位误差的方差为0.52m，而有载波平滑算法时定位误差的方差仅为0.13m。有载波平滑算法的定位精度较无载波平滑算法提高了75%。

图1 无平滑算法定位误差曲线

图2 有平滑算法定位误差曲线

5 结论

通过对载波平滑码伪距方法和实验结果的分析可知，载波平滑码伪距能够有效的降低卫导接收机的定位误差。在局域差分系统中，地面系统和用户系统同时使用载波平滑技术能极大的提高用户系统的定位精度，通过实验的分析，用户系统的定位精度可提高75%。

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