双频信标差分导航系统的探究与实现

2016-11-18李鹏宇广州航标处

珠江水运 2016年19期

关键词：伪距信标监测站

◎ 李鹏宇广州航标处

赵万锋交通运输部南海航海保障中心

双频信标差分导航系统的探究与实现

◎ 李鹏宇广州航标处

赵万锋交通运输部南海航海保障中心

本文介绍了RBN/DGNSS系统结构组成和工作原理，探究建设RBN/DGNSS系统对推动北斗系统的重要意义，提出一种兼容DGPS和DBDS的信标差分设计方案并通过实验校验可行性。

RBN/DGNSS GPS BDS 伪距差分

1.引言

RBN/DGNSS是沿海无线电指向标/全球卫星差分导航系统的英文简称，它是全球卫星导航系统地面增强系统的重要构成要素。该系统可通过无线电指向标播发卫星导航系统差分修正信息，为航海用户提供精确定位服务。伴随北斗卫星导航系统的建设和运营，探究建设兼具GPS和BDS的信标差分系统，对推动北斗卫星导航系统的广泛应用具有积极意义。

2.系统介绍

根据RTCM推荐标准，RBN/ DGNSS系统播发站由一台DGNSS基准站、一座控制台、一台DGNSS完善性监测站和一台发射机组成。基准站包括一个MSK调制解调器和一台基准接收机，能产生可供播发的DGNSS修正信息。控制台用于设置系统运行参数并控制其工作状态，同时具有存储、记录、统计、分析和显示等功能。完善性监测站主要是接收基准站播发的修正信息，并校验该修正信息是否在规定标准允许的误差范围内。完善性监测站可定时提供反馈信息给基准站，以指示系统正在被监控且工作状态正常。发射机用于信号的放大与发射。各独立设备由通信网络相连接，从而构成有效运行的一个整体。

3.伪距差分定位原理

RBN/DGNSS系统工作原理是伪距差分定位。该定位方式是当前应用最广的一种技术。它的工作原理是：在GPS/BDS基准站上观测所有可见卫星，根据基准站已知坐标和各卫星的坐标，求出每颗卫星每一时刻到基准站的真实距离，再与测得的伪距比较，得出伪距修正数值，随即将其传输至航海用户接收机，航海用户利用修正后的伪距可解算出本身的位置，从而达到大幅提高定位精度的目的。

同时，可知伪距的改正数为：

伪距改正数的变化率为：

基准站将 Δ ρj和 d ρj发送给用户，用户测出伪距为 ρ ，j加上改正数，便求得经改正后的伪距为：

利用改正后的伪距 ρj( t) ，只需

p观测4颗卫星就可以按公式（2）计算用户的坐标，从而获取用户精确位置。

式（2），如下。

式中：

δt——钟差 Vt——接收机噪声

4.双系统设计方案

4.1播发站系统组成

按照RTCM推荐标准，兼容GPS与BDS的RBN/DGNSS系统包括基准站、完善性监测站和发射台三部分组成(如图1示)。基准站包括DGNSS基准站1和DGNSS基准站2，并采用双机热备份。完善性监测站由DBDS监测站和DGPS监测站组成，实现对各自导航系统的完善性监测。信标发射机1和信标发射机2也为双热机备份。

基准站由一个基准接收机和一个MSK调制器组成，接收机置于位置精确的已知点上，接收GPS和BDS定位信息，通过解算生成差分修正信息，经MSK调制器调制到无线电信标发射机，随后播发给航海用户。

完善性监测站由GPS/BDS接收机和无线电信标机（MSK调制器）组成，用于解算定位误差，并校验信息是否在误差允许范围内，实现对系统的完善性监测。当修正信息超出误差允许范围时，完善性监测站还会产生报警信息并传送给控制站，提醒值班人员及时查找故障。

控制站包括计算机和相应监控软件，主要用于设置RBN/DGNSS系统连接串口、运行参数和报警门限等，同时可接收和存储RBN/DGNSS系统的运行数据，自动生成相关数据报表，实现对系统正常运行的有效控制。指向信标发射机是一台大功率发射机，主要用于发射信号的升级放大。自动天调主要用于调谐发射机与天线之间的匹配。

为提高系统可靠性，确保系统始终由状态正常的基准站和发射机交联工作，特增加一个继电器控制盒，用于在两台基准站与发射机之间切换信号。

4.2GPS与BDS兼容工作方案

GPS与BDS兼容工作系统要求RBN/DGNSS系统既广播DGPS差分修正信息又广播DBDS修正信息。当前可有两种方案供选择：一是将GPS差分修正信息和BDS差分修正信息在同一频点上分时顺序广播（单频播发）；二是将GPS差分修正信息和BDS差分修正信息分别调制到间隔为500Hz的两个频点上同时广播（双频播发）。

第一种方案采取分时广播的方案会延长差分修正信息的更新周期，对定位精度造成一定影响。

第二种方案差分修正信息更新率不变，现有系统性能基本不受影响，能充分利用现有RBN-DGPS台站资源。

图1　

表1　

5.实验与测试

5.1实验方案

为验证第二种方案的可行性，在三灶差分台开展了实验和测试工作。DGNSS基准站由1台GPS基准站、1台GPS/BDS双模接收机、1台双路信标调制器、信号合成电路、微处理器（带液晶触屏）组成。

GPS/BDS双模接收机获取GPS和BDS卫星的伪距、星历等原始数据，在与基准站的精确坐标对比后产生GPS/BDS的伪距、伪距变化率等修正信息，再以电文编码1或9（BDS为电文41或49）发送到信标调制器，经MSK调制到主（291.0KHz）、副（291.5KHz）载波两个通道上，两路信号合成提供给发射机。

实验过程中由DGPS完善性监测站记录统计连续播发状态下的DGPS差分定位结果。同时，由DBDS接收机获取和计算播发的DBDS差分定位结果。

5.2实验结果

2015年1月6日11:00时至14:00时连续播发，DGPS和DBDS差分定位精度统计结果，由完善性监测站解算并生成以下统计表1。

由图表可得出，在同一时间段内，RBN-DGNSS系统双频工作时，在固定试验点DGPS定位误差在0.5米内的比例达97.48%，DBDS定位误差在1米内的比例达99.46%。总结可知，RBNDGNSS系统双频工作能有效满足相关指标要求，具有很强可行性。