一种多基准接收机条件下的载波相位差分报文优化生成方法

张昂，原彬，张睿

（中国电子科技集团公司第二十研究所，西安 710068）

0 引言

传统的载波相位差分相对定位通常采用基准站和移动站各一台接收机的配置即可实现。但在着陆引导等生命安全相关领域，传统的载波相位差分相对定位技术不能保证其完好性，在发生故障时会造成完好性风险。为保障相对定位系统完好性，通常在基准站配置多个基准接收机实现完好性监测，然而多基准接收机的引入涉及到差分报文发送的选择问题，本文提出一种载波相位差分多基准接收机优选机制，该机制能够优选一台基准接收机作为差分报文发送的基准，保证移动站接收最优的差分报文，从而保证移动站的定位精度和定位成功率。

1 载波相位差分报文生成机制

地面基准站生成的载波相位差分报文中的数据质量和包含的卫星个数对于精度的提高起着重要作用。该机制主要包括完好性监测、残差监测和基于统计学的优选策略三个步骤，载波相位差分报 文生成机制如图1所示。

图1 载波相位差分报文生成机制

（1）完好性监测。对可用基准接收机输出的锁定卫星的原始观测量进行完好性（SQM、DQM、MQM）判别，只要有一种QM 算法判定某台可用接收机的某颗星异常则判定该接收机的该颗卫星不可用。

其中，信号质量监测（SQM）主要探测和识别接收到的 GPS/BDS测距信号中的异常，其主要由三部分组成：相关峰监测、信号功率监测和码载分歧监测[1-5]。

数据质量监测（DQM）主要是监测接收机所接收到的卫星导航电文数据的可靠性。地基增强系统的数据中心主要通过数据质量监测算法来检测更新的 GPS卫星星历和卫星的时钟数据的正确性,详细算法见文献1、文献6和文献7。

测量质量监测（MQM）主要是通过利用多个历元伪距和载波相位测量值的一致性来监测因时钟异常和基准接收机故障所引起的测量值阶跃和冲击变化，其主要包括3个部分：接收机锁定时间监测，载波加速度斜坡阶跃监测和载波平滑码伪距的革新性监测[1]。

（2）残差监测。通过计算卫星残差监测原始观测量的准确度，如果某颗卫星残差大于阈值（250m），则判定该接收机的该颗卫星不可用。

残差（residual）计算公式如式（1）所示：

其中，r是真距，ρ是伪距，是卫星钟差，是基准接收机钟差。

（3）基于统计学的优选策略。通过该策略从多台基准接收机优选出一台搜星个数多和数据质量优的接收机作为基准，保证移动站的 RTK定位精度和定位成功率。

2 基于统计学的优选策略

完好性监测和残差监测后，需要通过相关结果优选出状态最优的基准接收机。本文的核心就是从相关结果提出相应的策略确保选择的基准接收机数据质量好和搜星个数多。

为了综合考量地面基准站多基准接收机运行GPS和BDS系统的能力，则在优选基准接收机时需要综合评判各基准接收机双系统的搜星情况以及数据测量的质量，只有BDS和GPS的双频综合搜星数目最多和数据质量最优的基准接收机才能作为 RTK的基准位置，并把该基准接收机的原始观测量打包作为载波相位差分报文广播至移动站。

基于统计学的优选策略如下：

（1）判别该基准接收机是否可用。应处于正常工作状态且正常搜星；该基准接收机被SQM/DQM/MQM标记为异常的总卫星数不得超过2个；

（2）BDS/GPS双系统四频点各搜星个数不低于4颗；

（3）每个导航系统的双频点搜星个数之差不超过3颗卫星；

（4）计算BDS/GPS双系统各双频点搜星个数的均值μ和标准差σ，统计各基准接收机各导航系统的和

图2 基准接收机优选机制

（5）每个可用基准接收机锁定卫星的残差平均值大于等于所有可用基准接收机残差平均值；

单个基准接收机锁定卫星的残差平均值计算如下：

其中，n为该基准接收机锁定卫星个数，residualsati为该卫星的残差值，计算公式见式（1）。

所有可用基准接收机残差平均值计算如下：

其中，m是可用基准接收机个数。

（6）若μBDS-2σBDS和μGPS-2σGPS的最大值在同一个基准接收机上，则选取该基准接收机；反之，则求每个基准接收机的μBDS-2σBDS和μGPS-2σGPS的均值和方差，分别记为α和β，并计算α-2β，则选取α-2β最大值的基准接收机。

（7）若基准接收机同时存在多个基准接收机α-2β最大值相同情况，则从中优选锁定卫星的残差平均值最小的基准接收机。

基于统计学的优选策略流程图如图2所示。

3 仿真试验

为了验证本文提出的策略，开展了仿真试验，该试验通过对载波和伪距的原始观测量加注故障，验证多台基准接收机相对1台基准接收机在面对完好性风险时的可用性。

分别采用一台基准接收机作基准站和一台移动接收机以及四台基准接收机和一台移动接收机两种方案试验。其中，移动站保持静止状态，移动站位置为（34.2378728571，108.909674311，388.0335），基线长度500m，仿真时间3600s。在基准接收机锁定的两颗星B1频点伪距添加+300m偏差。

方案1：一台基准接收机和一台移动接收机

采用一台基准接收机（基准站）和一台移动接收机（移动站），在向该基准接收机锁定的两颗星B1频点伪距添加+300m偏差后，以高度定位结果为例，如图3所示。

从图3可以看出，高度大约有2～3m的跳变。对定位模式进行统计，RTK固定解成功率降低为98.22%，定位的均值和标准差如表1所示。

表1 B1伪距偏差300m经纬高定位均值和标准差

方案2：四台基准接收机一台移动接收机

采用四台基准接收机（基准站）和一台移动接收机（移动站）。故障加注前，基准接收机1是RTK的基准。对基准接收机1锁定的两颗星B1频点伪距添加+300m偏差，可以看出该策略将基准接收机1判定为异常，同时选择基准接收机2为载波相位差分的基准。如表 2所示。在本文提出的策略下，以高度定位结果为例，移动站的定位结果如图4所示。

表2 策略引入后基准接收机选择结果

从图4可以看出，高度值没有出现跳变。对定位模式进行统计，RTK固定解成功率为100%，定位的均值和标准差如表3所示。

对比表2和表3，可以看出面对同样的完好性风险时，采用本文的提出策略生成载波相位差分报文，其移动站定位的均值和标准差更优。

表3 策略引入后经纬高定位均值和标准差

图3 B1伪距偏差300m高度定位结果

图4 策略引入后高度定位结果

4 结论

单个基准接收机作基准站时，一旦出现完好性风险则无法有效规避，将会导致移动站出现定位精度下降和 RTK成功率降低。为了保证系统的完好性，基准站设置多台基准接收机，需要从中选取数据质量高且卫星数多的基准接收机用于 RTK定位的基准。本文基于多基准接收机状态下提出的一种载波相位差分报文优化生成方法，通过多次故障加注试验证明其可以有效的从4台基准接收机选出1台数据质量、搜星个数和状态稳定性综合状态最佳的基准接收机，保证移动站的定位精度和定位成功率。