卫星差分导航定位技术及误差问题分析

杨 乐，余 洋，李 瑶

(中国人民解放军61711部队，新疆 喀什 844000)

1 北斗导航系统简介

北斗卫星导航系统是中国自主研发的定位服务系统，北斗卫星导航系统发展经历了两个阶段，该系统由空间段、地面段与用户段构成。

空间段由35颗各轨道卫星组成。主控站负责获取观测数据，得出定位所需导航相关信息；监测站负责接收北斗导航信息，可跟踪观测卫星；注入站用于完成定位所需相关导航信息导入。北斗导航系统具有短文通信功能，定位精度高，北斗系统用户接收机每次传输短报文信息达50字，为用户提供20～100 ns授时精度，未设立标校站水平精度为100 m，可包容最大用户数达540 000户/时。北斗卫星导航系统使用扩频通信技术，其频带宽度大，通过编码实现。用户端通过解扩还原最初数据信息，扩频通信有很强的隐秘性等优点。

2 载波相位差分定位误差

差分定位是通过2个监测站导航数据信息获取用户端位置坐标，依据服务范围可分为广域与局域差分系统，基线距离较短的系统服务范围较小，基线距离较长的系统定位精度较低。依照校正参考量可分为载波相位差分定位等。载波相位差分定位精度最高，通常利用载波相位差分为RTK定位，根据定位形式可分为绝对与相对的定位。

载波相位差分是将基准站载波相位观测值与用户观测值作差分，差分定位精度可达到厘米级别，由于载波相位差分技术定位精度高应用普遍，卫星导航定位应用中载波相位差分定位广泛应用于大地测量等方面，通过处理北斗行李文件获取所需数据进行差分定位。载波相位观测值在RTK定位中具有重要作用，载波信号传输中同一时间相位值不同。

载波相位差分定位精度受到大气延时、几何因素等影响，通常可采用载波相位观测值多种线性组合方式进行高精度位置信息解算，将B1、B2频段相应载波观测值信息建立线性组合形式，能改善定位性能，对某型号三频段接收机，每个频段对应误差相位观测值表达式为φ1=λ1-1(r+g+T-I1)+N1+ε φ1，φ1表示频点对应载波相位观测值，g为星历误差，λ1表示频段对应波长，r为接收机钟差，T为对流层延时，I1为频点相应电离层延时，N1为频段对应整周模糊度。Ε φ1表示频点对应测量噪声，依据电离层延时能得出频率电离层关系表达式：I2=(λ22/λ21)I1，三频线性组合表达式为φLC=aφ1+bφ2+cφ3.φ1指频点对应相位观测值，φLC为频段线性组合后相位观测值，abc为组合系数，整周模糊度NLc=aN1+bN2+cN3，线性组合后波长λLc=(a/λ1+b/λ2+c/λ3)-1，满足a/λ1+b/λ2+c/λ3>0，线性组合后电离层延时ILc=(a/λ1+bλ2/λ21+cλ3/λ21)I1，提高定位精度，电离层延时ILc满足a/λ1+bλ2/λ21+cλ3/λ21=0。载波波长根据线性组合不同，形式不同，第二组到第四组线性组合后载波波长相比其他波长小，第一组线性组合形式相比其他几组优势明显，能减少几何误差，载波波长较大。

载波相位差分定位误差主要包括与接收机，与卫星及与信号传播相关误差。接收机钟差是内部石英石产生时钟与北斗标准偏差，接收机钟差大对定位解算有很大影响。必须消除接收机钟差影响。抵消固有钟差在进行单点定位数据处理时，可减少固有钟差为孤立未知量求解，载波相位定位中可观测5颗卫星，通过采用载波相位观测值求差可消除接收机钟差。接收机噪声包括电子器件、卫星信号的互相关联等，接收机噪声具有很大偶然性，造成伪距偏差约1 m内。

卫星精确定位依据精确授时，时钟误差影响站星距离计算精度，包括卫星自身产生钟差与接收机造成钟差，载波相位测量必须使二者时钟一致，准确测量载波相位观测值必须消除偏差。卫星钟差处理可采用广播星历钟差改正，精度要求高可采用定位相对方式消除钟差。

3 北斗导航载波相位差分误差修复

载波相位差分定位精度高，载波相位差分定位关键问题是处理观测值产生周跳，处理不好整周模糊度问题会增大定位误差，使得位置坐标偏差大。由于接收机故障造成周计数突变，故障消失后周计数开始计数造成未连续。产生周跳原因较多，可分为卫星信号中断与卫星信号信噪比降低。

GNSS测量时根据数学理论构造检验量消除载波相位观测值系统误差，周跳探测可通过检查检测量时间序列，检测量变化与评判标准存在差异，不在指定范围内存在周跳，须对周跳进行探测，通过周跳改正数修正。通常通过多项式拟合法，高次差法等进行周跳检测与修复。发生周跳后观测值曲线变化非连续不断函数，周跳前观测值随时间连续变化，周跳后观测值在周跳产生出突变，可借助载波相位观测值检测周跳出现历元修复。

载波相位差分技术难点是周跳的探测与修复、整周模糊度确定问题。确定整周模糊度算法可分为实时动态非静态定位与接收机静止定位，整周模糊度解算法可分为单元与历元解算。单元是通过一个观测值固定整周模糊度，求解模糊度成功率较低。历元须利用多个观测数据求解整周模糊度，求解成功率较高。整周模糊度确定通过方法估算后验证得到模糊度正确性。求解方法可分为坐标范围模糊度搜索技术、基于观测值范围搜索技术。最经典高效的方法是最小二乘降相关LAMBDA法。实时解算用户接收机精确坐标须确定整周模糊度，接收机运动中出现信号失锁等导致无法修复，动态定位中整周模糊度求解，需要多个历元观测数据确定整周模糊度，目前主要方法有最小二乘降法、模糊度函数法等。不同求解整周模糊度的方法思路不同，最简单的是利用伪距辅助估算。

最小二乘降法须连续观测2个以上历元，可进行整周模糊度求解。考虑基线长度约束时，模糊度搜索空间改变，称为CLAMBDA法，排除不可能的模糊度，对模糊度进行最优估计。考虑基线约束后模糊度确定搜索空间改变，有助于搜索模糊度，观测历元数目较少时求得浮点解存在较大误差，通过基线约束条件可增加求解正确性。

4 结语

精密定位技术是国内外学者研究的热点，针对可能出现信号失锁，导致定位不精确，本文研究北斗载波相位差分定位算法，对载波相位差分定位技术进行比较，研究载波相位差分定位技术原理，明确消除误差的重要性，研究使用周跳探测相关算法，将多项式拟合法结合小波变换法探测周跳，研究整周模糊度在航解算普遍使用方法，研究基于基线约束求解模糊度方法，缩小模糊度搜索空间。