广域实时精密定位技术与示范系统基准站布局的设计与分析①

瞿稳科,孔 维

(北京市5136信箱,北京100094)

0 引 言

广域实时精密定位技术与示范系统是2007年国家高技术研究发展计划(863计划)地球观测与导航技术领域重点项目,是在广域差分和精密单点定位技术的基础上,集成先进的基准站观测数据实时采集处理、专用通信网络等技术,实现我国陆地、海洋和空中优于1m导航定位精度的卫星导航增强示范服务。该系统计划在全国范围内建设15个实时秒级采样率的基准站,构成广域实时精密定位技术与示范系统的实时基准站数据采集网络,并通过专用通信网络技术为广域实时精密定位技术与示范系统提供广域差分数据源。目前,美国联邦航空局(FAA)建设的广域增强系统(Wide Area Augmentation system,简称 WAAS)已经能够为北美洲地区陆地、航海和航空用户提供优于米级的导航定位服务[1]。由于广域实时精密定位技术与示范系统服务指标是依靠广域差分改正数来实现,包括导航星座的星历改正数、星载时钟改正数和电离层延迟改正数,而这些改正数的生成直接与地面基准站网络的布局有关,因此,对基准站的布局进行分析和研究直接决定着差分改正数的精度和示范系统最终服务性能指标的实现。

1 基准站布局设计的原则

导航星座地面跟踪基准站的根本目的是通过基准站的跟踪测量,实现对导航星座的星历改正数、星载时钟改正数和服务区上空电离层延迟改正数的计算,对于导航星座星历改正数、星载时钟改正数的计算主要是看基准站的实际分布形成的几何定轨条件,对服务区上空电离层延迟改正数的计算依赖于基准站与导航星座形成的电离层穿刺点的质量,这是因为基准站的布局决定着电离层穿刺点的有效数目、密度及几何位置等分布规律,尤其是现阶段使用格网电离层模型实现广域增强时,基准站的布局对格网电离层模型的外部精度影响很大,在这种情况下,基准站的布局通常情况下考虑的基本约束条件是基准站的几何定轨条件和跟踪导航星座弧段的长短。

1.1 几何定轨的条件分析

目前基准站对导航星座的几何定轨条件通过测算PDOP值和RDOP值来反映。PDOP是指用户等效距离误差 UERE(User Equivalent Range Error)到最终定位误差的放大系数,它反映了基准站站址布局位置对定位误差的影响;RDOP值反映了基准站站址布局位置对观测误差在定轨径向精度上的放大情况。但是,对于地球静止卫星(GEO),一般利用其在定点位置处与地面基准站监测网对应的位置精度因子(PDOP)值和径向精度因子(RDOP)值,对中轨道卫星(MEO)则分别分析几条有代表性的星下点轨迹对应的PDOP和RDOP值的变化[1]。

一般情况下PDOP值和RDOP值越小,几何法定轨的条件就越好。

1.2 跟踪观测导航星座弧段的时间长度

为了保证差分改正数在一段时间内的连续性和服务精度的稳定性,基准站对空间导航星座的连续跟踪监测具有重要作用。显然,基准站可监测时间越长,对系统精度和完好性监视等相关指标就越有利。目前,跟踪观测弧段的长短已经成为衡量基准站布局性能的一个重要指标。此外,几何法定轨作为卫星实时定轨的一个重要手段,其最基本的要求是同一时刻至少要有3个以上的基准站跟踪到同一颗卫星,因此,把基准站布局所能提供的几何定轨的弧段长短作为设计的一个约束条件直接关系着几何法定轨能够实现的时间段和相关的PDOP值变化。此外,基准站一般的跟踪监测区域的半径一般在300～1000 km,在区域大小一定的情况下,基准站数量越多,差分改正数的精度越高,但是当基准站数量确定后,基准站在服务区内具有较好的分布几何图形,并大致均匀才能最大限度地提高差分改正数的精度[2]。

基于中国陆地地区大部分在北纬15°～55°,东经70°～140°的区域内,并且西北部的导航定位精度比沿海地区低等情况,而且中国南海地区地处低纬度赤道区,电离层赤道异常明显地影响该地区上空的电离层分布,因此,东南地区基准站的分布密度适当要比其它区域高。

综上分析,在广域实时精密定位技术与示范系统数量确定的15个基准站中,基本的分布原则是:东南沿海和中部地区布局密集,西北地区分布稀疏。

2 基准站布局设计和合理性分析

综合考虑广域实时精密定位技术与示范系统对基准站精度指标的要求,以及基准站布局应该遵循的约束条件和服务区域电离层的实际情况,初步确定以下15个城市作为示范系统基准站的站址,这些城市分别是:北京、喀什、三亚、哈尔滨、成都、汕头 、乌鲁木齐、宁波、湛江、拉萨、兰州 、格尔木、郑州、武汉、昆明。基准站布局见图1所示。

图1 GNSS基准站布局图

依据图1中全国范围内设计了15个基准站,由于这15个站还不能获得足够的原始观测数据,因此,借助中国地壳运动观测网络的28个跟踪站的观测数据进行仿真分析,观测数据选UTC时2009年7月22日0时0分0秒至23时59分59秒。所选的28个站点分布如图2所示,分别为:BJFS(北京房山)、BJSH(十三陵)、CHUN(长春)、DLHA(德令哈)、DXIN(鼎新)、GUAN(广州)、HLAR(海拉尔)、H RBN(哈尔滨)、JXIN(蓟县)、KMIN(昆明)、LHAS(拉萨)、LUZH(泸州)、QION(琼中)、SHAO(上海)、SUIA(绥阳)、TAIN(泰安)、TASH(塔什库尔干)、URUM(乌鲁木齐)、WUHN(武汉)、WUSH(乌什)、XIAA(西安)、XIAG(下关)、XIAM(厦门)、XNIN(西宁)、YANC(盐池)、YONG(永兴岛)、ZHNZ(郑州)、QDAO(青岛)。仿真方法设计如下:

在上面所选的28个观测站中,采用与设计的15个站位置最接近的15个测站作为广域实时精密定位示范系统的基准站,其余的13站作为测试站,利用选取的15个基准站对导航星座的钟差改正数、星历改正数和服务区域上空的电离层延迟改正数进行计算,利用剩余的13个站的数据与计算出的改正数进行数据融合,通过数据处理进行精度分析,判断设计的基准站布局的合理性分析。在图2中,三角为选定的基准站,圆圈为测试站,测试过程分双频与单频两部分。测试结果见图3～15。

图15 KMIN站精度分析

3 结 论

从图3～图15的仿真计算结果可知,利用相近的15个中国地壳运动观测网络监测站数据作为基准站对导航星座的钟差改正数、星历改正数和站点上空的电离层改正数进行拟合计算,并把计算出的三类改正数与13个测试站的接收机进行数据融合,结合双频接收机电离层延迟的修正参数,最终这13个测试站的定位在东北天坐标系下都取得了理想的定位精度(厘米级),完全达到并超过了广域实时精密定位技术与示范系统的指标要求,这表明设计的15个基准站的分布是合理的。

对于单频接收机定位精度,由于电离层延迟是一个不可小视的误差源,何玉晶在《我国广域增强系统的基准站布局及数量分析》文章中对基于中国地壳运动观测网络站点情况下16个基准站和20个基准站布局情况下电离层的穿刺点数量进行了分析,所选择的16个基准站与本文选择的15个基准站位置分布趋势基本一致,其结论是选择16个或20个基准站虽然保证了我国大部分陆地地区每一个电离层格网点内都有一个以上的穿刺点,但是在西北、西南、东北部分靠近边境区域,由于穿刺点数量的减少,无论是使用三点拟合算法(T hree-Point Interpolation Algorithm Definitions)还是四点拟合算法(Four-Point Interpolation Algorithm Definitions),都会因为冗余数据不够导致电离层延迟改正数计算精度的下降,从而降低用户的定位精度,尤其是在导航星座与基准站之间角度变小时,误差会更大[3]。因此,在广域实时精密定位技术与示范系统基准站数量确定的情况下,对于西北、西南、东北部分靠近边境的区域,对于单频接收机,为满足广域实时精密定位技术与示范系统精度的要求,还需要借助参数化的电离层延迟模型进行辅助修正。

[1] U.S.Federal Aviation Administration.Local Area Augmentation System Performance Analysis/Activities Report[R].Atlantic City:U.S.Federal Aviation Administration,2006.

[2] Ruben Yousuf.Evaluation and Enhancement of the Wide Area Augmentation System(WAAS)[D].Calgary:University of Calgary,2005.

[3] 何玉晶等.我国广域增强系统的基准站布局及数量分析[J].测绘工程,2006,15(3):70-73.