卫星导航差分系统和增强系统（三）

+ 刘天雄

2.3 实现方案

2.3.1 局域差分系统

局域差分系统（Local Arae Differential GNSS，LADGNSS）的工作原理建立在基准站和用户的误差与同一时空相关基础上，基准站和用户对导航卫星同步同轨跟踪，通过伪距差分技术，当基准站和用户之间的距离间隔小于150km时，用户定位精度一般优于5m。当基准站和用户之间的距离增大，特别是间隔大于300km时，基准站和用户之间定位误差的相关性就会减弱，用户定位精度就会迅速降低。

LADGNSS系统包括基准站、数据通信链和用户终端三部分，如图5所示。LADGNSS系统基准站需要有厘米级精度的三维位置坐标，基准站周围在全视野内至少应有高度角5°以上的净空间，基准站配置的导航接收机应能提供伪距和载波相位信息，以及与之匹配的自动气象记录仪。用户导航接收机应具备接收差分信号和解调解码功能。

图5 LADGPS系统组成及信息流

在大多数运行的LADGNSS系统中，基准站不测定位置坐标误差，而是测定并广播每颗可见卫星的伪距校正值。在LADGNSS方案中，参考站的位置是确定的，并播发差分修正信息，LADGNSS无线链路所用频段为100kHz～1.5GHz。LADGNSS定位精度取决于用户与参考站的距离，以及无线电链路发射差分修正信息的延迟量。LADGPS系统主要应用于城市或近海域建立一个或多个基准站和播发站的LADGNSS网，提供较高精度的实时导航和定位服务。

20世纪80年代后期，为满足美国对海事导航的定位精度需求，美国海岸警卫队USCG研发了海事GPS差分系统——MDGPS，从1989年开始陆续改造MDGPS系统的无线电信标，采用283.5kHz～325.0kHz频段，广播RTCM SC-104电文格式的GPS差分改正数据，数据传输速率为100bps，覆盖美国沿海区域、大湖地区、美国大陆的内河水路、夏威夷、阿拉斯加以及波多黎等地区。1999年3月投入运营以来，即使在GPS实施选择可用性SA期间，MDGPS能为离参考站100km的用户提供1～10m（95%）的定位精度。

2.3.2 广域差分系统

局域差分系统只有一个基准站，当用户远离基准站时，用户定位精度将逐渐恶化。为了克服这个问题，美国研发了GPS广域差分系统（Wide Area Differential GPS，WADGPS）。WADGPS系统将大量基准站均匀离散分布在不同的位置上，将观测误差按误差的不同来源划分为星历误差、卫星钟差以及大气对流层折射和电离层延迟误差。基准站接收并预处理GPS信号，同时将计算出来的差分信息利用地面光纤传输给中心处理站，中心处理站分析来自各地基准站的DGPS信息，给出中心站视界范围内的每一颗GPS卫星的信号的差分修正参数，然后上传给地球步静止轨道卫星，由卫星再把差分改正数广播给地面用户。

广域差分技术的基本思想是对GNSS观测量的误差源加以区分，并对每一个误差源分别加以“模型化”,然后将计算出来的每一个误差源的误差修正值，通过数据通讯链广播给用户，对用户接收机的观测误差加以改正，以达到削弱这些误差源影响，改善用户定位精度的目的。它克服了技术中对参考站和用户之间时空相关性的限制，提高了较远距离时用户的定位精度及可靠性。关于差分技术所针对的误差元主要包括卫星星历误差、卫星钟差以及电离层延迟误差。改正了这些误差影响，即使用户接收机为单频，也能获得较好的定位精度。

卫星长期误差校正：校正由卫星时钟和星历引起的误差，以四维矢量的形式播发误差，广播频率1次/120秒；

卫星快速误差校正：校正卫星时钟快速变化误差，以标量形式播发，广播频率6次/秒；

电离层延迟校正：校正电离层延迟误差，使用电离层网格模型，播发各个网格点校正模型，用户接收到网格点数据后，按照内插法计算本地电离层延迟，广播频率1次/300秒。

WADGPS包括多个分布式基准站，或成为一个基准站网络（每个基准站包含一个或多个GPS接收机，它们测量所有可见卫星所广播信号的伪距和载波相位）、一个或多个中央处理站（处理基准站提供的伪距和载波相位原始数据，以获得每颗卫星的广播星历和广播时钟误差的估计值），以及一条为用户提供校正值的数据链（差分修正信息按特定方式通过通信卫星或者地面调频广播提供给用户），系统组成如图6所示。

WADGPS系统提供给用户的修正量与DGPS和LADGPS系统不同，WADGPS系统从覆盖区域的参考站网络采集测量数据并处理，把伪距误差分解成其各个分量（星历修正量、时钟偏差修正量以及电离层和对流层时延参数），并对整个区域估计各个分量，并对每一个误差源分别加以“模型化”，然后将计算出来的每一个误差源的误差修正值（差分修正值），通过数据通信链传输给用户。

WADGPS系统对整个区域估计各个观测量的误差，精度与用户和基准站的远近程度无关，因此WADGPS系统克服了LADGPS系统中基准站和用户之间时空相关性的限制，提高了差分GPS定位精度及定位可靠性。目前WADGPS系统的水平定位精度可达1m，垂直定位精度可达1.5m。

图6 WADGPS系统系统组成

在此基础上，美国建设了国家差分GPS系统（Nationwide Diあerential GPS System，NDGPS），NDGPS是美国地基GPS差分系统，为美国大陆本土和水路用户的GPS差分定位服务，由美国海岸警卫队、美国联邦铁路管理局、联邦公路管理局运行管理，170个参考基站分布在美国大陆，并将原美国空军地波急救网络（GWEN）站升级为NDGPS参考站，地面参考站的广播天线安装在100m高的塔上，无线电信号作用距离为400km，采用数字广播方式播发GPS信号的差分修正信息，差分信号播发流程如图7所示，实时精度1～3米，后处理精度2～5厘米。

NDGPS在美国大陆的大部分地区可以实现双重覆盖，如图8所示，为美国水陆运输、农业、林业、资源勘察、环境管理、应急救援等领域提供高精度的定位服务，目前已有五十多个国家采用NDGPS标准建造了GPS地基差分系统。

NDGPS已启动现代化工作，包括建设高精度NDGPS系统（High Accuracy NDGPS，HA-NDGPS），HANDGPS系统在服务覆盖范围区域内提供10～15cm的实时定位精度，如前述，当前NDGPS的定位精度为1～3m，而GPS标准定位服务的精度为10～16m，将定位精度的比较如图9所示。

目前商业运作比较成功的广域差分系统有OmniSTAR、SkyFix和StarFix系统，提供GPS差分定位服务，OmniSTAR在陆地应用，SkyFix和StarFix系统主要在海上应用。OmniSTAR利用分布全球的100多个地面参考站，为用户提供亚米级、优于20cm、优于10cm的三种精度水平的差分定位服务。

亚米级定位服务基于虚拟基准站（VBS）的模式，每个参考站单独跟踪GPS卫星并计算伪距差分改正数，采用RTCM格式对伪距差分改正数编码并播发给用户，用户接收机采用距离倒数加权最小二乘法估计虚拟参考站改正数。利用载波相位观测和精密单点定位技术，提供参考站网络估计的GPS卫星星历和钟差信息，电离层延迟的影响通过双频接收机加以消除，实现优于20cm的定位服务。利用载波相位改正数和双频数据处理，实现优于10cm的定位服务。SkyFix和StarFix系统概念与OmniSTAR系统类似的精密单点定位技术，但实现方式不同，利用商业地球静止轨道卫星播发差分信息，与GPS接收机联合解算用户位置，详见www.omnistar.com及www.skyfix.com网站相关说明。

美国John Deere集团的NavCom和精准农业公司研发了GPS广域差分系统——StarFire，利用分布全球的60多个地面参考站、2个位于美国的独立控制中心、3颗Inmarsat公司转发器播发L频段差分改正数据（GPS卫星星历和钟差数据），通过双频接收机消除电离层延迟的影响，为用户提供24小时的亚米级和亚分米级定位服务，详见www.navcomtec.com/StarFire网站相关说明。

图7 NDGPS系统差分信号播发流程

图8 美国国家差分GPS系统（NDGPS）服务覆盖范围

图9 NDGPS和HA-NDGPS的定位精度