卫星导航增强系统与方法的新进展 刘经南 武汉大学

内 容 提 要 导航卫星增强系统概念 增强系统发展历程和趋势 卫星定位增强系统发展 增强系统关键技术发展 总结与展望 系统软件 1 2 3 4 5 总结与展望 2010-1-11 Wuhan University

导航卫星增强系统概念 为克服导航卫星系统在精度、可靠性和可用性方面的脆弱性 利用局域、区域和广域的卫星跟踪基准站数据对导航卫星系统信号的星历、钟差、电离层大气层传播延迟等误差进行确定并向用户播报，供实时用户进行定位修正 甚至通过增加卫星或地面的测距信号源 以提高系统的导航定位的精度、可用性、 可靠性的相关技术、方法和系统

导航卫星增强系统发展历程和趋势 基于伪距观测值 基于载波相位观测值 广域和区域统一的非差网络 RTK 广域增强系统（WAAS） 局域增强系统（LAAS） 广域差分定位 区域网络RTK 广域非差精密定位 区域差分系统 常规RTK 精密非差点定位(PPP) 伪距单点定位 单历元双差定位 单历元非差定位 基于伪距观测值 基于载波相位观测值 4

卫星定位增强系统的发展 QZSS 广域差分GPS系统和WAAS 北美：WAAS 欧洲：EGNOS 日本：MSAS（MTSAT Satellite-base Augmentation System） QZSS 印度：GAGAN 中国：北斗一代/二代增强系统

卫星定位增强系统发展 WAAS的全球进展 世界已建或在建 WAAS 系统 WAAS EGNOS China MSAS GAGAN SA/WAAS 世界已建或在建 WAAS 系统

卫星定位增强系统发展 美国WASS系统

卫星定位增强系统发展 欧洲EGNOS系统

卫星定位增强系统发展 MTSAS系统结构 日本气象局和交通部实施 为日本飞行区的飞机提供全程通讯与导航服务 GPS Constellation MTSAT Sapporo GMS NTT 64Kbs 为日本飞行区的飞机提供全程通讯与导航服务 User Kobe MCS Ibaraki MCS Fukuoka GMS Tokyo GMS KDD 128Kbs MCS Master Control Station MRS Monitor and Ranging Station GMS Ground Monitor Station Hawaii MRS Naha GMS Australia MRS

卫星定位增强系统发展 日本QZSS 日本政府和企业联合开发的准天顶卫星系统 满足日本山地、峡谷和城市高楼区高精度车载用户导航需求的另一增强系统，系统拥有3颗高椭圆轨道IGSO卫星 能确保60度以上仰角空间至少可见到 1颗IGSO卫星 将为日本及邻近国家的GNSS服务提供与GPS兼容的额外测距信号，从而提高定位的可用性、精确度和可靠性

卫星定位增强系统发展 北斗一代增强系统

卫星定位增强系统发展 JPL全球差分GPS系统 - IGDG 它是一个全球性精密非差定位系统 GDGPS Operations Center Internet Uplink Broadcast TDRS Space users Internet Terrestrial and airborne users Iridium Inmarsat NASA’s global real time network 它是一个全球性精密非差定位系统

卫星定位增强系统发展 局域差分增强系统(LASS)

卫星定位增强系统发展 卫星导航广域差分和广域增强系统的关键技术 提高定位精度的相关技术 提高系统可用性的 相关技术 计算并发播卫星轨道和钟差的实时修正数 计算并发播广域的电离层实延迟时修正数 提高系统可用性的 相关技术 发射带有测距码的通信卫星 (GEO/IGSO/LEO) 地面安置带有测距码的伪卫星 提高系统完好性(可靠性)的相关技术 建立卫星系统卫星健康状态的实时监测 接收机对卫星信号状态的自主监测

卫星定位增强系统发展 区域连续运行卫星定位服务系统-CORS CORS是利用GNSS技术、计算机网络技术、通信和移动通信技术组成的基准站网络，提供移动定位、动态框架等空间位置信息的服务系统 区域性CORS不仅是动态的、区域的空间数据参考框架，同时也是快速、高精度获取空间数据和地理特征的信息基础设施之一

建设中的我国区域GNSS连续运行参考站服务系统 卫星定位增强系统发展 建设中的我国区域GNSS连续运行参考站服务系统 呼和浩特 北京市 哈尔滨 乌鲁木齐 沈阳市 昆明市 杭州市 兰州市 上海市 西安市 湖北省 成 都 福建省 重 庆 河南省 武 汉 湖南省 东莞 山东省 深圳 江西省 广东省 广西省 江苏省 河北省 天津市 山西省 刘经南、刘晖，2008

全国已建地区CORS网 刘经南、刘晖，2008

卫星定位增强系统发展 研究试验中的中国广域实时精密定位系统

增强系统关键技术发展 常规RTK技术 意义：实现了实时动态精密定位，从而提供了快速测量、精密测图、工程放样和工程监控的新技术 结构：一个参考站+若干流动站 通信：VHF，UHF，扩频，跳频 关键技术： 动态双差相位模糊度搜索与固定（OTF） 精度：水平：1 至 3厘米 ；垂直：2 至 5厘米 工作距离：小于10 千米 意义：实现了实时动态精密定位，从而提供了快速测量、精密测图、工程放样和工程监控的新技术

增强系统关键技术发展 常规RTK存在的问题 工作距离短 定位精度随距离的增加而显著降低 单参考站模式可靠性差 大的区域内作业需要多次设站或设立多个参考站

增强系统关键技术发展 网络RTK 依靠通信网络将多个基准站数据实时传输到计算中心，联合若干基准站数据解算电离层、对流层影响并用移动通讯告知用户，以提高RTK定位可靠性和精度的方法

增强系统关键技术发展 网络RTK技术种类 VRS: Trimble 推出, 软件:GPS-NETWORK 需要双向通信，支持GSM、GPRS通信 用户无须添置其它设备 MAX和iMAX: LEICA开发, 软件: SPIDER 支持双向或单向通信，支持GSM、GPRS通信 FKP: 汉诺威Geo ++开发, 软件: GNSMart 单向通信；用户需要专用解码器 CBI: 武汉大学研发，软件:POWER-NETWORK 支持RTK和PPP；单向或双向通信；用户可选专用解码器

增强系统关键技术发展 精密单点定位技术 Precise Point Positioning，记为PPP 利用某一广域的基准站网络提供的预报卫星精密星历或事后精密星历作为已知坐标；同时利用某种方式得到的精密卫星钟差作为已知钟差；用户利用单台双频双码甚至单频接收机的观测数据在数千万平方公里乃至全球范围内的任意位置都可以2-4dm级的精度进行实时动态定位或以2-4cm级的精度进行较快速的静态定位 精密单点定位技术是实现全球精密实时动态定位与导航的关键技术，也是卫星定位方面的前沿研究方向

增强系统关键技术发展 精密单点定位技术挑战问题 基本观测方程 初始化时间 整周模糊度固定问题 非差技术只能解实数模糊度 基本观测方程 卫星和接收机伪距/相位硬件延迟（UHD），非差方法无法消除，利用网的差分信息可消除

增强系统关键技术发展 整周模糊度固定问题 宽巷WL组合观测值的UHD影响 ---常数、稳态

增强系统关键技术发展 整周模糊度固定问题 窄巷NL组合观测值的UHD影响 ---非常数、但在一段时间符合很好

增强系统关键技术发展 整周模糊度固定问题 BJFS站利用此方法验证的结果

增强系统关键技术发展 利用CORS确定区域电离层模型内插测站非差电离层改正 Christian Rocken等学者于2000年提出了HiRIM区域电离层模型，该电离层模型将双差电离层残差转化为非差电离层残差，并对其进行平面拟合建模。 参考网按照现有数据处理方案只能计算得到站间双差电离层残差，如何反算得到各测站卫星对的非差电离层延迟是HiRIM模型构建的关键。双差电离层残差量相对非差电离层延迟个数是秩亏的，因此需要对其赋予额外的基准才能实现转换，HiRIM模型在反算非差电离层残差时关键是基于以下两个假设 HiRIM模型在反算非差电离层残差时关键是基于以下两个假设： 对于任意一组测站对，其全部共视卫星的站间单差电离层残差加权和为零； 对于某颗共视卫星，在全部参考站处的非差残差加权和为零

增强系统关键技术进展 网络RTK与HiRIM方法在理论上基本是一致的，只是具体实现时有细微区别。 区别: 联系: HiRIM方法与网络RTK的比较 网络RTK与HiRIM方法在理论上基本是一致的，只是具体实现时有细微区别。 区别: 网络RTK：基于双差残差构建误差改正模型 HiRIM：每颗卫星分别构建误差改正模型 联系: 当电离层薄层高度设定为0时，HiRIM方法所得非差残差中包含的双差残差关系并未发生变化

增强系统关键技术进展 基于非差电离层改正数的网络RTK方法 由于对每个子网内任意测站每颗可视卫星方向精确内插其非差电离层改正，故本方法可用于单频机 基于该方法实现了对全球PPP与区域RTK在技术上的统一和服务上的无缝连接。使网内和网外用户基于同一种PPP数据处理模式获得不同精度需求的精密定位服务，在此可称之为基于PPP的统一广域与区域网络RTK定位

增强系统关键技术进展 基于非差的全球/局域网络统一RTK方法 对比 传统PPP 统一PPP的RTK 网络RTK 范围 全球 区域/全球 区域 解算模式 PPP RTK 改正信息 状态域 状态域/观测值域 观测值域 轨道 提供 卫星钟差 电离层延迟 改正 对流层延迟 估计 接收机钟差 观测值 LC L1/L2/LW/LN L1/L2/LW 收敛时间 ~1800s 10-50s 静态定位精度 ~5cm 1~3cm 动态定位精度 15~20cm

增强系统关键技术进展 基于非差电离层改正数的网络RTK服务流程 服务流程 作者根据全部参考站利用PANDA软件网解所获取的相应参数信息开发实现了直接法区域误差模型构建，以及逐历元精密定位部份程序。用户端单频观测数据在采用直接法区域误差模型进行改正后，可认为不再受电离层延迟、对流层延迟、卫星硬件延迟、卫星轨道误差和卫星钟差等误差影响，此时可利用模型改正后的L1载波相位观测值和C/A码伪距采用PPP模式进行逐历元模糊度快速固定和精密定位。用户端数据处理时既可以估计测站天顶对流层延迟的残余量，也可按照所构建的区域对流层模型根据用户站近似坐标内插得到对流层延迟信息，将其作为真值引入用户端数据处理，从而减少未知参数个数，提高解的强度，最终加快模糊度的收敛时间。 32

试验及结果分析——基于非差电离层改正数的单频网络RTK方法 算例（江苏CORS网）——170km 数据处理模式 检测站个数 检测时段数 卫星轨道 卫星钟差 rms_E (mm) rms_N (mm) rms_U (mm) 模糊度收敛时间 L1静态 9 220 igs 7.9 9.5 38.5 15.1 rec 10.3 38.8 14.9 brd 7.7 9.0 38.4 15.0 8.1 38.7 L1动态 9.9 13.5 42.3 20.1 13.4 42.0 20.0 13.6 20.3 注：数据采样间隔为30s

试验及结果分析——基于非差电离层改正数的单频网络RTK方法 算例（广州CORS网）——44km 数据处理模式 检测站个数 检测时段数 卫星轨道 卫星钟差 rms_E (mm) rms_N (mm) rms_U (mm) 模糊度收敛时间 L1静态 1 154 igs 8.3 39.8 11.2 rec 8.1 7.5 36.5 11.1 brd 7.4 37.2 11.5 36.6 L1动态 9.1 10.7 38.1 17.4 9.2 10.6 37.8 17.2 9.5 10.4 38.2 17.6 9.3 37.6 17.3 注：数据采样间隔为30s

总结与展望 GNSS在实时定位精度、可靠性和可用性方面存在脆弱性，局域、区域和广域增强系统是现在和未来都有许多需求而要研究和发展的系统 实时卫星精密轨道、钟差，非差模糊度搜索和完好性方法仍然是增强系统研究的重点和热点 基于非差电离层改正和硬件延迟分离技术的网络RTK方法实现了精密单点定位PPP和网络RTK技术的统一 作者根据全部参考站利用PANDA软件网解所获取的相应参数信息开发实现了直接法区域误差模型构建，以及逐历元精密定位部份程序。用户端单频观测数据在采用直接法区域误差模型进行改正后，可认为不再受电离层延迟、对流层延迟、卫星硬件延迟、卫星轨道误差和卫星钟差等误差影响，此时可利用模型改正后的L1载波相位观测值和C/A码伪距采用PPP模式进行逐历元模糊度快速固定和精密定位。用户端数据处理时既可以估计测站天顶对流层延迟的残余量，也可按照所构建的区域对流层模型根据用户站近似坐标内插得到对流层延迟信息，将其作为真值引入用户端数据处理，从而减少未知参数个数，提高解的强度，最终加快模糊度的收敛时间。 基于区域非差电离层改正和硬件延迟分离技术的网络RTK方法实现了区域增强系统和广域增强系统的统一 35

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