（交通信息工程及控制专业论文）列车定位中应用GPS的选星方案分析与设计.pdf

j e 盘室獯太堂硬堂焦谂塞史塞撞囊 中文摘要 随着卫星导航和定位技术的发展，g n s s ( g l o b a ln a v i g a t i o ns a t e l l i t es y s t e m ) 在 剜车定位中的应瑶也日益广泛。采用g n s s 技术构建列车定位系统有着极大豹优 势，但是在实际应用中还需要解决列车运行中车载接收机定位精度的问题。 蠢_ | ；誊应用予剜车定位中静车载接狡橇熬定位精度主要受到卫星轨道编麓、对 流层电离层效应和多径干扰等影响。定位中的多径效应主要受到运行线路环境的 影响：铁路周溺环蓑较恶劣，g n s s 里塞信号赫受到轨旁物体的遮弑茅羹反射或折射 产生多径效应，而列率运行沿线环境变化较快，无法建立一个统一的模型来消除 多径予抗；同辩确车在运行予隧道袋涵洞较多区段，接收棍会在定位失锬与重薪 捕获卫星之间频繁切换，重新获得高精度位盟信息需要较长时间。 为消除多径效应对定位豹影响帮缩短接收机搜索卫星掰需的时闯，本文基于 选星法的思路，针对可设计专有定位算法的软件接收机，提出一种基于计算机视 觉技术获取轨旁障褥物遮挡状况的方法，翔断并选定车载接l | 芟机壹筏范围内的蜃 有有效定位卫星，排除可能产生多径干扰的卫星，减小定能误差。该方法是通过 图像聚集装置拍摄并记录辕旁障碍物，通过立体褫觉技术提取障碍物豹三维信息， 比较卫星和障碍物之间的位鬻关系来确定定位卫星是否有效，并从中选择定位精 度最商豹星座组合，作为软件接收机定位所需的参考量，完成定位解算。孰旁障 碍物的三维信息可被储存，当整条线路障碍物的遮挡状况被确定，车载接收机可 在运行中根据已知遮挡状况赢接选定有效定位卫星；在隧道或者涵、谲较多区段， 接收机可快速判断有效定位卫星，从而减少定位时间并获得高精度位置信息。 本文对该方法进行了仿真验证。实验采用数码相机记录测站周围的障碍物， 利用三维重构技术解算障碍物的信息，与接收机所处位置能接收到的卫星信息比 较。最终的实验结采表明该方法可排除产生多径干扰的卫星信号，改善定位精度。 关键诩：卫星定位；选星：多径干扰；立体视觉；障碍物 分类g - ： | 童褒趣盔堂毯士堂位绝塞j 隧型c a b s t r a ( 了i l w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs a t e l l i t en a v i g a t i o na n dp o s i t i o n i n gt e c h n o l o g y , g n s s ( g l o b a ln a v i g a t i o ns a t e l l i t es y s t e m ) i sw i d e l yu s e di nt r a i np o s i t i o n i n gs y s t e m t h o u 曲 g n s st e c h n o l o g yh a ss u c ha d v a n t a g e si np o s i t i o n i n g , t h ea c c u r a c yo fl o c a t i o n d e t e r m i n e db yo n b o a r dr e c e i v e r sn e e dt ob ei m p r o v e d f o ro r b i t a le r r o r , i o n o s p h e r ea n dt r o p o s p h e r ed e l a ye r r o ra n dm u l t i - p a t he r r o rt h e a c c u r a c yo fo n b o a r dr e c e i v e r si sa f f e c t e d m u l t i - p a t he f f e c to c c u r sf o rt h em a s ko f o b s t a c l e sa l o n gt h et r a c k g n s ss i g n a la r r i v e sa tt h er e c e i v e rt h r o u g hd i f f e r e n tp a t h s s u c ha sd i r e c ts i g n a la n dr e f l e c t e ds i g n a lf r o mt r a c k s i d eo b j e c t ss u r r o u n d i n gt h er e c e i v e r a n t e n n a n oi d e n t i c a lm o d e lc o u l db ec o n s t r u c t e dt oe l i m i n a t em u l t i - p a t he f f e c t f o r d i f f e r e n tt r a c kc i r c u m s t a n c e w h e nt r a i nm o v e si nt h e s e c t i o nw i t hm a n yt u n n e l s ， r e c e i v e r sw o r kb e t w e e nu n l o c k i n ga n dl o c k i n gs t a t e s 。r e * a c q u i r i n gh i g ha c c u r a c y p o s i t i o nc o s tm u c ht i m e am e t h o db a s e do ns e l e c t i n gs a t e l l i t e si sp r o p o s e dt ob eu s e di nt h es p e c i f i c r e c e i v e r st oe l i m i n a t em u l t i - p a t he f f e c ta n ds h o r t e nt h et i m e o fr e c e i v e r s l o c k i n g s a t e l l i t e sf o rt r a i nl o c a t i o n i ti sp r o c e s s e db ya c q u i r i n gt h et r a c k s i d ec i r c u m s t a n c eb a s e d o ns t e r e ov i s i o nt e c h n o l o g y , e s t i m a t i n ga n ds e l e c t i n gv a l i ds a t e l l i t e si nd i r e c tv i e wo f o n b o a r dr e c e i v e r s ，e x c l u d i n gs a t e l l i t e sa f f e c t e db ym u l t i - p a t he f f e c ti no r d e rt or e d u c e l o c a t i o ne r r o r s o b s t a c l e sa l o n gt r a c k s i d ea r er e c o r d e db yd c d v t h e3 di n f o r m a t i o n o ft h eo b j e c t si sr e c o n s t r u c t e dv i as t e r e ov i s i o nt e c h n o l o g y t h ev a l i d i t yo ft h es a t e l l i t e s i sd e t e r m i n e dt h r o u g hc o m p a r i n gt h ep o s i t i o nb e t w e e ns a t e l l i t e sa n do b s t a c l e s t h e c o n s t e l l a t i o nc o m b i n a t i o n sw i t ht h eh i 荫e s tp r e c i s i o n ，a st h er e f e r e n c ei n p u to fs o f t w a r e r e c e i v e r , i m p l e m e n tp o s i t i o n i n gc a l c u l a t i o n t h e3 di n f o r m a t i o no ft r a c k s i d eo b j e c t s c o u l db es t o r e d a f t e rt h ew h o l el i n ei n f o r m a t i o nd e t e r m i n e d ，r e c e i v e r ss e l e c tv a l i d s a t e l l i t e sd i r e c t l yf r o mc i r c u m s t a n c ed a t a b a s e t h er e c e i v e r sc o u l de s t i m a t ev a l i d s a t e l l i t e sf a s ti ns e c t i o n sw i t ht u n n e l s ，w h i c hm a ys h o r t e np o s i t i o n i n gt i m ea n da c q u i r e h i g ha c c u r a t ep o s i t i o n t h em e t h o di sv e r i f i e d b ys i m u l a t i o ne x p e r i m e n t 。t h eo b j e c t ss u r r o u n d i n ga m e a s u r e ds t a t i o nw e r er e c o r d e db yd ca n dp r o c e s s e db a s e do ns t e r e ov i s i o nt e c h n o l o g y - k e y w o r d s ：s a t e l l i t e sp o s i t i o n i n g ；s e l e c t i n gs a t e l l i t e s ；m u l t i 。p a t he f f e c t ；s t e r e o v i s i o n ；o b s t a c l e s c l a s s n 0 ： v 致谢 本论文的工作是在我的导师蔡伯根教授的悉心指导下完成的，蔡伯根教授严 谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响，蔡伯根教授的言传身 教以及谆谆教诲将是我继续科研工作的宝贵财富在此衷心感谢三年来蔡老师对 我的关心和指导 陈德望教授悉心指导我们完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都给 予了我很大的关心和帮助，在此向陈德望老师表示衷心的谢意。 王剑师兄对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意见，在此表示衷心 的感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，许鹏、李卓楷、宁松成、张雅静、孙二敬、 赵丽丽、陈思，刘彦廷，唐峻，李世欣、程君、罗鑫安毅，惠怀志、张峰，袁 振江、唐一哲、张琨等同学对我日常工作和论文中的研究工作给予了热情帮助， 在此一并向他们表达我的感激之情。 另外也感谢我的父亲母亲和家人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完 成我的学业 1 1 研究背景及现状分析 1 1 1 研究背景 1 引言 当前以实现铁路的“信息化”、。智能化”为目标的列车控制系统的开发与应 用在各个国家迅速展开铁路运营者希望提高运输效率，减少运营和维护费用 人们正在寻求性能更好、价格更低的列车控制、联锁解决方案来使得列车运行更 安全、更高效，由此给铁路运营控制和管理带来了一场大的变革 为了保证列车的安全运行，提高服务质量，需要列车与地面进行双向通信， 传输大量的数据，传统的基于轨道电路的列车运行控制系统( t b t i d t r a c kb a s e d t r a i nc o n t r 0 1 ) 已经不能满足现代轨道交通的要求，基于通信的列车控制系统 ( c b t c - c o m m u n i c a t i o nb a s e dt r a i nc o n t r 0 1 ) 是现代列车控制系统的发展方向 c b t c 是以计算机及无线通信技术为基础，通过地面有线网络及车地无线通信网 络，实现速度控制、迸路控制、间隔控制及安全防护的分布式安全控制系统 在c b t c 中，列车位置的实时跟踪是一个十分重要的问题在符合欧洲列车 控制系统( e r c s e u r o p e a nt r a i nc o n t r o ls y s t e m ) 标准的线路上，列车控制系统采用 里程计和应答器进行定位i ，通过应答器获得固定位置信息。然后校准里程计累积 定位误差。为了高精度、连续的列车定位，必须在铁路沿线大量铺设应答器，这 样给铁路建设和运营部门带来了高额的建设成本和维护费用；如果取消或者部分 取消应答器的话，需要增加复杂的车载设备，这样又会使车载设备的成本和维护 费用增加。因此，在不同的国家，铁路运营商和投资者都对e t c s 提出了质疑。 特别是在东欧一些国家，有着大量的低密度线路，这些线路大多数是单线铁路， 基础设簏不完善，需要改进列车控制系统以达到更高的安全性，增加运量，提供 更好的旅客信息服务，同时保证较少的运营、维护的费用。人们希望能够找到一 个显著提升系统性能、而且费用不高的升级方案。 为适应我国铁路更高的安全、快速和服务需求，增强市场竞争力，我国铁路 部门提出了发展适于我国国情的c t c s ( c h i n at r a i nc o n t r o ls y s t e m ) 系统的策略 1 2 , 3 1 。在我国铁路总体结构中，低密度线路占了很大一部分比重。截至到2 0 0 2 年， 我国铁路营业里程5 9 5 3 0 0 公里，双线及双线以上线路营业里程2 3 0 5 7 9 公里，自 动闭塞线路营业里程2 0 6 8 1 8 公里，半自动闭塞线路营业里程3 9 9 9 0 4 公里【4 j 。为 实现铁路运行管理和控制现代化，确保列车运行安全和提高运输效率，针对不同 层次的铁路线路，迫切需要装备性能先进、安全可靠的列车控制系统。除在高速 客运专线采用引进技术的列车控制系统外，国内对占运营里程近2 3 的半自动闭塞 和低密度线路的列车控制技术研究还涉及较少，其基本理论研究和技术储备均显 不足，只能引进国外的相关技术 基于卫星导航的g n s s ( g l o b a ln a v i g a t i o ns a t e l l i t es y s t e m ) 的列车定位系统 具有特定的优势，符合现代列车控制系统的需要。g n s s 可以降低成本，加速并普 及列车控制系统的过程 1 1 2 基于卫星导航的列控系统定位精度分析 g n s s 技术在高速发展，越来越多的g n s s 服务可以对列车定位产生重要的影 响。采用g n s s 技术进行列车定位，可以减少轨旁设备，以很低的成本实现互操 作性和安全性。基于g n s s 的列车定位系统能够对现有的定位系统进行补充，甚 至替代现有的设备对那些低密度的线路，特别是单线铁路和轨旁设备不完善的 线路，基于g n s s 的列车定位和控制系统更是具有很好的性能价格比。 列车运行时应用车载g p s 接收机定位三维视图如图卜1 所示。该图为反映列 车运行过程中典型定位图倒，列车左右两侧为障碍物示意。 图卜1 列控系统卫星定位视图 f i g l 一1a p p l i c a t i o no fg p $ i nt r a i np o s i t i o n i n g 在9 0 年代，很难想象卫星导航技术能够应用到铁路上。进行列车追踪等等 些安全相关的应用。目前可以利用的g n s s 是g p s 和g l o n a s s 。g p s 的定位精 度已经从水平精度超过1 0 0 m 提高到了现在的亚米级水平，同时，g p s 接收机的价 2 格也大幅下降。目前g n s s 单频接收机的价格已经低于1 0 0 欧元。g p s 和g l o n a s s 都是军方控制的系统，都可以民用，由于g p s 和g h ) n a s s 没有服务保证以及完 整性较低，2 0 0 0 年，欧洲启动了e g n o s 项目，这个项目是g n s s 导航在安全相 关领域应用的重要一步，e g n o s 为g p s 和g l o n a s s 提供补充，支持安全相关 的应用。e g n o s 提供三种信号：类似g p s 的导航信号，广域差分信号和完整性信 息。欧洲卫星导航系统g a l i l e o 在2 0 1 0 年也要投入运行g a l e u o 提供更可靠 的导航卫星信号，兼容美国的g p s 。g a l i l e o 提供五种服务，其中包括生命安全 服务( s a f e t y o f l i f e , s o l ) s o l 服务面向铁路等对安全相关的应用市场与此同 时，美国也宣布了g p s 的现代化计划，增加新的l 5 波段，到2 0 1 4 年，即使不使 用差分技术，g p s 的定位精度也能达到1 m 例 根据铁路的不同可以分为不同的分类，例如大运量( m a s s t r a n s i t ) 、城市旅客、 城际( t a t e r c i t y ) 、货运( f r e i g h t ) ，高速( m g hs p e e d ) 、磁悬浮( m a g ) ，轻轨( l i g h t r a i l ) 和缆车等等每种铁路对列车定位的需求是不同的。对于大运量铁路来说， 通常需要快速以及很短的时间间隔，需要比货运更精确的定位信息。同时定位的 要求随着应用场合的不同而不同用于路基维护、轨道监视的车辆需要复杂的定 位设备，需要更高的精度或者能够采集更多的信息，但是对于安全性方面的需求 来说没有列车控制、信号系统那么严格 欧洲的a l s t o m 公司也根据e t c s 和卫星定位技术的发展，研发了基于卫星 导航技术的适用于低密度线路的a t l a s 一枷列车控制系统 新近开通的青藏铁路根据其运量有限、沿线生活条件和工作条件较差、高原 冻土等特点，率先引进了美国g e 公司的基于卫星导航( g n s s g l o b a ln a v i g a t i o n s a t e l l i t es y s t e m ) 的列车控制系统增强型列车控制系统( i t c s i n c r e m e n t a lt r a i n c o n t r o ls y s t e m ) ，该系统采用差分导航定位，其中一点为位置已知点( r b c 差分 站) ，另一点为位置未知点( 即运行列车) ，利用已知点的导航解和已知位置之差 作为修正值，修改未知点的导航解。差分定位中的两台接收机是同时观测的，且 观测的卫星相同这样的差分解可以消除导航解的常量误差。 采用g n s s 技术构建列车定位系统有着极大的优势，但是在实际应用中还需 要解决列车运行中车载接收机定位精度的阿题车载接收机的定位精度主要还是 受到当地环境的影响，铁路现场环境恶劣，g n s s 卫星信号易被山体、隧道遮挡 导致精度下降甚至定位失效。列车运行路线上轨旁两侧的障碍物会反射和散射卫 星信号，产生多径干扰使接收机无法准确选定有效定位卫星，影响定位精度；列 车运行于隧道、涵洞较多的区段，卫星信号可能完全被遮挡，接收机会在失锁状 态与重新捕获卫星状态之间频繁切换，增加定位所需的时间 多路径效应引起的误差，随着反射物距离的增加衰减很快，这就使得多路径 3 效应的测站相关性很弱，即使很短的基线，两站间多路径影响差异也很大，站问 求差方法对多路径误差的消除作用不大，且没有较好的模型来改正。因而，多路 径效应己成为进一步提高定位精度的最大制约因素 多径效应的产生与接收机天线周围地理环境有关，无法建立统一的误差模型 来消除，目前国内外研究如何减小多径效应主要有以下几种技术：提高接收机的 距离测量精度如窄相关码跟踪环、相位测距、平滑伪距技术等；采用抗多径天线， 智能天线、扼流环天线，以及选择合适的天线安装位置和天线仰角的选择：抗多 径信号处理与自适应抵消技术等阿 1 2 本文主要研究目标 本文基于选星法的思想，提出一种适用于卫星定位的列车控制系统，辅助能 实现复杂定位算法的软件接收机，选择最合适的定位星座来完成定位解算的方法。 该方法通过判断g n s s 卫星、接收机、周围障碍物三者之阋位置关系来确定有效 定位卫星，消除多径干扰 参考各类文献中有关研究如何有效减弱或消除多径效应对定位精度的影响的 方法，可知消除多径干扰最简单的处理方法是选星法若接收机能收到较多的卫 星，则可对参与处理的卫星进行选择，去掉那些可能引起多路径误差的卫星，或 者去掉某颗卫星在某一时间段或某一高度角以下的观测数据，从而使多路径误差 对观测值的影响减到最小但是选星法也有其局限性，若考虑到观测卫星数较少， 或者引起多路径效应的卫星较多时，去掉过多的卫星或历元将会引起多余观测量 的大量减少，从而使得观测精度下降。要保持一定的精度，则必须增加较多的观 测时间，引起工作量的增加在多路径效应很强的环境条件下( 如城市中高层建 筑密集区) ，这种方法将失去意义。 本文所提出方法的可行性如下：铁路线路周围不会如同城区环境，线路大部 分区段周围环境较为开阔，密集高层建筑物产生的遮挡较少，接收机可以接收到 有效定位所需的至少四颗卫星及以上，因此可以避免选星法的局限性；为解决列 车经过隧道后要获得较高精度的位置信息，车载接收机需重新捕获定位所需的卫 星，耗时较长，通过判断隧道周围障碍物是否会对卫星产生遮挡，可获得该时段 内接收机收到的哪些卫星是有效的，如果能够把障碍物的信息储存在数据库中， 则在以后运行经过统一区段时，可直接选定有效定位卫星，减少接收机漫天搜索 定位卫星的时间 因此针对适宜采用卫星定位的列车控制系统，从最直观的选星思路入手，通 过安装在接收机周围的图像采集装置，记录列车运行线路周围障碍物的位置，利 用计算机视觉技术处理所记录的图像信息，提取障碍物相对于接收机的三维信息， 通过比较卫星信号传播路径上障碍物与接收机之间形成的遮蔽角和卫星此时的高 度角，可从接收机在被测点所能接收到的卫星当中进行筛选，直接锁定接收机直 视范围内的卫星，掉除可能受到多径干扰的卫星信号，消除多径干扰来获得定位 精度的改善。 1 3 本文主要研究内容 论文的工作分为以下几个部分： 本文在第二章中介绍了目前应用于列车定位最广泛的g p s 技术，并对其定位 过程中产生的误差以及各自的消除技术进行了分析，并着重介绍了多径干扰的减 弱和消除技术 本文研究的主要成果将作为高性能软件接收机选星解算时的重要输入参量， 因此在第三章中概述了通用型软件接收机关键技术，并对本文中主要针对的g p s 软件接收机作了部分描述； 本文提出的获取列车周围环境障碍物位置信息是基于图像处理和识别技术， 因此在第四章中概述了计算机视觉的部分知识。着重介绍如何通过二维图像信息 获取图像上的物体在世界坐标当中的位置； 本文在第五章中详细描述了所设计方法的各个组成部分，具体介绍了各部分 的设计思想和实现方式。 本文第六章按照本文提出的方法进行了一次仿真实验，并对实验过程以及结 果进行了分析，从实验结果可以看出，本方法可以达到消除多径干扰的目的，改 善定位精度。 本文的结论部分针对系统提出了一些改进建议，并对下一步将继续进行的工 作重点做出安捧。 5 2g p s 定位系统及定位误差消除技术 目前应用于列车控制中的卫星导航和定位系统主要包括g p s 和g 】撇s s ， 以及g n s s 中应用的局域增强方案，本章将对应用最为广泛的g p s 系统进行介绍。 2 1g p s ( 全球定位系统1 技术 当代的卫星导航系统是以人造卫星作为导航台的星基无线电导航系统相对 于近代发展的陆基无线电导航和自主式导航而言，是人类导航史上的一大飞跃 它能为全球陆、海、空各类军民载体，全天候提供高精度和高速度的三维位置， 速度和精密时问信息1 9 7 3 年，为了满足军事部门和民用部门对实时和三维导航 的迫切要求，美国军方制定了“授时与测距导航系统，全球定位系统”( n a v i g a t i o n s y s t e mt i m i n ga n dr a n g i n g g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t c m - n a v s t a r g p s ) 计划，通常 简称为“全球定位系统”( g p s ) ，提供高精度的、可连续的、实时的导航定位服务 它能同时提供用户的三维坐标、三维速度分量和精确定时它是目前技术上最成 熟且己实用的一种卫星导航和定位系统。 g p s 系统由三部分构成：空间星座部分、地面监视与控制部分和g p s 用户设 备部分r 码 ( 1 ) 空间星座部分 g p s 系统空间部分是指由多颖g p s 卫星组成的星座。该星座由2 1 颗工作卫 星+ 3 颗有源备份卫星组成，均匀分布在6 个倾角为5 5 度的轨道面上，每个轨道有 4 颗卫星。这些卫星以约1 2 小时的周期运行在地球表面以上约2 咖千米的六个 近圆轨道面上，形成同时覆盖全球的卫星网。这些g p s 导航卫星，借助地球自转， 可使地球上的任何地方至少能同时看到d 1 1 颗卫星，这对于一次有效定位已足够。 g p s 系统采用码分址( c d m a ) 体制将2 4 颗卫星分开。每颗卫星以相同的频 率和同样的调制方式使用各自难一的伪随机码发射信号。在星体底部装有多波束 定向天线，这是一种由1 2 个单元构成的螺旋天线阵，能发射u 和l 2 波段的信号， 其波束方向图能覆盖约半个地球。在星体两端面上装有全向遥测遥控天线，用于 与地面监控网通讯。此外，卫星上还装有姿态控制系统和轨道控制系统。因为g p s 系统采用被动定位原理，所以要求卫星装载的频率标准精度足够高，在经过多次 试验后，采用了休斯公司研制的氢钟作为频率标准，频率稳定度达到1 0 “d ，它 能使卫星的测轨精度优于1 米，从而大大保证了g p s 的精密定位的关键条件。 ( 2 ) 地面监视与控制部分 6 控制部分由一个主控站，5 个全球监测站和3 个地面注入控制站组成每个监 测站配有g p s 接收机监测站的主要任务是对每颗卫星进行观测，并向主控站提 供观测数据主控站采集各个监测站传送来的数据，根据采集的数据计算每一颗 卫星的星历、时钟校正量、状态参数、大气校正量等，并按一定格式编辑成导航 电文传送到注入站地面注入控制站也称作地面天线，地面控制站与卫星之间有 通信链路由主控站传来的卫星星历和钟参数以s 波段射频上行注入到各个卫星。 p ) 用户设备部分 用户设备部分主要是各种类型的g p s 接收机、数据处理软件及相应的用户设 备用户设备部分对用户来说是至关重要的空间部分和地面监控部分，是用户 广泛应用该系统进行导航和定位的基础，而用户只有通过用户设备，才能实现应 用g p s 导航和定位的目的用户设备的主要任务是接收g p s 卫星发射的信号，以 获得必要的导航和定位信息及参数，经过数据处理，完成导航和定位等工作 图2 - 16 p s 系统工作示意图 f i 9 2 1p r i n c i p l eo fg p so p e r a t i o n 2 2 定位误差来源及消除技术 影响测量精度的主要误差按性质可分为阐； 偶然误差：主要包括多路径效应，仪器构造引起的误差和观测误差； 系统误差：主要有轨道误差、钟差及大气折射误差等。 按来源可以分为： 与g p s 卫星有关的误差：轨道误差，相对论效应，卫星钟差； 与信号传播有关的误差：对流层折射、电离层折射、多路径效应； 与接收设备有关的误差：观测误差、天线相位中心偏差、接收机钟差； 其他误差：地球旋转影响、地球固体潮影响、地面基准误差、s a 频率抖动。 7 在这些误差源中，地球旋转影响、地球固体潮影响等误差经模型化改正后， 剩余残差对短基线的影响可以忽略短基线平差一般采用双差相位观测模型，根 据基线两端的相关性原理，可完全消除相对论效应、卫星钟差和接收机钟差的影 响双差模型对大气折射和卫星轨道误差也有很好的减弱作用。s a 政策在2 0 0 0 年己取消，即使有s a ，在双差模型下也能得到很好消除 多路径效应引起的误差，髓着反射物距离的增加衰减很快，这就使得多路径 效应的测站相关性很弱，即使很短的基线，两站间多路径影响差异也很大，站间 求差方法对多路径误差的消除作用不大，且没有较好的模型来改正。因而，多路 径效应已成为影响高精度、短基线进一步提高精度的最大的制约因素。 表2 - 16 p s 卫星导航定位误差的量级 t a b 2 1q u a n t i t yo fg p se r r o r s p 码伪距c 码伪距 误差源 无s 宥s a 无s 有s a 卫重星历 毛盖 5 r l l l o 4 0 m 5 m l o 4 0 m 电再蜃对建茂 2 1 0 0 m2 1 0 0 m 正模型误差 对漉屉时。建茂 d md md m d m 正模型谖置 测量谖置o 1 1 mo 1 l ml 1 0 m1 1 0 m 天蜣相位 q - o 误差 多路程儇量i mi m5 m5 m 2 2 1 轨道误差( 卫星星历误差) 的影响及消除 卫星轨道误差实质上是卫星星历误差指用卫星星历表示的卫星轨道与真正 轨道之间的不符值星历误差主要取决于诸如跟踪网的规模、跟踪站的分布、跟 踪方法，以及轨道计算的数学模型与软件等因素。任何g f s 接收机均可以从卫星 信号中得到广播星历进而计算出卫星轨道。用广播星历得到的卫星轨道，精度大 约为2 0 3 0 m ( s a 政策可能使其降低到1 0 0 m ) 9 1 。 精密星历是根据全球g p s 跟踪网的观测数据解算出的卫星轨道，在g p s 技术 的发展过程中，g p s 精密星历的发展也经历了不同的阶段，如早期的d m a 星历、 n g s 星历，c o d e 星历及目前广泛使用的i g s 综合星历等。1 9 8 4 年，b a u e r s i m a 给出了卫星轨道误差咖与其对基线影响幽之间的关系1 1 1 j ： 魁。幽( 2 - 1 ) b ， 式中，是测站到卫星的平均距离；b 是基线长度。大量的统计表明，卫星轨 道误差引起的基线相对误差为轨道误差与至卫星距离之比的十分之一至四分之 b 一可以用下式较精确地表示( a o t h a c h e r , 1 9 9 2 ) ： 一i d b l 幽 4 s 七1 0 ( 2 - 2 ) 西 k x r 早期的精密星历精度为几米乃至几十米，而最新的i g s 事后精密星历精度可 达2 c m 。在短基线定位时，若基线精度要求小于l m m ，考虑到其他误差的影响， 则星历引起的基线误差应控制在0 1 - 0 3 m m 对于小于2 0 0 m 的基线，即使有s a 政策的情况下，广播星历也能满足要求；对于2 0 0 m l k m 的基线，无s a 政策的广 播星历基本能满足精密定位要求；而大于l k m 的基线，数据处理时应根据需要采 用精密星历 2 2 2 大气折射改正 地球大气层根据性质不同分为对流层和电离层，当电磁波穿过不同的大气层 时，产生的折射性质也不同。对于短基线测量，大气折射误差即可根据基线两端 相关性特点在双差模型中消除，也可对对流层和电离层分别建立模型进行改正， 一般情况下均能取得很好的效果【l o j 1 对流层折射延迟及其改正 对流层是指高度4 0 k m 以下的大气层，由于离地面较近，大气密度很大，大气 的状态随地面的气候变化而变化，折射情况较复杂。对流层大气对于大约1 5 g h z 以下的射电频率呈中性，信号传播产生非色散延迟，使电磁波传播路径比几何距 离长，因而这一延迟通常叫做过剩路径长度( e x c e s sp a t hl e n g t h ) 对流层延迟的9 0 是由大气中干燥气体引起的，称为干分量；其余1 0 是由 水汽引起的，称为湿分量。由于大气层中的水汽分布在时间和空间上变化很大， 其折射误差很难准确预测，现有的改正模型只能改正湿分量的踟。因此，湿分 量成为限制对流层延迟改正精度的主要因素。另外在小网短基线的数据处理中， 所有测站上用测区平均气象元素或标准气象元素计算对流层改正效果更好。 2 电离层折射延迟及其改正 电离层是指大约5 0 k m 一1 0 0 0 k i n 的大气层。受太阳辐射作用，电离层中的物质 被电离成正离子和自由电子的形式电磁波的入射使带电粒向不同的方向运动， 从而产生附加的辐射波，并叠加到入射波上，这就是电离层对电磁波的折射作用。 电离层折射作用使入射波的相位传播速度( 相速度) 加快，而波内能量传播速度( 群 速度) 减慢。路径上的电离层延迟一般在3 0 n s 至1 5 0 n s ( 相当干9 - 4 5 m ) 之问变动。 在短基线精密定位中主要考虑的是相延迟。 经验表明，模型仅能改正电离层误差的5 0 到6 0 。电离层状态受1 1 年太阳 9 黑子周期，季节周期和日周期所支配太阳扰动和磁暴又使电离层发生不规则变 化电离层电子密度随太阳活动性、季节、一日内的时间和地磁纬度等因素变化， 难以用一个确定的模型描述 综上所述，在一般情况下，测区气象条件相对稳定，大气折射可以通过模型 化改正或者通过站问差分来充分消除。由于大气层变化有很大的随机性，大气折 射对基线的影响并不与基线长度成比例，特殊情况下大气折射仍可能对短基线精 度产生很大影响。特别是当测区气象条件变化剧烈时，如观测时段内湿气变化较 大( 如夏季雨后天晴) ，或者电离层中电子密度变化频繁时( 如太阳黑子活动期) ， 更应考虑大气折射的影响。可采用在一定的时间段( 如1 小时) 增加个大气折射改 正参数的方法来进一步消除经模型化改正或者站间差分改正后剩余的残差。 2 2 3 测量误差及天线相位中心偏差的改正 1 测量误差 g p s 测量误差主要包括观测的分辨误差和天线安置误差观测的分辨误差属 于偶然误差，一般约为信号波长的1 ，对于u 载波约为2 m m ，可通过重复观测 来提高精度。在短基线精密定位中，每条基线应保证1 5 小时至2 小时的观测时间 天线安置误差包括对中误差、整平误差及天线高测量误差。高精度精密定位中， 一般采用强制对中的观测墩，天线安置误差可控制在0 1 0 2 r a m 。 2 天线相位中心偏差 天线相位中心偏差一是指接收机的天线相位中心与测站标识中心的偏差可 以归入天线安置误差。其二是指由于接收的信号强度的变化，使得天线的瞬时相 位中心与几何中心产生偏差，这主要涉及天线设计和制造问题。在实际工作中， 整网观测宜采用同一类型天线，天线定向偏差保持在3 。以内，采用差分模型来削 弱天线相位中心偏差的影响。另外宜采用扼流圈天线这样有较好的相位中心稳定 性的天线i l l j 。 2 2 4 基线解算时地面起始点坐标引起的系统误差 在基线解算中，需要一个起算点，起算点的精度将影响基线解算的精度。而 g p s 基线解算时，往往采用单点伪距定位的坐标作为近似坐标，其精度为数米或 数十米，必然会影响到基线定位的精度。 当作为基准的起算点坐标出现误差时，将导致整个g p s 网基线向量解产生系 统性误差。这种系统误差主要反映为整网基线向量的系统性旋转和尺度的变化。 l o 起算点对基线解算的最大影响可以用下式表示： 6 $ 0 6 0 x 1 0 d 6 z ( 2 - 3 ) 式中，以为对基线的影响；d 为基线的长度；6 x 为起算坐标的误差。 如以起算点坐标误差对基线的影响量0 1 m m 为限，对于超短基线( 小于2 k m ) ， 其起算点坐标精度应优于l m 只需将起算点与国家a 、b 级网点联测半小时以上 即可得到。网中基线长度超过2 公里时，最好以国家a 、b 级点作为起算点，或者 起算点与国家a 级点同步联测1 2 4 小时l 埘 2 2 5 多路径效应及消除技术 g p s 卫星从约2 万公里高空向地面发射电磁波，地面接收机的天线可以收到 这种信号并跟踪g p s 卫星完成定位或导航任务但是g p s 发射的电磁波信号并不 是一条条的直线信号而是向四面八方的，地面上接收机周围必定有一些其他的物 体，这些物体或多或少要反射g p s 信号。因此，接收机天线不但收到了沿最小光 程路径来的g p s 直达信号，也会收到经各种反射物反射后到达接收机天线的信号 这两种经不同路径到达接收机天线的信号会产生叠加，成为一种新的复合信号 这种复合信号与直达信号相比会产生路径延迟和相位延迟，从而对定位结果产生 影响，这就是多路径效应现象 在一些复杂的环境下( 如城市环境) ，多路径效应也是很复杂的。图2 - 2 给出了 几种典型的多路径反射情况从图中可以看出，由于g p s 天线周围环境不同，在 不同测站上的多路径的多少、大小及对测量值的影响也不同。 图2 - 2 多路径反射示意图 f i 9 2 2m u l t i p a t he f f e c t a 代表一次反射方式；b 代表直射方式；c 代表地面反射方式；d 代表多次反 射方式。 1 1 要削弱多路径效应对接收信号的干扰，通常的办法有以下几种 1 3 1 ： ( 1 ) 采用特制的天线，以达到消除或减弱多路径影响天线制造上采用的抗多 路径技术主要有： 采用右旋极化天线，削弱左旋信号的接收强度； 底部安装抑径板，隔断反射物反射的低于天线的多路径信号； 采用扼流圈天线，阻断较低高度角的卫星信号和多路径信号； 轴式天线( b e a m - - f o r m i n g ) ，在有兴趣的卫星方向形成一个高增益的“轴0 放大直达信号的强度，减弱多路径信号的强度。但这种天线体积较大且实际很难 使用，因为需要测站天线姿态知识； 采用组合天线，提高组合天线主瓣增益，降低旁瓣增益，减弱多路径影响； 零位自适应天线，通过调节自适应天线的零增益方向与最大多路径干扰方 向一致来减小等效反射系数，实现抗多路径由于同时接收的g p s 卫星较多，因 此此法必然形成一个多输入多输出的天线阵列，将使天线结构变得很复杂。 通过天线设计的方法来减少多路径误差存在很大的局限性右旋极化天线只 能解决一部分问题，而加装抑径板和扼流圈只对低于天线的反射及很低的高度角 来的多路径信号起到抑制作用，轴式天线、天线阵列、零位自适应天线，由于造 价高，不适于野外使用，因此实际意义不大。 ( 2 ) 对接收机内部鉴相环路进行改进： 窄相关技术0 v a r r o wc o r r e l a t o r ) ，由v a nd i e r e n d o r u k 等提出主要思想是采 用一个较小的早，迟信号时延，来改善多路径环境下的码跟踪环路的跟踪精度【1 4 1 多路径估计技术( m e t ) 。多路径估计技术( m u l t i - p a t he s t i m a t et e c h n i q u e ) 是由 t o w n s e n d 和f e n t o n 于1 9 9 4 年提出的，主要是采用接收机接收的信号的自适应函 数的斜率来估计在多路径环境下。码对于直达信号的相位延迟，从而来减少多路径 对观测量的影响旧。 多路径估计延迟锁定环( m e d l l ) 。多路径估计延迟锁定环( m u l t i - - p a t h e s t i m a t i n gd e l a yl o c kr o o p ) 理论由v a nn e e 于1 9 9 5 年完成。当接收机处在一个多 路径环境下时，m e d l l 能通过增加估计信号的数量来提高对输入信号的拟合，进 而把多路径信号与直达信号区分开来。由于m e d l l 方法要在接收机跟踪环路上 使用很多的相关器，使得接收机的结构变得很复杂。一种改进的方法是采用自适 应滤波技术( a d a p t i v ef l i t c f l ，可以极大减少相关器的数量f 1 6 1 。 选通脉冲相关器技术( s t r o b ec o r r e l a t o r ) 这种方法的基本思想是在接收机相 关器中，选通脉冲不再使用规则的伪随机噪声码来复制码，而是由特殊的选通脉 冲序列所产生的可选参考码复制码来代替。该技术可以克服延时锁定环锁住反射 信号或者很窄的锁定范围带来的问题。 改进跟踪环路的方法实用性较强，其中前两种方法，只考虑了多路径对d l l 环路的影响，而未考虑其对p l l 环路的影响，因此，对多路径消除的程度较小 而m e d l l 和增强选通脉冲相关器技术能很好地减弱高频多路径信号，进而通过 载波平滑技术可充分减小码多路径，但对于离天线很近的反射物产生的低频信号， 则很难消除且这种方法主要涉及硬件制造技术，其使用极大地增加了接收机跟 踪环路的复杂性，也只能是厂家研究的方向，而对于大多数用户来说，要很好地 消除多路径影响，达到很高精度，只能考虑后处理方法 ( 3 诳后处理过程中来考虑多路径干扰。通过模拟多路径产生的环境来估计多 路径引起的载波相位误差的大小，再加以改正。较常用的方法是建立多路径效应 模型： 一种方法是对具体的接收机天线及其所处的环境，根据电磁波传播的反射、 衍射几何学理论，基于对特定天线的天线增益，天线周围物质的反射属性及与天 线的几何关系的了解，来模拟电磁波射线的