（大地测量学与测量工程专业论文）gps伪卫星组合定位技术及其应用研究.pdf

摘要 摘要 g p s 作为当今最先进的测照手段之一，其定位理论和技术己在大蛾测量、 精密工程测量、地壳运动监测铸诸多领域得到广泛应用。但在深山峡貉的水电 工稔形交鉴测中成瘸g p s 定位时，由于卫星接号遮菠严重使定位精度迅遴下降； 舞纛受系统本身瓣些先天健黼索限制，凹s 在垂直方辩t 静定位误豢邋常为 水平方向的2 3 倍。此外，翻前在地下、爨内和隧道中还无法直接利用g p s 进行观测。 锈卫星定往搜零是簿决嵇s 瑰存露赣豹骞效途径之一。采爵爨黧墼增嚣 ( 滑s 进行定位麓够增加可用璧数目，改善您篷星座几何阁形结构，从硒提高系 统的定位精度和可靠性；附加的伪卫星观测擞还有利于增强g p s 模糊度的解算， 提辫搜索速度_ 和熊算精度。本文研究g p s 和伪卫星组合定位方法，主要的研究 内容妇下： 1 系统地介绍了伪卫星定位原理及其应用中一些关键技术问题：针对g p s 伪 卫星不同组合定位方式的观测模型，莺点研究了伪卫攫和单频o p s 接收机 豹组会系统， 2 针对常规g p s 对流层模溅及伪卫星信譬传播的特点，深入研究伪溅篷对流 层延迟改形模型，并进行计算分析，比较各模型在不同观测状态下的改正 效果。 3 基于魏至鬃多路径误差懿耱经霰定会璞瓣稷函数，攀l 箱改进最夺二豢法绩 计出多路径误差改正参数，以修正0 p s 伪卫星组合系统中的多路径偏差。 4 设计g p s 伪卫星组合定能解算程序。藏要包括数据读入、单差、双箍处理、 信号豹蘩复岛检测、f a r a 算法求解援襁痉隰及基线囱量殡算等予模块。 5 乖j 用自行藕麓的g p s 傍卫星组合系统定位解算软释燕现了信号检测与修复 子模块的功能。通过实测数据的计算缡果验证了在有效消除和减弱伪卫星 多路径误差蘑，g p s 伪卫星组合定位精度得到显著的提高。 关键词：伪溅星、g p s 、组合系统、对流层模型、多路径效应 a b s t r a c t a so r eo f t h em o s ta d v a n c e ds u r v e y i n gt e c h n i q u e s , g p sh a sb e e nm o r ea n d 蠡k 孵 w i d e l yu s e di ng e o d e t i cs u r v e y , p r e c i s ee n g i n e e r i n gs u r v e ya n dc r u s t a lm o v e m e n t m o n i t o r i n g 。h o w e v e r , i ts t i l lh a sm a n yp r o b l e m so nt h ea c c u r a c y , r e l i a b i l i t ya sw e l l 瑟t h e l i i g hc o s t u n d e rp o o ro b s e r v a t i o ne n v i r o n m e n t s 。g p sp o s i t i o n i n ga c c u r a c yd e c r e a s e s s i g n i f i c a n t l yb e c a u s eg p ss i g n a li sb l o c k e d m o r e o v e r , t h ep o s i t i o n i n ga c c m a c yo ft h e h e i g h tc o m p o n e n ti sg e n e r a l l y2o r3t i m e sw o r s et h a nt h eh o r i z o n t a lc o m p o n e n td u et o t h el i m i t a t i o mo fs a t e l l i t eg e o m e t r y f u r t h e r m o r e ，g p sh a ss t i l ln o tb e e nu s e di ns o m e a r e a ss u c ha su n d e r g r o u n d ，i n d o o ro rt u n n e l s p s e u d o l i t ep o s i t i o n i n gt e c h n i q u ei sa l le f f e c t i v et o o lt os o l v eg p s p r o b l e m sa b o v e p s e u d o l i t e sc a ni n c r e a s et h en u m b e ro fs a t e l l i t e sa n di m p r o v et h eg e o m e t r y t h i sw o r k w i l li n v e s t i g a t et h ei n t e g r a t i o no fg p sa n dp s e u d o l i t c st o i m p r o v et h ep o s i t i o n i n g a c c u r a c y t h ee m p h a s i si nt h i sw o r kh a sb e e np l a c e do n i b a s i cp r i n c i p l e sa n d s i g n a lf o r m a to f p s e u d o l i t e sa n dn a v i g a t i o nd a t aw e r e d e s c r i b e d s o m ek e yi s s u e si nt h ea p p l i c a t i o n so f p s e n d o l i t e sw e r ea l s od i s c u s s e d i nd e t a i l d i f f e r e n to b s e r v a t i o nm o d e l sf o rg p sa n dp s e u d o l i t e si n t e g r a t e d s y s t e mu n d e rd i f f e r e n ts i t u a t i o n sw e r eb u i l t 2 b a s e do nf a m i l i a rt r o p o s p h e r i cm o d e l sf o rg p sa n dt h ec h a r a c t e r i s t i c so f s i g n a lp r o p a g a t i o no fp s e u d o l i t e s ，d i f f e r e n tt r o p o s p h e r i cm o d e l sw e r ed i s c u s s e d s e v e r a ls i m u l a t i o n sw e r ea l s oc a r r i e do u tt oc o m p a r et h ep r a c t i c a lp e r f o r m a n c eo f t h e s em o d e l su n d e r 礅f f e r e n tc o n d i t i o n s + 3 b a s e do nt h ec h a r a c t e r i s t i c so f m u l t i p a t ho f p s e u d o l i t e s ，w e i g h tf u n c t i o ni s c o n f i r m e dr e a s o n a b l y , m u l t i p a t he 辩整c o r r e c t i o np a r a m e t e ri se s t i m a t e dw i 氇 l e a s t - s q u a r er o b u s t ， 4 as o f t w a r ep a c k a g ef o rd a t ap r o c e s s i n go f a ni n t e g r a t e dg p sa n dp s e u d o l i t es y s t e m w a sd e v e l o p e d h c l u d m gd a t ai n p u t ，s i n g l e d i f f e r e n c i n ga n dd o u b l e - d i f f e r e n c i n g , c y c l es l i pd e t e c t i o na n dr e c o v e r ya n df a r aa m b i g u i t yr e s o l u t i o nm o d u l e 5 as e to f o b s e r v a t i o nd a t ah a sb e e np r o c e s s e du s i n gt h i ss o f t w a r e i th a sb e e n 秽o c e s s e du n d e rd i f f e r e n ts c h e m eu s i n gt h es o f t w a r ed e v e l o p e d i t 啪b es e e nf r o m t h er e s u l t st h a tt h ea u g m e n t a t i o no fp s e u d o l i t ec a r li m p r o v ed r a m a t i c a l l yp o s i t i o n i n g a c c u r a c yw h e nt h ep s e u d o l i t em u l t i p a t hb i a s e sw e r ec a l i b r a t e di na d v a n c e 。 k e y w o r d s ：p s e u d o l i t e s , g p s ，i n t e g r a t e ds y s t e m ，t r o p o s p h e r i cm o d e l 。m u l t i p a t he l t o t 。l l ， 学位论文独创性声明： 本人所里交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成巢。尽我所知，除了文中特剐加以标注和致谢的地方外，论 文中举毽含冀拖人范经发表凌撰筹过鳇磷究成果。与我一弱警俸鳇隧事 对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表忝了谢意。 如不实，本人负全部责任。 谂文作者c 签名) ：j 区l _ 扯- 学年弓胄谚丑 学整论文使溺授权说明： 滗海大学审嚣辩学技术雷患磷究瑟、苣家鳖书镶审露学术期翱 光盘舨) 电子杂悫社有权保留本人两送交学位论文的复印传或电子文 档，可以采用影印、缩印娥其他巍制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一皴。除在保密翔内的保密论文舞。允许论文被 查阕鞠售阕。论文垒部或郝分内容缒公带f 雹括髑登) 授投溽澎大学磷究生 院办理。 论文作者c 签名，：j 妄l 牝力喀年岁月，汐日 第一章绪论 第一章绪论 l 。l 研究背景 全球定位系统( g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m ，g p s ) 作为一种全新的对地观测 技零，宅豹塞糯革耨了魂我嚣绘、远浮定霞、餐鼹交遥、空阚定位及导靛等辐关 学科的传统定位理念，极大地提高了空间定位的精度，扩大了定位的有效作用范 蚕。奄常援豹溯绘圣# 照方法穰魄g p s 定位技术裔善显麓歉特袁秘甓越髅，它能够 实现众球覆盏、全天假连续测量，观测点位间可以互不通视，同时获取点位的三 维坐撂，套荔实施较长距离懿壤确定缎，工终麓点豹选捶余地较大，特别适曩l 于 进行动态和静态安全监测以及在基线较长的工程区域内满足现代施工所需的复 杂测爨工作】。其优越的工撵性能及广泛的适虑性，罴常规测壁作业方式难以比 拟的。 g p s 卫星定位系绕，其定位成果的精度、实用性和可靠性藏要取决于接收机 观测剿的卫鬣数目和缀座的空阀凡何分布。在观测条件不理想的情况下，如在市 区离大建筑物遮挡所形成的僚号盲区、较深的露天矿井底部、水电工程建设的深 由映谷工地及需要进行实时安全监控的高螟翮边缓中，可观测豹卫星数嚣及英氏 何结构将不慰以保证测量作业的精度和实时动态定位的要求。筷至在观测条件嫩 为“瑟劣”豹穗篪下，魏缝下和室内定像，卫蘩信号将被完全纂蔽。戴终，g p s 定 位在水平方向上能够达到较高的精度，但受卫星高度角的截取、大气磁迟等因索 静袋涮，g p s 麓测在囊壹方两上定燕误差较大，逶拳为瘩平误差熬2 3 倍国，雉 以满足一些精密工程的要求。 携卫星( p s e u d o l i t e ，扎) 定位按零是簿淡上述翊鼷豹毒效途经之。囊溪 伪卫攫，就是布设于地面上发射类似予g p s 信号的发射器。在观测作业过程中， 伪羹麓壹接鹅接数撅发送导魅电文秘定位绩号，用户接牧设器通过它获褥了瓣 加的伪距和载波观测量，从而增强了系统的定位性能。同时，附加的观测量还 有剥予增强错s 模糊度豹解黧，提赢搜索速发和可靠性。通常在g p s 鼹测中， 考虑到大气折射以及多路径效应的影响，高麓角低予1 5 0 的卫星往往都要舍弃， 这也就使季譬低高度角的卫星不能被有效利用，造成垂崖方向的误差较大，难以 满尾高精度麓程作她的要求。而伪卫糙恰好熊弥补g p s 的这一不足，利用布设 在地面上的低高度角卫星与o p s 进孪予组合，貔够有效地改善m 星星座几何图形 结构，且可戳优亿g p s 定位的几何精度因予，提高藏测精度，尤其怒蓬直方辩 上的精度；此外，在地下和嶷内等信号屏蔽区域，伪卫星甚至可以作为独立的 定使系统送行定位，歼拓了艇星导簸定位系统的应用领域。 由此看来，伪卫星能够增强g p s 系统进行定位，确保0 p s 在观测环境较 纂一章雏圣龟 麓时，仍能保证系统的珂用性、可靠性以及溺置精度，甚至在麓黩无法接收到 卫照信号的场合下替代g p s 卫星实施精密慰他因此，伪卫星定位技术为g p s 在实际应用中存在的问题提供一个新的解决途径，受到了学术界的广泛关注。 1 名国内癸研究现状 搴实上，伪卫星的出现与使用沈g p s 本身还要旱。旱在七十年代g p s 定位 策统的初期预研阶段，荚国国防部发射第颗g p s 卫星之前。所有的概念测试 和g p s 接收机的原理验证工作都是通过布设于地面上的“模拟卫缀”来完成的， 遮藏是伪卫星的雏形。p a r k i n s o n 和k l e i n p l 予八十年代初期就已经揍如伪卫星可 孩簸隽g p s 运孬当孛豹一矮奏效戆孝 充鼓零，因秀宅霉渡改善警靛蛙爱襄嚣舞 耪发。在，十年代中期，国际r t c m 组缓磷剿如了能接收g p s 溅凝信号、计算 伪躐和伪距改正、并能以每秒5 0 比特的速率用工l 载波频率发射导航电文的简 单伪卫星定位系统。该伪卫星的信号格式与g p s 是相类似的。此后，国际r t c m 组织的s c 1 0 4 分会又设计和制定了包含八种信息的伪卫星星历数据格式，其 串龟糕镑卫星懿位置、戳秘筵瘫标志等等。凌手r t c m 礤割戆镄湮星器磐菲鬻 茹爨，麴之琵对软硬释技零承平豹制约，馁褥镑卫星豹发震器常缓慢，难黻投 入鬟际应用。 近年来，随着新的伪卫星概念的提出及硬件技术的不断完善，伪卫星定位 系统在实际工程中的得到初步的应用。总结因内外诸多成功的宓例，伪卫星的 应用范圈大致可分为动态靼静态两个方瑟。 囱，年霞来滚 采，糖至星在动态瘟鬟秀瑟熬磅究圭要集巾在飞霉亍器戆耪 密鼯航定位，如飞机的避场、起落等都需簧较高的精度，尤其烧垂向定位精度 誊接决定着飞机精密进场的等级，对于这些单纯的g p s 定位技术悬无法满足的。 此时，作为伪卫星应用檄早的领域，机场伪服星( a i r p o r tp s e u d o l i t e ，简称a p l ) 在飞枫精密进场和着随的实时动态定位应爝上取得了令人瞩舅的成就。放置在 弦绣特定篷嚣主豹镄麓麓，其发麓售号豹鬻菠惫较低，奏效羹羹弥耱了筵缓g p s 导航系统的不是，改善观溯卫星图形的凡搿结构，大大提高了蘩赢方向上的定 位精度。故此，伪卫爨强动念方面应用的优势在于可以改善因g p s 信号中断、 丢必或卫星分布较差而造成的定位精度下降等问题。同时，有利干消除因伪卫 鼠秘接收机之间相对饿鬣的快速变化而产生的相关性，提升定镶解算的速度。 上述阏蘧懿鼹决对手赣镶等靛定位是至关蘩爨的f 4 l 。 弱舞，现代社会的飞速发震捉使伪望鬓程智能纯交通方西褥捌成功的应翔 出予高楼林立的城市中遇常都存在着“城市峨谷”，造成在这些透城内g p s 无法 谁常工作或不能满足所需的精度。面对这瓶颈，利用伪卫星增强g p s 实现对 车辆定位监控和智能行驶逐步成为研究的热点之一。同样，伪卫辍和g p s 的组 第一章绪诧 合定位也在船舶航行和监控中得到了一定的威用针对g p s 信号完全屏蔽的室 内，韩国和芬兰研制了适用于该领域的伪卫嫩设备，井进行棚关实验，取得了 一定的研究成果| 5 1 。 与此同时，日本的研究学者还撮出了一种利用热气艇作为载体的同温层伪 至藏定位和鼯航系绕，这种伪卫星又被称为间澄层伪滋星。与祷文所举同的愚， 同温层伪卫熙被布鹭在2 0 k i n 高的天空上，该系统中伪卫星信号可作为较大隧 壤肉鹤和载波褶位豹辕劲定位和导靛信号，葵远近效应静影精氇繇舔浚予毯甏 附近的伪卫艇系统要小很多。此外，还有一戥同温层伪卫星悬针对g a l i l e o 系统 两设诗静。 不仅如此，国外的研究者已经把伪卫星的应用范围拓展黛太空领域，伪腿 星壤号霹渡遴过诸如气极羁譬蜜飞黢等靛空、靛天平台来发瓣。出予浑事方焱 的目的，装载在航空平台上的伪卫熬已在美豳得到了些应用。如火星探测、 重黪空翔懿熬导靛萼。众爨髑翔，毫软道豹e 劳s 已经广泛痘趱手羝孰字密飞船 ( l e o ) 和豳际空间站( i s s ) 的导航和姿态确定中。但像国际空间站这样的庞 然大携可能会遮挡来是g p s 翌星豹信号，使褥宇密飞船在与爝际空剃站对接戏 进彳亍其他操作时不能够采用g p s 卫艟信号导航定位。解决这问题的方法是在 国璐空蚓站上放置伪卫星发射器向宇宙飞船发送导航信号，使其用予飞船的自 动飞行控制f 6 l 口甚至在远离地球的其它星球上，伪卫星也可以发挥作用。斯邋 福大学已在荚国政府的资助下进行了多年伪卫星硬件设计，他们研制出一种能 够进行自主定位的傍卫星系统( s c p a ) 耵l 。这种伪卫星实际上是一种双向傣弩 收发器，可同时接收和发射测距信号。这样的硬件设计和典趔的卫慰差分定位 一样可在没有箕绝独立参考活豹债糯下清除接收梳帮发射器的锋差，该定位模 式为远离地球星体的探测奠定了基础。研究结果表明，利用伪卫星技术在火星 上送行导靛霹实瑗壤来缀定位耱疫f 鞯”o l 。 伪卫星动态应用中对予定位速度有着较高的要求，为此通常采用的是码相 位鼹溯藿。赞鼹不瓣耱应鬟嚣求，定位薅发一般可这蓬来或分米缀，荔这是笼 法满足形交监测等静态领域的工程鼹求的。因此，伪卫星静态精密定位必须使 弱褰精度熬载波耜绽溪测戆。然夏纂手镄曼麓塞隽豹特点，其 冬多误差源及误 差特性又与g p s 不尽相同。这就便伪卫星的误差很滩加以模型化、更难消除。 多爨经效盛是艘s 定位中一今重要漩差源，弱撵也是伪卫星痰用中的一个辣等 难题。由于地面布设的伪卫星距接收机大大近于g p s 卫星到接收机的距离，其 售号强度墩较g p s 为高，伪卫星多路径的影响显然要比g p s 豹严藏。由此着 来，减弱或消除多路径效威是利用伪卫星避行精密定位关键环节，尤其在静态 工程应用中显撂更为重要。但从耳魏的研究来看，尚未见裔宠全切实有效的办 法来消除伪卫星定位中的多路径误麓。正因为上述笈杂因素的影响，使得伪卫 第一章缭论 爨技术在高精度静态工稔中的应用没有得以广泛开展 国际上，以溴大剥亚新南威尔士大学砸星导航定位研究组为代表盼一黪团 甑在这方面展开了开创饿的工作。并得出了一些初步的结果 h ：嗣时，英嗣和 加拿大等国也进纷了相关的研究。这些研究结果中提出了静态条件下g p s 和伪 激星冠种可麓豹缀合方式，并证安了该组佘定位技术应用予形交j i 蠢测的可行性。 文献f l l l 巾指出，采用伪溅星增强g p s 系统观测数据，解算结果的垂直分量精 发与永平分量近警等同。在国内，对伪羹霆定位技术的研究海逢予起步阶段， 其相关成果多集中于形变监测等静态领域方面。 勇一方嚣，伪卫星幸筝为一静独立的定经系统，还可戳与其它系统鲡後性导 航系统( i n e r t i a ln a v i g a t i o ns y s t e m ，缩写为i n s ) 等相结合，构成完善的定位 静靛系绫。与s 定篷系统籀魄，臻s 鸯蒺鑫身煞优点，懿璜s 系统定位宠垒 不依赖于外界的信号，但其最大的不足是系统的误差会随时间积累。i n s 与g p s 戆缍舍愁舔羚各爨不是翡骞效方法，这方嚣麓磅突秘痘羽帮已经魄较残熬。整 程一些特殊的工作条件下由于g p s 信号会中断或焉失，使得g p s i n s 组合的导 簸定位壤度逐速降低，这令超题霹鞋逶避增热魏羹星售号熬方法瓣凌。 g p s i n s 伪卫星或n n s g b 卫照的组合系统可以在各种不利的正作环境下工 佟，这榉熬组合概念已经褥到了些初步戆实验骏涯。镄卫星i n s 豹缝合矮毒 良好的可靠性，w 以应用于室内的高精度导航。旗国诺t 汉大学利用g p s i n s 伪卫星救缝会对簸测撬粱振动进褥了一些试验性的研究。h u n gk y ul e e 等硬究 群”也进行了相美的模拟实验。研究结果袭明，在室内条件下的伪卫星i n s 组 念独立定位精度w 以达到厘米缴，但g p s 烈s ，伪卫星或伪_ 卫旦| l n s 组合存在有 一些相关的系统误差有待深入探讨 虽然伪卫星定位技术在理论和应用研究中尚旃很多难题有待鳃决，但其应 厢前景相当广嗣，已成为导航定位领域巾的一个新的研究热点，得到了豳际学 术界的广泛重视。 1 3 本文的主要研究内容 论文静选题缡合了鍪家自然辩学基氽顼君峭p s 镄羹星组合定位及箕在形 变监测中的应用”。本文的研究黢在以g p s 和伪卫星的组合来提高定位的精度 和霹靠熬，疑琵邂一多籀最至星定位技拳在耪密王程溅豢等镶城内豹斑磺。 针对g p s 和伪卫星组合定位系统，文中采用理论研究与具体实例分析相结 念。主要磅究内容有： 1 系统地介绍了伪卫星的导航电文、定位原理以及伪m 星定位中存在的远近 效盛、对滚滋延迟、瓣翘效簸等一些关键技零阂题；赞对g p s 镌卫麓在不 同组合定位方式下的观测模型，重点研究了伪卫星和单频g p s 接收机的组 第一章绪论 合系统 2 褒分析几种常见的g p s 对溅层模型基础上，深入掇讨了伪m 星对流层延迟 中r t c a 、改进的r t c a 、h o p f i e l d 及b o u s k a 等改正模型；并采用仿真试 验研究，分析比较各模型谯不同的观测状态下的改正效果。 3 分析锈重麓多路径误差的统计特镶，谩定含理的枚函数，利孀改逶聚d - - 黎估计出多路径误差改正参数，以修正g p s 伪卫艇组合系统中的多路径偏 慧，获蔼键高定秘精度。 4 设计g p s 伪卫星缀合定位解算程序。其中主要包括数据读入、单麓、双麓 憝毽、傣鸯翡修簧与裣溺、f a r a 舞法求躲模糊痉疆及基线淘量解舞等子模 块。 5 。剃建叁簿编写豹瓣算软释辩实溺戆艘s 秘里星褒测数据遴簿处理。在毫效 地消除伪卫星多路径误差后，g p s 伪卫星组合定位精度得到显著的提高。 第二章o p s 伪卫星组裔定位理谗基础 第二章g p s 伪卫星组合定位理论基础 乞l 伪重星溉念的提出 传统g p s 定位系统其精度、可用性和可靠性完全依赖予所观测剿的卫黧数目 翔澄星星癃静琵悸豳形结梭。在鬟测条辞不理您靛待嚣下，速嚣静决定往戮索逶 常都不为理想，难以满足精密定位的需要。在某些极端条件下，如现代战争中， 传为凌场遴蓿系统豹圭予虢及壤确稍导导撵豹主要铡导系绫，其翌麓痿号鬻薇教 方作为主要“攻击”目标，极易被干扰破坏。易一方顾，尽管g p s 技术在水平方向 上缝够这弼较毫酌定霞藉度，餐考褒多路经效应及大气延迟等嚣素的影响，采矮 g p s 进行观测时，往往选取卫星高度角大予1 5 。的可用星，这就导致其垂誊方向 上定位误熬失瘩孚穷囊上戆2 3 辕。因戴，g p s 本隽这些懋天性爨索豹限锄，使 得单纯的g p s 系统尚不能完全满足形变监测等精密工程的隳求，而新一代伪卫星 摄念蛇提撼为蜒决上述问题提供了一条有效斡途径。 伪卫黧( p s e u d o l i t e ) g e 早是指在地面上对处于初研阶段的g p s 定位系统进行试 验髑验证的电子设器。在发射g p s 卫星藤，研制人爨裁在地厦剥爨伪卫星装置， 采用与g p s 卫星结构完全相同的信号进行了试验。如今新代伪卫艇发射器主要 是利用与g p sl l ( 1 5 7 5 4 2 m h z ) 戤波相同的波段加载c a 码或载波相位进行定 使，此外也出现了一些采嗣双频甚至多频的伪卫星设备”孤。在实酥应用中艇有更 为广阔前景的是g p s 伪卫星收发器，这种装置既可以接收g p s 卫耀信号叉能够 国外发射稳身的伪卫星信号，魏粪装置院荦纯的炙发送信号豹伪量疆具有受为灵 活和广泛的用途。 基于伪卫星在定位帮鼯航系统中靛优势，本文主要研究的是镄湿星增强g p s 定位系统。该技术与常规的差分定位方法熙有相似之处却叉不同。麓分g p s 通过 扇域g p s 伪距差分( l a d g p s ) 鬣g p s 蠲态差分( k d 6 鹣) 技拳来绘本魏瘸户 提供差分改正，以提高定能精度。同时，麓分基准站在测距信号无法进行校j 下时 筑立麦l 逶翔溺户，瞧改逶了系统熬完整瞧l 瑚。毽是，不警差分g p s 翅 霉提褰定经 精度和完酱性，也不能克服卫星定位本身丽造成的缺陷。以目前g p s 卫星的配置 秀褰，一黧骞翌璧发生敦瓣，或者涵于遽撼等器困接收不弱g p s 髂号，足锷配霉 不当的缺陷将会更加突出，系统的可靠性和精度也就无法保障。与之相比，采用 携藿星增强g p s 遴纾定缀，赞翌震劐可以霉羡g p s 卫星豹功毙，嶷接自接l | 殳撬 发送导航电文和定位信号，用户设备通过窀获得了附加的伪距和载波观测黧，这 样鹱增强了谖定耪度的可靠性。与l l ：嗣黩，黠加的鼹测量逐骞剥于璞强g p s 模糊 魔的解算，提高搜索速度和解算精度i b l 。因此，伪腿星能够增强g p s 系统进行定 能，使得因卫星健康状况不佳或其他原医遗成可雳厘数量不足时，仍能保谖系统 6 - 第二鬻g p s 伪m 星组合定位理论基础 的可用性、可靠性以及测量精度，甚至在某些光法接收掰g p s 倍号的场合下能够 营代g p s 卫星，实擒糖密定位。 2 2 伪卫星定位系统 简单墙讲，伪卫蘸就是螽鬻在鲍藤上的g 髂卫星，都在工耧区域建立类钕乎 g p s 飘星的信号发射站，行使g p s 卫羼的导航定位功能。目前，绝大多数伪卫耀 透常酃是在g p s 规定频率( 三i ：1 5 7 5 4 2m h z 袋l 2 ：1 2 2 7 6m 娩) 主发瓣信号静， 所以g p s 用户接收机可以同时接收g p s 和伪您星信号，而不必再专门设置用午 接l 受镄卫星倍弩豹设餐。伪叠麓静褒溺藿篾胃豁是锈躐逮霉戳楚载波稳位。一般 地，伪卫星信号载频选用g p s 的上l 频率，以c a 码来调制。实际上，按照r t c m ( r a d i ot e c h n i c a lc o m m i s s i o nf o rm a r i t i m e ) s e 一1 0 4 组织豹建议，p 袋k 3 3 爨 p r n 3 6 就可以预留给伪卫星使用【1 6 1 。 黪靛邀文莛翌星以二遴截形式发送绘雳声、弱于谤葬其当魏霞嚣秘售号传蟪 时伯j 的导航定位数据，故又称为数据粥( 或d 码) 。与g p s 卫星类似，伪卫璧所 采躅瓣导靛电文数据弼主要惫会豹内签嘉卫星星历、溅星星镑改正、工作状态信 息等。但基于伪卫星自身的特点，其爵航电文格式与g p s 基本相同但又略有羞别 ”l ：伪卫星是固定在地葱已知点上的黧星，西此对应予g p s 卫星导航媳文中的关 于卫星轨道参数和摄幼参数之类的数据，在伪卫星的沌文中将有所不问；又因为 伪卫星放置农地蘧附近，信母毋需穿越大气屡，故无须在电文中设置电离层延迟 因子；另外通常伪卫星只采用c 俄码而没脊p 码泵调制载频，所阻它也没有 c a 码转换到p 码的捕获信息等。 傍卫星导航电文的基本荤位氇是个主赣。一个燕帧由5 个子赣缀成，务为 三个数据块。下面是这三个数据块的一些具体信息： l 。 第一数撵浃 第一予帧的第3 1 0 字码称为第一数据块。与g p s 导航电文相比，第 一鼗攒决瓣毫瘸差延逡羧歪、如载渡豹灞裁类型等参数，在锈麓星豹第一 数据块晕空缺。 2 + 第二数据块 第二子帧和第三子帧共同构成第二数据块。它给出了伪卫星飘历，主 簧是携羹星豹攮嚣参数秘星历表戆数据龄帮。对等g p s 黪靛电文箍言，第二 数据块提供了重要的星历参数，一如卫星轨道参数，摄动参数等。但对伪m 星 束说，这些星历参数就没有意义了。当然也可以镑对伪逻星豹经嚣反算戡一 些模拟讯文参数进行播黢。 3 。第三数握块 第三数据块怒由第四和第五予帧构成的。对予g p s 导航电文而言，第 第二章g 陌伪卫星组合定位理论基础 三数据块提供o p s 工作卫星的预报星历、时钟改正、码分多址和卫星工作状 态等数据，由于要公布的全部星历较多，需要2 5 个页面连续播发成为一个周 期。但对于伪卫星而言，有关全部卫星星历的第三数据块可认为是空页作为 备用。 总的来看，伪卫星导航电文中伪卫星的位置、星历钟差、测距测相误差的 修正量等是比较重要的内容，在进行伪卫星发射器设计时应予以重点考虑。 随着硬件技术的发展，伪卫星产品也在不断的更新。由于绝大多数伪卫星发 射的信号频率都是在g p s 卫星的厶或上2 载波频率上，因此普通的用户接收机已 具备了接收和解调伪卫星信号的功能目前，市面上已有许多种可直接接收伪卫 星信号的g p s 接收机，如n o v a t e l 公司的m i l l e n n i u m 接收机和m a r c o n i 公司的 a l l s t a r 接收机等。此外还有很多接收机可以通过升级固化软件来实现伪卫星信号 的接收。 出于结构复杂程度和成本的考虑，伪卫星发射器一般设计为单频。而由于设 计理念及功能的不同，伪卫星可以有很多种类型。其中较为常见的主要有简单式 伪卫星( s i m p l ep s e u d o l i t e ) 、脉冲式伪卫星( p u l s e dp s e u d o l i t e ) 和同步式伪卫星 ( s y n c h r o l i t e ) 等。 长期以来，伪卫星的研究与应用一直与g p s 等导航定位系统紧密联系，采用 伪卫星增强g p s 定位技术已被成功的应用到飞机精密着陆及形变监测等诸多领 域中，其优势主要体现在： 1 增加传统g p s 定位的观测时段。虽然g p s 是一种全球性、全天候的定位系 统，但在不同的地理位置和观测时段，由于卫星的升降以及地物遮挡的综合 影像，往往会使作业区域上空可用卫星数过少，不能定位或者定位精度不佳。 而采用伪卫星技术就可以根据实际需要真正做到全天候、全时段的定位导 航。 2 改善系统的定位精度。利用伪卫星增强g p s 进行定位，| 布设在地面上的伪卫 星可以大大改善卫星星座的空间分枷，不仅可减小水平定位精度因子 ( 玎) o p ) 的数值，而且由于伪卫星是处于较低高度角的信号源，进而提高 了单纯g p s 测量中垂直方向上的定位精度。 3 提高定位完整性与可靠性。在动态或实时定位应用中，常常会因为卫星遮挡 或复杂的观测环境造成某些时段的卫星失锁，造成可用卫星数目太少，伪卫星 的引入可在一定程度上保证系统的定位精度，使评定结果变得更为可靠。这 在g p s 航空导航定位中有着非常重要的意义。 4 定位求解速度及可靠性的提高。与g p s 卫星相比，伪卫星距接收机的距离通 常较小，对于动态定位而言，这就使不同观测时段历元之自j 的相关性降低， 从而加快载波相位测量整周模糊度的求解，有利于提高动态定位精度和可靠 第：章g p s 伪m 星组合溉位理论基础 髋。 总两言之，伪卫爨能够增强g p s 系统进程定位，如图2 1 所示1 弼时，作为 独立的定位系统，理论上伪卫艇在某爨无法接收到g p s 卫星信弩的场会下能完全 替代g p s 卫艨，实现精密测爨 g p s 重崖 蚕2 1 述蔽区装镄溅星增强g p s 定位示意潮 2 3 伪卫星定位的一些关键技术问题 2 3 1 远近效应 伪卫星定位在具体实现中必须考虑伪卫星信号对g p s 卫聚信号的干扰问题， 表现突出的就是信号能量级秘与之捆关的远邋效应阂题。来囊两力- 多公晕高空的 g p s 卫星信母到达地面时已缀相当微弱，非常容易被千扰。而伪卫星距接收机相 对较近，如襞伪卫星的信号太强辫会阻塞g p s 接收机；与之捆反，若伪卫星离接 收机较远时，伪卫鬃信号将套因太弱而无法避行定健。这一矛盾就是伪卫星定位 中的远近效威问题。 谱前，解决远近效应静美键在予所设计豹伪卫星信号结 句应能傈诞在最大范 围内提供足够强的伪卫星信号，同时又不干扰g p s 卫星信号，从而使接收机砥常 工佟。 蘩二幸钟s 糖噩堇雏台定致壤论基磕 嚣蛾麓麓 瑟2 龙远近簸瘟拳懑强 图2 2 表示伪卫羼作业过程中产生远近效j 藏的原理示意阉。假如用户接收机 在“远”区内，伪卫星信号过于微弱，导致接收机接收不到其信母或无法进行解算： 反之，魏在“近”区以内，煲唾过强弱伪鼍星信号梅隰塞g p s 接l | 芟撬，馒缮接收极无 法跟踪羽g p s 卫星的信号。只有瀚2 2 中所示鹣工作区( 又称为动态区域) 内， 接收到的伪卫星和g p s 卫星信号才能正常定位。当然，对于多个伪卫星的情况， 问题将熙为复杂。不仪要考虑和伪m 星程g p s 的向的干扰，瑟器考虑到多个伪卫 星懿王佟区重叠。 图2 2 中，关于“远”区和近”送这两个边限的比例，可以用下面的式子来估算 t t g ) ： 气一+ 2 0 1 0 9 了d o 稼1 ) a ， 其中；名为接收机所接收到的功率；为接收机所设计的功率级。根据 i c d - 2 0 0 技术豢振熬簸定，善逶g 然接浚爨鬃貔接浚羁懿袋援c a 璐凌率为 j 1 6 0 d b w ，即1 3 0 d b m _ u 0 为接收机在此功率下所能接收的躐离( 西) 与宓际发 口 射器的距离( d ) 鲥的比值。 憨豹来看，磐凌遴逅效应鞫趱褒当簸“矮终嘲“软擎p 这掰个方瑟入手。“疆释” 方面包括伪卫星发射器硬件结构、编码、频率、信号发射方式以及发射天线等； 第二章g p s 伪m 星组合定能理论基础 而所谓“软件”，则包括了伪卫崖和用户接收设备的位鬣布设、用户接收机的处理 软件笛诸多方鞭为保证用户接收机誉需要作改动，缎多学者从信号缕构设计方 面着爷作了大堂研究，并总结出若要肖效地防止远近效应问题，必须蘩求设计的 接收机动态范围至少达到6 0 d b ，由此提出了三种技术方法【”l ： 一、码分多址技术( c o d ed i v i s i o nm u l t i p l e a c c e s s ，c d m a 粥分多址技术使用的是不嗣于g p sc a 码的新g o l d 码。在安求动态范围达到 6 0 d b 的情况下，如鬃要完全戚用新酶伪随机礴来分离这6 0 d b ，刚必须使此码冗 的码率提高若千倍，以降低伪卫星信号对可接收值的噪声电平。根据不同的假定 藕试验，诧码率必须遮翔2 5 - - 5 0 m h z ，并其有炎 l ；l 的帮宽。瑷祷的g p s 接收梳簧 从硬件上解决这个问题是存在一定困难的，因为这将减少信号的兼容性，而且姓 著增鸯鞋接收梳静成本。 二、时分信号结构( t i m ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ，t d m a ) 程时势傣号结构誓作方式下使用一种低爵空率鲍籁脉冲，束传送伪羹壁信号。 这样，伪卫星信号只会在很短的时间内干扰g p s 信号。这一方案伪卫鼹和用户设 备造价帮缀低，其寄匿大静啜弓| 力。箕主要歃焦是锈麓星信号有爵蔻瓣某些动态 范围较小的接收机产生脉冲干扰。如对建议采用的1 0 占空率的t d m a 信号格 式焉富，密黪参与接收极掰承撵豹最大售曝魄臻耗约为l d b 。这裁必缀要求竣谤 出适用于伪卫星环境下的新型接收机。 三、簇率缡馕技寒( f r e q u e n c yo f f s e t ) 频率偏值技术以偏离厶标称频率( 1 5 7 5 4 2 m h z ) 1 0 2 0 m h z 的频率来发射 魏墨鬓信号，麸瑟产玺塞与g p s 售蛩终6 0 d b 戆疆离溲。应嗣这一方絮将对接l | 芟 机的影响很小，但是因为伪激星和g p s 卫星信号是通过不同通道进入接收机的， 必缀仔细控露l 秀通遴 秘j 熬据对拜寸延，以避免谈差。这藏霉要改善接收搬熬滤波浆 校准性能，也增加接收机了的成本。 从羁兹的应用- 束簧，对分信号结构技术是伪卫星工作的傀选方案。伪卫星每 秒发送1 1 个9 0 9 l u s 的脉冲从而使伪卫星千扰g p s 信号不超过l o 的时间， 即保证伪卫凝只在不犬于1 0 的时刚里与所需的g p s 信号产嫩干扰。这样即使接 收机距离伪嫩星很近日于，所接收的平均g p s 信号功率也最多啜损失l d b 。 除了从伪卫星信号方面羲手之外，近年来也有一些学者从伪卫星发射天线以 及僚号处理挥方面进行了研究。吃如m a r t i n 等研究者罐出了使用徽带天线酶方法 1 2 0 j ；而m a d h a n i 等研究者建议使用s i c ( s u c c e s s i v ei n t e r f e r e n c ec a n c e l l a t i o n ) 信 号簸理技术来消除远近效应闷题1 2 “。豢这些文献的掇道，其试验结采是成功的。 2 3 0 对流凄延迟 由于g p s 信号鼹通过两万多公聚高空传播来的，因而其定位精度同时受电离 蓁二章a 瞧携藿薹组台定斑鬻论薹础 层延时谡麓和对流层延迟误差的影响，其中电离层的影响比对流层大得多与之 籀毙，瓣予雉面伪卫麓定位来说，必霜要考虑砖流层延时误麓，毫离层延时瓣伪 卫星定键误差豹影确非常之夸，可不予以考虑。 采用伪卫星进行庇位时，对流艨延时误差受区域气象状况影响较大、也很复 杂，因而常规的g p s 对流层折射模溅并不能充分地补偿伪卫艨定位误差。另外， 转缓弱g p s 对滚瑟改疆搂鳘，薅蓉名戆h o p f i c l d 援型、s a a s t a m o i n e n 模鬃疆及 b l a c k 模型等都是依据大量的g p s 观测资料建立起来的，其所计算的对流鼷延迟 量与卫殿高度角密切棚关，并且在低高度角时因大气密度的增加模型精确度迅速 下降。豢然，传统g p sj l 重流层模型瓣予镄卫星已难以适用。藤镗对伪卫星对流层 延迟穰黧，目箭的磷究还较少，其缀因是伪翌璧j c 搴流层延迟受测区的近地瑟的气 象因素如大气压、温度、大气湿度镣的影响很大，而这些因素在近地面都难以准 确模型化。 毽l l ：，鸯了操莲魏翌星霹瀛瑟惩透改菱量瓣求薅凑褒，羧霞有效建渣狳该瑷 误差的影响，在采用伪卫星进行观测时必须选择裔适的气候条件，并且要精确测 定各类气象参数。 2 3 3 时闫同步 卫星定位的精度与时白j 误差有蒋密切联系。g p s 卫星中使用的是昂贵的高精 度原予钟( 铷钟或铯钟) ，可以满足一般导航应用的精度需求。相对定位时，借助 菇阚象蓑琴将g p s 羹麓镑差撩戳溃狳。毽是，j l 孛予逢嚣镑重羹发麓嚣，垂予成本 的限制，酱遍使用廉价的晶振时钟作为时白j 基准。因而伪卫璧与g p s 存在时阃同 步问题。 这裁导致伪卫壁遴魄进行工作拜重，由于存农奄g p s 时镑镑蒺，莫蕊测馕豹量 缀无法预计，继而对麓户接l | 芟辊产生较大影翻。游麓铡值太逡痣大，飙二避销原 始数据转换为r e n i x 格式将无法谶行，并且数掘处理时，必须将伪卫星所观测 的伪距观测值扣除一个常量，该常爨可从起始历冗获得。此时，数据解算软件才 戆够弱孵娃理窝分瓣( 净s 数据获及携翌星臻溺鬟。 实繇应用中，针对静态和动态两种模式分剐肖着不同的消除伪卫星时间同步 误差的方法。对于静态的应用，同样可用求差方式将其消除。在实时定位的应用 中，解决g p s 和伪里艇闯时钟同步瓣题的一般方法是在伪卫鬃的点位上同孵安置 一个g p s 接收瓿，驻g p s 接收瓤输出豹i p p si l 尊锌信号俸为傍歪星静时秘蒸准。 当然，根据实际工程环境的复杂性。伪卫星定位所涉及的荚键技术远远不只 上述三种，诸如多路裰效应、伪卫艇发射器的稚设等都是有待解决的重要问题。 第二章g p s 伪飙星组合定能理论基础 2 4g p s 伪卫星组合定位模式 2 4 1 伪卫爨定位观测模型 采羯g p s 耪锈翌凝组台定缀善先裁必矮建照起蕤确豹组合定位摸囊。由于魏 卫星与g p s 不同的性质，其观测模型有以下一些特点：第一，幽于伪卫星和接收 瓠之瓣弱踅褰嚣常之缀，嚣要考虑方裁豹l # 线挫误差影响；繁麓，钨黧星鼹测耋 的误麓特性与g p s 也不尽相同；第三，g p s 可以有单频、双频观测，而伪卫星通 豢兔攀频，嚣忿魏里凝茨理测= 璧也可艉与g p s 不同。