摘　要　針對普通廣域差分GPS實時定位系統中對數據通訊鏈的高要求，提出分布式廣域差分GPS實時定位系統，解決了預報精密星歷、外推衛星相對鐘差等技術難點。經過對該系統的中試實踐，證明該系統對改善GPS實時定位精度是有保障的。該系統的特點是降低數據通訊鏈工作頻度和實時性的要求，并通過增設區域性差分基準站來計算衛星相對鐘誤差和電離層改正，以減少主控站的計算工作量。

關鍵詞　全球定位系統　實時定位　廣域差分GPS

1 前言

　　全球定位系統(GPS)受美國AS和SA政策影響，導致我國GPS用戶實時定位精度降低到100m左右。美國政府雖于1996年初曾宣布在今后十年內考慮分階段停止SA［1］，但即使停止SA政策的實施，GPS實時定位精度也難于高過±15 m~30 m。因此，從目前和今后的需要考慮，建立和發展差分GPS系統是提高GPS實時定位精度最為有效的技術手段之一。

    差分GPS實時定位技術基本上可分為二種類型，即局域差分GPS(簡寫為LADGPS)［5~6］和廣域差分GPS(簡寫為WADGPS)［1~4］［7］。局域差分的技術原理是根據主控站和用戶站在一定距離內對GPS衛星同步同軌觀測值之間存在的相關性，使用戶站利用主控站提供的GPS定位誤差的綜合改正信息，來提高定位精度。LADGPS的作用半徑比較小，例如通常偽距差分的作用半徑不超過150 km，這時用戶站的實時定位精度一般可提高至±3 m～5 m。

　　WADGPS技術原理是對GPS觀測量的誤差源分別加以區分和“模型化”，然后將計算出來的每一個誤差源的誤差修正值(差分值)通過數據通訊鏈傳輸給用戶，對用戶在GPS定位中的誤差加以修正，以達到削弱這些誤差源和改善用戶GPS定位精度的目的。這種方法不僅削弱了LADGPS技術中主控站和用戶站之間定位誤差對時空的相關性，而且又保持了LADGPS的定位精度。因此在WADGPS系統中，只要數據通訊鏈有足夠能力，主控站和用戶站間的距離原則上是沒有限制的。

　　WADGPS系統一般由一個主控站、若干個GPS衛星跟蹤站、一個差分信號播發站、若干個監控站、相應的數據通訊網絡和若干個用戶站組成。按目前通行的WADGPS對通訊的技術要求是：跟蹤站需不間斷(至少3 s間隔)地實時地向主控站傳輸GPS衛星的跟蹤數據。主控站要通過差分信號播發站對在1 000km范圍內的用戶不間斷地發播差分改正值，其更新率大體是：星歷3 min、星鐘6 s、電離層1 h。這種傳輸首先必須是高速率的，否則差分改正的訊齡和時間差會變大而降低導航和定位精度；同時必須是低誤碼率，否則不能保證用戶定位的完備性。總之，WADGPS系統對數據通訊的要求是：(1)傳輸數據量大；(2)實時傳輸；(3)高速率；(4)傳輸距離長；(5)覆蓋面大。因此，如何實現這一數據通訊網絡是建立WADGPS系統的技術關鍵。

2 分布式WADGPS的技術特點

　　從上面的介紹中可看到，WADGPS中跟蹤站至主控站的數據傳輸和播發站向用戶站的差分信號傳輸，是這一體系中的技術難點。針對這一難點，有兩種技術路線可供選擇：一是解決數據通訊網絡的硬件和設施；另一種是通過軟件的改進來緩解WADGPS系統對數據通訊網絡的技術要求。我們選擇后一種技術路線，提出一種“分布式WADGPS”的技術體系，通過改進差分計算技術來降低普通WADGPS對通訊傳輸的技術要求。這就是說，可以利用中國目前通用的通訊技術，建立精度相當甚至超過普通WADGPS的差分系統，使之符合中國的現狀。

2.1 分布式WADGPS的技術設計思想

　　(1) 減少跟蹤站至主控站的數據傳輸頻度，由每3 s傳輸一次降低至12 h，最長至24 h傳輸一次(取決于用戶對定位精度的要求)，這也大大降低了普通WADGPS對數據傳輸實時性的要求，以適應我國今后相當一段時間內的數據通訊能力。

　　(2) 設立地區性GPS差分基準站(簡稱地區站)，主控站計算精密星歷，地區站計算星鐘和電離層改正，從而分擔主控站的計算工作量，降低普通WADGPS中對主控站的計算速度和計算容量的要求，以適應我國缺乏超大型高速計算機的實際，并且提高整個系統的可靠性和完備性。

　　(3) 由地區站通過地區播發站將差分信息傳輸給地區用戶，從而大大緩解普通WADGPS中中央播發站至用戶數據通訊中的長距離和全國范圍覆蓋的問題。此外，地區站計算的星鐘和電離層改正也更符合本地區要求。

2.2 分布式WADGPS的技術關鍵

　　(1) 研究了利用中國境內的GPS跟蹤站的資料，精確確定衛星軌道及其預報精密星歷的計算技術及其相應軟件。根據我國境內5～6個地理位置均勻分布的跟蹤站(位于國家GPS A級網點)的不少于3天的GPS跟蹤資料，可以以優于±2 m的精度確定外推4 h的GPS預報精密星歷。若由此外推12 h,可以獲得精度優于±8 m的GPS預報精密星歷。

　　(2) 研究了對抗SA中星鐘抖動的數據處理技術和相應軟件，而無需外接標頻。用上述GPS預報精密星歷和跟蹤數據在外推的6 s鐘時間內可以獲得精度優于±10ns的預報衛星相對鐘差。

　　(3) 研究了利用上述外推的預報精密星歷(12 h)和外推的預報衛星相對鐘差(6 s)，在1000 km～1 500 km范圍內，獲取以C/A碼偽距單點定位的精度為±1 m～5 m的計算技術和相應軟件。若加快差分改正更新率，如利用外推4 h內的預報精密星歷和外推1s內的預報衛星相對鐘差，則獲得的偽距單點定位精度可優于±1m。

3 分布式WADGPS的布網方案

3.1 5～6個跟蹤站

　　該方案的功能是確定GPS外推預報精密星歷所需的GPS跟蹤資料的接受者和提供者。跟蹤站在中國領土范圍內的經度差要盡可能的大。要有精確的地心坐標，其絕對精度在ITRF框架中一般不得低于±0.2 m。應具有每12 h一次，將本站在傳輸時刻前的24 h GPS跟蹤數據(已經對流層和電離層改正)傳輸至主控站的數據通訊和傳輸能力。

3.2 1～2個主控站

　　主控站的主要作用有二個方面：第一方面是數據中心的作用，即收集、貯存和對外提供各跟蹤站觀測的GPS跟蹤數據；第二方面是計算中心的作用，即計算和提供GPS衛星外推的預報精密星歷。主控站具有每12 h一次接收和貯存所有跟蹤站的GPS跟蹤數據的能力；具有每12 h一次將各GPS衛星外推15 h或28 h的預報精密星歷的能力；具有每12 h一次將上述計算結果提供和傳輸至各個地區站的能力。主控站由于一方面是跟蹤站的數據傳輸通訊節點，又是提供區域性差分基準站數據通訊的節點，因此要有較強的數據傳輸能力，并要和Internet聯網以便及時提取國際IGS的有關數據。為了確保分布式WADGPS的完備性和可靠性，除了必須有一個主控站運行外，還必須另有一個主控站作為熱備份，以便前者一旦出現故障，后者能立即替代前者發揮主控站功能。
3.3 7～9個區域性GPS差分基準站(地區站)

　　地區站是分布式WADGPS布網中的一個特點，其主要作用有三個方面：第一是獲取GPS跟蹤數據；第二是獲取主控站的外推預報精密星歷；第三是計算外推預報衛星鐘差。根據研究，地區站的作用半徑最大可以按1 000 km左右考慮，但這取決于用戶需求和地區播發差分改正的通訊能力。地區站要有每12 h向主控站提取一次外推GPS預報精密星歷的數據傳輸能力，一般仍可以采用長話線加調制器的方式解決。地區站本身必須有精確的地心坐標，其相對于主控站的點位精度不得低于10-7。根據主控站的GPS外推預報精密星歷和地區站的GPS跟蹤數據(已經電離層和對流層改正)，計算本地區的外推6 s的GPS 預報衛星相對鐘誤差及其變率，每6 s計算一次。此外還應計算本地區的電離層改正。最后應將上述量改換成以RTCM或RTCA規范規定的差分改正格式。

3.4 監測站

　　監測站的作用是監測整個分布式WADGPS體系提供GPS差分信息的正確性以保證用戶使用的安全性。每一個地區站所覆蓋的有效工作范圍內，應至少有一個監測站。監測站至少要有一臺單頻GPS接受機，以獲取GPS跟蹤數據，此外應同用戶站一樣有接收地區站差分改正信息的能力。監測站本身要有精確地心坐標，相對于跟蹤站和地區站的點位精度不能低于10-7。監測站和地區站之間要有良好的通訊聯系，一旦根據地區站差分信息所得的監測站定位誤差超過報警限值(即超過3σ例如7 m)，則應在規定的示警耗時內(例如6 s內)向主控站和地區站示警。

3.5 GPS差分播發站

　　GPS差分播發站與地區站之間要有專線聯系。該站的任務是將地區站計算的外推6s的GPS 衛星相對鐘差及其變率、電離層改正及主控站計算的GPS衛星外推精密星歷等結果以RTCM或RTCA形式實時、連續的向用戶播發，一般要求其播發功率的覆蓋范圍至少為150km。根據我國目前通訊條件，可采用下述四種傳輸方式：① 利用各市電臺調頻副載波將GPS差分信息實時傳送給用戶，這一方式方便實用、投資少，但傳輸距離一般不超過200km； ② 利用數字蜂窩電話傳播，目前已覆蓋全國各大城市和干線公路； ③ 利用我國民航系統的通訊系統傳播，目前已覆蓋全國各機場及航線； ④ 利用中波發GPS差分信息給用戶。

3.6 用戶站

　　用戶站可以備有單頻，也可以備有雙頻的GPS接收機，但應同時具有接收上述差分信息進行定位的功能。用戶在接受GPS衛星發播信號的同時，通過分布式WADGPS系統接收到各種GPS差分改正數據，并據此進行偽距單點定位，獲得1～5 m的實時定位精度。

4 分布式WADGPS系統應達到的技術指標和功能標準

　　根據中國分布式WADGPS系統的服務范圍，可制定該系統應達到的技術指標和功能標準［８~10］。對于某些特殊服務范圍，如飛機進場著陸導航定位系統則應另行確定其技術指標和功能標準。

4.1 中國分布式WADGPS系統應達到的技術性能的三個指標

　　(1) 精度：即在一個給定時間內，用戶在系統覆蓋的空間內，GPS實時測得的點位值和該點位的真值的符合度。對于分布式WADGPS，在中國領土和領海范圍內，用戶站的GPS實時定位精度，根據用戶站與區域性差分基準站地理位置相關程度的不同，應在1～5 m以內。

　　(2) 覆蓋空間：即為用戶能利用系統提供的信息，取得系統事先給定定位精度的空間。對于分布式WADGPS應能覆蓋我國全部陸地、島嶼及近海海區。

　　(3) 更新率：即系統向用戶提供差分信息的更新速度。對于分布式WADGPS，衛星星歷和衛星鐘差的改正值更新率分別為2～12 h(視用戶需求)和6 s一次，電離層參數的改正值更新率可為30 min一次。

4.2 分布式WADGPS系統運行功能應達到的三個標準

　　(1) 完備性：指系統發生故障，系統的差分GPS信號不能用于導航和定位時，系統向用戶提供及時報警的能力。它用以下4個參數來加以確定：① 報警限值：指當用戶的定位誤差超過系統規定的某一限值時，系統向用戶發出警報，這一限值稱為系統的報警限值。對于分布式WADGPS報警限值為7m。② 示警耗時：用戶定位誤差超過報警限值的時刻和系統向用戶顯示這一警報的時刻，這兩個時刻之差稱為示警耗時。分布式WADGPS系統，示警耗時在空中和海上導航應小于6 s，在陸上導航應小于2 s。③ 示警能力：指在系統覆蓋空間內，系統無法向用戶發出警報的空間所占的百分比。分布式WADGPS系統在每一區域性基準站作用范圍內的該項比例應小于0.5%。④ 失誤幾率：當在示警能力以內的用戶定位誤差超過報警限值時，同時又超過規定的示警耗時，而系統沒有向用戶發出警報，系統出現這種現象的幾率稱為失誤幾率。分布式WADGPS系統的失誤幾率應小于1.61×10-6/d。


　　(2) 有效性：指在給定時間內(如一個月)，系統提供有效服務的時間百分比，中國的分布式WADGPS系統的有效性指標不能低于95%。現階段，它主要取決我國通訊傳播的有效性。

　　(3) 可靠性：指在系統服務時間內，系統正常運行的幾率。分布式WADGPS系統的該項指標應達到99%。

5 分布式WADGPS系統的工程性中試

　　1996年8月下旬至10月上旬，在國內進行了分布式WADGPS系統的工程性聯調性中間試驗。實驗系統由4個GPS衛星跟蹤站(北京、武漢、拉薩、烏魯木齊)，1個主控站(國家基礎地理信息中心——下簡稱“信息中心”)，1個地方差分基準站(信息中心)，監測站(北京、武漢)差分信息發播站(北京中央電視塔)，用戶站(車載GPS)組成。日常工作流程是：4個跟蹤站每天UTC零時起在1h內將一天24h、30s采樣率的GPS觀測數據通過電話線傳輸至主控站，主控站啟動軌道計算軟件，利用連續3天的4個跟蹤站的數據計算衛星軌道，并將軌道外推28h作為預報精密星歷。預報星歷通過電話線傳輸至差分基準站計算機，機器啟動衛星鐘差、電離層參數解算軟件，以6s和30 min的間隔實時算出衛星鐘差和電離層參數并外推之，同時算出衛星鐘差變化率。隨后，系統啟動差分修正信息編碼軟件，對修正數據進行排隊、壓縮、編碼，通過專用電話線把編碼后的修正數據傳送至中央電視塔上的RDS編碼器，再次編碼后發送給用戶和監測站。北京的監測站由地區差分基準站中的一臺GPS接收機兼任。將其實時廣域差分定位結果與該機天線位置的精確地心坐標(Mp≤±0.3 m)比較，若平面和高程分量以及各衛星的偽距殘差均不超過±7 m，則認為系統和衛星工作在正常范圍之內，否則報警。

5.1 衛星軌道計算

　　采用無電離層影響的觀測量組合形成雙差相位觀測值，ITRF91歷元92.5給定的4個跟蹤站坐標作為定軌時的已知約束數據，待估參數為衛星軌道坐標、力模型參數、模糊度參數以及測站天頂方向對流層折射參數，根據3天觀測弧段數據估計軌道并外推28h給出預報星歷。預報星歷與IGS全球精密星歷比較，地心坐標各分量差異平均見下表，具有最大差異的衛星都是觀測時間短于2 h的衛星。

　　——系統完好性監測的耗時約7 s，其中衛星跟蹤信號從接收、差分修正信息的計算、編碼、發射到用戶或監測站延遲近2 s；一組完整的差分修正信息約210bit(衛星數為8)，目前中央發播站發播速度為44 bit/s，故收到一組完整差分修正信息并給出單點定位結果需約5 s，所以系統完好性監測的延遲近7 s。

6 結束語

　　(1) 簡化了系統中的數據通訊。分布式WADGPS技術突破了普通WADGPS要求在主控站計算全國統一的衛星鐘差，因此分布式WADGPS就不再需要在主控站與跟蹤站及地區站之間的高速、實時、連續的數據通訊傳輸，而只要求三者之間每天有數次的數據傳輸，這在中國目前實際是可以辦到的。這樣還大幅度地減少了建立WADGPS中數據通訊鏈的建設和維持費用。

　　(2) 地區站計算衛星相對鐘差。分布式WADGPS的第二個技術特色就是由地區站計算適合本區域的GPS衛星相對鐘差，也就是說解決了采用單站單差來計算區域性衛星相對鐘差的計算技術。利用這一技術，各區域性差分基準站即使不設置原子鐘，也能以±10 ns精度外推6秒的預報衛星相對鐘差。同時與普通WADGPS體系中的主控站和計算工作量比較，由于計算工作量在每個站相對要少，故對計算速度要求就可以適當降低，相應的各種計算設備要求就不是很高，軟件運行也相對要簡便，單站的投資費用較少。

　　(3) 利用外推預報精密星歷和外推預報衛星鐘差提高用戶定位精度。分布式WADGPS的第三個技術特色就是用戶軟件，即利用上述外推12 h(或24 h)小時(±2 m(或8 m)精度)的GPS預報精密星歷，外推6 s(±10 ns精度)的預報衛星相對鐘差，能確保用戶定位精度在水平方向為1～3 m，垂直方向為2～4 m(在離區域性差分基準站1000km范圍之內)。

表1 預報星歷與IGS精密星歷差異(以衛星地心坐標值表示)
Tab.1 The differences between predicted and precise (IGS) ephmerides (in geocentric coordinates of GPS Satellites)
    最小差異     一般差異         最大差異
差異/m  約占比例   差異/m 約占比例差異   約占比例 
0.5~1.0  20%     5.0~8.0 60%18.0~22.0   m 5%
5.2 衛星鐘差計算

　　在已知差分基準站精確地心坐標、預報精密星歷和較為精確的電離層對流層模型的情況下，利用C/A碼偽距就可以精確求出衛星鐘差，其數學模型如下：

Vjk(i)=Δtk(i)-Δtj(i)+Rjk(i)/C+Δtion+Δttr+Δtrel-ρjk(i)(1)
上式中：k=(1,2)表示接收機，這里用了兩臺接收機；j=(S1，…,Sn)表示觀測衛星號，Δtion,Δttr,Δtrel分別為電離層、對流層和相對論時延；Rjk為衛地幾何距離，ρjk為偽距，C為光速常數，i表示觀測歷元。令:
Ljk(i)=Rjk(i)/C+Δtion+Δttr+Δtrel-ρjk(i)(2)
有：
Vjk(i)=Δtk(i)-Δtj(i)+Ljk(i)(3)
對于任一歷元，兩臺接收機，Sn個衛星，則有2Sn個觀測值。若假定一臺接收機鐘差已知，則有Sn+1個未知數，可利用最小二乘法解算出該歷元的所有衛星鐘差。當鐘差確定后，按下式確定衛星鐘差的變化率：
分布式廣域差分向用戶同時發送外推6～8 s的衛星鐘差及其變化率。用戶所需任意時刻t的衛星鐘差計算公式為
Δtj(t)=Δtj(i)+dΔtj(i)(t-tj)(5)
利用這一確定鐘差的方法，所得衛星相對鐘差精度可達±5 ns，外推后可達±10 ns。

5.3 電離層參數計算

　　這次實驗所采用的單站電離層模型是：

　　VTEC=a0+a1(φ-φ０)+a2(S-S0)+a３(φ-φ0)(S-S0)+a４(φ-φ0)2+a５(S-S0)2　(6)
這里，VTEC為一衛星信號傳播路徑與電離層單層模型的單層面的交點處天頂方向總電子含量；φ0、λ0為測區中心的地理緯度和經度；S０為測區中心點在該時段中央時刻t0的太陽時角；t為觀測時刻；φ、λ為信號路徑與單層的交點處的地理緯度和經度；S為觀測時刻的太陽時角。

　　偽距電離層延遲為
電離層延遲改正參數每30 min計算一次系數，VTEC通過相位和偽距的組合觀測值確定。

5.4 分布式廣域差分實時定位結果及精度分析

　　利用中央電視塔發送的廣域差分修正信息在京津、京石高速公路和京津兩市內進行了不同環境和距離下的差分定位實驗。其中幾個主要結果如下：

　　——將車載雙頻雙碼GPS接收機停在離中央電視塔約50 km的京石公路邊靜置采樣10 min，以1s采樣率進行實時廣域差分定位。事后進行基線相對定位得到模糊度固定以后的該點精確坐標與差分定位結果相比，在平面坐標系x、y分量和高程h分量的差值，由此得到每一歷元差分定位x、y、h三個分量的中誤差分別為±0.7 m，±0.6 m，±2.0 m。三個分量10 min差分定位平均值與精確值差異分別為0.2 m,0.1 m，1.5 m。

　　——車載GPS導航接收機 采樣率1 s，沿京石高速公路以80 km/h速度進行動態廣域差分定位。動態實時定位精度水平分量均優于±1 m。在GPS信號被阻擋后，在2 s～3 s內即可恢復精度正常的定位。

　　——將差分修正信號用電話傳送至武漢監測站，進行遠程(1100 km)廣域差分定位(事后)。其水平定位精度為±1.2 m，高程精度為±2.5 m，但x方向和高程方向有近1.0 m的系統偏差，估計是單站電離層模型還不準確的緣故所致。