摘 要： 分析了Galileo 系統(tǒng)的特點及其關(guān)鍵技術(shù)，從3 個方面論述Galileo 系統(tǒng)對RTK 作業(yè)的改善，即Galileo 系統(tǒng)星座設(shè)計的優(yōu)越性、Galileo 系統(tǒng)在RTK 中整周模糊度的快速確定及Galileo 系統(tǒng)本身所具有的完備性。

關(guān)鍵詞： Galileo GPS RTK 幾何圖形強度

1 伽利略系統(tǒng)的概況

     全球目前已有的衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)主要是美國的全球定位系統(tǒng)（GPS）和俄羅斯的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GLONASS）。歐洲為了滿足本地區(qū)導(dǎo)航定位的需要，計劃開發(fā)廣域星基增強系統(tǒng)（包括地面設(shè)施和空間衛(wèi)星），以提高GPS 和GLONASS 系統(tǒng)的精度、完好性和可用性。同時，為了打破目前世界僅有的美國全球定位系統(tǒng)在這一領(lǐng)域的壟斷，歐洲決定啟用伽利略計劃，建立自主的民用全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（ Galileo ）。EGNOS 是歐洲Galileo 計劃的第一階段，也是Galileo計劃的基礎(chǔ)，并于2005 年達到全球運行能力。
伽利略系統(tǒng)由3 部分組成：太空部分（ Space Segment）、地面部分（Ground Segment）和用戶部分（UserSegment）。太空部分由30 顆MEO（Middle Earth Orbit）軌道衛(wèi)星組成，分布在3 個高度為23 616 km，傾角為56º的軌道上，每個軌道有9 顆工作衛(wèi)星外加1 顆備用衛(wèi)星，備用衛(wèi)星停留在高于正常軌道300 km 的軌道上。衛(wèi)星使用的時鐘是銣鐘和無源氫鐘，除基本的載荷外還有搜索救援載荷和通信載荷。系統(tǒng)的地面部分包括位于歐洲的伽利略控制中（Galileo Control Center）和20 個分布在全球的伽利略傳感站（Galileo SensorStation），除此之外，還有實現(xiàn)衛(wèi)星和控制中心數(shù)據(jù)交換的5 個S 波段上行站和10 個C 波段下行站。伽利略控制中心主要控制衛(wèi)星的運轉(zhuǎn)和導(dǎo)航任務(wù)的管理，20 個傳感站通過冗余通信網(wǎng)絡(luò)向控制中心傳遞數(shù)據(jù)，用戶部分主要由導(dǎo)航定位模塊和通信模塊組成。Galileo 系統(tǒng)與GPS 系統(tǒng)一個重要的區(qū)別在于，Galileo系統(tǒng)對于任何民用用戶，在任何應(yīng)用領(lǐng)域，都對系統(tǒng)的精度、可用性、連續(xù)性及完備性提供服務(wù)保證。

目前在建的伽利略（Galileo）定位系統(tǒng)，其衛(wèi)星的基本參數(shù)如表1 所示。

2 GPS RTK 的概況
2. 1 RTK 現(xiàn)狀
GPS 的實時動態(tài)測量技術(shù)（Real Time Kinematic，簡稱RTK）以其實時、高效、不受通視條件限制等優(yōu)點，已廣泛應(yīng)用于圖根控制測量、像片控制測量、施工放樣測量及地形碎部測量等諸多方面，倍受用戶青睞。RTK 測量是根據(jù)GPS 的相對定位理論，將1 臺或幾臺接收機放在待測點上（移動站），同步采集相同的衛(wèi)星信號。基準(zhǔn)站在接收GPS 信號并進行載波相位測量的同時，通過數(shù)據(jù)鏈將其觀測值、衛(wèi)星跟蹤狀態(tài)和測站坐標(biāo)信息一起傳送給移動站，移動站通過數(shù)據(jù)鏈接收來自基準(zhǔn)站的數(shù)據(jù)，利用GPS 控制器內(nèi)置的隨機實時數(shù)據(jù)處理軟件與本機采集的GPS 觀測數(shù)據(jù)組成差分觀測值進行處理，實時地給出待測點的坐標(biāo)、高程及實測精度。

2. 2 RTK 缺陷
RTK 所受到的誤差通常可分為兩類，即同測站有關(guān)的誤差和同距離有關(guān)的誤差。同測站有關(guān)的誤差主要包括天線相位中心變化、多路徑誤差、信號干擾和氣象因素影響等，其中多路徑是RTK 定位測量中最嚴(yán)重的誤差。一般情況下，多路徑誤差為1 ～ 5 cm，且多路徑誤差的大小常以5 ～ 20 min 的周期變化。同距離有關(guān)的誤差包括軌道誤差、電離層誤差和對流層誤差。其中軌道誤差只有幾米，對于小于10 km 的基線而言，其影響可忽略不計。電離層影響一般小于5 × 10 - 6，對流層誤差同點間距離和高差有關(guān)，一般影響在3 ×10 - 6以內(nèi)。

     另外，確定整周模糊值（ 即初始化）的時間和可靠性，是RTK 系統(tǒng)能否實時準(zhǔn)確定位的關(guān)鍵。整周模糊值其初始化的置信度通常為95% ～ 99%，且在RTK 作業(yè)中缺乏檢核條件，個別點可能會出現(xiàn)粗差，因此必須注重成果的復(fù)核。受衛(wèi)星信號、接收機狀態(tài)、測站周圍環(huán)境及儀器操作的影響，RTK 定位有時會出現(xiàn)失真，其成果不是百分之百的可靠。實踐證明，確定整周模糊值的時間和可靠性取決于4 個因素，即接收機類型（單頻或雙頻）、所觀測衛(wèi)星的個數(shù)、移動站至基準(zhǔn)站的距離及RTK 軟件質(zhì)量。通常，雙頻RTK 初始化的時間比單頻RTK 要短，而且與距離關(guān)系不大；解算時采用的星數(shù)越多，RTK 的精確性和可靠性越好；移動站至基準(zhǔn)站的距離越近，其初始化的時間也越短。

RTK 作業(yè)時要求觀測衛(wèi)星的圖形強度要高。在進行坐標(biāo)解算時，所采用的衛(wèi)星數(shù)越多，分布越均勻，則三維定位精度因子（PDOP）越小，RTK 的精確性和可靠性越高，且初始化的時間也越短，因此，一般情況下，接收衛(wèi)星數(shù)保持5 顆以上，且PDOP < 6 時，才能進行RTK 測量。在實際測量過程中，由于觀測條件的限制，接收到的GPS 衛(wèi)星數(shù)往往不能達到要求。
3 GaIiIeo 系統(tǒng)對于RTK 的改善

3. 1 Galileo 系統(tǒng)星座設(shè)計的優(yōu)越性

GPS 衛(wèi)星發(fā)射的信號功率很小，容易受到干擾。在建筑物密集的城市或地形比較復(fù)雜的區(qū)域，衛(wèi)星信號變得非常微弱，有時甚至接收不到信號，這些地方就變成了定位盲區(qū)。

     伽利略計劃在定義階段就考慮要解決GPS 系統(tǒng)目前存在、伽利略系統(tǒng)將來也可能面臨的問題，其中一個就是如何實現(xiàn)信號不佳區(qū)域的RTK 定位。伽利略系統(tǒng)的衛(wèi)星發(fā)射信號功率比GPS 要大，所以在一些GPS 系統(tǒng)不能實現(xiàn)定位的區(qū)域，伽利略則可以實現(xiàn)。如果某一區(qū)域用戶需要附加的服務(wù)，伽利略系統(tǒng)也可以通過使用虛擬衛(wèi)星來解決。另外，Galileo 系統(tǒng)的星座設(shè)計也比GPS 系統(tǒng)更為優(yōu)化，Galileo 系統(tǒng)對全球的任意地方均有較好的衛(wèi)星覆蓋，可視衛(wèi)星個數(shù)多于7個，衛(wèi)星分布較為合理，DOP 值較小且隨時間和空間的分布都較均勻。例如，我們可以以衛(wèi)星導(dǎo)航星座仿真演示系統(tǒng)為基礎(chǔ)，比較在中國武漢地區(qū)（ 北緯30&ordm;32'，東經(jīng)114&ordm;21'）任一天（2004 年12 月30 日）24 h內(nèi)觀測到的Galileo 和GPS 衛(wèi)星數(shù)（ 截止高度角設(shè)為10&ordm;，歷元間隔為30 s）。如圖1 所示，在該區(qū)域內(nèi)大部分時間（77%）可以觀測到7 顆GPS 衛(wèi)星，13% 的時間可以觀測到6 顆GPS 衛(wèi)星；而對于Galileo 系統(tǒng)，總可以看到7 顆或更多的衛(wèi)星（從7 顆到11 顆分布相對比較均勻）。因此，我們在做RTK 測量時，可以觀測到的Galileo 衛(wèi)星要多于GPS 衛(wèi)星。
Galileo 系統(tǒng)相對于GPS 系統(tǒng)星座設(shè)計的先進性還體現(xiàn)在對南北兩極導(dǎo)航定位條件的改善。由于GPS系統(tǒng)星座設(shè)計上的缺陷，南北兩極地區(qū)GPS 系統(tǒng)的幾何圖形強度很弱，尤其是北極地區(qū)，GPS 定位的精度很差，甚至不能使用。而北極地區(qū)能夠觀測到的Galileo衛(wèi)星數(shù)則較多（ 最多可以觀測到13 顆），而且有較大的高度角（最大可以接近60&ordm;）。

3. 2 Galileo 系統(tǒng)在RTK 中整周模糊度的確定方法

從Galileo 系統(tǒng)4 個頻率載波的組合觀測值來分析相應(yīng)的組合觀測值誤差，用相應(yīng)的符號來表示Galileo4 種載波的頻率和波長，如表2 所示。

不考慮多路徑誤差和對流層延遲等其他誤差項，引入電離層延遲項，各載波觀測值的電離層延遲（ 長度）有如下關(guān)系：

令L1的電離層延遲為Ii，則L2，L3，L4的電離層延遲分別為
I2 = q22I1 I3 = q23I1 I4 = q24I1， （1）
其中qi = f1 / fi，i = 2，3，4。以米為單位的載波相位觀測方程為
L1 = p - λ1N1 - I1 + εL1
L2 = p - λ2N2 - I1q22+ εL2
L3 = p - λ3N3 - I1q23+ εL3
L4 = p - λ4N4 - I1q24+ εL4
相應(yīng)的組合觀測值定義為
Lc = αL1 + βL2 + μL3 + δL4 =（α + β + μ + δ）p -（αλ1N1 + βλ2N2 + μL3N3 + δλ4N4）-I1 （ α + βq22+ μq23+ δq24）+ εLc
上式中（α + β + μ + δ）p 為組合觀測值相應(yīng)的幾何距離，令這一幾何距離不隨組合觀測值的不同而變化，且組合后的整周模糊度仍為整數(shù)，則有
α + β + μ + δ = 1Lc = p - λN - ηI + εLc（2）
其中
λN = αλ1N1 + βλ2N2 + μλ3N3 + δλ4N4η = α + βq22+ μq23+ δq24（3）
由（3）式得
N =（αλ1 / λ）N1 +（βλ2 / λ）N2 +（μλ3 / λ）N3 +（δλ4 / λ）N4
為了使組合觀測值的整周模糊度保持整數(shù)特性，則要求
i = αλ1 / λ，j = βλ2 / λ，k = μλ3 / λ，m = δλ4 / λ
可選取適當(dāng)?shù)膇，j，k，m 整數(shù)組合，得到不同的組合觀測值，對應(yīng)的組合觀測值的模糊度為
N = iN1 + jN2 + kN3 + mN4
上式中i，j，k，m 為整數(shù)，顯然N 也為整數(shù)。相應(yīng)的α，β，μ，δ 為
α = iλ / λ1，β = jλ / λ2，μ = kλ / λ3，δ = mλ / λ4（4）
將（4）式代入（2）式，可得組合觀測值的波長為
λ =λ1λ2λ3λ4i·λ2λ3λ4 + j·λ1λ3λ4 + k·λ1λ2λ4 + m·λ1λ2λ3（5）
由波長與頻率的關(guān)系式：λ = c / f，c 為光速，則（5）式變?yōu)?/span>
λ = c（/ if1 + jf2 + kf3 + mf4）
組合觀測值的頻率f 為
f = if1 + jf2 + kf3 + mf4
波長的大小對確定整周模糊度至關(guān)重要，波長越長，確定整周模糊度越容易，反之，對于短波長的組合觀測值則較難確定其整周模糊度。我們可以得到一組具有較長波長的觀測值，從而使得能夠以較快的速度和較高的可靠性確定這類觀測值的整周模糊度，進而確定各單個載波相位觀測值的整周模糊度。例如組合λ（1，7，- 32，24）和λ（3，- 6，- 11，14），筆者認(rèn)為對于快速確定RTK 的整周糊度就是很好的選擇。

3. 3 Galileo 系統(tǒng)完備性對RTK 的改善
完備性是用戶對系統(tǒng)提供信息正確性可信程度的一種度量，包括系統(tǒng)給用戶提供及時有效警告信息的能力。完備性是一個保證用戶安全性的重要參數(shù)，當(dāng)系統(tǒng)誤差超過限值時警告用戶。

由于系統(tǒng)設(shè)計上的原因，GPS 系統(tǒng)本身不能提供系統(tǒng)的完備性信息，這對于實時導(dǎo)航定位是個極大的缺陷。在RTK 作業(yè)中，經(jīng)常會因為衛(wèi)星信號出現(xiàn)問題（例如，某個衛(wèi)星的鐘差超過了可接受的范圍），而造成很大的誤差。伽利略系統(tǒng)將針對要求高的應(yīng)用場合提供良好的系統(tǒng)服務(wù)保障，保證系統(tǒng)具有很高的完備性，為用戶提供即時的警告。根據(jù)筆者對伽利略完備性的研究，伽利略的完備性概念主要包括3 個方面：用戶自主完備性監(jiān)測（RAIM），空基、地基區(qū)域增強系統(tǒng)和伽利略自身完備性監(jiān)測系統(tǒng)。前兩個方面已在GPS系統(tǒng)中得到反映，下面主要闡述伽利略自身完備性監(jiān)測系統(tǒng)的工作原理及其在RTK 中應(yīng)用的優(yōu)越性。

伽利略傳感站（GSS）是分布在全球的伽利略衛(wèi)星觀測站，每一個GSS 都將配備多臺Galileo 接收機，觀測值將通過兩個獨立的數(shù)據(jù)鏈路即導(dǎo)航鏈路和完備性鏈路分別傳輸?shù)杰壍劳�步處理設(shè)施（OSPF）和完備性處理設(shè)施（ IPF）。OSPF 將以30 s 的時間間隔接收來自每個GSS 的觀測數(shù)據(jù)并計算出導(dǎo)航信息和空間信號精度（SISA）值。在伽利略完備性監(jiān)測系統(tǒng)中，為了提高用戶的保護水平，系統(tǒng)用SISA 反映空間信號的質(zhì)量。SISA 是衛(wèi)星軌道確定和時間同步的產(chǎn)物，并且對衛(wèi)星星歷和衛(wèi)星鐘差參數(shù)的更新進行預(yù)測，每10 min更新1 次，每100 min 向衛(wèi)星上傳1 次，這個更新的時間間隔對RTK 來說已經(jīng)足夠。而IPF 則以每1 s 的間隔來接收每個GSS 的觀測數(shù)據(jù)，并確定出每顆Galileo衛(wèi)星實時的空間信號誤差（SISE）。對于每1 個歷元，實時計算出來的SISE 都將會與SISA 進行比較，從而產(chǎn)生一個完備性標(biāo)記IF，IF 能夠在危險情況下為用戶提供報警。然后數(shù)據(jù)上傳鏈路將所產(chǎn)生的系統(tǒng)完備性數(shù)據(jù)發(fā)送給Galileo 衛(wèi)星，這些系統(tǒng)完備性數(shù)據(jù)將被添加在導(dǎo)航信號中播發(fā)給用戶。具體步驟如圖2 所示。

用戶將可以至少同時從兩個仰角不低于25&ordm; 的Galileo 衛(wèi)星上接收到系統(tǒng)完備性信息，當(dāng)系統(tǒng)信號出現(xiàn)問題時，系統(tǒng)將提供警告信息，接收機將拒絕接受來自失效衛(wèi)星的信號，或利用接收機自主完備性監(jiān)測（RAIM）技術(shù)有效地減少失效衛(wèi)星信號對導(dǎo)航結(jié)果的影響，有效地保證整個系統(tǒng)的導(dǎo)航性能。

4 結(jié)束語

Galileo 系統(tǒng)將使衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的可見星數(shù)目得到增加，且總體性能得到增強。本文從對Galileo 系統(tǒng)星座設(shè)計的優(yōu)越性和Galileo 系統(tǒng)組合載波相位觀測值對整周模糊度的快速精確確定以及Galileo 系統(tǒng)的完備性三方面，分析了未來Galileo 系統(tǒng)在RTK 中的作用。對于下一步的工作，將著重研究Galileo 系統(tǒng)與其他導(dǎo)航系統(tǒng)綜合應(yīng)用時多類觀測值的綜合數(shù)據(jù)處理，以及RTK 中坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)的求解和作業(yè)半徑限制等問題。隨著Galileo 系統(tǒng)的正式投入使用，將給測繪帶來巨大的變化。