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星基定位增強電文處理方法分析

地理信息

2020年03月12日

星基增強電文處理方法分析

早在1997年,斯坦福大學 Parkinson 就提出了將通過5個或5個以上基準站采集原始數據,并將星歷、星鐘和站鐘在大的估計器里進行聯合解算。隨后,Enge P采用共視時間傳遞法將站鐘偏差分離出來,進而將解算減少至四維(星歷和星鐘)。1999年,斯坦福大學和JPL研究小組共同對上述算法進一步改進,采用站間單差消去殘余的電離層和對流層等共同誤差,再利用星際雙差消除基準站間的誤差,先求解星歷,再利用修正的星歷解算星鐘,SBAS系統普遍采用這種算法。德國的 GFZ 地學中心通過對幾種算法的綜合分析于2004年指出,以上幾種算法實質上還是星歷和星鐘的統一解算,適用于中軌衛星星座,不大適用于中高軌結合的混合星座。蔡成林等人結合 BDS 混合星座特點,提出了一種將星鐘和星歷誤差解算過程分離的新方法,從而將四維時空解算變為三維空間解算,有效提高了定位精度。


電離層延遲是影響衛星導航測距和定位精度最重要誤差源之一。SBAS 可通過多個連續運行的參考站觀測數據對衛星導航信號的電離層延遲進行實時監測,并生成電離層差分修正數,從而修正用戶的電離層延遲。SBAS 通常采用格網修正法來修正電離層延遲,其提供的電離層差分修正數是電離層格網點處的垂直電離層延遲估計。傳統的電離層修正的格網修正方法,更多地借助電離層的經驗模型(如 Klobuchar 模型、Bent 模型、IRI 模型),其計算精度不可避免地受到這一類模型本身精度的影響和制約。運行的SBAS系統主要采用三種方式針對每個電離層格網點進行垂直電離層延遲評估:一種是三角格網插入的卡爾曼濾波方法(Solar-TRIN)。假設電子容量是固定的,通過電離層穿刺點測量的傾斜總電子容量(TEC)值,計算球型網格點上的TEC 值 ;第二種是廣泛應用于地質統計學的基于 Kriging 插入方法,該方法利用已知的樣本值和設定的協方差函數(變差函數)來確定不同時間點和位置的未知值,充分利用TEC的空間相關性,并進行不確定性評估測量 ;第三種方法則考慮綜合了以上兩種方法的優勢,使用變差函數考慮空間相關性。


完好性監測是實現系統故障監測和排除的有效手段,能夠檢驗衛星導航定位服務品質。當衛星導航系統三大完好性監測方法為:一是外部增強方法,如廣域增強系統、局域增強系統等在向用戶播發誤差改正數的同時也給出改正數的完好性信息;二是接收機自主完好性監測 RAIM 方法,利用導航衛星的冗余信息,實現多個導航解的一致性檢驗,以達到完好性監測的目的;三是衛星導航系統自身基本完好性監測和衛星自主完好性監測。衛星鐘是實現衛星導航定位系統精確定位的基礎,其完好性監測主要是監測衛星鐘差異常。因此,SBAS 需對衛星鐘的狀態進行密切監測,適時作出故障鐘排除、星載鐘切換等操作。通常,衛星鐘差異??梢酝ㄟ^星載原子鐘的高精度頻率或相位比對測量、動態 Allan方差和基于滑動窗口的最小二乘擬合算法,并結合來二階多項式模型、灰色模型、Kalman濾波器模型等多種衛星鐘差模型實現,但實時性上大多難以滿足系統需求。SBAS 完好性監測以 EGNOS 和基于GPS 的SBAS的完好性概念最具有代表性。EGNOS 結合自身系統完好性,可提供空間信號和完好性標志等完好性信息 ;基于 GPS 的 SBAS 結果廣域增強技術和地面完好性監測技術,提出 UDRE、GIVE 等完好性概念。雖然二者概念不同,但均以觀測方程的形式將誤差通過空間幾何關系到定位域的誤差之上,使多星座間完好性信息等效利用成為可能。對于 DFMC SBAS 系統完好性來說,因其包含綜合信息完好性和用戶端完好性監測兩部分,故可考慮將上述三種方法相結合,在系統內部進行信息的完好性參數計算,同時在用戶接收端輔助以接收機完好性監測算法。SBAS 互操作的實現將能更好的支持民用航空各個飛行階段的精度和完好性性能需求



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