一種多基準接收機條件下的載波相位差分報文優(yōu)化生成方法

張昂，原彬，張睿

（中國電子科技集團公司第二十研究所，西安 710068）

0 引言

傳統(tǒng)的載波相位差分相對定位通常采用基準站和移動站各一臺接收機的配置即可實現(xiàn)。但在著陸引導等生命安全相關(guān)領(lǐng)域，傳統(tǒng)的載波相位差分相對定位技術(shù)不能保證其完好性，在發(fā)生故障時會造成完好性風險。為保障相對定位系統(tǒng)完好性，通常在基準站配置多個基準接收機實現(xiàn)完好性監(jiān)測，然而多基準接收機的引入涉及到差分報文發(fā)送的選擇問題，本文提出一種載波相位差分多基準接收機優(yōu)選機制，該機制能夠優(yōu)選一臺基準接收機作為差分報文發(fā)送的基準，保證移動站接收最優(yōu)的差分報文，從而保證移動站的定位精度和定位成功率。

1 載波相位差分報文生成機制

地面基準站生成的載波相位差分報文中的數(shù)據(jù)質(zhì)量和包含的衛(wèi)星個數(shù)對于精度的提高起著重要作用。該機制主要包括完好性監(jiān)測、殘差監(jiān)測和基于統(tǒng)計學的優(yōu)選策略三個步驟，載波相位差分報 文生成機制如圖1所示。

圖1 載波相位差分報文生成機制

（1）完好性監(jiān)測。對可用基準接收機輸出的鎖定衛(wèi)星的原始觀測量進行完好性（SQM、DQM、MQM）判別，只要有一種QM 算法判定某臺可用接收機的某顆星異常則判定該接收機的該顆衛(wèi)星不可用。

其中，信號質(zhì)量監(jiān)測（SQM）主要探測和識別接收到的 GPS/BDS測距信號中的異常，其主要由三部分組成：相關(guān)峰監(jiān)測、信號功率監(jiān)測和碼載分歧監(jiān)測[1-5]。

數(shù)據(jù)質(zhì)量監(jiān)測（DQM）主要是監(jiān)測接收機所接收到的衛(wèi)星導航電文數(shù)據(jù)的可靠性。地基增強系統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心主要通過數(shù)據(jù)質(zhì)量監(jiān)測算法來檢測更新的 GPS衛(wèi)星星歷和衛(wèi)星的時鐘數(shù)據(jù)的正確性,詳細算法見文獻1、文獻6和文獻7。

測量質(zhì)量監(jiān)測（MQM）主要是通過利用多個歷元偽距和載波相位測量值的一致性來監(jiān)測因時鐘異常和基準接收機故障所引起的測量值階躍和沖擊變化，其主要包括3個部分：接收機鎖定時間監(jiān)測，載波加速度斜坡階躍監(jiān)測和載波平滑碼偽距的革新性監(jiān)測[1]。

（2）殘差監(jiān)測。通過計算衛(wèi)星殘差監(jiān)測原始觀測量的準確度，如果某顆衛(wèi)星殘差大于閾值（250m），則判定該接收機的該顆衛(wèi)星不可用。

殘差（residual）計算公式如式（1）所示：

其中，r是真距，ρ是偽距，是衛(wèi)星鐘差，是基準接收機鐘差。

（3）基于統(tǒng)計學的優(yōu)選策略。通過該策略從多臺基準接收機優(yōu)選出一臺搜星個數(shù)多和數(shù)據(jù)質(zhì)量優(yōu)的接收機作為基準，保證移動站的 RTK定位精度和定位成功率。

2 基于統(tǒng)計學的優(yōu)選策略

完好性監(jiān)測和殘差監(jiān)測后，需要通過相關(guān)結(jié)果優(yōu)選出狀態(tài)最優(yōu)的基準接收機。本文的核心就是從相關(guān)結(jié)果提出相應的策略確保選擇的基準接收機數(shù)據(jù)質(zhì)量好和搜星個數(shù)多。

為了綜合考量地面基準站多基準接收機運行GPS和BDS系統(tǒng)的能力，則在優(yōu)選基準接收機時需要綜合評判各基準接收機雙系統(tǒng)的搜星情況以及數(shù)據(jù)測量的質(zhì)量，只有BDS和GPS的雙頻綜合搜星數(shù)目最多和數(shù)據(jù)質(zhì)量最優(yōu)的基準接收機才能作為 RTK的基準位置，并把該基準接收機的原始觀測量打包作為載波相位差分報文廣播至移動站。

基于統(tǒng)計學的優(yōu)選策略如下：

（1）判別該基準接收機是否可用。應處于正常工作狀態(tài)且正常搜星；該基準接收機被SQM/DQM/MQM標記為異常的總衛(wèi)星數(shù)不得超過2個；

（2）BDS/GPS雙系統(tǒng)四頻點各搜星個數(shù)不低于4顆；

（3）每個導航系統(tǒng)的雙頻點搜星個數(shù)之差不超過3顆衛(wèi)星；

（4）計算BDS/GPS雙系統(tǒng)各雙頻點搜星個數(shù)的均值μ和標準差σ，統(tǒng)計各基準接收機各導航系統(tǒng)的和

圖2 基準接收機優(yōu)選機制

（5）每個可用基準接收機鎖定衛(wèi)星的殘差平均值大于等于所有可用基準接收機殘差平均值；

單個基準接收機鎖定衛(wèi)星的殘差平均值計算如下：

其中，n為該基準接收機鎖定衛(wèi)星個數(shù)，residualsati為該衛(wèi)星的殘差值，計算公式見式（1）。

所有可用基準接收機殘差平均值計算如下：

其中，m是可用基準接收機個數(shù)。

（6）若μBDS-2σBDS和μGPS-2σGPS的最大值在同一個基準接收機上，則選取該基準接收機；反之，則求每個基準接收機的μBDS-2σBDS和μGPS-2σGPS的均值和方差，分別記為α和β，并計算α-2β，則選取α-2β最大值的基準接收機。

（7）若基準接收機同時存在多個基準接收機α-2β最大值相同情況，則從中優(yōu)選鎖定衛(wèi)星的殘差平均值最小的基準接收機。

基于統(tǒng)計學的優(yōu)選策略流程圖如圖2所示。

3 仿真試驗

為了驗證本文提出的策略，開展了仿真試驗，該試驗通過對載波和偽距的原始觀測量加注故障，驗證多臺基準接收機相對1臺基準接收機在面對完好性風險時的可用性。

分別采用一臺基準接收機作基準站和一臺移動接收機以及四臺基準接收機和一臺移動接收機兩種方案試驗。其中，移動站保持靜止狀態(tài)，移動站位置為（34.2378728571，108.909674311，388.0335），基線長度500m，仿真時間3600s。在基準接收機鎖定的兩顆星B1頻點偽距添加+300m偏差。

方案1：一臺基準接收機和一臺移動接收機

采用一臺基準接收機（基準站）和一臺移動接收機（移動站），在向該基準接收機鎖定的兩顆星B1頻點偽距添加+300m偏差后，以高度定位結(jié)果為例，如圖3所示。

從圖3可以看出，高度大約有2～3m的跳變。對定位模式進行統(tǒng)計，RTK固定解成功率降低為98.22%，定位的均值和標準差如表1所示。

表1 B1偽距偏差300m經(jīng)緯高定位均值和標準差

方案2：四臺基準接收機一臺移動接收機

采用四臺基準接收機（基準站）和一臺移動接收機（移動站）。故障加注前，基準接收機1是RTK的基準。對基準接收機1鎖定的兩顆星B1頻點偽距添加+300m偏差，可以看出該策略將基準接收機1判定為異常，同時選擇基準接收機2為載波相位差分的基準。如表 2所示。在本文提出的策略下，以高度定位結(jié)果為例，移動站的定位結(jié)果如圖4所示。

表2 策略引入后基準接收機選擇結(jié)果

從圖4可以看出，高度值沒有出現(xiàn)跳變。對定位模式進行統(tǒng)計，RTK固定解成功率為100%，定位的均值和標準差如表3所示。

對比表2和表3，可以看出面對同樣的完好性風險時，采用本文的提出策略生成載波相位差分報文，其移動站定位的均值和標準差更優(yōu)。

表3 策略引入后經(jīng)緯高定位均值和標準差

圖3 B1偽距偏差300m高度定位結(jié)果

圖4 策略引入后高度定位結(jié)果

4 結(jié)論

單個基準接收機作基準站時，一旦出現(xiàn)完好性風險則無法有效規(guī)避，將會導致移動站出現(xiàn)定位精度下降和 RTK成功率降低。為了保證系統(tǒng)的完好性，基準站設(shè)置多臺基準接收機，需要從中選取數(shù)據(jù)質(zhì)量高且衛(wèi)星數(shù)多的基準接收機用于 RTK定位的基準。本文基于多基準接收機狀態(tài)下提出的一種載波相位差分報文優(yōu)化生成方法，通過多次故障加注試驗證明其可以有效的從4臺基準接收機選出1臺數(shù)據(jù)質(zhì)量、搜星個數(shù)和狀態(tài)穩(wěn)定性綜合狀態(tài)最佳的基準接收機，保證移動站的定位精度和定位成功率。