No4 第四章卫星导航增强系统

卫星导航差分系统和增强系统（六）+刘天雄3 完好性增强系统及其实现方案3.1 完好性分析卫星导航系统提供的服务是单方向的，系统对提供的定位精度和质量没有闭环监测和反馈能力。

基本导航系统没有快速告警手段和通道，系统发生异常情况或中断情况时不能及时把告警信息通报用户，可能导致大量用户仍使用错误的导航信息，引发生命安全事故。

完好性增强主要是利用地面监测站网络，监测导航信号健康状态，结合伪距观测量的状态域改正数或者观测值域改正数生成相应的完好性信息，在系统出现故障或者异常情况下及时告知用户，卫星导航系统完好性概念示意如图16所示。

完好性增强技术的本质是及时有效地识别、剔出导致卫星导航PNT服务不可信的各类因素。

空中交通管理是为了有效地维护和促进空中交通安全，维护空中交通秩序，保障空中交通畅通，根据通信系统、导航系统和监视系统的信息，实施空中交通管理，包括空中交通服务、空中交通流量管理、空域管理三方面内容。

民航起降过程如图17所示。

为空中交通管理提供导航信息的系统有定向机/无方向信标（DF/NDB）、仪表着陆系统（ILS）、甚高频全向信标（VOR）、测距器（DME），以及卫星导航系统及其增强系统。

卫星导航系统在民用航空中的应用包括航路（En-route）、终端区（Terminal）、进近（Approach）、着陆（Surface）和起飞（Departure）等环节，其中进近又可以细分为非精密进近（Non-precision approach，NPA）、一类垂直引导进近（approach with图16 完好性概念示意（HPL代表水平保护门限，HAL代表水平告警门限）图17 SBAS和GBAS系统引导民航起降vertical guidance-I，APV-I）、二类垂直引导进近（APV-II）、一类精密进近（CAT-I）、错误进近（Missed approach）、二类精密进近（CAT-II）和三类精密进近（CAT-III）。

卫星导航增强系统在测绘中的应用与前景导语：近年来，随着科技的不断进步，卫星导航系统已经成为一种重要的测绘工具。

卫星导航增强系统以其高精度和高效性，正在改变着传统测绘的方式。

本文将探讨卫星导航增强系统在测绘中的应用和前景。

一、卫星导航增强系统的发展卫星导航增强系统是指一种通过利用卫星导航系统的信号来提高测绘精度和效率的技术。

这种系统结合了全球卫星定位系统（GNSS）和其他地面测量仪器，例如惯性导航系统和激光测距仪，使测绘人员能够在极具挑战性的环境中完成测绘任务。

二、卫星导航增强系统在高精度测绘中的应用1. 地形测绘：卫星导航增强系统能够提供高精度的定位和导航功能，使测绘人员能够快速准确地获取地形数据。

通过将卫星导航和激光测距仪相结合，测绘人员能够生成精确的三维地形模型，为城市规划和土地利用提供了重要数据支持。

2. 海洋测绘：海洋测绘是极具挑战性的任务，传统的测绘方法往往受到浪涌、波浪和潮汐等因素的干扰。

卫星导航增强系统通过利用高精度的卫星导航信号，使海洋测绘人员能够实时获取位置信息，并结合声纳测深仪等设备，提供全面准确的海洋地形数据。

三、卫星导航增强系统的市场前景卫星导航增强系统在测绘领域具有广阔的应用前景。

随着城市化进程的不断推进，对地理信息的需求与日俱增。

与传统测绘方法相比，卫星导航增强系统能够提供更高效、更准确的测绘数据，因此受到越来越多的关注和需求。

与此同时，卫星导航增强系统还具有其他领域的潜在应用。

例如，在交通管理中，引入该系统能够实时监测车辆位置，提升交通指挥效率；在农业领域，利用卫星导航增强系统进行土壤监测和作物生长分析，能够帮助农民提高农作物产量。

总结：卫星导航增强系统在测绘中的应用已经取得了显著的成果。

其高精度和高效性使其成为传统测绘方法的有力补充，为测绘人员提供了更准确、更全面的数据支持。

在未来，随着技术的不断进步和应用范围的不断扩大，卫星导航增强系统必将在测绘领域发挥更大的作用。

一、卫星导航系统性能的基本要素精度、完好性、连续性、可用性是评价一个卫星导航系统性能的基本要素，其中：1、精度是在给定时间内，接收机给出位置和速度的测量值与真值之间的一致性的度量。

当前卫星导航系统民用定位精度为10m （95％），授时精度为100ns（95％），10m 的定位精度可以满足大部分用户的使用要求。

例如，对于开阔海域的水面舰艇以及商用货轮的导航，以及从航线、航路到非精密进近阶段的飞机导航，数十米的水平精度就已经足够了。

但是在船舶进港、船舶靠岸、狭窄航道航行等特殊场景，定位精度要求到米级；飞机精密进近、大地测量、国土测绘等应用领域，10m的定位精度也远远不能满足应用要求；实时监测水库、高速公路、铁路等附近山体的三维形变，监测精度要求为毫米级；水库或水电站的大坝由于水负荷的重压而产生变形，危及坝体的安全，需要对大坝外观形变进行连续而精密的监测，监测精度则要求为亚毫米级。

如此高的定位精度要求，仅仅单独靠卫星导航系统的能力是无法实现的。

2、完好性是当系统出现异常、故障或精度不能满足设计指标要求时，系统向用户发出实时“不可用”告警的能力，一般用系统不能提供完好性服务的风险概率表示。

没有完好性保证的定位、授时和授时服务，就无法成为用户可以依靠的系统，尤其是那些涉及生命安全相关的应用领域，对卫星导航系统的完好性提出了较高要求，这些要求超出了卫星导航系统自身的服务能力。

涉及生命安全的交通运输领域利用卫星导航系统开展导航应用时，用户更加关注的是当系统处于95％服务可用性之外时，系统的完好性相关服务。

虽然卫星导航系统自身具有一定的完好性监测能力，地面运行控制系统通过接收导航信号和卫星自身健康状态来监测卫星的状态，然后将监测的告警信息上注给卫星并再由卫星以导航电文方式广播给用户，这个周期一般是一个小时，最短也需要15分钟。

卫星导航差分系统和增强系统（一）+刘天雄——什么是卫星导航系统的性能增强？——什么是卫星导航差分系统？——什么是卫星导航增强系统？——卫星导航增强系统分类及技术特点几何？不同应用领域对卫星导航系统完好性要求不同，例如：①船舶在远洋航路上航行时，对完好性要求相对较低，依靠卫星导航系统提供的完好性保障能力，以及用户接收机内部提供的自主完好性监视，就可满足使用要求；而对于船舶进港与靠岸来说，这个告警时间是不能满足用户需求的，需要建设专门系统在提高定位精度的同时增强卫星导航系统的完好性，保证船舶进港和靠岸的安全。

第4期2024年2月无线互联科技Wireless Internet Science and TechnologyNo.4February,2024作者简介:许鹏(1986 ),男,助理工程师,学士;研究方向:卫星导航㊂北斗卫星导航地基增强系统设计与测试分析许㊀鹏,赵㊀伟,罗㊀伟,兰㊀伟,桑㊀飞(61773部队,新疆乌鲁木齐831100)摘要:文章首先回顾㊁总结了全球卫星地基增强系统的产生㊁发展和演化情况,介绍了我国北斗卫星地基增强系统的现状;其次,对网络RTK 的误差和影响定位精度的因素进行了剖析研究,并以新疆地区为例,分别将北斗卫星地基增强系统与移动网络定位和GPS 系统定位精度进行对比;最后,将北斗系统与GPS 系统组合定位精度进行评估,探索北斗卫星地基增强系统的定位效果㊂关键词:北斗;定位精度测试;地基增强系统;CORS 系统中图分类号:TN953+.7㊀㊀文献标志码:A 0㊀引言㊀㊀随着2020年6月23日北斗3号最后一颗全球组网卫星在中国西昌卫星发生中心成功发射并顺利进入预定轨道,标志着我国北斗全球系统星座部署和北斗3号系统组网完成,同时也代表4大全球卫星导航系统划分天下的局面正式形成㊂对于4大导航系统在非遮蔽条件下的基本服务均可以满足10m 左右的精度要求㊂但随着科学技术发展和城市建设质量要求的不断提升以及对定位精度需求的提高,基本服务已经远远不能满足像测绘作业㊁国土勘探㊁精准农业等高精度领域的需求㊂为了提高定位精度并且满足各类用户的不同需求,卫星导航增强技术与系统便应运而生㊂1㊀全球卫星地基增强系统的产生和发展历程1.1㊀全球卫星导航增强技术与系统㊀㊀卫星导航增强技术最早是为了应对随着全球卫星导航系统应用的不断推广和深入,目前的卫星导航系统还不能满足一些高端用户的要求㊂而发展起来的美国GPS 系统选择可用性(SA)政策,2000年美国取消了SA 政策,在一定程度上提高了导航定位精度㊂为此各种卫星导航增强系统应运而生㊂目前,国外卫星导航增强技术主要分为2大类,一类是星基增强系统(Satellite -Based AugmentationSystem,SBAS),另一类是地基增强系统(Ground -Based Augmentation Systems,GBAS)㊂1.2㊀GBAS 地基增强系统㊀㊀局部面积增强系统(Local Area AugmentationSystem,LAAS)最早主要是为航空机场提供高完整性增强服务,由FAA 提出,后FAA 和ICAO(国际民航组织)已停止使用 LAAS 这一词,取而代之的是 GBAS ㊂相比于SBAS,单个GBAS 建设成本较低,且现有完好性相对较高[1]㊂2㊀北斗地基增强系统㊀㊀北斗地基增强系统是北斗卫星导航系统的重要组成部分,不仅能满足 技术先进㊁高效可靠㊁经济适用和易扩展 的标准,而且还能与其他技术相结合,构建一个更加完善㊁灵活的北斗导航服务体系㊂它可以根据1~2m㊁dm 级㊁cm 级的测量结果,使得北斗/GNSS 技术能够更加有效地应用于各种领域㊂3㊀网络RTK 技术3.1㊀传统RTK 定位技术㊀㊀传统的实时动态差分定位技术(Real -TimeKinamatic,RTK)基于高精度的载波相位观测值可用于快速静态定位,在应用中遇到的最大技术难题就是参照位置校正数据的有效作用距离㊂定位误差的空间相关性随着参照位置和移动位置距离的增加而逐渐失去线性,在一定距离下(单频大于10km,双频大于30km),经过差分修正处理后的用户数据还是有较大误差,导致定位精度降低而无法解算载波相位的整周模糊度问题㊂因此,为了保证所需定位精度,传统的单机RTK 使用距离十分有限[2]㊂3.2㊀网络RTK 定位技术㊀㊀在20世纪90年代中期,技术人员提出了网络RTK 定位技术的概念,以解决传统RTK 技术的不足㊂网络RTK 是在某一地区建立若干个基准站,构成对该地区的网状覆盖,并以这些基准站中的一个或多个为基准,向该地区相应地纠错信息,从而实现定位精确度的实时提升㊂与传统RTK 技术相比,网络RTK 定位技术不但扩大了覆盖范围,而且进一步压缩作业成本,提高了定位精度,减少了定位的初始化时间㊂网络RTK 系统的组成包括基准站网子系统㊁中心子系统㊁通信子系统㊁用户数据中心子系统㊁应用子系统,如图1所示㊂图1㊀网络RTK 系统组成3.3㊀连续运行参考站系统㊀㊀连续运行参考站系统(Continuous OperationalReference System,CORS)是由常年连续运行的若干固定基准站组成的网络系统,利用卫星导航定位㊁计算机㊁数据通信和互联网络等技术,按一定距离在一个个国家(区域)建立的㊂目前网络RTK 系统都是基于CORS 系统打造的,即很多CORS 系统都包含了网络RTK 定位功能㊂因此,CORS 的发展现状也体现了网络RTK 制式的发展现状㊂4㊀网络RTK 误差及导航系统精度分析4.1㊀网络RTK 误差分析㊀㊀导航信号从卫星的天线发射出来到接收机天线接收,然后由用户端接收机把测距信号量测出来,其中存在诸多影响因素,从而产生一定的误差㊂网络RTK 误差考虑到如下2方面:(1)天线相位中心偏差㊁多路径效应㊁无线电信号干扰以及与参考站㊁移动站有关的误差㊂(2)相对论效应㊁电离层误差和对流层误差等和星站间距离造成的误差㊂4.1.1㊀天线相位中心的偏差㊀㊀GNSS 测量可以用来检验天线的相位,可以通过计算卫星的质心来估算它们之间的距离㊂然而,这种方法的结果可能会受到精确星历的影响,导致它们的估算值可能会存在偏差㊂IGS 发展使得RTK 的施测变得更加精确,它通过比较使用者和被观察者的天线以及它们之间的相互影响,获取更准确的信息㊂这种方法大大提高了RTK 的精度,使其能够更好地反映实际情况㊂研究发现,天线的相位偏移主要由于它的天顶距对其产生的影响㊂然而,对于更精细的测量,笔者选择了50ʎ作为参考点㊂经过测量,可以看出随着角度的增加,数据误差也会随之增加㊂从0ʎ开始,误差几乎没有受到干扰,但是当角度达到45ʎ时,误差会达到最高,并且随着角度的增加,误差也会继续增加[3]㊂4.1.2㊀多路径效应的影响㊀㊀多路径效应(Multi Path Effect,MPE)是指各分量场在电磁波经过不同路径传播后,按各自相位相互叠加,使原有信号失真或产生错误,到达接收端的时间不同而产生的干扰㊂此类多路径现象会使接收方观察信号出现错误,造成追踪信号难度较大,该现象即为多路径效应㊂多路径效应对导航测量来说最为严重和危险,通常引起的误差约5cm 即可,而当反射系数大时则可能超过,误差值可达19cm 以上㊂特别是在多径效应的伪距离观测时,其错误可能高达10m或更高㊂多径误差和其他种类误差有所不同,除了与接收机天线圈周围存在环境及近㊁远反射物质有关外,还可以在一段时间内发生改变㊂因此多路径效应误差具有时变的复杂多样性,在实际应用中,很难用统一的模型进行描述㊂4.1.3㊀对流层延迟及其修正方法㊀㊀对流层是从地面开始向上延伸约50km 的大气层㊂在卫星信号传输过程中,对流层发生信号延迟的情况占到信号延迟的80%㊂当卫星导航信号穿过对流层时,信号的传播速度和路径就会发生变化,这种现象叫作对流层延迟(Transference)㊂对流层延时90%成因是由于大气层内的干燥分量导致的;剩下10%是由水蒸气导致的,称为湿度成分㊂因此,可通过对天顶方向干燥㊁湿度分量延时及对应投影函数表达对流层延时㊂ΔP trop =ΔP z ,dry M dry (E )+ΔP z ,wet M wet (E )(1)式中,ΔP trop 为对流层总延迟,ΔP z ,dry 为天顶方向对流层干分量延迟,M dry (E )为相应的对流层干分量投影函数,ΔP z ,wet 为天顶方向对流层湿分量延迟,M wet (E )为相应的对流层湿分量投影函数㊂当今,许多不同的对流层校验方法已被提出,而Hopfield㊁Saastamoinen 等新一代校验方法提供的数据比美国标准大气层的校验方法精度更高,误差仅为几毫米㊂在天顶方向,各模型的延迟改正误差都在20mm 以内,而湿分量部分的残余影响还是比较大㊂Hopfied 模型直接给出干分量和湿分量在传播路径上折射改正量(不再需要映射函数):ΔD trop =ΔD dry +ΔD wet(2)令i =dry ,wet ,则干湿分量用下式表示:ΔD i =10-6N i ð9k=1αk ,i k γk i éëêêùûúú(3)其中,折射指数公式为:N dry =0.776ˑ10-4P /T(4)N wet =0.373e /T 2(5)在这个方程中,用T ㊁P ㊁e 3个不同的参数来描述:大气温度(K)㊁大气压力(mbar )以及水气压(mbar)㊂r dry ㊁r wet 这些参数代表了从测量站出发,沿着干湿折射指数逐渐接近零的边缘线的距离(m),可以用下列公式来进行计算:γi =(γ0+h i )2-(γ0cos E )2-γ0sin E(6)在这公式中,边缘界面的高度(m)逐渐降至零,干湿折射指数分别为:h dry =40136+148.72(T -273.16)(7)h wet =11000(8)上面式中的系数为:g m =1.0-0.0026cos2B -0.28ˑ10-6Hα1,i =1α2,i =4a iα3,i =6a 2i+4b i α4,i =4a i (a 2i+3b i )α5,i =a 4i +12a 2i b i +6b 2i α6,i =4a i b i (a 2i+3b i )α7,i =b 2i (6a 2i+4b i )α8,i =4a i b 3i α9,i =b 4i a i =-sin Eh ib i =-COS 2E 2h i r 0在这些公式中,E 表示卫星的高度角,r 0表示测站的地心向径(m),P ㊁e 分别表示以mbar 为单位的测站大气压和水气压,T 表示测站的K 氏温度㊂Saastamoinen 模型为:ΔD dry =0.002277p g m(9)ΔD wet =0.002277g m1255T +0.05()e (10)其中,e 为水气压,可以根据测站上的相对湿度RH 来计算水气压㊂e =RH ˑexp(-37.2465+0.213166ˑT -0.000256908ˑT ˑT (11)g m 为平均重力,g m =1.0-0.0026cos(2B )-0.28ˑ10-6H ;B ㊁H 分别为用户纬度和高程㊂Saastamoinen 模型的投影函数采用了一种叫作Niell 的干分量投影函数,它的干分量投影函数为:m Hydro (ε)=1+a Hydro1+b Hydro1+c Hydro sin ε+a Hydrosin ε+b Hydro sin ε+c Hydro+1sin ε-1+a ht 1+b ht 1+c ht sin ε+a htsin ε+b ht sin ε+c ht éëêêêêêêêêùûúúúúúúúúˑH 1000(12)式中,ε为高度角,H 为正高,而干分量投影系数则由a Hydro ㊁b Hydro ㊁c Hydro 来表示;a ht =2.53ˑ10-5b ht =5.49ˑ10-3c ht =1.14ˑ10-3如果测站纬度Ø满足150ɤ|Ø|ɤ750,干分量投影系数利用下式进行内插计算,内插系数由系数表给出㊂p (Ø,t )=p avg (Øi )+[p avg (Øi +1)-p avg (Øi )]ˑØ-ØiØi +1-Øi +p amp (Øi )+[p amp (Øi +1)-p amp (Øi )]ˑØ-ØiØi +1-Øi{}ˑcos 2πt -T 0365.25()(13)式中,p 表示要计算的系数a Hydro ㊁b Hydro 或c Hydro ,Øi 表示表中与Ø最接近的纬度,t 是年积日,T 0为参考年积日,取T 0=28,a Hydro ㊁b Hydro ㊁c Hydro 的平均值及其波动值如表1所示㊂表1㊀干分量投影函数内插系数纬度a Hydro (average )b Hydro (average )c Hydro (average )a Hydro (amp )b Hydro (amp )c Hydro (amp )150.0012769930.0029153700.062610510.00.00.0300.0012683230.0029152300.062837390.000012709630.000021414980.00009012840450.0012465400.0029288450.063721770.000026523660.000030160780.00004349704600.0012196050.0029022570.063824270.000034000450.000072562720.00084795348750.0012046000.0029024910.064258460.000041202190.00011723380.00170372060㊀㊀而对于纬度Ø,|Ø|ɤ15ʎ,有:p (Ø,t )=p avg (15ʎ)+p avg (15ʎ)ˑcos(2πt -T 0365.25)(14)对于纬度Ø,|Ø|ȡ75ʎ,有:p (Ø,t )=p avg (75ʎ)+p avg (75ʎ)ˑcos(2πt -T 0365.25)(15)Niell 湿分量投影函数为:m wet (ε)=1+a wet1+b wet1+c wet sin ε+a wetosin ε+b wetsin ε+c wet(16)其湿分量投影系数a wet ㊁b wet ㊁c wet ,对于15ʎɤ|Ø|ɤ75ʎ是利用下式进行内插计算,内插系数如表2所示㊂p (Ø,t )=p avg (Øi )+[p avg (Øi +1)-p avg (Øi )]ˑØ-ØiØi +1-Øi(17)表2㊀湿分量投影函数内插系数纬度a wet (average )b wet (average )c wet (average )150.0005802180.0014275270.0434*******.00056794850.0015138630.04672951450.00058118020.0014572570.0439*******.00059727540.0015007430.04462698750.00061641690.0017599080.05473604而对于纬度Ø,|Ø|ɤ15ʎ,有:p (Ø,t )=p avg (15ʎ)(18)对于纬度Ø,|Ø|⩾75ʎ,有:p (Ø,t )=p avg (75ʎ)(19)4.1.4㊀电离层延迟及其修正方法㊀㊀随着日照㊁X 射线㊁γ射线等多种射线的照射,50~1000km 地表上的中性气体分子会经历一系列的物理现象,这些现象构成了一个复杂的物理系统,其特点是:随着射线的照射,这些物质会经历一系列物理反应,最终形成一个复杂的物理系统,它的物理特征就像一个复杂的物理系统㊂由于路线出现了轻微的变形,因此,将光速c 与时间Δt 相除,所获取的ρ与其本身的几何尺寸并无关联㊂通常电磁波在电离层中的折射率为:n 2=1-X1-Y 2T2(1-X )ʃY 4T4(1-X )2+Y 2L(20)式中,X =f 2p f2=N e e 24π2ε0mf2;Y T =f H f sin θ;Y L =f H fcos θ;ʃ的值取决于使用的电磁波的极化特性㊂N e电子密度是指每立方米空间中自由电子的数量;e 为电子电量,为1.6022E -19C;ε0为真空中的介电常数,为8.8542E -12F /m;θ代表电磁波在传播过程中与地球磁场的夹角;f 表示入射的电磁波的频率;f H 自由电子的回旋频率是指它们在受到地球磁场的影响时,其运动的特性和强度;f p 为等离子体频率,使电中性等离子平板产生振荡的特性频率时,从离子中分离出自由进行自由运动㊂因此,电离层造成的误差,主要是由信号频率㊁观测方向的仰角㊁观测时间电离层情况等因素决定,与卫星到接收机视线方向的电子密度有关㊂此外,当电离层剧烈活动时,可引起多普勒频移的变化,因为总电子含量的变化很快,从而可能造成相位的频繁脱锁㊂双频电离层修正模型,目前使用较多的电离层修正模型,可以有效地将残余误差降至总量1%以下㊂双频修正采用2个频点B 1㊁B 2,伪距观测量可以表示为:ρi =ρ0+If 2i (i =1,2)(21)可以得到:ρ0=aᶄρ1+bᶄρ2(22)其中:aᶄ=f 21/(f 21-f 22)bᶄ=f 22/(f 21-f 22)假定伪距观测量ρ1㊁ρ2的观测噪声有相同的均方差σn ,且相互独立,那么ρ0相对于单频测量下的归一化均方差可表示为:σρ0σn=aᶄ2+bᶄ2(23)由上式可计算出双频修正后得到的伪距观测量的观测噪声是单频测量的观测噪声的2.8976倍㊂如果采用频点B 1㊁B 3进行双频修正,那么双频修正后得到的伪距观测量的观测噪声是单频观测量的观测噪声3.5119倍;如果采用频点B 2㊁B 3进行双频修正,那么双频修正后得到后的伪距观测量的观测噪声是单频测量噪声的14.2866倍㊂计算电离层修正时应采用B 1㊁B 2频点上的伪距观测量,综合考虑估计精度和计算复杂度,对电离层进行修正㊂4.1.5㊀相对论效应㊀㊀在惯性空间中,被称为相对论效应的卫星时钟之间的相对运动㊂相对论效应可以划分为狭义和广义2类㊂按照狭义相对论的原则,安装在高度飞行卫星中的卫星钟频率f s 将会变为:f s =f 1-V 2s2c 2()(24)即Δf s =f s -f =-V 2s2c 2f ,式中V s 为卫星在惯性坐标系中运动的速度,f 为同一台钟的频率,c 为在真空中的光速㊂如将地球同步轨道卫星平均速度V s =3874m /s,c =299792458m /s 代入即可得:Δf s =-0.835ˑ10-10f (25)这说明,与静止在地球上的同类型时钟相比,地球同步轨道卫星的卫星时钟速度要慢一些㊂按照广义相对论,同样的时钟,在卫星上的频率会差,在地面上的频率也会差㊂Δf 2=W s -W k c 2f(26)其中,W s ㊁W k 分别为卫星所处位置的地球引力位和地面测站处的地球引力位㊂广义相对论的影响范围较小,可以将地球的重力位置视为一个单独的质点,于是有:W s =-μγW K=-μR ìîíïïïï(27)其中,μ为地球引力常数;R 为测站到地心的距离;γ为卫星到地心的距离㊂于是,Δf 2可得:Δf 2=μc 2f 1R -1γ()(28)总的相对论效应为:Δf =Δf s +Δf 2=μc 2éëêêùûúú1R-1γ()-V 2s 2c 2f (29)卫星钟比地球同类型钟的频率是增加的,解决办法是在制造卫星钟时把频率降低,以解决当这些钟进入轨道受到相对论效应影响时,频率刚好为标准频率㊂然而,上述相对论效应的影响,并不是常数的地球的运动和卫星轨道高度的改变以及地球重力场的改变㊂经上述修正后,存在残差影响卫星时间最长可达70ns,对卫星钟速影响可达0.01ns /s,这一影响必须考虑在高精度的单点定位中㊂4.2㊀导航定位精度分析㊀㊀影响导航的性能指标主要包括4个指标:精确度㊁完好度㊁可用性㊁连续性,而精确度指标是各系统为用户提供稳定可靠服务的保证,也是用户选择导航系统的重要依据,是各系统服务性能的最主要指标[4]㊂导航系统的服务精度主要取决于卫星分布的几何图形和观测量的精度,DOP 值一般作为一个卫星导航的精度㊂δAccuracy =DOP ˑδUERE(30)UERE 是由时钟误差㊁电离层延迟等因素造成的偏差,更多地反映在天空卫星的空间分布上,由于卫星接收路径产生用户等效距离误差的标准偏差,距离越远,误差放大效应也会增大㊂DOP 值作为反应星座组合和轨道参数的数值,主要包括水平DOP (HDOP )㊁垂直DOP (VDOP )㊁位置DOP (PDOP )㊁时间DOP (TDOP )和几何GDOP ㊂其中几何精度因子GDOP 是由PDOP 和TDOP 的综合影响的精度因子,可通过以下公式计算求得㊂GDOP =PDOP 2+TDOP 2(31)PDOP =σ2x +σ2y +σ2zσURE(32)给定定位精度水平,可用性取决于卫星在特定位置和一天内的几何形状㊂定位精度的高低是由DOP 所能接受的最大值来决定的,所以卫星导航系统的可用性要看定位精度的高低㊂普遍规律是PDOP ɤ6作为可用性评价系统的依据㊂利用几何精度因子的功能可预测导航系统的可用性(CFA),这就相当于在使用导航服务要求定位精度满足一定的要求㊂然而,事实上,系统完整性对于某些应用领域,尤其是航空领域来说是一个关键问题㊂因此,对系统的可用性,除了考虑DOP 门槛要求外,还应考虑组合导航系统观测卫星数量较多㊁GDOP 下降㊁组合导航系统定位时可选择最优星座即GDOP 数值最小的星座等自主完好监测和故障检测排除能力,这将有效提高导航系统定位精度[5]㊂5㊀仿真验证部分㊀㊀算例1:以2016年新疆地基增强CORS 站测试数据为例,数据来源为北斗导航新疆地基增强系统㊂通过运用北斗卫星导航新疆地基增强系统,新疆地区的事后导航定位服务区域能够实现全覆盖,同时重点区域能够获得dm 级甚至cm 级高精度定位服务㊂通过对比,可以发现新疆地基增强CORS 站系统的实时定位精度达到了5cm 以上,而且其高程精度也达到了10cm 以上,事后静态定位精度也达到了5mm 以上,而且其高程精度也不低于10mm㊂而移动网络定位精度远低于北斗卫星导航增强系统定位精度㊂算例2:北斗与GPS 联合精密定位,能够获得更高精度且系统鲁棒性更好㊂定位结果如表3所示㊂表3㊀北斗㊁GPS㊁北斗&GPS 定位精度对比单位:cm观测值N E U 北斗17.917.130.5GPS3.04.17.0北斗+GPS 4.0 3.56.26㊀结语㊀㊀北斗定位系统是中国重要的信息基础设施,它的建立为中国在导航卫星领域的国际影响力奠定了坚实的基础㊂经过模拟验证,与传统的BDS 定位方法相比,北斗地基增强系统的静态定位和动态网络RTK 测量精度都能满足要求,而且,将BDS 技术整合起来,更能体现多卫星集成技术的优越性㊂BDS 网络RTK 定位技术已经取得了巨大的进步,它的不断改进将有助于北斗地基增强系统的发挥,为北斗导航卫星的发展和应用提供坚实的基础㊂参考文献[1]郭树人,刘成,高为广,等.卫星导航增强系统建设与发展[J ].全球定位系统,2019(2):1-12.[2]刘文建.北斗/GNSS 区域地基增强服务系统建立方法与实践[D ].武汉:武汉大学,2017.[3]赵俊天.新疆维吾尔自治区CORS 系统的建设与定位服务测试[D ].西安:长安大学,2017.[4]李征航,张小红.卫星导航定位新技术及高精度数据处理方法[M ].武汉:武汉大学出版社,2009.[5]黄文德,康娟,张利云,等.北斗卫星导航定位原理与方法[M ].北京:科学出版社,2019.(编辑㊀沈㊀强)Design and test analysis of Beidou satellite navigation foundation enhancement systemXu Peng Zhao Wei Luo Wei Lan Wei Sang FeiUnit 61773 Urumqi 831100 ChinaAbstract This paper briefly reviews and summarizes the generation development history and evolution of the globalsatellite foundation enhancement system introduces the current situation of the Beidou satellite foundation enhancement system in China analyzes the error of the network RTK and the factors affecting the positioning accuracythen compares the Beidou satellite foundation enhancement system with the mobile network and the positioningaccuracy of the GPS system and explores the positioning effect of the Beidou system and GPS system.Key words Beidou positioning accuracy test ground -based enhancement system CORS system。

卫星导航差分系统和增强系统（四）+刘天雄2.3.3 连续运行参考站系统在大地测量、形变监测、道路施工、精准农业等领域，对卫星导航系统提出了动态厘米级、静态毫米级的定位精度要求，仅靠卫星导航系统自身无法满足如此高的定位要求，因此，需要建设增强系统提高其精度，连续运行参考站系统（continuous operation reference station system，CORS）就是为满足这些应用需求发展起来的。

CORS是地基差分系统，由若干个参考基准站、一个中心站和通信链路组成，数据处理中心与参考基准站之间一般需要建立双向通信链路。

每个参考基准站配置双频卫星导航接收机，基准站应按规定的采样率进行连续观测，并通过数据通信链实时将伪距、载波相位测量观测数据传送给数据处理中心，数据处理中心根据流动站送来的近似坐标(可根据伪距法单点定位求得)判断出该站位于由哪三个基准站所组成的三角形内，然后根据这三个基准站的观测资料求出流动站处所受到的系统误差，并播发给流动用户来进行修正以获得精确的结果，必要时可将上述过程迭代一次，实现静态8～10mm，动态3～5cm的高精度定位。

参考基准站与数据处理中心间的数据通信可采用数字数据网DON或无线通信等方法进行。

流动站和数据处理中心间的双向数据通信则可通过移动电话GSM等方式进行。

数据处理中心利用通信链路播发修正数据，播发系统有单向和双向两种工作方式，在单向方式中，用户从数据处理中心得到一致的修正数据；在双向方式中，用户将自己的粗略位置传送给数据处理中心，数据处理中心将针对性的修正数据播发给用户，每个用户可能得到不同的修正数据。

用户终端根据得到的修正数据，修正定位信息，以达到增加定位精度的目的，CORS的工作原理如图10所示。

CORS应用多基站网络RTK技术解决参考基准站差分改正数据作用距离有限的问题，RTK技术基于载波相位观测量进行实时差分，用户站同时接收导航信号和参考站传输的观测数据，根据相对定位原理，实时解算整周模糊度未知数并得到用户坐标，网络RTK技术中，线性衰减的单点导航差分误差模型被区域型的导航差分网络误差模型取代，通过多个参考站组成的导航网络估计一个地区的误差模型，并为该网络覆盖地区的用户提供校正数据。

《卫星导航增强技术与系统》读书笔记目录一、内容概要 (2)1. 卫星导航系统的基本概念 (3)2. 卫星导航增强技术的意义与作用 (4)二、卫星导航增强技术原理 (5)1. 多源增强原理 (6)2. 地面增强原理 (7)3. 空间增强原理 (8)三、卫星导航增强系统技术分类 (10)1. 主要技术分类 (11)2. 各类技术的特点与发展趋势 (13)四、卫星导航增强系统硬件设备 (14)1. 发射器 (16)2. 接收器 (18)五、卫星导航增强系统软件算法 (19)1. 数据处理算法 (22)2. 角度计算算法 (23)3. 位置计算算法 (25)六、卫星导航增强系统测试与验证 (26)1. 测试方法 (27)2. 验证方法 (28)3. 测试与验证实例 (30)七、卫星导航增强系统典型应用 (31)1. 军事应用 (33)2. 气象应用 (34)3. 导航应用 (35)八、卫星导航增强技术发展前景 (36)1. 技术创新方向 (37)2. 应用拓展前景 (38)九、结论 (40)1. 卫星导航增强技术的重要性 (41)2. 对未来发展的展望 (42)一、内容概要本书主要介绍了卫星导航增强技术与系统，包括卫星导航系统的基本原理、发展历程和现状，以及卫星导航增强技术的分类和应用。

卫星导航系统概述：介绍了卫星导航系统的定义、发展历程和组成部分，重点阐述了美国的GPS、俄罗斯的GLONASS、欧洲的伽利略和中国的北斗等系统。

卫星导航增强技术：详细讲解了卫星导航增强技术的分类，包括空间增强、地面增强、用户设备增强等，以及这些技术的工作原理和典型应用。

卫星导航系统与增强技术融合：探讨了卫星导航系统与增强技术融合的发展趋势和前景，包括多源数据融合、多模导航、室内外一体化等方向。

卫星导航增强系统设计与实现：介绍了卫星导航增强系统的设计原则、关键技术、实现方法和典型应用案例。

卫星导航增强技术应用场景：分析了卫星导航增强技术在交通运输、智能出行、农业、海洋、公共安全等领域的应用潜力和价值。

卫星导航增强系统及发展现状卫星导航增强系统是卫星导航系统建设中的一项重要内容，堪称卫星导航系统的“能力倍增器”。

目前的卫星导航系统尽管已经在各个民商用领域应用广泛，并且成为各大强国发展所不可或缺的一环，但由于技术和系统的局限性，在某些领域如航空精密进近等仍无法满足需求，需要增强系统将其能力加以提升。

从目前全球卫星导航系统发展的大趋势看，从前的美国 GPS 系统“一家独大”，已经由于俄罗斯 GLONASS、中国北斗、欧洲伽利略的崛起，向着“四分天下”发展。

甚至未来可能还会有印度、日本等国家的区域系统出现，那时全球 GNSS 将是“群雄逐鹿”的局面，系统间的竞争将愈加激烈。

如何能够突破重围，在竞争中立于不败之地？本文认为系统服务性能将是制胜关键，而作为系统能力倍增器的增强系统将是实现这一能力的重中之重。

目前，国外卫星导航增强系统主要分为星基增强系统（SBAS）和地基增强系统（GBAS）两大类。

星基增强系统如美国的广域增强系统（WAAS）、俄罗斯的差分校正和监测系统（SDCM）等，地基增强系统如美国的局域增强系统（LAAS）等。

这些系统综合使用了各种不同增强效果的导航增强技术，最终实现了其增强卫星导航服务性能的目的。

从增强效果上看，这些增强系统所使用的卫星导航增强技术主要包括精度增强技术、完好性增强技术、连续性和可用性增强技术。

其中，精度增强技术主要运用差分原理，进一步可分为广域差分技术、局域差分技术、广域精密定位技术和局域精密定位技术；完好性增强技术主要运用完好性监测原理，进一步可分为系统完好性监测技术、广域差分完好性监测技术等等。

连续性和可用性增强技术主要是增加导航信号源，进一步可分为天基卫星增强技术、地基伪卫星增强技术等。

当前卫星导航增强系统所采用的各种增强技术分类见下表。

以下主要从星基增强系统和地基增强系统这一分类角度，对于目前国外卫星导航增强系统的发展情况进行简要介绍。

表 1 当前卫星导航增强系统所采用的增强技术分类一、星基增强系统及应用发展星基增强系统（SBAS）通过地球静止轨道（GEO）卫星搭载卫星导航增强信号转发器，可以向用户播发星历误差、卫星钟差、电离层延迟等多种修正信息，实现对于原有卫星导航系统定位精度的改进，从而成为各航天大国竞相发展的手段。