论文部分内容阅读
卫星导航系统的广域差分方法具有作用范围大、定位精度高且差分均匀性好的特征,已成为提高卫星导航系统性能最有效的手段之一,是卫星导航系统的一个非常重要的发展方向。我国正在发展二代自主卫星导航系统,研究与本国卫星导航系统相适应的广域差分方法具有重要的现实意义。
我国的卫星导航系统采用静地同步卫星(GEO)星座构架并将发展成为以GEO、倾斜轨道卫星(IGSO)与中轨道卫星(MEO)等卫星组合的混合星座,以GEO星座构架的卫星导航系统,世界尚属首例,关于GEO星座的广域差分方法的研究在国内外尚属空白。由于GEO卫星必须满足赤道面上的卫星位置约束条件,卫星机动控制频繁,决定了不能采用长时间数据平滑的传统广域差分方法,同时,GEO卫星的轨道面高,相同地面网观测GEO卫星的DOP比观测GPS卫星大几倍,如果采用同WAAS等传统差分方法相同的误差限制策略,误差限制范围也要扩大几倍,这样的差分精度没有意义。从满足GEO卫星的特征出发,研究既适合当前的基于GEO星座的区域定位系统,也适合未来基于混合星座的全球定位系统的广域差分方法,是我国卫星导航系统的差分系统建设的关键问题。
广域差分方法的基本点在于通过多个地面观测站联合观测卫星获得差分改正量,通过对星钟和星历统一的四维解算和星钟和星历分离的三维解算方法(去掉星钟)作比较分析,发现GEO卫星和MEO卫星的三维DOP比四维DOP要小得多,这意味着采用三维解算可以大大提高差分改正量的精度。基于这一分析,提出了一种星钟和星历改正新方法(称之为矢量差分方法)。
差分观测网包括一个与系统时间严格同步的主站与时间互不同步的多个副站,其中将主站观测的伪距误差分配给星钟,作为星钟误差,解算得到星钟改正数,将副站观测的伪距误差扣除主站观测的伪距误差与参考星比较得到相对伪距误差,将它分配给星历作为星历误差,通过多个副站联立解算得到星历改正数。通过相对改正的科学性论证,证明这种相对改正方法可以获得同时间同步的绝对改正同等的定位精度,但是鉴于参考星的星历没有改正,使用户定时存在公共偏差,这一公共偏差通过星钟二次改正加以修正。
这种矢量差分方法最先是针对GEO星座特征提出的,我们期望它也能应用于MEO等其他星座,但在MEO星座的应用存在两个最为突出的问题:其一、主站观测区域受限,差分网中一部分可视卫星在主站并不可视,难以解算这些卫星的差分量,其二、MEO卫星视留时间短且可视卫星组合在快速变化,难以选择合适的参考星完成星历误差相对改正。为此,在矢量差分基本原理基础上提出矢量差分扩展原理,扩展原理通过虚拟参考星技术,即虚拟卫星代替实际参考星,解决了MEO星座中的参考星难以选择问题,通过准确解算副站的站钟偏差达到副站的高精度时间同步,从而把副站当成主站解决主站不可视卫星的差分量解算问题。通过MEO、GEO和混合卫星导航星座中的差分性能分析,证明了这种方法在各种卫星导航系统均具有通用性。最后分析了这种矢量差分方法潜在的实时差分定位水平,基于伪距平滑技术,在伪距观测噪声得到有效消弱的情况下,矢量差分方法能使差分定位用户获得分米级实时定位精度,能使差分定时用户获得纳秒级的实时定时精度。
矢量差分方法是一种新的广域差分方法,它不同于传统的广域差分方法,传统的广域差分方法采用将星钟和星历统一解算,解算的DOP值大,矢量差分方法采用将星钟和星历误差分离解算,先采用一维方法解算星钟误差,后三维方法解算星历误差,解算的DOP大大降低,同时解算的复杂度也显著减少；传统广域差分方法是针对于MEO星座设计的,难以应用于GEO星座,而矢量差分方法可用于各种星座的卫星导航系统,通用性好；传统差分方法试图将星钟和星历修正到真值,矢量差分是将伪距误差在星钟和星历矢量上的分解,并不保证将卫星星钟和星历修正到真值,但保证星钟和星历误差总和在服务空间分布上修正到趋近于0,因此,能使差分用户定位很准和定时很准。
本文提出的星钟和星历改正新方法,在卫星导航系统的差分领域中具有创新价值,将星钟和星历误差通过矢量差分方法分离解算和利用虚拟参考星扩大矢量差分方法的应用范围是本文最突出的两个创新点。本文研究对我国卫星导航系统的广域差分系统建设具有重要的参考价值。