關于增強GPS精密定位的研究與探討

林亞斌 王春范 劉繼巍

(遼寧省第十地質大隊，遼寧撫順 113004)

0 引言

隨著時代的發(fā)展，原來以GPS為主的可見星的數目比較少，在一定程度上無法滿足現在高樓密集區(qū)及深山峽谷的跟蹤，更不能準確的對其進行定位。在這種情況下，應該根據現在高樓密集區(qū)及深山峽谷地帶進行相應的分析，并采取相應方法對這些區(qū)域進行準確的定位。本文主要從偽衛(wèi)星技術和GPS技術綜合定位技術進行相應定位，以增強GPS在特殊地區(qū)的精密定位。

1 對偽衛(wèi)星進行分析

所謂的偽衛(wèi)星就是布設在地面上發(fā)射某種定位信號的發(fā)射器，通常情況下，其發(fā)射的是類似于GPS的信號，也是由于這個原因偽衛(wèi)星一般都是針對GPS設計的。偽衛(wèi)星最大的優(yōu)勢就是其在合成并精確進行定位時，可以不用像GPS衛(wèi)星那樣從零開始發(fā)射精確定時信號，其主要是轉發(fā)衛(wèi)星相關復制信號，其功能類似于鏡子能將衛(wèi)星信號放射給用戶接收機，這時用戶接收機就可以對衛(wèi)星信號的偽距和地面上偽衛(wèi)星相同信號為依據進行相應的測量。之后，就可以以這兩個偽距值之差得出兩偽距之間的差值。結果表明，其誤差內容包括接收機噪聲、大氣電流層、對流層及多徑誤差等，這其中影響最大的是多徑誤差，其他的誤差可以忽略不計。然而偽衛(wèi)星只是一個單純的信號發(fā)射裝置，并不能接收相應的數據。要想使偽衛(wèi)星接收更多的數據、信號，是需要對其進行相應裝置的，裝置后就是發(fā)射裝置接收器。這種接收器相較于信號發(fā)射裝置，其優(yōu)勢是既能發(fā)射信號，又能接收其他衛(wèi)星發(fā)出的信號。這些優(yōu)勢的形成得益于接收器硬件組成部分，其主要包括偽衛(wèi)星、接收器、放大器、增強運程控制器用來調節(jié)信號的強度、無線通信系統(tǒng)用來收集接收數據和遠程命令及控制總線、功率總線及RF天線等。在設計自差分的時候，可以用接收部分對自身的RF前端發(fā)射部分輸出進行相應的監(jiān)測。這里的前端可以采用專用線的前端或是無線廣播的形式對偽衛(wèi)星信號進行追蹤，但是在使用無線廣播形式的時候，必須先將其功率降低，減少外界的干擾。只有這樣，才能對偽衛(wèi)星信號進行追蹤。此外，偽衛(wèi)星有屬于自己的自校準衛(wèi)星陣列。其自校偽衛(wèi)星陣列是由不少于3個靜止收發(fā)器單元、1個接收器綁定單元、無線以太網、1臺PC機組成的。只要通過以太網就能用PC機計算出和存貯收發(fā)器之間的距離信息。自校準偽衛(wèi)星陣列最大的優(yōu)勢就是能同時計算出組成陣列的靜止收發(fā)器位置和移動單元的位置。雙向測距技術是用自差分來測量線路偏移的，最后再通過雙向測距計算出兩個收發(fā)器之間的距離能更好實現自校偽衛(wèi)星陣列。當接收器內部偽衛(wèi)星和接收機距離為零時，線路偏移誤差和接收機鐘誤差就是系統(tǒng)誤差。計算出誤差后，自校偽衛(wèi)星陣列通過優(yōu)化集合圖形對收發(fā)器進行設置，在此基礎上進行校對過程的初始化，然后用載波進行相位測量，這時移動單元會定一個精確的初始位置，通過靜止收發(fā)器和移動單元之間的雙向測距計算出整個周期數。如果移動單元不在靜止收發(fā)器范圍內，可以用載波進行相應的估算，再用載波進行測量，校對的結果就能達到厘米級的定位精度，能實現增強GPS精確定位。

2 對偽衛(wèi)星增強GPS精密定位進行分析

2.1 對偽衛(wèi)星路徑誤差進行分析

從上述分析可知，偽衛(wèi)星多路徑問題是影響其增強GPS系統(tǒng)正常運行的重要因素。出現這一問題的原因有兩種，一種是由偽衛(wèi)星近地面?zhèn)鞑バ盘栆鸬?，這也是多路徑問題最主要的原因。另一種是偽衛(wèi)星本身具有彌補盲區(qū)功能引起的，特別是當盲區(qū)多在高樓密集區(qū)、山區(qū)峽谷區(qū)、地下室或是地下隧道等地方的時候，常會出現多路徑問題，可見解決偽衛(wèi)星多路徑誤差問題是增強GPS精密定位的主要限制性因素。從上面的論述中可以知道，偽衛(wèi)星多路徑不僅包括衛(wèi)星信號的反射、折射后所形成的干擾，同時也包括偽衛(wèi)星發(fā)射天線本身的干擾。一般情況下反射可以分為近距離反射和遠距離反射兩種，遠距離反射反映的是高頻成分，近距離反射反映的則是低頻成分。相關調查表明，偽衛(wèi)星的近距離低頻成分出現的次數比較多，其對精密定位的影響最大;偽衛(wèi)星本身的信號傳播路徑比較低，再加上GPS路徑信號大多來源于比天線低的反射面形成的相應干擾，對低頻率的衛(wèi)星信號有一定的屏蔽作用，因此，在用GPS專用抗多路徑天線解決偽衛(wèi)星多路徑問題時，用此種方法是不適用的;衛(wèi)星在軌道上是處于運動狀態(tài)的，其與接收機之間的幾何關系也是變化的，GPS多路徑誤差的大小也是隨之變化的，要想更好的減少偽衛(wèi)星的多路徑誤差，就應該對GPS觀測數據進行平均。從以上幾個方面的論述來看，影響偽衛(wèi)星增強GPS精密定位的重要因素是偽衛(wèi)星多路徑誤差。要想解決偽衛(wèi)星多路徑誤差除了第一段論述的方法外，還應該加強用數據處理法進行解決。動態(tài)環(huán)境中的多路徑誤差難以消除，但是偽衛(wèi)星在靜態(tài)環(huán)境中應用的時候，偽衛(wèi)星和用戶儲備常會處在靜止或是準靜止狀態(tài)，在這種情況下，會出現很多靜態(tài)誤差，且這些靜態(tài)誤差近似于常量，運用相應方法可以減弱或消除多路徑誤差帶來的相應影響。要想更好的解決這一問題，可以采用相應的估算方法，可以利用長時間的GPS和偽衛(wèi)星聯合觀測值對模糊度浮點解進行相應的解釋，在此基礎上用FARA方法對整數解進行固定。當模糊值不準確的時候，可以通過相應方式對其進行進一步處理，直到整數值不再變化為止。要想實現上述估算值，有兩種方法，一種是用直接得到的多路徑誤差值對衛(wèi)星原始載波相位直接進行改進，一種是將得到估算值作為多路徑誤差未知數先驗信息，通過這一信息來完成平差計算。

2.2 對偽衛(wèi)星增強GPS精密度定位結果進行分析

本文所選用加拿大永久跟蹤站在其主樓平臺試驗對衛(wèi)星增強GPS精密度定位結果進行分析。在進行該實驗前，應先準備1臺發(fā)射器、2臺NovatelDL4機，并對偽衛(wèi)星和接收機進行相應功能設置，將偽衛(wèi)星窗口和PC機連接在一起，再用衰減器對發(fā)射器輸出功率進行相應的調節(jié)，以保證信號的正常接收。在進行試驗的時候，將間隔時間設置為10 s，通過相應性能實驗，可以得出四種實驗結果。第一種在觀測的時候，采用三顆衛(wèi)星，雖對平面定位結果有一定的影響，但是其垂直定位的精度并不高;第二種是在GPS衛(wèi)星圖中選出4顆衛(wèi)星，并保證這4顆衛(wèi)星在40°以上，其根本目的是對深谷環(huán)境進行定位，結果表明誤差相對較少，能對垂直方向進行定位，也能將多路徑消除;第三種是在上面論述的基礎上，通過衛(wèi)星多路徑效應對相應的模型進行改正，以增強GPS精確定位，并對相應數據結果進行處理，垂直精確度可達到2 mm～3 mm;最后一種是以前三種為依據的，其將觀測點改為三顆星的同時，又加入偽衛(wèi)星進行完成4顆星定位。實踐證明，加入第四顆星后，能夠實現2 mm～4 mm垂直精度。從四種結果可以看出，增加一顆偽衛(wèi)星對增強GPS精密度定位效果比較好。

3 結語

偽衛(wèi)星概念在很久之前就已經被提出來，但是由于其自身存在一定問題，并未廣泛應用。隨著科學技術的發(fā)展，偽衛(wèi)星定位系統(tǒng)在地下、飛行導航至火星探測等方面得到了應用。就目前來看，偽衛(wèi)星定位系統(tǒng)已經成為增強GPS精密定位的有效方法之一。雖然現在的偽衛(wèi)星系統(tǒng)仍有不足之處，但其可以和GPS等多種模式組合進行相應導航和定位，以增強GPS精密定位。在不久的將來其技術達到一定程度的時候，將會取代GPS系統(tǒng)進行單獨的導航。

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