基于抗干擾陣列天線的北斗RTK 解算與數(shù)據(jù)分析

中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所 應(yīng)俊俊 惠沈盈 陳秀德

在多種型號雷達(dá)等復(fù)雜電磁干擾環(huán)境下，由于GNSS衛(wèi)星信號功率微弱，極易受到干擾信號影響，在恢復(fù)信號后，針對高于10°仰角的衛(wèi)星，天線相位中心仍有1cm左右的偏差。

對于高精度測量型接收機(jī)而言，陣列天線引入的載波相位誤差較大，會導(dǎo)致整周模糊度固定錯誤，進(jìn)而引起較大的位置誤差，因此，衛(wèi)星導(dǎo)航抗干擾技術(shù)受到高度重視。其中，陣列天線抗干擾技術(shù)在空域進(jìn)行信號處理，利用不同陣元信號的自適應(yīng)加權(quán)合成，在干擾來波方向形成零陷，具有很好的抗干擾性能，因而受到廣泛關(guān)注。但陣列天線抗干擾的同時也對GNSS 載波相位觀測值造成一定影響，進(jìn)而導(dǎo)致RTK 定位成功率和精度迅速下降，如何在抗干擾的同時實(shí)現(xiàn)高精度的RTK 定位也成為GNSS 研究的主要方向之一[1-3]。

1 抗干擾陣列天線設(shè)計

高精度測量對天線相位中心的穩(wěn)定性要求較高，通用的高精度測量型天線相位中心偏差都在2mm 以內(nèi)，抗干擾陣列天線由于布陣、互耦、單元天線設(shè)計等原因，其相位中心偏差會更大，導(dǎo)致定位誤差甚至達(dá)到分米級以上，無法應(yīng)用于高精度場景，因此，如何設(shè)計高穩(wěn)定度的零相位中心天線是關(guān)鍵技術(shù)之一。

采用基于FSS（頻率選擇表面）/UC-EBG（共面緊湊型電子帶隙）的零相位陣列天線設(shè)計及標(biāo)校技術(shù)可解決上述問題，天線陣設(shè)計上采用基于FSS/UC-EBG 設(shè)計的零相位陣列天線技術(shù)，通過加載FSS 天線罩、兩饋點(diǎn)微帶疊層天線陣元、天線地板加載UC-EBG 等技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)；同時采用基于二維矩陣的陣列天線相位中心標(biāo)校技術(shù)進(jìn)行陣列接收天線的相位中心標(biāo)定，經(jīng)過校正以后，使得陣列天線的相位中心變化量能夠滿足高精度測量的應(yīng)用需求。

2 北斗RTK 定位解算

北斗RTK 差分定位解算通過用戶抗干擾一體機(jī)接收本機(jī)的載波相位、偽距觀測數(shù)據(jù)、星歷數(shù)據(jù)，以及通過通信電臺接收基準(zhǔn)站抗干擾一體機(jī)的載波相位和偽距觀測數(shù)據(jù)，依據(jù)觀測誤差的空間相關(guān)性，通過差分的方法消除觀測數(shù)據(jù)中的大部分系統(tǒng)誤差，從而實(shí)現(xiàn)高精度（分米或厘米級）的相對定位。

用戶抗干擾一體機(jī)u和基準(zhǔn)站抗干擾一體機(jī)r同時跟蹤衛(wèi)星i和衛(wèi)星j，則雙差偽距、載波相位觀測方程如式（1）所示[4]：

對偽距、載波相位雙差殘差進(jìn)行分析，可以獲取抗干擾一體機(jī)的偽距、載波相位精度水平。將用戶抗干擾一體機(jī)和基準(zhǔn)站抗干擾一體機(jī)的真值坐標(biāo)代入式（1），則載波相位、偽距殘差可表示為如式（2）所示：

北斗RTK 差分定位解算優(yōu)先使用載波相位差分定位固定解，模糊度不能固定時使用載波相位差分定位浮點(diǎn)解，無法進(jìn)行載波相位差分定位時使用偽距差分定位。當(dāng)差分定位無效（接收的相同衛(wèi)星數(shù)小于4）或無法進(jìn)行差分定位時，則使用各車地理位置坐標(biāo)進(jìn)行車間相對定位坐標(biāo)解算。

在車輛靜止?fàn)顟B(tài)下，一旦數(shù)傳電臺和基準(zhǔn)站設(shè)備開啟，若有強(qiáng)干擾，則啟用偽距差分定位。除數(shù)據(jù)傳輸時延，基本可保證實(shí)時定位。若無強(qiáng)干擾，則啟用RTK 定位，因基線解固定和收斂，首次定位約耗時1min，后續(xù)可實(shí)現(xiàn)實(shí)時高精度定位。

基于抗干擾一體機(jī)，從DSP載波相位提取和高精度數(shù)據(jù)處理軟件方面進(jìn)行了改善，主要策略體現(xiàn)在:（1）在幀同步獲得偽距觀測量的基礎(chǔ)上，修改了相關(guān)積分時間，提高了載波相位提取精度；（2）在數(shù)據(jù)處理軟件中，主要基于載波相位差分，以偽距輔助載波相位進(jìn)行差分(碼載權(quán)比為1/100)。

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)來源于石家莊市郊收集的BD雙頻靜態(tài)數(shù)據(jù)，基線長度約為4km，截止高度角為10°，采樣間隔為1s，總共收集了2015個歷元的同步觀測數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集所使用的接收機(jī)為自研的抗干擾一體機(jī)，B1頻點(diǎn)為單陣元，B3頻點(diǎn)為抗干擾四陣元。

為評估偽距和載波相位觀測量精度，試驗(yàn)中基于B1/B3雙差觀測模型計算固定解雙差殘差。在構(gòu)建雙差觀測量過程中，選擇高度角最高的12號衛(wèi)星作為參考衛(wèi)星。此外，為了使殘差更好地反映觀測誤差，試驗(yàn)中代入基線真值，并在殘差計算中固定為已知值(即未知參數(shù)僅為雙差整周模糊度)。

如圖1所示為B1頻點(diǎn)載波雙差殘差序列圖，如圖2所示為B3頻點(diǎn)載波雙差殘差序列圖，如表1所示為B1/B3雙差殘差統(tǒng)計值。

表1 B1/B3雙差殘差統(tǒng)計值（各統(tǒng)計量取絕對值后取95%）Tab.1 Statistic value of B1/B3 double difference residual (95% after absolute value of each statistic)

圖1 B1載波雙差殘差序列圖Fig.1 B1 carrier double difference residual sequence diagram

圖2 B3載波雙差殘差序列圖Fig.2 B3 carrier double difference residual sequence diagram

從表1可看出，B1頻點(diǎn)、B3頻點(diǎn)載波雙差殘差均小于1/4周（5cm），抗干擾天線雖然導(dǎo)致載波相位噪聲明顯偏大，但是仍然沒有破壞B1/B3頻點(diǎn)載波相位模糊度整數(shù)特性，B3頻點(diǎn)載波雙差殘差均大于B1頻點(diǎn)載波雙差殘差。

從表2可看出，B3頻點(diǎn)載波雙差殘差最大值與最小值之差比B1頻點(diǎn)載波雙差殘差最大值與最小值之差大。因?yàn)榭垢蓴_天線不濾噪聲，不具備多徑抑制功能，相對于高精度天線而言，噪聲更大一些。

表2 B1/B3 雙差殘差峰峰值（不取絕對值的最大值、最小值，單位：m）Tab.2 Peak value of B1/B3 double difference residual peak (maximum and minimum values without absolute values,unit: m)

如圖3所示為B1/B3雙頻RTK解算的平面精度序列圖，如圖4 所示為B1/B3 雙頻RTK 解算的高程精度序列圖。水平精度（取95%）達(dá)到0.04m，高程精度（取95%）達(dá)到0.06m。

圖3 B1/B3 雙頻RTK 平面精度序列圖Fig.3 B1/B3 dual-frequency RTK planar precision sequence diagram

圖4 B1/B3 雙頻RTK 高程精度序列圖Fig.4 Sequence diagram of B1/B3 dual-frequency RTK elevation accuracy

4 結(jié)語

本文基于實(shí)測數(shù)據(jù)定量分析了抗干擾天線對載波相位模糊度整數(shù)特性、北斗RTK 定位性能的影響，試驗(yàn)結(jié)果表明:抗干擾天線雖然導(dǎo)致載波相位噪聲明顯偏大，但是仍然沒有破壞B1/B3 頻點(diǎn)載波相位模糊度整數(shù)特性，采用多陣元抗干擾天線的B3 頻點(diǎn)載波相位噪聲明顯大于B1 頻點(diǎn)。在進(jìn)行北斗RTK 定位處理時，主要基于載波相位數(shù)據(jù)，以偽距輔助載波相位進(jìn)行差分(碼載權(quán)比為1/100)，其定位性能水平（取95%）可達(dá)到0.04m，高程（取95%）可達(dá)到0.06m 定位精度。