基于地基增强系统的误差分离方法及地基增强系统

摘要

本发明涉及一种基于地基增强系统的误差分离方法及地基增强系统。误差分离方法的步骤是：分别计算地面站码平滑伪距和用户站码平滑伪距；分别估算地面站电离层延迟误差和用户站电离层延迟误差；将地面站数据广播给用户站；用户站对上述数据进行差分校正。该地基增强系统为：地面站和用户站中分别包括两个滤波单元，一个用来计算码平滑伪距，另一个用来估算电离层延迟误差；用户站还包括差分处理单元，用于对用户站数据和地面站数据进行差分处理。上述方案可以消除电离层延迟的空间梯度的影响，并进一步减小码平滑伪距中噪声和多径误差；上述地基增强系统解得的差分定位结果，可进一步提高定位精度。

说明书

技术领域

本发明涉及一种GPS导航定位方法，特别是利用基于地基增强系统的误差分离方法进行差分定位的方法；本发明还涉及一种GPS导航定位系统，特别是基于地基增强系统的导航定位。

背景技术

全球定位系统(Global positioning system，也叫卫星导航系统，以下简称：GPS)包括三部分：空间段、地面段和用户段。GPS的定位原理是：用户接收空间段的卫星发射的导航信号，计算出信号从卫星到达用户接收机的时间，再乘以光速，即为卫星到用户接收机的距离；空间卫星的位置可以通过卫星星历计算出来；用户同时观测3颗卫星建立关于自己三维位置的3个方程，从而解算出三维位置。由于用户接收机时钟不能与卫星时钟完全同步，所以在定位方程中还包含一个接收机钟差的未知数，因此用户实际上需要同时观测4颗卫星，建立4个方程，解算用户三维位置和接收机钟差。

在用户测得的卫星到接收机的位置中，实际上还包含卫星的星历、星钟、电离层和对流层延迟以及接收机热噪声和多径效应引起的误差，因此这个计算出的距离称为伪距。对GPS的用户来说，直接通过伪距计算的定位结果大约有12.5米的误差。现在已经有很多系统可以辅助用户获得更高精度的定位结果，其中有一类系统称为地基增强系统(Ground BasedAugmentation System，以下简称：GBAS)，用户通过接收由地面站发送的增强信息来获得更高精度的定位结果。

GBAS基于误差的相关性原理，认为星钟误差、星历误差、电离层和对流层延迟误差在时间或空间上是强相关的，即距离很近的两个观测者同时观测同一颗卫星，则他们的定位误差基本相同。因此，在局域范围内能够通过差分的方式获得较高的定位精度。GBAS的工作原理是这样的，在已知精确位置的参考站获得伪距观测量，再计算出卫星和参考站的真实距离，计算两者之差得到差分校正值，并将之发送给用户接收机；用户接收机利用这些差分校正值改正自己的伪距观测量，则可得到较高精度的定位结果。

然而，实际中伪距观测量的误差中，电离层延迟误差是随时间以及卫星信号经过电离层的路径长度和卫星仰角而变化的，并且电离层本身的变化也导致电离层延迟误差随时间和地点而变化，这些变化给GBAS带来了附加的误差。

GBAS中通常使用载波平滑处理技术来消除此附加的误差，通过联合使用码观测量和载波相位观测量进行互补滤波，通过增加滤波时间常数减小滤波后平滑码伪距的噪声和多径误差，这种技术已经很成熟并成为GBAS的基础。然而，由于电离层折射对码观测量和载波相位观测量影响的不一致性，使得电离层的时间梯度会产生平滑滤波的残差，并且其大小与平滑滤波器时间常数成正比。由于上述载波平滑处理技术的特性，要设计一个折中的滤波时间常数用以平衡平滑码伪距的噪声和多径误差，以及电离层的时间梯度引起的滤波残差。

目前在单频GBAS系统中，由于电离层延迟误差的时间梯度给GBAS带来的附加差分校正残差无法解决。未来全球卫星导航系统(GlobalNavigation Satellite System，简称：GNSS)为民用用户站设计了多个导航频率，多导航频率观测量的使用将有助于更为精确的估计电离层延迟误差，并构建无电离层偏差的平滑滤波器，减轻电离层延迟误差对GBAS系统的影响。

目前的无偏差(Divergence-Free，简称：DFree)滤波方法就是使用双频观测数据改进平滑滤波的精度，该方法使用双频载波相位观测量构建组合的载波相位观测量，使其中的电离层延迟误差分量与码观测量中的电离层延迟误差分量的大小和符号均相同，在滤波前，先通过求差消去此分量，滤波后再将其加入平滑码伪距中。这样，DFree方法消除了电离层延迟时间梯度产生的滤波残差。但是，由于此方法应用的是双频信号，所以将双频载波相位噪声和多径误差引入了码平滑伪距中。

此外，在使用载波平滑处理技术时，电离层的空间梯度也会在用户端引起附加的差分校正误差，其大小通常为0.2cm/km。而且此空间梯度带来的差分校正残差是现有无论单频还是双频用户都无法消除的。

发明内容

本发明的一个方面是，提供一种基于地基增强系统的误差分离方法，使得用户的差分定位精度得以提高。

本发明的另一个方面是，提供一种地基增强系统，使得用户使用该系统可以得到精度很高的定位结果。

为了实现本发明的第一个方面，本发明的一些实施例的基于地基增强系统的误差分离方法，包括如下步骤：

计算地面系统码平滑伪距；

估算地面系统电离层延迟误差；

计算用户站码平滑伪距；

估算用户站电离层延迟误差；

将所述地面系统码平滑伪距和所述地面系统电离层延迟误差发送给用户站；

用户站对所述地面系统码平滑伪距、地面系统电离层延迟误差和所述用户站码平滑伪距、用户站电离层延迟误差进行差分校正。

通过上述方法，本发明的一些实施例可以消除电离层延迟的空间梯度的影响，并进一步减小码平滑伪距中噪声和多径误差。

为了实现本发明的第二个方面，本发明的另一些实施例的地基增强系统，包括地面站和用户站，地面站和用户站均包括接收机和数据链电台，用于接收和传送数据，其中：

所述地面站包括：第一滤波单元，用于计算地面站码平滑伪距；第二滤波单元，用于估算地面站电离层延迟误差；

所述用户站包括：第三滤波单元，用于计算用户站码平滑伪距；第四滤波单元，用于估算用户站电离层延迟误差；差分处理单元，用于对所述地面站广播给用户站的数据和所述用户站求得的数据进行差分校正，得到差分校正值。

上述地基增强系统中，当用户站收到地面站发送来的数据后，进行数据处理，解得差分定位结果，并且提高定位精度。

下面通过具体实施例并结合附图对本发明做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明误差分离方法的流程图；

图2为本发明地基增强系统结构示意图；

图3为本发明滤波单元结构示意图。

具体实施方式

首先介绍下GPS系统中码和载波相位观测量的模型：

假设GPS的L1频率下的码和载波相位观测量为ρ₁和φ₁，其方程分别为：