基于北斗短报文的低成本远海伪距差分定位方法_董蔺.pdf

测 绘 通 报 年 第 期引文格式：董蔺，姬生月，王振杰 基于北斗短报文的低成本远海伪距差分定位方法 测绘通报，（）：基于北斗短报文的低成本远海伪距差分定位方法董 蔺，姬生月，王振杰（青岛杰瑞自动化有限公司，山东 青岛；中国石油大学（华东），山东 青岛）摘要：受通信距离限制，伪距差分定位技术多用于有无线通信网络的陆地地区或近海区域，在远海区域目前基本无法实现伪距差分。本文基于北斗短报文提出了空间相对定位技术与时间基线法相结合的新方法，实现了远海伪距差分定位技术，并探讨了伪距改正数据的简化和编码方法。根据实测海洋数据，测试了流动站距离参考站约 的伪距差分定位性能。试验结果表明，其水平方向定位误差基本小于 ；竖直方向基本小于 。由于北斗短报文的年通信费用目前仅约 元，因此本文方法可满足远海低成本伪距差分定位的需求。关键词：远海；北斗短报文；伪距差分定位；低成本中图分类号：文献标识码：文章编号：（），（，；（），）：，：；由于大多数普通导航与定位应用需要分米级精度，因此伪距差分定位技术在社会生产和实践中较普及，如应用在车辆导航、近海船只导航中等。伪距差分定位的基本原理为：基于一台或多台参考站接收机的观测数据，计算各卫星的伪距改正，然后通过 或 经 发送给用户，用户接收改正数据后，对自己观测到的伪距进行改正，即可消除卫星轨道和卫星钟误差，定位精度由米级变为分米级。与实时精密单点定位技术（，）和 网 络 （）技术相比，伪距差分技术有突出的优点：伪距差分技术无需模糊度解算，因此不需要等待模糊度固定或收敛，可实时进行定位；在出现数据中断情况时，网络 和 技术需要重新计算模糊度。因此对数据的中断较敏感，而伪距差分技术对数据的中断不敏感，可即时恢复导航与定位。然而，与网络 和 技术一样，伪距差分收稿日期：基金项目：国家自然科学基金面上项目（）；地震动力学国家重点实验室资助（）；中央高校基本科研业务费专项资金（）作者简介：董 蔺（），男，硕士，高级工程师，研究方向为卫星定位与无线通信。：通信作者：姬生月。：年 第 期董 蔺，等：基于北斗短报文的低成本远海伪距差分定位方法技术基本只应用于陆地或近海，即只能应用于通过 或 连接到 的环境，在远海或其他偏远地区，如沙漠等，伪距差分技术的应用极少。原因为在远海或偏远地区，通常需要借助卫星实现无线网络的通信，而与 和 相比，卫星通信的成本要高得多，每年的费用以万元计，普通的用户承担不起。北斗是我国自主研发的全球卫星导航系统，目前已完成了全球组网定位。北斗短报文通信功能是北斗的特色之一，是基于北斗卫星与地面中心控制站联合实现的，其通信信道与互联网通信的链路层类似，即通过北斗卫星，各用户端可建立相应的通信链路。北斗短报文通信的主要特点为：响应能力快速，通信可靠性高；通信抗干扰性能强，采用 波段传输，雨衰影响小；保密性强，服务范围广。由于其通信费用低，年通信费仅约 元，因此北斗短报文在数据远程传输方面得到了广泛的应用。近几年，利用北斗短报文进行远程卫星导航数据的传输也有很多研究。但北斗短报文通信仍存在以下缺点：（）通信频度有限。短报文不能连续发送，两次发送之间必须有一定的时间间隔，前几年，一般民用终端的通信间隔为 ，但从去年开始，市场上销售的短报文终端的通信间隔变为 。（）通信容量有限。每次发送通信内容的数据大小受限，一旦超过限定容量，则之后的数据不被传输。北斗二号一般民用终端通信内容数据最大为 ，即.字节。本文拟通过北斗短报文传输伪距改正数据，以实现远海地区的伪距差分定位技术。由于北斗短报文的通信频率较低，利用单台套北斗短报文设备，只能实现 次或 次的伪距差分定位，而在实际生产和实践中，通常需要 的高动态应用。基于低通信频率的北斗短报文实现高动态导航与定位，是实现远海伪距差分技术的关键。较简单的解决方案为增加北斗短报文设备的数目，但缺点为通信成本也成比例增加，比如由 次变为 ，需要 台短报文设备，年通信费用大约为 元，而由 次变为 ，则需要 台短报文设备，年通信费用可达.万元，这是普通用户无法承受的。为解决这个问题，本文研究了空间相对定位技术与时间基线法相结合的新方法。首先，介绍空间相对定位与时间基线方法的结合原理；然后，基于伪距改正数据的数值范围的分析，提出伪距改正数据的编码方法；最后，进行实际海洋测试，对基于北斗短报文的远海伪距差分性能进行评估。空间相对定位技术与时间基线法相结合的新方法原理.基于北斗短报文通信的空间相对定位技术空间相对定位是指伪距差分空间相对定位。首先用户端发送观测卫星名称到服务端，服务端计算共视卫星的伪距改正数，并通过短报文设备发送；然后用户端接收到伪距改正数后，对相应的伪距观测进行改正，再进行定位，如图 所示。伪距改正数计算公式为，（）式中，为伪距改正数；，为根据参考站的精确坐标和广播星历计算得到的站星几何距离；，为无电离层组合的伪距观测值。伪距改正数主要包括卫星轨道误差、卫星钟误差、接收机误差、对流层误差和观测噪声等。为了减小伪距改正数的数值范围，以有利于北斗短报文的编码发送，可以先利用对流层模型对对流层延迟误差进行改正，然后在卫星间差分，以消除接收机钟差。需要注意的是，用户端需要利用同样的对流层模型进行对流层误差改正。为了尽可能地提高精度，也可对其他误差进行改正，如固体潮误差等。图 基于短报文发送服务端观测数据当用户端接收到短报文发送的伪距改正数，对伪距进行改正后，可基于数学模型进行定位，公式为 （）式中，为用户的坐标改正数；为对应的系数阵；为卫星间单差伪距观测值。依据上述方法，根据短报文设备种类的不同，可得到用户每 或每 间隔的位置。目前市场上主要为 次的短报文设备，但用户早期购买的 次的短报文设备还可以继续使用，且发送间隔不变。测 绘 通 报 年 第 期.时间基线方法时间基线法（）是利用单台接收机在不同历元采集观测数据，计算两个历元间的相对位置。如图 所示，首先在站点 处架设 接收机进行观测；然后快速将接收机架设到站点 处进行观测；最后基于不同历元间的 观测数据进行差分计算 和 点的相对位置。图 时间相对定位图 为时间基线方法的实际应用，若流动站观测数据的采样频率为 ，则 间隔内共有 个观测方程（若时间间隔为 ，则有 个观测方程），星间差分观测方程的计算公式为|（）式中，是历元的用户端的坐标向量；是通过伪距差分空间相对定位，得到 或 间隔的精确坐标；，是其他历元的未知坐标向量；是模糊度向量；是天顶方向对流层延迟；（，）、和（，）是相应的系数；（，）是相位观测值。图 时间基线方法示意忽略 与、和 之间的差异，并在任意两个相邻历元的方程间进行差分，可得到，|（）其中，通过最小二乘平差方法，得到，（），（），（），（），|（）因此通过，与 可以获得 或 内其他任何历元的用户精确位置，即，|（）式（）（）中的 均指每隔 或 伪距差分得到的用户坐标，即空间相对定位与时间基线方法的结合点。即首先利用伪距差分得到用户 次或 次的精确坐标；然后再根据时间基线方法，通过累积用户的历元间位移得到 或 之内其他历元的用户坐标。北斗短报文编码方法编码方法的制订须基于待发伪距改正数据的特点，尤其是数值大小。为此，基于澳大利亚的 站 进行测试，其接收机类型为天宝，所用观测数据日期为 年 月 日，数据长度为 ，采样间隔为 ，参考站所用的精确坐标从 网站的周解文件获得，截止高度角设定为。图 显示了 个 系统所有的卫星间单差伪距改正数值。可知，的伪距改正数值最小，介于 内，而 的最大。除个别 数据外，都不超过 ，即 。双字节，即，可以表示的最大整数为，即，考虑正负号，可以表示的整数范围为从 年 第 期董 蔺，等：基于北斗短报文的低成本远海伪距差分定位方法 到。因此，每一个伪距改正数据都可利用双字节进行编码，绝对值大于 的数据不发送。卫星名称可以重新编号（见表），最大编号为（个字节表示 个卫星编号）。由于伪距改正数据每隔 或 发送一次，其历元时间可与用户约定为：，：，：，（或：，：，：，），而短报文的发送时间通常不超过 ，用户很容易根据接收时间推断出历元时间，因此历元时间可不发送。表 各 卫星名称编号北斗卫星编号为了确保服务端和用户端相同历元时间的数据预处理与所用广播星历数据的一致性，双方约定选用星历时间与观测数据历元时间间隔大于 的最新星历数据，因此所用广播星历的数据龄期也可不发送。为了确保服务端和用户端采集的星历数据一致，用户端可通过短报文持续发送收到的星历卫星名称和数据龄期到服务端，服务端一旦发现不一致情况，可采取措施，如对个别卫星发送详细星历数据龄期信息。因此，服务端每个历元需发送的数据主要为卫星名称和伪距改正数，每颗卫星的数据共占用约 个字节。这样每条短报文约可发送 颗观测卫星的伪距改正数，基本可以满足发送 北斗 个 观测数据的需要（的伪距噪声通常偏大，可不发送）。图 星间单差伪距差分改正数 试验测试为了测试本文提出的基于北斗短报文的伪距差分方法的导航与定位性能，于 年 月 日进行了仿真试验测试。流动站位于青岛市黄岛区的唐岛湾内，距离岸边约 ，并在岸边同时架设了仪器，接收机均为天宝，如图 所示。参考站数据来自香港的一个 站，接收机类型为 ，距离流动站约 。图 试验地点及仪器测 绘 通 报 年 第 期 试验数据进行后期处理，以获取流动站的精确位置，用作参考。首先利用 .软件对参考站静态数据进行了 处理，得到了参考站的精确坐标；然后对 和岸边两接收机构成的静态长基线，采用静态相对定位处理得到岸边站点的精确坐标；最后对于岸边和海面流动站构成的短基线进行处理，得到固定模糊度后的各个历元精确坐标，精度应小于 ，可用于评估伪距差分测试结果的精度。为了仿真基于北斗短报文的伪距差分，首先依据式（）对 的观测数据进行处理，计算其伪距改正数，并仿真短报文设备进行伪距改正数的发送和接收；然后对流动站观测数据进行伪距改正，依据式（）获取每 或 的流动站坐标；最后根据时间基线方法，计算其他时刻的流动站坐标。图 为参考站和流动站的共同观测卫星数目。其中，北斗系统约 颗、系统约 颗、系统约 颗，共约 颗。图 为当短报文设备的发送间隔约为 时的北、东和竖直方向定位误差。图 为当短报文设备的发送间隔约为 时的北、东和竖直方向定位误差。其中，红色部分为每 或 次的伪距差分定位误差；蓝色部分为基于伪距差分结果，并结合时间基线方法得到的其他时刻的定位误差。图 为非经短报文设备，参考站与流动站直接差分得到的伪距差分定位误差。由图 可知，当短报文设备的发送间隔为 时，无论是北方向还是东方向，其定位误差基本均小于 ；但竖直方向的定位误差偏大，大部分在 内；而时间基线方法在 内的累积误差很小，基本约为 。而在图 中，时间基线方法在 内的累积误差则很大，尤其在北方向和竖直方向，大于.。但无论在北方向还是东方向，其定位误差大部分在 内；在竖直方向，其定位误差基本在 内。图 观测卫星数目图 短报文设备为 间隔时的定位误差 年 第 期董 蔺，等：基于北斗短报文的低成本远海伪距差分定位方法图 短报文设备为 间隔时的定位误差图 伪距差分定位误差表 为北方向和东方向 内的定位误差和竖直方向 内的定位误差的统计结果，并将经北斗短报文发送间隔 和 的结果与非经短报文、原伪距差分的结果进行对比。可知，短报文发送间隔 的结果与原伪距差分结果类似，无论在北方向还是东方向，其水平定位误差约 在 内；而竖直方向仅有约 在 内。短报文发送间隔 的结果为 内的北方向定位误差为.，东方向为.，竖直方向为.。可以看出，基于北斗短报文设备，无论发送间隔是 还是，伪距差分的结果与原伪距差分差别较小，基本可实现米级内的水平方向定位。表 北、东方向 内和竖直方向 内定位误差（）方向伪距差分短报文 短报文 北.东.竖直.结 论为了实现远海伪距差分定位，本文提出了基于北斗短报文的空间相对定位和时间基线法相结合的新方法，对实际伪距改正数据进行了分析，研究了伪距改正数、卫星名称的编码方法及数据龄期的处理方法。（）根据市场上短报文设备发送时间间隔的不同，进行了两种测试。一种是时间间隔为