星基定位增强电文处理方法分析

星基增强电文处理方法分析

早在1997年，斯坦福大学 Parkinson 就提出了将通过5个或5个以上基准站采集原始数据，并将星历、星钟和站钟在大的估计器里进行联合解算。随后，Enge P采用共视时间传递法将站钟偏差分离出来，进而将解算减少至四维（星历和星钟）。1999年，斯坦福大学和JPL研究小组共同对上述算法进一步改进，采用站间单差消去残余的电离层和对流层等共同误差，再利用星际双差消除基准站间的误差，先求解星历，再利用修正的星历解算星钟，SBAS系统普遍采用这种算法。德国的 GFZ 地学中心通过对几种算法的综合分析于2004年指出，以上几种算法实质上还是星历和星钟的统一解算，适用于中轨卫星星座，不大适用于中高轨结合的混合星座。蔡成林等人结合 BDS 混合星座特点，提出了一种将星钟和星历误差解算过程分离的新方法，从而将四维时空解算变为三维空间解算，有效提高了定位精度。

电离层延迟是影响卫星导航测距和定位精度最重要误差源之一。SBAS 可通过多个连续运行的参考站观测数据对卫星导航信号的电离层延迟进行实时监测，并生成电离层差分修正数，从而修正用户的电离层延迟。SBAS 通常采用格网修正法来修正电离层延迟，其提供的电离层差分修正数是电离层格网点处的垂直电离层延迟估计。传统的电离层修正的格网修正方法，更多地借助电离层的经验模型（如 Klobuchar 模型、Bent 模型、IRI 模型），其计算精度不可避免地受到这一类模型本身精度的影响和制约。运行的SBAS系统主要采用三种方式针对每个电离层格网点进行垂直电离层延迟评估：一种是三角格网插入的卡尔曼滤波方法（Solar-TRIN）。假设电子容量是固定的，通过电离层穿刺点测量的倾斜总电子容量（TEC）值，计算球型网格点上的TEC 值 ；第二种是广泛应用于地质统计学的基于 Kriging 插入方法，该方法利用已知的样本值和设定的协方差函数（变差函数）来确定不同时间点和位置的未知值，充分利用TEC的空间相关性，并进行不确定性评估测量 ；第三种方法则考虑综合了以上两种方法的优势，使用变差函数考虑空间相关性。

完好性监测是实现系统故障监测和排除的有效手段，能够检验卫星导航定位服务品质。当卫星导航系统三大完好性监测方法为：一是外部增强方法，如广域增强系统、局域增强系统等在向用户播发误差改正数的同时也给出改正数的完好性信息；二是接收机自主完好性监测 RAIM 方法，利用导航卫星的冗余信息，实现多个导航解的一致性检验，以达到完好性监测的目的；三是卫星导航系统自身基本完好性监测和卫星自主完好性监测。卫星钟是实现卫星导航定位系统精确定位的基础，其完好性监测主要是监测卫星钟差异常。因此，SBAS 需对卫星钟的状态进行密切监测，适时作出故障钟排除、星载钟切换等操作。通常，卫星钟差异常可以通过星载原子钟的高精度频率或相位比对测量、动态 Allan方差和基于滑动窗口的最小二乘拟合算法，并结合来二阶多项式模型、灰色模型、Kalman滤波器模型等多种卫星钟差模型实现，但实时性上大多难以满足系统需求。SBAS 完好性监测以 EGNOS 和基于GPS 的SBAS的完好性概念最具有代表性。EGNOS 结合自身系统完好性，可提供空间信号和完好性标志等完好性信息 ；基于 GPS 的 SBAS 结果广域增强技术和地面完好性监测技术，提出 UDRE、GIVE 等完好性概念。虽然二者概念不同，但均以观测方程的形式将误差通过空间几何关系到定位域的误差之上，使多星座间完好性信息等效利用成为可能。对于 DFMC SBAS 系统完好性来说，因其包含综合信息完好性和用户端完好性监测两部分，故可考虑将上述三种方法相结合，在系统内部进行信息的完好性参数计算，同时在用户接收端辅助以接收机完好性监测算法。SBAS 互操作的实现将能更好的支持民用航空各个飞行阶段的精度和完好性性能需求