北斗地基增强系统(GBAS)的运行原理

　　司南导航www.sinognss.com：　一、北斗地基增强系统(GBAS)的运行原理

　　北斗地基增强系统一般采用的都是实现简单、精度高的局域差分技术。通过在地面建立参考站通过网络或电台向外实时发送改正数，用户接收到改正数后直接对观测值进行改正，最终能达到厘米级的定位精度。

　　二、北斗二代的定位原理

　　1、伪距定位原理

　　(1)伪距

　　北斗二代采用的是目前主流卫星导航系统的定位方式——三球交汇。以北斗二代三颗卫星(卫星坐标已知)为球心，三颗卫星到接收机的距离为半径分别作三个球。三个球必定相交于两个点。

　　假设三颗卫星到接收机的距离为R1，R2，R3;三颗卫星发射信号的时刻分别为t1，t2，t3;三颗卫星的坐标可以列出方程：

　　由于存在接收机钟差，列三个球的方程实际上无法解出位置，所以测得的卫星信号传播时间不准，得到的站星距离也就不准，因此把这个测得的距离叫做伪距。

　　(2)伪距观测方程

　　新增一个未知参数，即接收机钟差;可以得到每一颗卫星的观测伪距观测方程：

　　再使用四颗卫星进行交会得到方程组。实际上还不是完全正确，省略了卫星钟差、卫星钟差等等影响时延测量的因素。

　　2、卫星定位中的误差源

　　由于三球交汇定位中决定最终的定位结果实际上就是接收机测得的站星距离。而站星距离=光速×传播时延，即站星距离由测得的传播时延确定。所以，如果想要精确的确定接收机的位置，就必须得到传播时延的真实值。然而实际上只是测得包含各种额外延迟的传播时延。

　　(1)站星距离。是指真实的传播时延对应的距离，因为卫星导航系统多数采用的中轨卫星距离地面大概20000km左右，所以这个距离一般在20000km左右。

　　(2)卫星钟差。就是卫星的星载原子钟的钟面时与系统时的差值。因为实际上测得的传播时延为接收机测的接收信号时刻减去卫星测的发射信号时刻。卫星钟差和接收机钟差造成的测距误差都可达300km。

　　(3)相对论效应。狭义相对论的钟慢效应和广义相对论的引力场效应使得卫星钟产生额外的钟差，造成的测距误差最高可达13米。

　　(4)卫星发射延迟和接收机接收延。分别指卫星发射信号的处理时延和接收机接收信号的处理时延，造成的测距误差为米级 。

　　(5)对流层延迟。对流层是地球大气主要的集中区域。大气介质的存在，对电磁波信号产生非色散的折射，传播速度发生变化，传播路径产生弯曲，从而产生额外的测量时延，造成的测距误差为2-10米。

　　(6)电离层延迟。电离层内大气基本处于电离状态，带电粒子的存在使无线电信号发生折射，传播速度发生变化，传播路径产生弯曲，从而产生额外的测量时延，造成的测距误差为2e-50m。这个额外的测量时延与无线电的频率有关，可以通过观测值组合的方式消除，这也是为什么将电离层延迟和对流层延迟区分开的原因。

　　(7)地球自转效应。卫星运动的蓝色虚线表示当卫星发射信号传播到接收机的这段时间内，因为地球自转，接收机相对于卫星往自转的方向运动了一段距离，这也使得测量时延发生改变。

　　(8)接收机内部随机噪声。接收机进行伪距时延测量时，由码环内部的热噪声产生的不可避免的测距误差，一般为米级。

　　3、实际使用的伪距观测方程

　　考虑上面提到的各个误差源，可以得到实际伪距观测方程：

　　4、差分定位原理

　　(1)广域差分。对每个误差源进行建模，分别求出各个误差源产生的额外测量时延利用模型对大范围内数量不多(全球也就几十个)CORS站观测数据进行解算，得到各个误差的改正参数并发给用户接收机。最后用户接收机根据改正参数并结合具体位置来计算出各个误差并对观测值进行改正，其原理较为复杂，系统的实现也较为困难，最后的定位精度可以达到1米。

　　(2)局域差分。在用户接收机隔不远(大概几十千米，一般一个省要设几十个站)设一个参考站同时观测卫星。

　　例子：

　　以伪距差分为例，不考虑卫星和接收机的硬件延迟对于参考站有：

　　对于用户接收机有：

　　由于参考站和用户接收机距离十分接近，因此它们的大部分误差源产生的测距误差基本上都差不多。即：

　　当参考站的坐标已知，就可以求出真实的站星距离，然后和测得的伪距相减得到伪距改正数：

　　然后用户接收机将测得的伪距与这个伪距改正数相减，得到：

　　这样就得到了只含钟差和接收机噪声的伪距，这个时候再用四颗卫星经过改正后的伪距组成方程组即可得到较为精确的测站位置。(精度可达5m以内)

　　5、载波相位差分(地基增强系统一般采用的是载波相位差分)

　　观测方程如下，这个观测方程中的随机误差非常小，一般可以忽略不计。

　　然后，按照伪距差分的套路可以将该观测量中的误差消的比较干净，一般作两次差，也就是组成双差观测量;在固定了整周模糊度之后，就可以解方程求出接收机的位置，最终能达到厘米级的定位精度。

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