劉基余

（武漢 測繪學院，武漢 430079）

DGPS改正數(shù)據(jù)的發(fā)送方法── GNSS衛(wèi)星導航定位方法之三

劉基余

（武漢 測繪學院，武漢 430079）

本文論述了DGPS改正數(shù)據(jù)的下述三種方法：一是DGPS數(shù)據(jù)鏈；二是無線電信標臺；三是靜止地球軌道（GEO）衛(wèi)星。

DGNSS改正數(shù)據(jù)；GPS信號接收機；GEO衛(wèi)星

當作實時DGNSS測量時，動態(tài)接收機需要接收來自基準接收機的DGNSS改正數(shù)據(jù)，后者的發(fā)送方法主要有下列形式：一是DGNSS數(shù)據(jù)鏈；二是無線電信標臺；三是靜止地球軌道（GEO）衛(wèi)星（簡稱為“靜地衛(wèi)星”）。本文以DGPS改正數(shù)據(jù)的發(fā)送方法為例，對上述三種發(fā)送方法的基本功能予以簡要論述。

1 DGPS數(shù)據(jù)鏈的構(gòu)件功能

所謂“DGPS數(shù)據(jù)鏈”，就是一種用于作差分導航定位的無線電收發(fā)設備，除了基準接收機和動態(tài)接收機以外，還需要基準接收機的DGPS數(shù)據(jù)無線電發(fā)送機，以及動態(tài)接收機的DGPS數(shù)據(jù)無線電接收機，并通過RS-232-C接口與GPS信號接收機相連接（如圖1A所示）。DGNSS數(shù)據(jù)鏈與DGPS數(shù)據(jù)鏈相似，僅以GNSS信號接收機代替了GPS信號接收機。

圖1 DGPS數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收

1.1 RS-232-C接口

它是數(shù)據(jù)終端設備和數(shù)據(jù)通信設備之間的串行二進制數(shù)據(jù)交換的接口。在基準站上，它將DGPS數(shù)據(jù)送到調(diào)制解調(diào)器；在動態(tài)站上，RS-232-C接口從調(diào)制解調(diào)器取得DGPS數(shù)據(jù)，進而將它送到GPS信號接收機。通常，RS-232-C接口的插頭（針）連接GPS信號接收機，它的插座連接調(diào)制解調(diào)器；其連接電纜的最長物理長度一般不應超過15m。RS-232-C接口工作于負邏輯。負電壓表示邏輯“1”，驅(qū)動器的輸出電壓必須在-5～-15V之間；數(shù)據(jù)線工作于傳號狀態(tài)，控制線則處于“OFF”狀態(tài)。正電壓表示邏輯“0”，驅(qū)動器的輸出電壓必須在+5～+15V之間；數(shù)據(jù)線處于空號狀態(tài)，控制線則工作于“ON”狀態(tài)。RS-232-C的驅(qū)動電路必須能夠承受電纜中任何導線的短路，而不會導致相關設備的損壞。

1.2 調(diào)制解調(diào)器

在基準站上，調(diào)制解調(diào)器（Modem），是將DGPS數(shù)據(jù)進行編碼，進而將它調(diào)制在載波上，送到無線電發(fā)射機。在動態(tài)站上，調(diào)制解調(diào)器，從已調(diào)波中解調(diào)出DGPS數(shù)據(jù)，通過RS-232-C接口送到GPS信號接收機。所謂“調(diào)制”，就是用DGPS編碼信號改變載波某一參數(shù)的結(jié)果。所用載波一般為正弦波，它有三個參數(shù)：振幅、頻率和相位。用DGPS編碼信號改變這三個參數(shù)之一，就分別生成調(diào)幅波、調(diào)頻波和調(diào)相波，這三者統(tǒng)稱為已調(diào)波。解調(diào)，是調(diào)制的相反過程（反調(diào)制），它是從已調(diào)波中解調(diào)出DGPS數(shù)據(jù)。DGPS編碼信號，是一種數(shù)字信號。用數(shù)字信號調(diào)制載波時，分成數(shù)字調(diào)幅、數(shù)字調(diào)頻和數(shù)字調(diào)相三種調(diào)制方式。三者的細分如下：

采用上述哪一種調(diào)制方式發(fā)送DGPS數(shù)據(jù)，取決于所用的調(diào)制速率。后者分為下列六種：300b/s，600b/s，1200b/s，2400b/s，4800b/s和9600b/s。若用低調(diào)制速率（300b/s和600b/s），一般采用二進制頻移鍵控數(shù)字調(diào)頻式；如用中等調(diào)制速率（1200b/s和2400b/s），通常采用最小頻移鍵控（MSK）數(shù)字調(diào)頻式，或是高斯濾波最小頻移鍵控（QMSK）數(shù)字調(diào)頻式；當用高調(diào)制速率時，采用二相相移鍵控（BPSK）數(shù)字調(diào)相式，或是四相相移鍵控（QPSK）數(shù)字調(diào)相式。

1.3 無線電收發(fā)機

在基準站上，無線電發(fā)射機是以電磁波的形式，將DGPS數(shù)據(jù)發(fā)送給用戶，其載波頻率及其發(fā)射功率的選用，取決于DGPS數(shù)據(jù)的傳輸遠近。發(fā)送DGPS數(shù)據(jù)可采用下述方式之一：

⊙ 高頻（H F）、甚高頻（V H F）、超高頻（UHF）無線電發(fā)送設備。

⊙ 無線電信標臺。

⊙ 調(diào)頻（FM）副載波。

⊙ 衛(wèi)星通信設備。

在上述DGPS數(shù)據(jù)發(fā)送中，按照無線電發(fā)送設備的建立之異，可分為“商品型”和“公用型”。商品型無線電發(fā)送設備，一般采用高頻（HF）、甚高頻（VHF）、超高頻（UHF）之一作載波，而為用戶建立自已的專用DGPS數(shù)據(jù)源。當采用無線電信標臺、調(diào)頻廣播電臺的調(diào)頻（FM）副載波、衛(wèi)星通信設備等發(fā)送DGPS數(shù)據(jù)時，只要在其覆蓋區(qū)內(nèi)的廣大用戶，都能夠接到它們所發(fā)送DGPS數(shù)據(jù)，稱之為公用DGPS數(shù)據(jù)源。當用公用DGPS數(shù)據(jù)源作DGPS測量時，一個動態(tài)用戶只需持有一臺與公用DGPS數(shù)據(jù)源相匹配的無線電接收機和一臺GPS信號接收機，就可以進行DGPS測量，而獲得高精度的點位坐標。若用專用DGPS數(shù)據(jù)源，一個動態(tài)用戶不僅要購買兩臺GPS信號接收機，而且需要購買一套DGPS數(shù)據(jù)鏈。

2 RBN-DGPS公用數(shù)據(jù)源

國際上建立最早的公用DGPS數(shù)據(jù)源，是無線電信標臺發(fā)送的DGPS數(shù)據(jù)。無線電信標（RBN，Radio Beacons）工作于285-325kHz頻段，利用全方位發(fā)射天線，提供導航信息，而用于船舶和飛機的無線電導航。為飛機飛行服務的航空信標，可達到3～10度（2σ）的方位測量精度；用于船舶導航的無線電信標，可達到3度以內(nèi)的方位測量精度。據(jù)統(tǒng)計，全球約有18萬個無線電信標臺，用于飛機航行導航；約有50萬個無線電信標臺，用于船舶航行導航。我國也為航海航空建立了幾十個無線電信標臺，這些信標臺大多采用高達40m的發(fā)射天線，其發(fā)射功率多數(shù)為500W左右。從1995年至2000年，中國海事局組織天津海事局等15個所屬單位，在我國的渤海、黃海、東海和南海四大海域，建立了由20個航海無線電信（指向）標（RBN）播發(fā)臺構(gòu)成的“中國沿海RBN-DGPS系統(tǒng)”；該系統(tǒng)中的每一個RBN播發(fā)臺處，均設置了GPS基準站，測定各顆在視GPS衛(wèi)星的偽距差分改正數(shù)，并將該DGPS數(shù)據(jù)傳送到RBN播發(fā)臺；以最小頻移控（MSK）調(diào)制到無線電信標載波頻率（283.5-325.0kHz）上，而發(fā)向各個GPS動態(tài)用戶。該用戶只需持有一臺能夠同時接收DGPS數(shù)據(jù)的GPS信號接收機，便可實現(xiàn)DGPS測量，而獲得不低于±5m的在航定位精度（如表1所示）。從該表可見，用戶定位精度隨著DGPS距離的增長而降低。圖2表示各個RBN播發(fā)臺的DGPS播發(fā)信號覆蓋（最遠可達300km）和臺站分布。

圖2 中國沿海RBN-DGPS系統(tǒng)的DGPS播發(fā)信號覆蓋和臺站分布

表1 中國沿海RBN-DGPS系統(tǒng)的用戶定位精度及其置信度

3 靜地衛(wèi)星發(fā)送DGPS數(shù)據(jù)

3.1 INMARSAT衛(wèi)星發(fā)送DGPS數(shù)據(jù)

從1996年到1998年，共有5顆INMARSAT-3衛(wèi)星先后入軌運行。該5顆靜地衛(wèi)星都附設了導航專用轉(zhuǎn)發(fā)器，而成為于WAAS和EGNOS的一個組成部分，用于增強北美和歐洲地區(qū)GPS/GLONASS信號的可用性、完好性和導航定位精度。INMARSAT-3衛(wèi)星，用一根L1專用導航定位信號發(fā)送天線，向用戶發(fā)送第一導航定位信號（L1）和DGPS數(shù)據(jù)（如圖3所示），其功率為27.5dBW，其帶寬為2.2MHz。

圖3 INMARSAT衛(wèi)星發(fā)射DGPS數(shù)據(jù)

GPS現(xiàn)代化后，GPS III衛(wèi)星將增設第三導航定位信號（L5）。為適應GPS衛(wèi)星這種內(nèi)部增強措施，正在研制的4顆INMARSAT-4衛(wèi)星，也將附設導航專用轉(zhuǎn)發(fā)器，而用L1/L5專用導航定位信號發(fā)送天線，向用戶發(fā)送第一、三導航定位信號（L1和L5）和DGPS數(shù)據(jù)，L1和L5的功率分別為28.1dBW和26.2dBW，L1和L5的頻帶寬度分別為4.0MHz和20.0MHz。圖4表示INMARSAT-4衛(wèi)星L1/L5導航定位信號的生成框圖，該圖收發(fā)信號的主要參數(shù)如表2所示。值得注意的是，INMARSAT-3/4衛(wèi)星所發(fā)的L1信號，其C/A碼速率和載波頻率，不像GPS衛(wèi)星一樣，保持在1∶1540的恒定比率上。

表2 INMARSAT-3/4衛(wèi)星的導航載荷比較

圖4 INMARSAT-4導航轉(zhuǎn)發(fā)器框圖

INMARSAT-3/4衛(wèi)星，不僅發(fā)送DGPS數(shù)據(jù)，而且發(fā)送GPS衛(wèi)星的完好性數(shù)據(jù)和GPS導航定位信號。后者相當于增加了GPS衛(wèi)星星座的在軌工作衛(wèi)星，而能夠改善PDOP值，其改善程度如表3所示。

表3 PDOP的改善

3.2 GLONASS SDCM差分改正系統(tǒng)

在DGPS測量中，為了克服單基準站所導致的測量精度不均勻性，人們采用了多個地面基準站組成地面基準網(wǎng)，而生成DGPS改正數(shù)據(jù)。例如，WADGPS廣域差分測量、WAAS廣域增強系統(tǒng)、EGNOS歐洲靜地衛(wèi)星導航重疊系統(tǒng)和GDGPS全球差分系統(tǒng)。近年來，俄羅斯正在積極建設類似于美國的WAAS系統(tǒng)，稱之為SDCM差分改正與監(jiān)測系統(tǒng)（GLONASS System of Differential Correction and Monitoring），如圖5所示。

A GLONASS SDCM差分改正的廣泛應用

圖5 GLONASS SDCM差分改正系統(tǒng)

從圖5可見，它不僅提供DGLONASS數(shù)據(jù)，而且提供DGPS數(shù)據(jù)；并期盼實時定位的二維測量精度達到±1～1.5m，高程測量精度達到±2～3m；在基準站附近的200km以內(nèi)，能夠?qū)崿F(xiàn)下列高精度實時定位：二維測量精度達到±1～2cm，高程測量精度達到±4～6cm。2011年12月發(fā)射了Luch-5A靜地衛(wèi)星、2012年12月發(fā)射了Luch-5B靜地衛(wèi)星己于2013年1月7日11:07（UTC時間）起，開始播發(fā)DGLONASS/DGPS差分信號）和2013年12月發(fā)射了Luch-4靜地衛(wèi)星，它們分別定點在西經(jīng)16°、東經(jīng)95°和東經(jīng)167°，都發(fā)射L1導航定位信號，以此建成SDCM差分改正與監(jiān)測系統(tǒng)。這給我們提供了機遇，我國的部分地區(qū)，也許能夠利用SDCM數(shù)據(jù)做實時的DGPS/DGLONAS測量定位，而獲得米級精度的實時定位成果。

3.3 北斗廣域差分增強系統(tǒng)

北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的廣域差分增強系統(tǒng)類似于GPS WAAS系統(tǒng)，它的基本思想是：對北斗導航衛(wèi)星三個頻率的偽距觀測量的誤差源予以區(qū)分，并對每一誤差源進行“模型化”，然后計算各個誤差的差分改正值。北斗廣域差分增強系統(tǒng)對衛(wèi)星星歷誤差、衛(wèi)星鐘誤差和電離層延遲等三個誤差源進行分析。主控站將處理得到的廣域差分改正信息通過地面站傳輸?shù)紾EO衛(wèi)星，再由該衛(wèi)星傳送給用戶。GEO衛(wèi)星實時傳送能力強，覆蓋區(qū)域大，在傳送差分改正信息的同時，還作為衛(wèi)星測距源播發(fā)三個頻率的導航信號，使得用戶的定位精度和可靠性都高于廣域差分系統(tǒng)，因此稱其為廣域差分增強系統(tǒng)。我國的北斗廣域差分增強系統(tǒng)具有自身的特點，它將與衛(wèi)星有關的誤差合并為一項，稱為衛(wèi)星等效鐘差改正數(shù)。對于電離層延遲采用的是格網(wǎng)改正法，計算電離層格網(wǎng)點垂直延遲。因此，我國廣域差分增強系統(tǒng)提供兩類差分改正信息：衛(wèi)星等效鐘差和格網(wǎng)電離層延遲。我國廣域差分增強系統(tǒng)在提供差分改正信息的同時，還需監(jiān)測這些改正信息的精度，為用戶提供完好性信息。其中，衛(wèi)星星歷改正和衛(wèi)星鐘差改正的誤差綜合給出，以UDRE（用戶差分偽距誤差）和RURA（區(qū)域用戶距離精度）表示，電離層格網(wǎng)點垂直延遲改正的誤差用GIVE表示。通過對UDRE、RURA和GIVE的確定和驗證，實現(xiàn)對我國廣域差分增強系統(tǒng)完好性的監(jiān)測。

4 結(jié)束語

上文以DGPS改正數(shù)據(jù)的發(fā)送方法為例，對DGPS數(shù)據(jù)鏈、無線電信標臺和靜止地球軌道衛(wèi)星三種發(fā)送方法的基本功能予以了簡要論述。當采用無線電信標臺、調(diào)頻廣播電臺的調(diào)頻（FM）副載波和靜止地球軌道衛(wèi)星之一發(fā)送DGPS改正數(shù)據(jù)時，只要在其覆蓋區(qū)內(nèi)的廣大用戶，都能夠接到它所發(fā)送DGPS改正數(shù)據(jù)；稱之為公用DGPS數(shù)據(jù)源。當用公用DGPS數(shù)據(jù)源作DGPS測量時，一個動態(tài)用戶只需持有一臺與公用DGPS數(shù)據(jù)源相匹配的無線電接收機和一臺GPS信號接收機，就可以進行DGPS測量，而獲得高精度的點位坐標。若用專用DGPS數(shù)據(jù)源，一個動態(tài)用戶不僅要購買兩臺GPS信號接收機，而且需要購買一套DGPS數(shù)據(jù)鏈。這就需要依市價予以選購了。

[1] 劉基余．GPS衛(wèi)星導航定位原理與方法（第二版）．北京 京科學出版社，2008.6

[2] G. Lachapelle, GPS Theory and Applications, University of Calgary, Fall 2000, PP.310

[3 http://www.navcen.uscg.mil/ GPS, DGPS, LORAN-C, OMEGA, navigation systems, GPS navigation, DGPS navigation.

The Transmission Method of DGPS Correction Data -- Method of GNSS Navigation/Positioning (3)

Liu Jiyu
(School of Geodesy and Geomatics, Wuhan University, Wuhan, 430079)

This paper discusses the following three ways transmitting DGPS correction data: the first is DGPS data links; the second is the radio beacon; the third is the geostationary earth orbit satellite.

DGPS Correction Data; GPS signal receiver; GEO satellite

10.3969/J.ISSN.1672-7274.2016.08.002

TN96 文獻標示碼：A

1672-7274（2016）08-0007-05