李 宇，邱玉芬，周學(xué)武，施成功，余 聰

(航空工業(yè)江西洪都航空工業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司·南昌·330024)

1 衛(wèi)星差分原理

差分衛(wèi)星定位系統(tǒng)可以極大地提高衛(wèi)星定位系統(tǒng)的精度和定位的完整性，通常由參考站、數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)和移動站3部分組成。差分衛(wèi)星定位技術(shù)的基本原理(見圖1)為：事先經(jīng)過精確測量、定位的參考基站利用高質(zhì)量的衛(wèi)星接收機(jī)，估算在每一顆衛(wèi)星的測量過程中緩慢變化的公共誤差分量(主要包括星歷偏差、衛(wèi)星鐘差、電離層延時誤差等)，形成對衛(wèi)星的量測修正，再將量測修正結(jié)果通過數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)廣播給附近的移動用戶，從而使用戶得到比單點定位更高的精度[1]。

差分衛(wèi)星定位系統(tǒng)也可被稱為衛(wèi)星導(dǎo)航增強(qiáng)系統(tǒng)。根據(jù)增強(qiáng)系統(tǒng)搭載的平臺的不同，差分衛(wèi)星定位系統(tǒng)又可被分為陸基增強(qiáng)系統(tǒng)、星基增強(qiáng)系統(tǒng)、機(jī)載增強(qiáng)系統(tǒng)[2]。這3種系統(tǒng)的原理都是一致的。本文所述的差分衛(wèi)星定位系統(tǒng)主要是指陸基增強(qiáng)系統(tǒng)或機(jī)載增強(qiáng)系統(tǒng)。

圖1 差分衛(wèi)星的定位原理Fig.1 Positioning principle of differential satellite

2 衛(wèi)星定位的誤差修正情況

對于全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)，其定位誤差通?？杀环譃?類：首先，是每個衛(wèi)星信號接收機(jī)所共有的誤差，其中包括衛(wèi)星鐘差、星歷誤差、對流層和電離層誤差；其次，是不能由用戶測量或校正模型來計算的傳播、延遲及多路徑誤差；最后，是衛(wèi)星信號接收機(jī)所固有的誤差，包括內(nèi)部噪聲誤差、通道延遲誤差等。利用差分衛(wèi)星定位技術(shù)，可以將第1類誤差完全消除，第2類誤差可被大部分消除，第3類誤差則無法消除[3]。以GPS為例，利用差分衛(wèi)星技術(shù)對各類誤差進(jìn)行修正的情況如表1所示，差分衛(wèi)星定位對測量精度的改進(jìn)如表2所示。

表1 衛(wèi)星差分定位技術(shù)對誤差的消除情況Tab.1 Error elimination for differential satellite positioning technology

表2 衛(wèi)星差分定位技術(shù)對定位精度的改進(jìn)值Tab.2 Improved positioning accuracy of differential satellite positioning technology

3 差分衛(wèi)星定位方法及其發(fā)展趨勢

衛(wèi)星差分定位的方法有很多種，大體可分為局域差分系統(tǒng)、廣域差分系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)差分系統(tǒng)[4]。其中，廣域差分系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)差分系統(tǒng)是在局域差分系統(tǒng)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，也代表了差分定位系統(tǒng)的未來發(fā)展和應(yīng)用方向。下面，先介紹差分?jǐn)?shù)據(jù)鏈及差分協(xié)議，然后對各個不同的衛(wèi)星差分定位方法進(jìn)行闡述。

3.1 差分?jǐn)?shù)據(jù)鏈

播發(fā)差分衛(wèi)星修正信號的數(shù)據(jù)鏈?zhǔn)且豁楆P(guān)鍵技術(shù)。從數(shù)據(jù)鏈的頻段來看，有利用中頻及利用海上無線電信標(biāo)的頻率283.5～325kHz；在短波頻段上，有1.6～3.5MHz；在調(diào)頻電臺頻率上，有RDB的88～108MHz；在甚高頻頻段上，有400～4700MHz和800～900MHz，此外還有C頻段的4～8GHz等。數(shù)據(jù)差分信息的調(diào)制方法主要包括了MSK方法和GMSK調(diào)制法等。

3.2 局域差分系統(tǒng)

局域差分系統(tǒng)使用單參考站，利用站間誤差具有時空強(qiáng)相關(guān)性的原理，根據(jù)已知位置信息和衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)生成差分改正信息，并通過無線鏈路將差分改正信息實時播發(fā)給移動站。局域差分一般可分為基于碼相位的差分(包括位置差分和偽距離差分)和基于載波相位的差分，下面對局域差分方法進(jìn)行詳細(xì)介紹。

3.2.1 位置差分法

位置差分是一種最為簡單的差分方法。它將1臺基準(zhǔn)衛(wèi)星信號接收機(jī)放置于已知的位置點上，將由接收機(jī)測量并解算出的數(shù)據(jù)與已知位置的坐標(biāo)進(jìn)行比較、得到位置誤差，并通過數(shù)據(jù)鏈將位置誤差傳送給用戶，隨后對用戶接收機(jī)的定位數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，從而消除用戶接收機(jī)與基準(zhǔn)接收機(jī)的共同誤差。為了保證誤差的相關(guān)性，基準(zhǔn)衛(wèi)星信號接收機(jī)和用戶接收機(jī)應(yīng)使用相同的4顆衛(wèi)星進(jìn)行定位。若所使用的衛(wèi)星有1顆不同，就會引發(fā)幾十米的誤差。如果基準(zhǔn)接收機(jī)和用戶接收機(jī)的視界內(nèi)有8顆衛(wèi)星，那么所形成的組合多達(dá)70種，因此這種方法具有很大的局限性。位置差分法適用于用戶與基站的間隔小于100km的區(qū)域。

3.2.2 偽距差分法

偽距差分是目前應(yīng)用最為廣泛的差分技術(shù)。它將基準(zhǔn)衛(wèi)星信號接收機(jī)接收到的C/A碼的偽距、偽距率觀測值，與基準(zhǔn)站的精確位置到衛(wèi)星的距離和距離變化率進(jìn)行比較，求出每個可視衛(wèi)星的偽距修正值，然后將偽距修正值通過數(shù)據(jù)鏈發(fā)射機(jī)發(fā)送給用戶。用戶接收機(jī)利用修正后的偽距求解定位，消除公共誤差，提高定位精度。通常，定位精度為5～10m。與位置差分類似，偽距差分能夠消除和基準(zhǔn)站之間的公共誤差。但是，用戶到基準(zhǔn)站之間的距離增長導(dǎo)致了系統(tǒng)誤差的出現(xiàn)，且這類誤差無法被消除。用戶和基準(zhǔn)站之間的距離對該方法的應(yīng)用效果起著決定性的影響。

3.2.3 相位平滑偽距差分法

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)可以提供載波相位測量，載波相位測量精度比偽距測量精度要高2個數(shù)量級。在實際測量過程中，通過載波相位測量或多普勒頻率計數(shù)可獲得偽距變化信息。該信息可輔助碼偽距的測量，可針對碼偽距平均測量或濾波測量提高偽距測量的精度，相位平滑偽距差分可使定位精度提高到亞米級。

3.2.4 載波相位差分法

載波相位衛(wèi)星差分技術(shù)是更為精密的測量技術(shù)，也被稱為RTK (Real Time Kinematic)技術(shù)?；鶞?zhǔn)站通過數(shù)據(jù)鏈將載波相位觀測值及其坐標(biāo)信息同步發(fā)送給用戶，用戶接收機(jī)將其收到的衛(wèi)星信號載波相位觀測值與基準(zhǔn)站傳送來的載波相位觀測值、位置數(shù)據(jù)組成相位差分觀測值，并進(jìn)行實時處理。其定位精度可達(dá)厘米級。這種方法適用于以下3種情況：1)用戶與基站的距離為10～15km；2)用戶需要實時解算出三維位置坐標(biāo)；3)信號傳播路徑相對無障礙。

各差分技術(shù)的優(yōu)缺點及其適用場景如表3所示。

表3 衛(wèi)星局域差分定位技術(shù)的優(yōu)缺點及適用場景Tab.3 Characteristics and application scene of various local differential satellite positioning technologies

3.3 廣域差分系統(tǒng)

廣域差分系統(tǒng)利用服務(wù)區(qū)內(nèi)的參考站網(wǎng)監(jiān)測可見的衛(wèi)星信號，計算每一顆衛(wèi)星的修正矢量。矢量修正包括衛(wèi)星時鐘修正、衛(wèi)星位置修正及格點化的電離層延遲參數(shù)修正。廣域差分系統(tǒng)的精度與局域差分接近，但它可以覆蓋一個地區(qū)，甚至整個國家，而且比覆蓋相同面積的局域網(wǎng)所需構(gòu)建和使用的參考站的數(shù)量更少。廣域差分系統(tǒng)的建設(shè)需要由國家級部門牽頭統(tǒng)一規(guī)劃協(xié)調(diào)，一般地區(qū)或行業(yè)無法自行完成。目前國內(nèi)基于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航的連續(xù)運行參考站系統(tǒng)(Continuously Operation Reference Stations, CORS)就是一種廣域差分系統(tǒng)，該系統(tǒng)正在逐步建設(shè)過程中[5]。

3.3.1 網(wǎng)絡(luò)差分技術(shù)

網(wǎng)絡(luò)衛(wèi)星差分技術(shù)是廣域差分系統(tǒng)的擴(kuò)展，也是全球定位系統(tǒng)理論發(fā)展與現(xiàn)代通信技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物。它能夠避免常規(guī)差分方法存在的缺陷，使用戶更便捷地在較大的空間范圍內(nèi)獲得均勻、高精度和可靠的定位結(jié)果。目前比較成熟的網(wǎng)絡(luò)差分技術(shù)包括VRS(虛擬參考站)技術(shù)、MAC(主輔站)技術(shù)等。

VRS網(wǎng)絡(luò)中的各固定參考站不直接向移動用戶發(fā)送改正信息，而是將所有的原始數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)通訊線發(fā)送給控制中心。同時，移動站在工作之前，先通過移動網(wǎng)絡(luò)與流動站通訊，向控制中心發(fā)送一個概略坐標(biāo)。控制中心在收到位置信息后，根據(jù)用戶位置，由計算機(jī)自動選擇一組最佳的固定基準(zhǔn)站，并根據(jù)基站發(fā)送來的信息改正衛(wèi)星定位的誤差。這個差分信號的效果相當(dāng)于在移動站旁邊生成了一個虛擬的參考基站。

MAC技術(shù)從參考站網(wǎng)以高度壓縮的形式，將所有相關(guān)的、代表整周未知數(shù)水平的觀測數(shù)據(jù)(如彌散性的差分改正數(shù))作為網(wǎng)絡(luò)的改正數(shù)據(jù)播發(fā)給流動站。該技術(shù)的優(yōu)勢在于可以靈活選擇主站。由輔站進(jìn)行加權(quán)改正，可使定位精度得到較大程度的提高，并且提高了解算的可靠性[6]。

3.3.2 連續(xù)運行的參考站系統(tǒng)

連續(xù)運行的參考站系統(tǒng)(CORS)是城市“數(shù)字基礎(chǔ)設(shè)施”的重要組成部分，CORS系統(tǒng)是綜合廣域差分技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)差分技術(shù)而形成的。CORS服務(wù)網(wǎng)是1個或若干個固定的、連續(xù)運行的GNSS衛(wèi)星參考站，也是在網(wǎng)絡(luò)差分技術(shù)的基礎(chǔ)上，利用現(xiàn)代計算機(jī)、數(shù)據(jù)通信和互聯(lián)網(wǎng)(LAN /WAN) 技術(shù)組成的網(wǎng)絡(luò)，可實時地向不同類型、不同需求、不同層次的用戶自動地提供經(jīng)過檢驗的不同類型的GNSS 觀測值(包括載波相位和偽距)，各種改正數(shù)和狀態(tài)信息，以及其他有關(guān)GNSS系統(tǒng)的服務(wù)項目。CORS服務(wù)網(wǎng)最早為測繪和地質(zhì)部門提供高精度的衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)，通過區(qū)域性或國際間的合作，得到GNSS衛(wèi)星參考站的精確位置及變化規(guī)律。國內(nèi)基于北斗系統(tǒng)的CORS正在飛速發(fā)展，并逐步覆蓋了全國及周邊地區(qū)[7]。根據(jù)對湖北等地已建成的示范項目的測試，采用北斗三頻廣域差分系統(tǒng)，其平面和高程精度分別達(dá)到了2cm和5cm。

4 應(yīng)用情況

4.1 非敏感軍事領(lǐng)域

目前，衛(wèi)星差分定位系統(tǒng)在對定位精度要求高的民用領(lǐng)域及非敏感軍事領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用，如水下地形測繪、大比例尺測圖、海洋石油勘探和定位、航空攝影、飛機(jī)精密進(jìn)場和船舶機(jī)動性能測定(如靶場測定等)、特種車輛的監(jiān)控和調(diào)度等。由于廣域差分系統(tǒng)的優(yōu)越性，其具有極其廣泛的應(yīng)用空間，其技術(shù)也在逐步成熟[8-10]。表4就CORS系統(tǒng)的應(yīng)用情況進(jìn)行了例舉。

4.2 制導(dǎo)武器系統(tǒng)的應(yīng)用探討

4.2.1 差分衛(wèi)星定位系統(tǒng)在進(jìn)攻性武器上的應(yīng)用

目前，國內(nèi)鮮有差分衛(wèi)星定位系統(tǒng)在精確制導(dǎo)武器(特別是攻擊性武器)作戰(zhàn)中使用的報道及公開文獻(xiàn)。這是由于差分衛(wèi)星定位系統(tǒng)在精確制導(dǎo)武器(特別是在空面武器)中的應(yīng)用具有以下幾點劣勢或需要解決的問題：

(1)差分系統(tǒng)的應(yīng)用要求必須配備經(jīng)過精確測量定位的參考基站，而精確制導(dǎo)武器所面臨的戰(zhàn)場環(huán)境未知，地形復(fù)雜，且戰(zhàn)場環(huán)境瞬息萬變，無法保障地面基站的建立和維護(hù)。如果采用載機(jī)衛(wèi)星增強(qiáng)系統(tǒng)，載機(jī)在近距離飛行時容易暴露于敵方的火力圈范圍內(nèi)。

(2)局域差分系統(tǒng)的定位精度與廣播信號的距離呈正相關(guān)關(guān)系，一旦基站與制導(dǎo)武器的距離超過一定數(shù)值，其精度將迅速降低。資料表明，150km偽距差分衛(wèi)星定位系統(tǒng)的精度為5.8m，而目前普通衛(wèi)星的定位精度已達(dá)10m，由此可見偽距差分衛(wèi)星定位系統(tǒng)在定位精度上并無明顯優(yōu)勢。該級別的定位精度也使得武器系統(tǒng)無法脫離精度更高的末端導(dǎo)引系統(tǒng)的輔助。

(3)導(dǎo)彈作戰(zhàn)所面臨的電磁環(huán)境較為復(fù)雜，差分信號通過無線電數(shù)據(jù)鏈播發(fā)修正信號，其所使用的頻率常屬于中頻、甚高頻等頻段，數(shù)據(jù)鏈信號易受干擾。一旦受到干擾，差分系統(tǒng)將無法再使用。

(4)目前大多數(shù)現(xiàn)役攻擊性制導(dǎo)武器的控制精度為米級，即便使用差分衛(wèi)星使定位精度達(dá)到米級，衛(wèi)星的控制精度也無法跟上導(dǎo)航精度。

表4 CORS應(yīng)用領(lǐng)域表Tab.4 Application areas of CORS

注：Δ表示目前國內(nèi)城市系統(tǒng)應(yīng)用還不到位的領(lǐng)域

4.2.2 差分衛(wèi)星定位系統(tǒng)在防御性武器上的應(yīng)用

防御性武器包括防空導(dǎo)彈及岸艦導(dǎo)彈等，前者主要可攔截來犯的進(jìn)攻性精確制導(dǎo)武器(如空地制導(dǎo)武器、空空導(dǎo)彈等)及各類飛機(jī)(轟炸機(jī)、戰(zhàn)斗機(jī)、偵察機(jī)等)，后者主要可打擊來犯的各類戰(zhàn)艦(艇)，打擊目標(biāo)通常都有目標(biāo)小、機(jī)動性大、速度快等特點，這就對防空導(dǎo)彈及岸艦導(dǎo)彈的彈載定位系統(tǒng)的定位精度要求非常高；由于防空導(dǎo)彈及岸艦導(dǎo)彈屬于防御性武器，其通常布置在本土防御區(qū)域。該區(qū)域的戰(zhàn)場環(huán)境經(jīng)過精心勘探及布置，差分衛(wèi)星定位可布置于防御性武器的后方以便于維護(hù)。敵方衛(wèi)星干擾系統(tǒng)通常難以到達(dá)防御性武器的防衛(wèi)區(qū)域，即便到達(dá)也將暴露在我方的打擊范圍內(nèi)。隨著我國BD衛(wèi)星定位系統(tǒng)的全面建成，我國在精確定位系統(tǒng)領(lǐng)域?qū)⒉辉偈苤朴谌?。特別地，BD軍碼在武器系統(tǒng)中的使用，極大地提高了我方武器的自主性，這就為防御性武器使用精度為厘米級的差分導(dǎo)航系統(tǒng)奠定了基礎(chǔ)。防御性武器在使用局域差分系統(tǒng)時，通常具有以下優(yōu)勢：

(1)使用局域衛(wèi)星差分法，其定位精度可達(dá)分米級甚至厘米級，使用該方法可以充分滿足防御性武器對導(dǎo)航精度的需求，極大地提高防御性武器的命中率，并可極大地簡化導(dǎo)彈的結(jié)構(gòu)，使導(dǎo)彈無需配備導(dǎo)引頭。

(2)隨著我國BD導(dǎo)航系統(tǒng)的全面建成，我國的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)將不再受制于人。武器使用軍碼，使得敵方難以破解，同時彈載衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的抗干擾能力獲得了提升。使用BD軍碼的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)具有很強(qiáng)的自主性。將差分衛(wèi)星定位系統(tǒng)在BD系統(tǒng)軍碼的基礎(chǔ)上進(jìn)行使用，同時使用作戰(zhàn)的圖像指令傳輸頻點作為差分信息的傳遞數(shù)據(jù)鏈，或為差分衛(wèi)星信號數(shù)據(jù)鏈采取保密措施，均可有力地克服數(shù)據(jù)鏈?zhǔn)芨蓴_的問題。

(3)差分參考站布置于防御區(qū)域后方，便于地面保障及維護(hù)。

5 結(jié) 論

差分衛(wèi)星定位系統(tǒng)能夠極大地提高衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的精度，但同時存在作用距離受限及地面參考站建立、維護(hù)等問題；基于衛(wèi)星差分的廣域及網(wǎng)絡(luò)差分衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)正在積極建設(shè)中。在未來，民用領(lǐng)域可廣泛使用覆蓋全國甚至全球的高精度廣域差分衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)及網(wǎng)絡(luò)差分衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。對于武器系統(tǒng)而言，由于進(jìn)攻性武器受到戰(zhàn)場環(huán)境及保障因素的限制，差分系統(tǒng)往往難以克服其局限并獲得應(yīng)用，而防御性的防空導(dǎo)彈及岸艦導(dǎo)彈可以較好地規(guī)避差分衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的劣勢，充分發(fā)揮差分衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)精度高的優(yōu)勢，具有較強(qiáng)的可行性。