刘基余

（武汉 测绘学院，武汉 430079）

DGPS改正数据的发送方法── GNSS卫星导航定位方法之三

刘基余

（武汉 测绘学院，武汉 430079）

本文论述了DGPS改正数据的下述三种方法：一是DGPS数据链；二是无线电信标台；三是静止地球轨道（GEO）卫星。

DGNSS改正数据；GPS信号接收机；GEO卫星

当作实时DGNSS测量时，动态接收机需要接收来自基准接收机的DGNSS改正数据，后者的发送方法主要有下列形式：一是DGNSS数据链；二是无线电信标台；三是静止地球轨道（GEO）卫星（简称为“静地卫星”）。本文以DGPS改正数据的发送方法为例，对上述三种发送方法的基本功能予以简要论述。

1 DGPS数据链的构件功能

所谓“DGPS数据链”，就是一种用于作差分导航定位的无线电收发设备，除了基准接收机和动态接收机以外，还需要基准接收机的DGPS数据无线电发送机，以及动态接收机的DGPS数据无线电接收机，并通过RS-232-C接口与GPS信号接收机相连接（如图1A所示）。DGNSS数据链与DGPS数据链相似，仅以GNSS信号接收机代替了GPS信号接收机。

图1 DGPS数据的发送与接收

1.1 RS-232-C接口

它是数据终端设备和数据通信设备之间的串行二进制数据交换的接口。在基准站上，它将DGPS数据送到调制解调器；在动态站上，RS-232-C接口从调制解调器取得DGPS数据，进而将它送到GPS信号接收机。通常，RS-232-C接口的插头（针）连接GPS信号接收机，它的插座连接调制解调器；其连接电缆的最长物理长度一般不应超过15m。RS-232-C接口工作于负逻辑。负电压表示逻辑“1”，驱动器的输出电压必须在-5～-15V之间；数据线工作于传号状态，控制线则处于“OFF”状态。正电压表示逻辑“0”，驱动器的输出电压必须在+5～+15V之间；数据线处于空号状态，控制线则工作于“ON”状态。RS-232-C的驱动电路必须能够承受电缆中任何导线的短路，而不会导致相关设备的损坏。

1.2 调制解调器

在基准站上，调制解调器（Modem），是将DGPS数据进行编码，进而将它调制在载波上，送到无线电发射机。在动态站上，调制解调器，从已调波中解调出DGPS数据，通过RS-232-C接口送到GPS信号接收机。所谓“调制”，就是用DGPS编码信号改变载波某一参数的结果。所用载波一般为正弦波，它有三个参数：振幅、频率和相位。用DGPS编码信号改变这三个参数之一，就分别生成调幅波、调频波和调相波，这三者统称为已调波。解调，是调制的相反过程（反调制），它是从已调波中解调出DGPS数据。DGPS编码信号，是一种数字信号。用数字信号调制载波时，分成数字调幅、数字调频和数字调相三种调制方式。三者的细分如下：

采用上述哪一种调制方式发送DGPS数据，取决于所用的调制速率。后者分为下列六种：300b/s，600b/s，1200b/s，2400b/s，4800b/s和9600b/s。若用低调制速率（300b/s和600b/s），一般采用二进制频移键控数字调频式；如用中等调制速率（1200b/s和2400b/s），通常采用最小频移键控（MSK）数字调频式，或是高斯滤波最小频移键控（QMSK）数字调频式；当用高调制速率时，采用二相相移键控（BPSK）数字调相式，或是四相相移键控（QPSK）数字调相式。

1.3 无线电收发机

在基准站上，无线电发射机是以电磁波的形式，将DGPS数据发送给用户，其载波频率及其发射功率的选用，取决于DGPS数据的传输远近。发送DGPS数据可采用下述方式之一：

⊙ 高频（H F）、甚高频（V H F）、超高频（UHF）无线电发送设备。

⊙ 无线电信标台。

⊙ 调频（FM）副载波。

⊙ 卫星通信设备。

在上述DGPS数据发送中，按照无线电发送设备的建立之异，可分为“商品型”和“公用型”。商品型无线电发送设备，一般采用高频（HF）、甚高频（VHF）、超高频（UHF）之一作载波，而为用户建立自已的专用DGPS数据源。当采用无线电信标台、调频广播电台的调频（FM）副载波、卫星通信设备等发送DGPS数据时，只要在其覆盖区内的广大用户，都能够接到它们所发送DGPS数据，称之为公用DGPS数据源。当用公用DGPS数据源作DGPS测量时，一个动态用户只需持有一台与公用DGPS数据源相匹配的无线电接收机和一台GPS信号接收机，就可以进行DGPS测量，而获得高精度的点位坐标。若用专用DGPS数据源，一个动态用户不仅要购买两台GPS信号接收机，而且需要购买一套DGPS数据链。

2 RBN-DGPS公用数据源

国际上建立最早的公用DGPS数据源，是无线电信标台发送的DGPS数据。无线电信标（RBN，Radio Beacons）工作于285-325kHz频段，利用全方位发射天线，提供导航信息，而用于船舶和飞机的无线电导航。为飞机飞行服务的航空信标，可达到3～10度（2σ）的方位测量精度；用于船舶导航的无线电信标，可达到3度以内的方位测量精度。据统计，全球约有18万个无线电信标台，用于飞机航行导航；约有50万个无线电信标台，用于船舶航行导航。我国也为航海航空建立了几十个无线电信标台，这些信标台大多采用高达40m的发射天线，其发射功率多数为500W左右。从1995年至2000年，中国海事局组织天津海事局等15个所属单位，在我国的渤海、黄海、东海和南海四大海域，建立了由20个航海无线电信（指向）标（RBN）播发台构成的“中国沿海RBN-DGPS系统”；该系统中的每一个RBN播发台处，均设置了GPS基准站，测定各颗在视GPS卫星的伪距差分改正数，并将该DGPS数据传送到RBN播发台；以最小频移控（MSK）调制到无线电信标载波频率（283.5-325.0kHz）上，而发向各个GPS动态用户。该用户只需持有一台能够同时接收DGPS数据的GPS信号接收机，便可实现DGPS测量，而获得不低于±5m的在航定位精度（如表1所示）。从该表可见，用户定位精度随着DGPS距离的增长而降低。图2表示各个RBN播发台的DGPS播发信号覆盖（最远可达300km）和台站分布。

图2 中国沿海RBN-DGPS系统的DGPS播发信号覆盖和台站分布

表1 中国沿海RBN-DGPS系统的用户定位精度及其置信度

3 静地卫星发送DGPS数据

3.1 INMARSAT卫星发送DGPS数据

从1996年到1998年，共有5颗INMARSAT-3卫星先后入轨运行。该5颗静地卫星都附设了导航专用转发器，而成为于WAAS和EGNOS的一个组成部分，用于增强北美和欧洲地区GPS/GLONASS信号的可用性、完好性和导航定位精度。INMARSAT-3卫星，用一根L1专用导航定位信号发送天线，向用户发送第一导航定位信号（L1）和DGPS数据（如图3所示），其功率为27.5dBW，其带宽为2.2MHz。

图3 INMARSAT卫星发射DGPS数据

GPS现代化后，GPS III卫星将增设第三导航定位信号（L5）。为适应GPS卫星这种内部增强措施，正在研制的4颗INMARSAT-4卫星，也将附设导航专用转发器，而用L1/L5专用导航定位信号发送天线，向用户发送第一、三导航定位信号（L1和L5）和DGPS数据，L1和L5的功率分别为28.1dBW和26.2dBW，L1和L5的频带宽度分别为4.0MHz和20.0MHz。图4表示INMARSAT-4卫星L1/L5导航定位信号的生成框图，该图收发信号的主要参数如表2所示。值得注意的是，INMARSAT-3/4卫星所发的L1信号，其C/A码速率和载波频率，不像GPS卫星一样，保持在1∶1540的恒定比率上。

表2 INMARSAT-3/4卫星的导航载荷比较

图4 INMARSAT-4导航转发器框图

INMARSAT-3/4卫星，不仅发送DGPS数据，而且发送GPS卫星的完好性数据和GPS导航定位信号。后者相当于增加了GPS卫星星座的在轨工作卫星，而能够改善PDOP值，其改善程度如表3所示。

表3 PDOP的改善

3.2 GLONASS SDCM差分改正系统

在DGPS测量中，为了克服单基准站所导致的测量精度不均匀性，人们采用了多个地面基准站组成地面基准网，而生成DGPS改正数据。例如，WADGPS广域差分测量、WAAS广域增强系统、EGNOS欧洲静地卫星导航重叠系统和GDGPS全球差分系统。近年来，俄罗斯正在积极建设类似于美国的WAAS系统，称之为SDCM差分改正与监测系统（GLONASS System of Differential Correction and Monitoring），如图5所示。

A GLONASS SDCM差分改正的广泛应用

图5 GLONASS SDCM差分改正系统

从图5可见，它不仅提供DGLONASS数据，而且提供DGPS数据；并期盼实时定位的二维测量精度达到±1～1.5m，高程测量精度达到±2～3m；在基准站附近的200km以内，能够实现下列高精度实时定位：二维测量精度达到±1～2cm，高程测量精度达到±4～6cm。2011年12月发射了Luch-5A静地卫星、2012年12月发射了Luch-5B静地卫星己于2013年1月7日11:07（UTC时间）起，开始播发DGLONASS/DGPS差分信号）和2013年12月发射了Luch-4静地卫星，它们分别定点在西经16°、东经95°和东经167°，都发射L1导航定位信号，以此建成SDCM差分改正与监测系统。这给我们提供了机遇，我国的部分地区，也许能够利用SDCM数据做实时的DGPS/DGLONAS测量定位，而获得米级精度的实时定位成果。

3.3 北斗广域差分增强系统

北斗卫星导航系统的广域差分增强系统类似于GPS WAAS系统，它的基本思想是：对北斗导航卫星三个频率的伪距观测量的误差源予以区分，并对每一误差源进行“模型化”，然后计算各个误差的差分改正值。北斗广域差分增强系统对卫星星历误差、卫星钟误差和电离层延迟等三个误差源进行分析。主控站将处理得到的广域差分改正信息通过地面站传输到GEO卫星，再由该卫星传送给用户。GEO卫星实时传送能力强，覆盖区域大，在传送差分改正信息的同时，还作为卫星测距源播发三个频率的导航信号，使得用户的定位精度和可靠性都高于广域差分系统，因此称其为广域差分增强系统。我国的北斗广域差分增强系统具有自身的特点，它将与卫星有关的误差合并为一项，称为卫星等效钟差改正数。对于电离层延迟采用的是格网改正法，计算电离层格网点垂直延迟。因此，我国广域差分增强系统提供两类差分改正信息：卫星等效钟差和格网电离层延迟。我国广域差分增强系统在提供差分改正信息的同时，还需监测这些改正信息的精度，为用户提供完好性信息。其中，卫星星历改正和卫星钟差改正的误差综合给出，以UDRE（用户差分伪距误差）和RURA（区域用户距离精度）表示，电离层格网点垂直延迟改正的误差用GIVE表示。通过对UDRE、RURA和GIVE的确定和验证，实现对我国广域差分增强系统完好性的监测。

4 结束语

上文以DGPS改正数据的发送方法为例，对DGPS数据链、无线电信标台和静止地球轨道卫星三种发送方法的基本功能予以了简要论述。当采用无线电信标台、调频广播电台的调频（FM）副载波和静止地球轨道卫星之一发送DGPS改正数据时，只要在其覆盖区内的广大用户，都能够接到它所发送DGPS改正数据；称之为公用DGPS数据源。当用公用DGPS数据源作DGPS测量时，一个动态用户只需持有一台与公用DGPS数据源相匹配的无线电接收机和一台GPS信号接收机，就可以进行DGPS测量，而获得高精度的点位坐标。若用专用DGPS数据源，一个动态用户不仅要购买两台GPS信号接收机，而且需要购买一套DGPS数据链。这就需要依市价予以选购了。

[1] 刘基余．GPS卫星导航定位原理与方法（第二版）．北京 京科学出版社，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 文献标示码：A

1672-7274（2016）08-0007-05