伽利略系统对RTK作业的改善
摘 要： 分析了Galileo 系统的特点及其关键技术，从3 个方面论述Galileo 系统对RTK 作业的改善，即Galileo 系统星座设计的优越性、Galileo 系统在RTK 中整周模糊度的快速确定及Galileo 系统本身所具有的完备性。
关键词： Galileo GPS RTK 几何图形强度
1 伽利略系统的概况
全球目前已有的卫星导航定位系统主要是美国的全球定位系统（GPS）和俄罗斯的全球卫星导航系统（GLONASS）。欧洲为了满足本地区导航定位的需要，计划开发广域星基增强系统（包括地面设施和空间卫星），以提高GPS 和GLONASS 系统的精度、完好性和可用性。同时，为了打破目前世界仅有的美国全球定位系统在这一领域的垄断，欧洲决定启用伽利略计划，建立自主的民用全球卫星定位系统（ Galileo ）。EGNOS 是欧洲Galileo 计划的第一阶段，也是Galileo计划的基础，并于2005 年达到全球运行能力。
伽利略系统由3 部分组成：太空部分（ Space Segment）、地面部分（Ground Segment）和用户部分（UserSegment）。太空部分由30 颗MEO（Middle Earth Orbit）轨道卫星组成，分布在3 个高度为23 616 km，倾角为56º的轨道上，每个轨道有9 颗工作卫星外加1 颗备用卫星，备用卫星停留在高于正常轨道300 km 的轨道上。卫星使用的时钟是铷钟和无源氢钟，除基本的载荷外还有搜索救援载荷和通信载荷。系统的地面部分包括位于欧洲的伽利略控制中（Galileo Control Center）和20 个分布在全球的伽利略传感站（Galileo SensorStation），除此之外，还有实现卫星和控制中心数据交换的5 个S 波段上行站和10 个C 波段下行站。伽利略控制中心主要控制卫星的运转和导航任务的管理，20 个传感站通过冗余通信网络向控制中心传递数据，用户部分主要由导航定位模块和通信模块组成。Galileo 系统与GPS 系统一个重要的区别在于，Galileo系统对于任何民用用户，在任何应用领域，都对系统的精度、可用性、连续性及完备性提供服务保证。
目前在建的伽利略（Galileo）定位系统，其卫星的基本参数如表1 所示。
2 GPS RTK 的概况
2. 1 RTK 现状
GPS 的实时动态测量技术（Real Time Kinematic，简称RTK）以其实时、高效、不受通视条件限制等优点，已广泛应用于图根控制测量、像片控制测量、施工放样测量及地形碎部测量等诸多方面，倍受用户青睐。RTK 测量是根据GPS 的相对定位理论，将1 台或几台接收机放在待测点上（移动站），同步采集相同的卫星信号。基准站在接收GPS 信号并进行载波相位测量的同时，通过数据链将其观测值、卫星跟踪状态和测站坐标信息一起传送给移动站，移动站通过数据链接收来自基准站的数据，利用GPS 控制器内置的随机实时数据处理软件与本机采集的GPS 观测数据组成差分观测值进行处理，实时地给出待测点的坐标、高程及实测精度。
2. 2 RTK 缺陷
RTK 所受到的误差通常可分为两类，即同测站有关的误差和同距离有关的误差。同测站有关的误差主要包括天线相位中心变化、多路径误差、信号干扰和气象因素影响等，其中多路径是RTK 定位测量中最严重的误差。一般情况下，多路径误差为1 ～ 5 cm，且多路径误差的大小常以5 ～ 20 min 的周期变化。同距离有关的误差包括轨道误差、电离层误差和对流层误差。其中轨道误差只有几米，对于小于10 km 的基线而言，其影响可忽略不计。电离层影响一般小于5 × 10 - 6，对流层误差同点间距离和高差有关，一般影响在3 ×10 - 6以内。
另外，确定整周模糊值（ 即初始化）的时间和可靠性，是RTK 系统能否实时准确定位的关键。整周模糊值其初始化的置信度通常为95% ～ 99%，且在RTK 作业中缺乏检核条件，个别点可能会出现粗差，因此必须注重成果的复核。受卫星信号、接收机状态、测站周围环境及仪器操作的影响，RTK 定位有时会出现失真，其成果不是百分之百的可靠。实践证明，确定整周模糊值的时间和可靠性取决于4 个因素，即接收机类型（单频或双频）、所观测卫星的个数、移动站至基准站的距离及RTK 软件质量。通常，双频RTK 初始化的时间比单频RTK 要短，而且与距离关系不大；解算时采用的星数越多，RTK 的精确性和可靠性越好；移动站至基准站的距离越近，其初始化的时间也越短。
RTK 作业时要求观测卫星的图形强度要高。在进行坐标解算时，所采用的卫星数越多，分布越均匀，则三维定位精度因子（PDOP）越小，RTK 的精确性和可靠性越高，且初始化的时间也越短，因此，一般情况下，接收卫星数保持5 颗以上，且PDOP < 6 时，才能进行RTK 测量。在实际测量过程中，由于观测条件的限制，接收到的GPS 卫星数往往不能达到要求。
3 GaIiIeo 系统对于RTK 的改善
3. 1 Galileo 系统星座设计的优越性
GPS 卫星发射的信号功率很小，容易受到干扰。在建筑物密集的城市或地形比较复杂的区域，卫星信号变得非常微弱，有时甚至接收不到信号，这些地方就变成了定位盲区。
伽利略计划在定义阶段就考虑要解决GPS 系统目前存在、伽利略系统将来也可能面临的问题，其中一个就是如何实现信号不佳区域的RTK 定位。伽利略系统的卫星发射信号功率比GPS 要大，所以在一些GPS 系统不能实现定位的区域，伽利略则可以实现。如果某一区域用户需要附加的服务，伽利略系统也可以通过使用虚拟卫星来解决。另外，Galileo 系统的星座设计也比GPS 系统更为优化，Galileo 系统对全球的任意地方均有较好的卫星覆盖，可视卫星个数多于7个，卫星分布较为合理，DOP 值较小且随时间和空间的分布都较均匀。例如，我们可以以卫星导航星座仿真演示系统为基础，比较在中国武汉地区（ 北纬30º32'，东经114º21'）任一天（2004 年12 月30 日）24 h内观测到的Galileo 和GPS 卫星数（ 截止高度角设为10º，历元间隔为30 s）。如图1 所示，在该区域内大部分时间（77%）可以观测到7 颗GPS 卫星，13% 的时间可以观测到6 颗GPS 卫星；而对于Galileo 系统，总可以看到7 颗或更多的卫星（从7 颗到11 颗分布相对比较均匀）。因此，我们在做RTK 测量时，可以观测到的Galileo 卫星要多于GPS 卫星。
Galileo 系统相对于GPS 系统星座设计的先进性还体现在对南北两极导航定位条件的改善。由于GPS系统星座设计上的缺陷，南北两极地区GPS 系统的几何图形强度很弱，尤其是北极地区，GPS 定位的精度很差，甚至不能使用。而北极地区能够观测到的Galileo卫星数则较多（ 最多可以观测到13 颗），而且有较大的高度角（最大可以接近60º）。
3. 2 Galileo 系统在RTK 中整周模糊度的确定方法
从Galileo 系统4 个频率载波的组合观测值来分析相应的组合观测值误差，用相应的符号来表示Galileo4 种载波的频率和波长，如表2 所示。
不考虑多路径误差和对流层延迟等其他误差项，引入电离层延迟项，各载波观测值的电离层延迟（ 长度）有如下关系：
令L1的电离层延迟为Ii，则L2，L3，L4的电离层延迟分别为
I2 = q22I1 I3 = q23I1 I4 = q24I1， （1）
其中qi = f1 / fi，i = 2，3，4。以米为单位的载波相位观测方程为
L1 = p - λ1N1 - I1 + εL1
L2 = p - λ2N2 - I1q22+ εL2
L3 = p - λ3N3 - I1q23+ εL3
L4 = p - λ4N4 - I1q24+ εL4
相应的组合观测值定义为
Lc = αL1 + βL2 + μL3 + δL4 =（α + β + μ + δ）p -（αλ1N1 + βλ2N2 + μL3N3 + δλ4N4）-I1 （ α + βq22+ μq23+ δq24）+ εLc
上式中（α + β + μ + δ）p 为组合观测值相应的几何距离，令这一几何距离不随组合观测值的不同而变化，且组合后的整周模糊度仍为整数，则有
α + β + μ + δ = 1Lc = p - λN - ηI + εLc（2）
其中
λN = αλ1N1 + βλ2N2 + μλ3N3 + δλ4N4η = α + βq22+ μq23+ δq24（3）
由（3）式得
N =（αλ1 / λ）N1 +（βλ2 / λ）N2 +（μλ3 / λ）N3 +（δλ4 / λ）N4
为了使组合观测值的整周模糊度保持整数特性，则要求
i = αλ1 / λ，j = βλ2 / λ，k = μλ3 / λ，m = δλ4 / λ
可选取适当的i，j，k，m 整数组合，得到不同的组合观测值，对应的组合观测值的模糊度为
N = iN1 + jN2 + kN3 + mN4
上式中i，j，k，m 为整数，显然N 也为整数。相应的α，β，μ，δ 为
α = iλ / λ1，β = jλ / λ2，μ = kλ / λ3，δ = mλ / λ4（4）
将（4）式代入（2）式，可得组合观测值的波长为
λ =λ1λ2λ3λ4i·λ2λ3λ4 + j·λ1λ3λ4 + k·λ1λ2λ4 + m·λ1λ2λ3（5）
由波长与频率的关系式：λ = c / f，c 为光速，则（5）式变为
λ = c（/ if1 + jf2 + kf3 + mf4）
组合观测值的频率f 为
f = if1 + jf2 + kf3 + mf4
波长的大小对确定整周模糊度至关重要，波长越长，确定整周模糊度越容易，反之，对于短波长的组合观测值则较难确定其整周模糊度。我们可以得到一组具有较长波长的观测值，从而使得能够以较快的速度和较高的可靠性确定这类观测值的整周模糊度，进而确定各单个载波相位观测值的整周模糊度。例如组合λ（1，7，- 32，24）和λ（3，- 6，- 11，14），笔者认为对于快速确定RTK 的整周糊度就是很好的选择。
3. 3 Galileo 系统完备性对RTK 的改善
完备性是用户对系统提供信息正确性可信程度的一种度量，包括系统给用户提供及时有效警告信息的能力。完备性是一个保证用户安全性的重要参数，当系统误差超过限值时警告用户。
由于系统设计上的原因，GPS 系统本身不能提供系统的完备性信息，这对于实时导航定位是个极大的缺陷。在RTK 作业中，经常会因为卫星信号出现问题（例如，某个卫星的钟差超过了可接受的范围），而造成很大的误差。伽利略系统将针对要求高的应用场合提供良好的系统服务保障，保证系统具有很高的完备性，为用户提供即时的警告。根据笔者对伽利略完备性的研究，伽利略的完备性概念主要包括3 个方面：用户自主完备性监测（RAIM），空基、地基区域增强系统和伽利略自身完备性监测系统。前两个方面已在GPS系统中得到反映，下面主要阐述伽利略自身完备性监测系统的工作原理及其在RTK 中应用的优越性。
伽利略传感站（GSS）是分布在全球的伽利略卫星观测站，每一个GSS 都将配备多台Galileo 接收机，观测值将通过两个独立的数据链路即导航链路和完备性链路分别传输到轨道同步处理设施（OSPF）和完备性处理设施（ IPF）。OSPF 将以30 s 的时间间隔接收来自每个GSS 的观测数据并计算出导航信息和空间信号精度（SISA）值。在伽利略完备性监测系统中，为了提高用户的保护水平，系统用SISA 反映空间信号的质量。SISA 是卫星轨道确定和时间同步的产物，并且对卫星星历和卫星钟差参数的更新进行预测，每10 min更新1 次，每100 min 向卫星上传1 次，这个更新的时间间隔对RTK 来说已经足够。而IPF 则以每1 s 的间隔来接收每个GSS 的观测数据，并确定出每颗Galileo卫星实时的空间信号误差（SISE）。对于每1 个历元，实时计算出来的SISE 都将会与SISA 进行比较，从而产生一个完备性标记IF，IF 能够在危险情况下为用户提供报警。然后数据上传链路将所产生的系统完备性数据发送给Galileo 卫星，这些系统完备性数据将被添加在导航信号中播发给用户。具体步骤如图2 所示。
用户将可以至少同时从两个仰角不低于25º 的Galileo 卫星上接收到系统完备性信息，当系统信号出现问题时，系统将提供警告信息，接收机将拒绝接受来自失效卫星的信号，或利用接收机自主完备性监测（RAIM）技术有效地减少失效卫星信号对导航结果的影响，有效地保证整个系统的导航性能。
4 结束语
Galileo 系统将使卫星导航系统的可见星数目得到增加，且总体性能得到增强。本文从对Galileo 系统星座设计的优越性和Galileo 系统组合载波相位观测值对整周模糊度的快速精确确定以及Galileo 系统的完备性三方面，分析了未来Galileo 系统在RTK 中的作用。对于下一步的工作，将着重研究Galileo 系统与其他导航系统综合应用时多类观测值的综合数据处理，以及RTK 中坐标转换参数的求解和作业半径限制等问题。随着Galileo 系统的正式投入使用，将给测绘带来巨大的变化。
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