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2024 年 2 月第 1 期 现代导航 7 卫星导航着陆起降引导点位快速标定方法研究 曾 添1，史鹏亮1，陈璐璐1，吴舜晓1，姜苗苗1，王亚锋2,3（1 中国人民解放军 93216 部队，北京 100085；2 中国电子科技集团公司第二十研究所，西安 710068；3 陕西省组合与智能导航重点实验室，西安 710068）摘 要：战场形势变化迅速，简易机场的建立可有效支撑有/无人机起降着陆，提升遂行作战任务的能力。介绍了卫星导航精密进近原理与能力，分析总结了伪距定位、精密定位、差分定位、广域精密定位等原理及特点，描述了点位标定的常用误差处理技术，最后给出了点位标定使用建议，指出利用 GNSS 提供的精密定位服务是最便捷高效的策略，伪距定位是保底手段，对于常态化保障区域，可以先期开展监测站部署，实现简易机场的即时标定能力。关键词：北斗；精密定位；点位标定 中图分类号：P227 文献标志码：A 文章编号：1674-7976-(2024)-01-007-06 Research on Rapid Positioning Method of Satellite Navigation Landing Guide Points ZENG Tian,SHI Pengliang,CHEN Lulu,WU Shunxiao,JIANG Miaomiao,WANG Yafeng Abstract:The battlefield situation changes rapidly,and the establishment of airstrips can effectively support the take-off and landing of Unmanned Aerial Vehicles(UAVs)and improve the ability to carry out combat missions.The principles and ability of satellite navigation precision approach are introduced,the principles and characteristics of pseudo-range positioning,precision positioning,differential positioning and wide-area precision positioning are analyzed and summarized,the common error processing techniques for point calibration is described,and finally suggestions on the use of point calibration are given,that precision positioning services provided by GNSS are the most convenient and efficient strategy are pointed out.Pseudo-range positioning is a guarantee method.For the normal protection area,the monitoring station deployment can be carried out in advance to achieve the real-time calibration ability of the airstrip.Key words:Beidou;Precise Positioning;Point 0 引言 高科技战争要求部队装备具备敏捷部署能力，简易机场的开辟是提升空军敏捷部署能力的重要手段。通常，机场的开辟区域处于陌生环境，机场导航保障需要提前准备，利用卫星导航起降引导站 收稿日期：2023-08-24。曾添（1992.04），江西瑞金人，博士，工程师，主要研究方向为北斗航空应用。实现有/无人机进近着陆时，起降引导站的基准接收机和跑道位置需要提前标定。本文对点位标定的有关方法进行比较分析，并给出使用建议。1 卫星导航精密进近原理与能力 北斗三号系统公开服务性能规范中介绍了地基增强系统（Ground-Based Augmentation System，GBAS），用户通过移动通信接收该服务信号，可以 8 现代导航 2024 年 实现实时米级、分米级、厘米级和事后毫米级定位能力，主要服务于中国及周边地区。该服务的提供依托充分整合利用的国内北斗地面监测站资源，主要由基准站网、通信网络分系统、数据处理分系统、数据播发分系统和用户终端组成。北斗地基增强服务属于北斗系统的重要组成部分，但无法直接应用于飞机精密进近着陆，通常需要在着陆地周边部署4 个卫星导航监测站及天线，与数据处理机、监控设备、甚高频（Very High Frequency，VHF）数据广播（VHF Data Broadcast，VDB）发射和接收电台、地面站授时单元等共同组成 GBAS 的地面子系统。GBAS 利用北斗导航信号进行导航解算得到卫星的差分校正值，向覆盖区域内的机载用户通过地面布设的 VHF 广播 GNSS 差分修正信息，同时监测导航信号和地面站的异常，向用户播发监测的完好性信息，为机载子系统用户提供满足精确度、完好性、连续性和可用性要求的全天候、精密进近要求的导航服务。GBAS 可以支持 APV-I、APV-II 垂直引导进近运行，精密进近 I 类、II 类、III 类运行（CAT I/II/IIIA/IIIB），可为同一个机场多条跑道提供服务，满足大型繁忙机场多跑道运行或机场群的需求，提供多个进近下滑以及跑道路口内移，可引导复飞，提供曲线进近，因此 GBAS 可以显著提高机场运行效率，支持高密集起降，保障复杂机场运行安全，解决机场全天候起降问题，提供更加精准、灵活和高效的着陆引导服务。2 点位标定技术 2.1 概述 卫星导航点位标定实质上是利用卫星系统实现用户定位，本质上包括绝对定位和相对定位两种手段。GPS 最开始的设计即为利用伪距观测量实现绝对定位，提供标准单点定位服务（Single Point Positioning，SPP），基于广播星历产品，用户同时观测 4 颗卫星即可解算出位置。受限于伪距测量精度和星历误差等因素，SPP 通常只能实现米级定位精度，载波相位观测量具有毫米级测量精度，于1997 年用于精密单点定位（Precise Point Positioning，PPP）1，通过提升星历精度，精化卫星端、接收机端和传播路径误差模型，并妥善处理模糊度参数，可实现静态定位精度厘米至毫米级。在 PPP 出现之前，由于对高精度的迫切需要，已有学者研究了差分定位，即相对定位技术。相对定位利用两个及以上接收机，其中一个为用户测站，其余为基准站，同时对这些测站进行连续观测，根据已知的基准站坐标信息，通过消除共同误差项，实现用户站高精度定位。按照使用的观测量，可以分为基于伪距的差分定位（Real-Time Differential，RTD）和基于载波相位的差分定位（Real-Time Kinematic，RTK）。RTK 技术应用最为广泛，是卫星定位、无线电通讯、计算机等技术结合的产物。相对定位起初只使用一个基准站，但由于作用距离限制，无法实现大区域的差分定位。在此以后，发展了局域差分定位、广域差分定位、网络 RTK 技术等。局域差分、广域差分、网络 RTK 等技术均需要地面站网络支撑，可称为 GNSS 连续运行基准站网，一般由若干个 GNSS 连续运行基准站、数据处理与服务中心和数据传输网络等组成。国际 GNSS服务测站即是全球最大的连续运行参考站系统（Continously Operating Reference System，CORS）网络。美国有国家 CORS 网、合作 CORS 网，我国有北斗地基跟踪站网、中国大陆构造环境监测网络（简称陆态网络）等。另外一条发展主线，广域精密定位技术，较早前美国喷气动力推进实验室就建立了全球差分系统（Global Differential GPS，GDGPS）2，实现 GPS定位水平 10 cm、高程 20 cm 的定位精度，GDGPS本质上使用的是 PPP 技术，只是利用了测站网络提供的误差项改正数。商业公司，如 Navcom 公司的StarFire、荷兰 Fugro 公司的 StarFix/SeaStar，瑞典Hexagon 公司的 VeriPos 等均利用广域精密定位技术实现高精度导航服务3。国内方面，包括合众思壮的中国精度，千寻位置的星基增强服务等均实现了商业化广域精密定位系统服务能力。国际 GNSS 服务组织（International GNSS Service，IGS）也提供了实时精密单点定位服务（Real-Time Service，RTS）4，通过 IGS 播发的轨道、钟差和偏差等产品实现精密定位，同时建立了实时全球电离层模型（Real-Time Global Ionospheric Map，RT-GIM）。此外，部分 GNSS 可提供实时 PPP服务，包括 BDS、Galileo 和日本的准天顶卫星导航系统（Quasi-Zenith Satellite System，QZSS），其中QZSS 提供的厘米级增强服务（Centimeter-Level 第 1 期 曾添等：卫星导航着陆起降引导点位快速标定方法研究 9 Enhancement Service，CLAS）服务使用了 PPP-RTK技术原理5。PPP 与 RTK 的结合，即 PPP-RTK 技术也有较多的研究，其主要是借鉴网络 RTK 误差处理思想，充分利用已经建立的 GNSS 基准网，在对电离层、对流层等误差项施加改正后，用户解算时仍然使用 PPP 技术，PPP-RTK 可实现局域范围内与网络 RTK 相当的定位结果6。不同定位技术的对比如表 1 所示。表 1 不同定位技术对比 定位技术 精度/m 作用范围延时 特点 伪距单点定位 1020 全球 无 精度有限 星基增强定位 15 服务区域无 精度有提升，服务区域有限制 局域差分 15 150 km 无 仅针对服务区域，需传输差分改正数 广域差分 15 1 500 km无 仅针对服务区域，需传输差分改正数 常规 RTK 0.010.05 15 km 秒级 需在周边布设参考站，且需已知精确坐标，作用范围受限网络 RTK 0.010.05 100 km 秒级 仅针对服务区域，需传输更大容量的数据 实时精密单点定位 0.010.5 全球 20 分钟内具备传输实时精密产品条件 事后精密单点定位 0.010.05 全球 1 天以上需要长时间观测，事后利用网络下载精密产品 GNSS 精密定位服务 0.20.5 服务区域30 分钟内仅限服务区，目前 BDS、Galileo、QZSS 提供服务 广域精密定位商业系统 0.010.05 服务区域5 分钟内仅限授权用户，安全性未知 PPPRTK 0.010.2 服务区域1 分钟内周边需部署监测站网络 2.2 原理介绍 单点自标定原理是利用 BDS 或 GPS 双频信号实现单点定位算法，对接收到的双频码伪距和载波相位观测量进行组合，伪距单点定位的观测方程为,1,csssssr irrrrirsgsr iirr iPtc tm TIBB（1）式中：P为伪距观测量；s和r表示卫星和测站；i表示频点；表示站星几何距离；rt、st为接收机钟差、卫星钟差（单位为s）；c为光速；T为天顶对流层延迟；m为测站天顶至站星方向的对流层延迟映射函数；,1srI为第一频点的电离层延迟一阶项；i频点电离层延迟系数为21iirff，其中f表示频率；,r iB、siB为接收机端、卫星端伪距时不变硬件延迟（单位为m）；gr表示系统间偏差，假定均相对于GPS，则g表示除GPS外的其他GNSS系统；为伪距噪声。式（1）左侧是用户接收的观测量，右侧由卫星位置和钟差通常利用广播星历文件内插得到，电离层延迟通常使用两个频点组合构成无电离层组合进行消除，对流层使用模型进行改正，通常使用Saastamoinen（SAAS）模型，硬件延迟通常利用广播星历文件中的群时延（Timing Group Delay，TGD）常量数值。其中sr可以展开为 222-sssssrrrrrxxyyzzxx（2）式中：ssssxyzx、rrrrxyzx分别为该时刻卫星位置、接收机位置；srxx表示站星几何距离向量的模。对于伪距定位，需要注意卫星位置通常不需要进行天线相位中心改正，因为广播星历的生成通常使用基于天线相位中心的观测值。对式（2）进行线性化,1,csssssr irrrrrssgsirr iirr iPtc tm TIBBuxx（3）式中，-sssrrrsrsrxxyyyyu即为站星几何距离的一阶偏导数，也称视线向量。同时观测4颗或以上卫星，可以解算得到用户位置，通常使用最小二乘估计的方法，设置接收机坐标和钟差共4个未知参数进行解算。GNSS性能规范给出的伪距定位精度基本上在米级，如GPS全球平均95%置信度水平、高程误差分别为8 m、13 m，最差情况下分别为15 m、33 m7。北斗三号系统定位精度水平、高程误差分别为9 m、10 m，最差情况下分别为15 m、22 m8。因此，使用单点定位标定手段得到的点位精度在米级。为了达到分米级甚至厘米级（比传统GPS单点定位精度高数十倍甚至数百倍）的定位精度，需采用精密单点定位技术。精密单点定位原理为在式（1）10 现代导航 2024 年 基础上增加载波相位观测量，观测方程为,1,ccsssssr iir irrrrssssirir ir iir iLttm TINbb （4）式中：L、表示以米、周为单位的载波相位观测量；,r ib、sib为接收机端、卫星端载波相位时不变硬件延迟（单位为周）；N为整周模糊度（单位为周）；为载波噪声。其他需要的误差改正信息并未给出，如天线相位中心偏差（Phase Center Offset，PCO）和相位中心变化（Phase Center Variation，PCV）、测站天顶对流层干延迟、相对论效应、潮汐改正（固体潮、海潮、极潮）等，载波相位观测量还需要考虑天线相位缠绕效应。这些误差假定均已正确改正。载波相位精密定位要求卫星轨道精度在厘米级，卫星钟差精度在亚纳秒级，需要对以上提及的误差项进行更精细的处理。由式（4）可知，相比伪距定位，载波相位观测方程增加了整周模糊度，整周模糊 度 包 括 整 数 部 分 和 小 数 部 分，通 常 把,ssr ir iiNbb当作一个未知参数，即首先进行浮点解解算，得到浮点模糊度。对于双频观测量，模糊度固定的具体策略为，利用原始伪距和载波相位观测值，通过构建MW（Melbourne&Wubbena）组合得到宽巷模糊度，利用发布的相位小数偏差（Uncalibrated Phase Delay，UPD）产品，得到整数的宽巷模糊度，利用宽巷模糊度的非差模糊度可以得到窄巷模糊度，利用发布的UPD产品，得到整数的窄巷模糊度，然后把具有整数特性的非差模糊度代入构建的法方程中，并施加强约束得到非差模糊度固定解。单基准站实时差分技术需首先进行基准站精确位置标定，然后把这台接收机作为基准站，另一台接收机放置于待标定点位。通常，参考站由一台GNSS接收机及天线、发送电台及天线和电源等组成，流动站由GNSS接收机及天线、接收电台及天线、电源等组成。两个接收机之间组成差分观测量，消除星历误差、星钟误差、信号延迟、大气误差等，实现差分定位。对于伪距差分（Real Time Differential，RTD）技术，在式（1）的观测量中加上基准站发送的每颗卫星的伪距改正数，之后的处理流程与伪距定位相同，但是不再需要修正电离层延迟、对流层延迟等误差。对于载波相位差分（Real-Time Kinematic，RTK）技术，基于载波相对定位理论，利用当前历元和历史伪距、载波相位观测数据，参考站接收机和流动站接收机同步观测至少4颗相同卫星，其中参考站的精确坐标已知，参考站通过电台将实时载波相位观测量和坐标发送给流动站，流动站通过电台接收数据，与自身接收的卫星导航载波相位观测数据组成两站、两星的双差观测方程，使用最小二乘估计方法得到模糊度先验估值，再利用当前历元的双差载波观测方程实时解算当前的基线向量和模糊度最优估值，并进一步利用模糊度整数特性得到基线向量的整数解，将基线向量加上参考站地心坐标，即得到流动站坐标。差分方式通常使用RTK，在精度要求不高条件下，可以选择RTD技术。通常，RTK的作用距离为15 km，定位精度在厘米级，报文速率通常在Mbps级；RTD作用距离大于50 km，定位精度在亚米级，报文速率在kbps级。差分定位技术要求基准站与用户观测相同卫星，因此，基准站发生电离层扰动、信号不稳定、数据缺失和干扰等异常情况时，用户站将无法定位。单基准站差分定位技术存在覆盖范围小、基准站位置需要提前标定等问题，学者们研究提出了网络差分技术，比如网络RTK技术利用一定区域内地面站基准站组成连续运行参考站系统，当用户站需要标定位置时，数据处理中心在用户附近产生一个虚拟参考站或内插得到局域改正数。虚拟参考站位置为流动站通过单点定位获得的概略位置，利用虚拟参考站、基准站和GPS卫星的相对几何关系，内插得到虚拟参考站处的误差，并构建其虚拟观测数据。进一步地，学者们提出了广域差分技术。广域差分技术的原理是利用广域范围的地面基准站获得基于广播星历的轨道、钟差、大气延迟等改正数，利用状态域方法进行差分修正。严格地说，星基增强系统、GNSS提供的精密单点定位服务，均属于状态域改正方法。北斗三号系统具备利用B2b频点播发的增强电文进行精密定位的能力。电文生成原理为地面监测站对BDS的所有可见卫星进行连续监测，生成伪距和载波相位观测数据，预处理后将原始数据通过网络发送给地面主控站，地面主控站对原始数据进行验证和评估，解算卫星轨道和时钟校正，根据协议生成改正数和其他相关参数的增强信息，由上行链路传输给地球同步轨道（Geostationary Earth Orbit，第 1 期 曾添等：卫星导航着陆起降引导点位快速标定方法研究 11 GEO）卫星。用户段进行精密定位自标定原理为用户接收GEO卫星通过PPP-B2b信号广播的改正信息，以及获取的卫星测量信息、广播星历，利用载波相位观测数据进行未知参数解算，包括求解整周模糊度，实现实时精密单点定位能力。广域精密定位系统主要由一定数量的基准监测站网络、实时数据处理平台及用户终端等组成。实时数据处理平台通过汇集基准监测站网络的观测数据，完成精密轨道、钟差和电离层建模等解算，得到卫星精密轨道、钟差、偏差和大气延迟模型等产品，利用一定的编码规则生成增强电文，通常使用星基方式播发给用户。2.3 点位标定误差处理技术 点位标定精度通常要求较高，因此需要对误差项进行细致处理。主要通过以下两种方法进行处理：一是建立较为精确的模型进行改正，如天线相位中心偏差、地球自转、相对论效应、地球固体潮、海洋负荷潮等能够精确模型化的误差，可采用现有模型精确改正。二是对于不能精确模型化的误差，通常当作未知参数估计，如天顶对流层湿延迟分量，或使用观测值的线性组合来消除其影响，如电离层延迟一阶项。与接收机有关的误差。接收机钟差作为未知参数一起进行估计。接收机天线相位中心偏差需要利用事先确定的改正数据来消除其影响。地球固体潮、海洋负荷潮汐由相应的模型表达式改正。地球自转校正，在计算卫星与接收机的距离时，必须考虑地球自转效应，使用公式进行校正。与卫星有关的误差。卫星轨道误差/钟差取决于使用的卫星星历。卫星天线相位中心偏差利用发布的北斗卫星天线相位中心偏差改正参数进行改正。卫星天线相位缠绕误差包含整数周和小数周两部分，整数周部分一般通过历元累计计数进行改正，小数周部分可采用模型进行改正。相对论效应由圆形卫星轨道的相对论效应引起的误差已经修正，需要修正由轨道偏心率产生的周期性偏差和地球引力场造成的信号传播延迟，均通过改正公式修正9。与信号传播有关的误差。电离层延迟的一阶项与频率的平方成反比，且伪距、载波相位的电离层延迟数值相等、符号相反，利用两个频点的观测量进行组合可消除电离层一阶项，剩余高阶项影响忽略。对流层延迟常将观测视线向量的对流层延迟通过投影函数转换至天顶方向，对天顶对流层延迟（Zenith Total Delay，ZTD）进行处理，其中常用的投影函数包括Niell投影函数（Niell Mapping Function，NMF）、全球投影函数模型（Global Mapping Function，GMF）和维也纳投影函数模型（Vienna Mapping Function，VMF）。干分量延迟使用模型改正，通常使用的模型包括SAAS模型和Hopfiled模型，湿分量延迟一般作为未知参数进行估计。多路径效应观测时尽量避免反射物较多的 环境。对于不同的定位方式，需要采用不同误差处理技术：1）星基增强、精密单点采用改正信息处理与卫星有关误差，采用模型校正与信号传播有关误差；2）差分定位采用基准信息消除与卫星、传播模型有关误差。通过各种误差处理技术的综合应用，提高定位性能，满足使用需求。3 点位标定使用建议 由表1可知，使用不同的点位标定技术具有不同的技术特点和优劣，同时还应当关注，点位标定精度对起降着陆的影响及实际使用需求，比如点位精度要求多高才能保证飞机精密进近着陆的安全，机场内要完成的点位标定包括起降引导站和跑道点。以I类精密进近为例，水平、高程需达到的定位精度（95%置信度）分别为16 m、4 m，且需要达到1210-7每次进近的完好性能力，1810-6每15 s的连续性能力，因此，从安全性考虑，点位标定应达到较高的精度。标定流程建议首先进行基准站位置，再依托常规RTK技术完成起降引导站和跑道点的标定。根据点位技术标定原理，基准站位置标定技术可以归为如下三类：1）无需外部依托的点位标定技术，包括伪距单点定位、星基增强定位（限定区域）和GNSS精密单点定位技术（限定区域）。对于伪距单点定位技术，在现有北斗系统能力条件下，标定精度尚不能满足要求，文献10评估星基增强系统的定位精度为水平、高程约为1.3 m、2.9 m，在应急情况下可作为可选的点位标定技术，但是可能对起降引导存在安全风险隐患。GNSS精密单点定位技术是较为可行的一种方法，且北斗三号具备B2b频点的 12 现代导航 2024 年 PPP能力，但是需要注意仅限亚太覆盖区域。2）需要依托网络传输渠道，包括实时精密单点定位、广域精密定位、事后精密单点定位等技术，其中此处所指实时精密单点定位不包括GNSS自身提供的精密定位服务。这些技术均需要不同地面处理中心得到的卫星导航高精度产品，其中实时PPP和广域精密定位还需要保证实时性，因此使用受到一定限制。3）需要依托一定区域的地面测站网络及网络传输渠道，包括局域差分、广域差分、网络RTK、PPP-RTK技术。这些技术均需要前期把服务区域覆盖至点位标定区域，同时具备数据网络传输条件，才能完成点位标定。优点是标定精度高、速度快，尤其是PPP-RTK技术。4 结语 以上分析表明，在应急情况下，建议选用北斗系统提供的精密定位技术，具备条件情况下，建议：1）事后PPP技术（下载精密轨道、钟差等产品）方式确定基准站坐标；2）构建网络传输渠道，使用广域精密定位或者实时精密定位技术；3）在局域差分、广域差分或网络RTK服务区域内，可使用这些技术完成点位标定。特别地，对于常态化重点区域，可先期开展地面监测站部署，实现PPP-RTK技术的即时点位标定能力。参考文献：1 J F Zumberge，et al.Precise point positioning for the efficient and robust analysis of GPS data from large networksJ.Journal of Geophysical Research Solid Earth，1997.DOI：10.1029/96jb03860.2 Raman S.Performance Evaluation of Global Differential GPS（GDGPS）for Single Frequency C/A Code ReceiversJ.Proceedings of International Technical Meeting of the Satellite Division of the Institute of Navigation，2005.3 吴晓莉，陈金培，赵毅，等.广域精密定位系统发展现状、机遇与挑战A.2021.4 Krzan G.Gps/glonass precise point positioning with igs real-time 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