1 卫星差分原理
差分卫星定位系统可以极大地提高卫星定位系统的精度和定位的完整性，通常由参考站、数据通信网络和移动站3部分组成。差分卫星定位技术的基本原理(见图1)为：事先经过精确测量、定位的参考基站利用高质量的卫星接收机，估算在每一颗卫星的测量过程中缓慢变化的公共误差分量(主要包括星历偏差、卫星钟差、电离层延时误差等)，形成对卫星的量测修正，再将量测修正结果通过数据通信网络广播给附近的移动用户，从而使用户得到比单点定位更高的精度[1]。
差分卫星定位系统也可被称为卫星导航增强系统。根据增强系统搭载的平台的不同，差分卫星定位系统又可被分为陆基增强系统、星基增强系统、机载增强系统[2]。这3种系统的原理都是一致的。本文所述的差分卫星定位系统主要是指陆基增强系统或机载增强系统。
图1 差分卫星的定位原理
Fig.1 Positioning principle of differential satellite
2 卫星定位的误差修正情况
对于全球卫星定位系统，其定位误差通常可被分为3类：首先，是每个卫星信号接收机所共有的误差，其中包括卫星钟差、星历误差、对流层和电离层误差；其次，是不能由用户测量或校正模型来计算的传播、延迟及多路径误差；最后，是卫星信号接收机所固有的误差，包括内部噪声误差、通道延迟误差等。利用差分卫星定位技术，可以将第1类误差完全消除，第2类误差可被大部分消除，第3类误差则无法消除[3]。以GPS为例，利用差分卫星技术对各类误差进行修正的情况如表1所示，差分卫星定位对测量精度的改进如表2所示。
表1 卫星差分定位技术对误差的消除情况
Tab.1 Error elimination for differential satellite positioning technology
误差源未修正差分修正电离层0～30m去除大部分误差对流层0～30m去除所有误差信号噪声0～10m去除所有误差轨道数据1～5m去除所有误差星载原子钟漂移0～1.5m去除所有误差多径0～1m不能去除误差用户接收机噪声0～1m不能去除误差
表2 卫星差分定位技术对定位精度的改进值
Tab.2 Improved positioning accuracy of differential satellite positioning technology
误差类型GPS/m差分GPS/m差分间距/km0100300500卫星钟误差3.00000卫星星历误差2.400.040.130.22SA(卫星钟频抖动)240.250.250.250.25电离层延迟误差4.000.731.251.60对流层延迟误差0.400.400.400.40基准站接收机噪声和多径误差0.50.50.50.5基准站接收机误差:量测误差0.20.20.20.2差分卫星误差0.591.111.942.79用户接收机误差1.01.01.01.01.0用户等效距离误差34.41.161.492.192.96定位精度(2drms)79.23.54.075.36.74
3 差分卫星定位方法及其发展趋势
卫星差分定位的方法有很多种，大体可分为局域差分系统、广域差分系统和网络差分系统[4]。其中，广域差分系统和网络差分系统是在局域差分系统的基础上发展起来的，也代表了差分定位系统的未来发展和应用方向。下面，先介绍差分数据链及差分协议，然后对各个不同的卫星差分定位方法进行阐述。
3.1 差分数据链
播发差分卫星修正信号的数据链是一项关键技术。从数据链的频段来看，有利用中频及利用海上无线电信标的频率283.5～325kHz；在短波频段上，有1.6～3.5MHz；在调频电台频率上，有RDB的88～108MHz；在甚高频频段上，有400～4700MHz和800～900MHz，此外还有C频段的4～8GHz等。数据差分信息的调制方法主要包括了MSK方法和GMSK调制法等。
3.2 局域差分系统
局域差分系统使用单参考站，利用站间误差具有时空强相关性的原理，根据已知位置信息和卫星观测数据生成差分改正信息，并通过无线链路将差分改正信息实时播发给移动站。局域差分一般可分为基于码相位的差分(包括位置差分和伪距离差分)和基于载波相位的差分，下面对局域差分方法进行详细介绍。
3.2.1 位置差分法
位置差分是一种最为简单的差分方法。它将1台基准卫星信号接收机放置于已知的位置点上，将由接收机测量并解算出的数据与已知位置的坐标进行比较、得到位置误差，并通过数据链将位置误差传送给用户，随后对用户接收机的定位数据进行修正，从而消除用户接收机与基准接收机的共同误差。为了保证误差的相关性，基准卫星信号接收机和用户接收机应使用相同的4颗卫星进行定位。若所使用的卫星有1颗不同，就会引发几十米的误差。如果基准接收机和用户接收机的视界内有8颗卫星，那么所形成的组合多达70种，因此这种方法具有很大的局限性。位置差分法适用于用户与基站的间隔小于100km的区域。
3.2.2 伪距差分法
伪距差分是目前应用最为广泛的差分技术。它将基准卫星信号接收机接收到的C/A码的伪距、伪距率观测值，与基准站的精确位置到卫星的距离和距离变化率进行比较，求出每个可视卫星的伪距修正值，然后将伪距修正值通过数据链发射机发送给用户。用户接收机利用修正后的伪距求解定位，消除公共误差，提高定位精度。通常，定位精度为5～10m。与位置差分类似，伪距差分能够消除和基准站之间的公共误差。但是，用户到基准站之间的距离增长导致了系统误差的出现，且这类误差无法被消除。用户和基准站之间的距离对该方法的应用效果起着决定性的影响。
3.2.3 相位平滑伪距差分法
卫星导航系统可以提供载波相位测量，载波相位测量精度比伪距测量精度要高2个数量级。在实际测量过程中，通过载波相位测量或多普勒频率计数可获得伪距变化信息。该信息可辅助码伪距的测量，可针对码伪距平均测量或滤波测量提高伪距测量的精度，相位平滑伪距差分可使定位精度提高到亚米级。
3.2.4 载波相位差分法
载波相位卫星差分技术是更为精密的测量技术，也被称为RTK (Real Time Kinematic)技术。基准站通过数据链将载波相位观测值及其坐标信息同步发送给用户，用户接收机将其收到的卫星信号载波相位观测值与基准站传送来的载波相位观测值、位置数据组成相位差分观测值，并进行实时处理。其定位精度可达厘米级。这种方法适用于以下3种情况：1)用户与基站的距离为10～15km；2)用户需要实时解算出三维位置坐标；3)信号传播路径相对无障碍。
各差分技术的优缺点及其适用场景如表3所示。
表3 卫星局域差分定位技术的优缺点及适用场景
Tab.3 Characteristics and application scene of various local differential satellite positioning technologies
分类优点缺点适用场景位置差分 计算方法简单,传输的差分改正数较小,兼容性好 两站必须同时观测同1组卫星,定位精度较低 对定位精度要求稍低的场景,如公众位置服务伪距差分 任意观测4 颗卫星即可实现定位,伪距改正数已经转换为wgs84 坐标,使用方便 伪距差分的定位精度随移动站到参考站距离的增加而下降 对定位精度有需求的行业应用,如LBS相位平滑差分 降低伪距测量中的随机误差,定位精度比伪距差分要高,计算相对简单 静止观测时间长,相位观测值不能出现大的周跳 对精度要求较高的行业,如地籍测量、天气预测、海洋测绘等载波相位差分 定位精度高,可达厘米级 静止观测时间长,不能出现误码或卫星失锁,否则需要重新进行初始化 高精度的测绘场景,如工程测量、地面沉降监测等
3.3 广域差分系统
广域差分系统利用服务区内的参考站网监测可见的卫星信号，计算每一颗卫星的修正矢量。矢量修正包括卫星时钟修正、卫星位置修正及格点化的电离层延迟参数修正。广域差分系统的精度与局域差分接近，但它可以覆盖一个地区，甚至整个国家，而且比覆盖相同面积的局域网所需构建和使用的参考站的数量更少。广域差分系统的建设需要由国家级部门牵头统一规划协调，一般地区或行业无法自行完成。目前国内基于北斗卫星导航的连续运行参考站系统(Continuously Operation Reference Stations, CORS)就是一种广域差分系统，该系统正在逐步建设过程中[5]。
3.3.1 网络差分技术
网络卫星差分技术是广域差分系统的扩展，也是全球定位系统理论发展与现代通信技术结合的产物。它能够避免常规差分方法存在的缺陷，使用户更便捷地在较大的空间范围内获得均匀、高精度和可靠的定位结果。目前比较成熟的网络差分技术包括VRS(虚拟参考站)技术、MAC(主辅站)技术等。
VRS网络中的各固定参考站不直接向移动用户发送改正信息，而是将所有的原始数据通过数据通讯线发送给控制中心。同时，移动站在工作之前，先通过移动网络与流动站通讯，向控制中心发送一个概略坐标。控制中心在收到位置信息后，根据用户位置，由计算机自动选择一组最佳的固定基准站，并根据基站发送来的信息改正卫星定位的误差。这个差分信号的效果相当于在移动站旁边生成了一个虚拟的参考基站。
MAC技术从参考站网以高度压缩的形式，将所有相关的、代表整周未知数水平的观测数据(如弥散性的差分改正数)作为网络的改正数据播发给流动站。该技术的优势在于可以灵活选择主站。由辅站进行加权改正，可使定位精度得到较大程度的提高，并且提高了解算的可靠性[6]。
3.3.2 连续运行的参考站系统
连续运行的参考站系统(CORS)是城市“数字基础设施”的重要组成部分，CORS系统是综合广域差分技术和网络差分技术而形成的。CORS服务网是1个或若干个固定的、连续运行的GNSS卫星参考站，也是在网络差分技术的基础上，利用现代计算机、数据通信和互联网(LAN /WAN) 技术组成的网络，可实时地向不同类型、不同需求、不同层次的用户自动地提供经过检验的不同类型的GNSS 观测值(包括载波相位和伪距)，各种改正数和状态信息，以及其他有关GNSS系统的服务项目。CORS服务网最早为测绘和地质部门提供高精度的卫星观测数据，通过区域性或国际间的合作，得到GNSS卫星参考站的精确位置及变化规律。国内基于北斗系统的CORS正在飞速发展，并逐步覆盖了全国及周边地区[7]。根据对湖北等地已建成的示范项目的测试，采用北斗三频广域差分系统，其平面和高程精度分别达到了2cm和5cm。
4 应用情况
4.1 非敏感军事领域
目前，卫星差分定位系统在对定位精度要求高的民用领域及非敏感军事领域获得了广泛的应用，如水下地形测绘、大比例尺测图、海洋石油勘探和定位、航空摄影、飞机精密进场和船舶机动性能测定(如靶场测定等)、特种车辆的监控和调度等。由于广域差分系统的优越性，其具有极其广泛的应用空间，其技术也在逐步成熟[8-10]。表4就CORS系统的应用情况进行了例举。
4.2 制导武器系统的应用探讨
4.2.1 差分卫星定位系统在进攻性武器上的应用
目前，国内鲜有差分卫星定位系统在精确制导武器(特别是攻击性武器)作战中使用的报道及公开文献。这是由于差分卫星定位系统在精确制导武器(特别是在空面武器)中的应用具有以下几点劣势或需要解决的问题：
(1)差分系统的应用要求必须配备经过精确测量定位的参考基站，而精确制导武器所面临的战场环境未知，地形复杂，且战场环境瞬息万变，无法保障地面基站的建立和维护。如果采用载机卫星增强系统，载机在近距离飞行时容易暴露于敌方的火力圈范围内。
(2)局域差分系统的定位精度与广播信号的距离呈正相关关系，一旦基站与制导武器的距离超过一定数值，其精度将迅速降低。资料表明，150km伪距差分卫星定位系统的精度为5.8m，而目前普通卫星的定位精度已达10m，由此可见伪距差分卫星定位系统在定位精度上并无明显优势。该级别的定位精度也使得武器系统无法脱离精度更高的末端导引系统的辅助。
(3)导弹作战所面临的电磁环境较为复杂，差分信号通过无线电数据链播发修正信号，其所使用的频率常属于中频、甚高频等频段，数据链信号易受干扰。一旦受到干扰，差分系统将无法再使用。
(4)目前大多数现役攻击性制导武器的控制精度为米级，即便使用差分卫星使定位精度达到米级，卫星的控制精度也无法跟上导航精度。
表4 CORS应用领域表
Tab.4 Application areas of CORS
应用类别一级细节划分二级细节划分科学研究大地测量学 参考框架的动态维护;卫星定轨(及其相关轨道、钟差产品);地球自转参数确定地球动力学 地壳形变监测和板块运动监测;地震监测与预报;厘米/毫米级大地水准面的研究其他交叉学科全球导航系统气象学;电离层研究生产建设 城市管线(道路)测量;地籍测量;精密工程测量;工程放线(样);数字城市的数据采集与地图更新等陆地测量Δ科学管理与防范 城市智能交通;城市公共安全(诸如毒气扩散等突发事件的预警和指挥);物流管理/公交管理/码头管理等专项管理;桥梁建筑物等的变形监测;滑坡监测;地表沉陷监测等Δ生活与娱乐个人自助导航;车辆自动驾驶海洋测量生产与国防建设海岸线测量;近海导航;港口测量;近海水下地形测量航空航天管理与调度机场管理(飞行器起降)生产辅助遥感和航拍相机的空中定位和定姿其他Δ农业/水利/自动控制等精细农业;工程作业的自动化控制(如废品回收厂的垃圾分拣)
注：Δ表示目前国内城市系统应用还不到位的领域
4.2.2 差分卫星定位系统在防御性武器上的应用
防御性武器包括防空导弹及岸舰导弹等，前者主要可拦截来犯的进攻性精确制导武器(如空地制导武器、空空导弹等)及各类飞机(轰炸机、战斗机、侦察机等)，后者主要可打击来犯的各类战舰(艇)，打击目标通常都有目标小、机动性大、速度快等特点，这就对防空导弹及岸舰导弹的弹载定位系统的定位精度要求非常高；由于防空导弹及岸舰导弹属于防御性武器，其通常布置在本土防御区域。该区域的战场环境经过精心勘探及布置，差分卫星定位可布置于防御性武器的后方以便于维护。敌方卫星干扰系统通常难以到达防御性武器的防卫区域，即便到达也将暴露在我方的打击范围内。随着我国BD卫星定位系统的全面建成，我国在精确定位系统领域将不再受制于人。特别地，BD军码在武器系统中的使用，极大地提高了我方武器的自主性，这就为防御性武器使用精度为厘米级的差分导航系统奠定了基础。防御性武器在使用局域差分系统时，通常具有以下优势：
(1)使用局域卫星差分法，其定位精度可达分米级甚至厘米级，使用该方法可以充分满足防御性武器对导航精度的需求，极大地提高防御性武器的命中率，并可极大地简化导弹的结构，使导弹无需配备导引头。
(2)随着我国BD导航系统的全面建成，我国的卫星导航系统将不再受制于人。武器使用军码，使得敌方难以破解，同时弹载卫星导航系统的抗干扰能力获得了提升。使用BD军码的卫星导航系统具有很强的自主性。将差分卫星定位系统在BD系统军码的基础上进行使用，同时使用作战的图像指令传输频点作为差分信息的传递数据链，或为差分卫星信号数据链采取保密措施，均可有力地克服数据链受干扰的问题。
(3)差分参考站布置于防御区域后方，便于地面保障及维护。
5 结 论
差分卫星定位系统能够极大地提高卫星导航系统的精度，但同时存在作用距离受限及地面参考站建立、维护等问题；基于卫星差分的广域及网络差分卫星导航系统正在积极建设中。在未来，民用领域可广泛使用覆盖全国甚至全球的高精度广域差分卫星导航系统及网络差分卫星导航系统。对于武器系统而言，由于进攻性武器受到战场环境及保障因素的限制，差分系统往往难以克服其局限并获得应用，而防御性的防空导弹及岸舰导弹可以较好地规避差分卫星导航系统的劣势，充分发挥差分卫星导航系统精度高的优势，具有较强的可行性。
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