【编者按】近年来，我国北斗卫星导航系统（BDS）以及欧洲伽利略卫星导航系统（Galileo）正在快速建设与发展，同时，GPS和GLONASS卫星导航系统的现代化也在逐步推进，卫星导航定位领域正发生着深刻的变革。本文系统介绍了各卫星导航系统的建设和发展状况，探讨了多系统组合定位带来的机遇和面临的挑战，以及当前对这些问题的研究现状，最后对多系统组合定位的应用前景进行展望。本文发表在《海洋测绘》2016年第4期上，现编发给朋友们阅读了解。柴洪洲，男，1969年出生，河北南皮人，教授，博士生导师，主要从事GNSS高精度数据处理研究。文/柴洪洲 潘宗鹏 崔岳一、引言GNSS作为一种新兴的空间测量技术在导航测绘、交通、电力、通信、地质勘探、地球物理、灾害监测以及军事等领域得到了广泛的应用。近年来随着我国北斗卫星导航系统（BDS）以及欧洲伽利略卫星导航系统（Galileo）的快速建设与发展，以及GPS和GLONASS卫星导航系统现代化的逐步推进，卫星导航定位领域正发生着深刻的变革。目前在轨的导航卫星数量已超70颗，在不久的将来，随着BDS和Galileo系统的建成，届时将有120颗左右的导航卫星服务于导航、定位和授时（PVT）。多个卫星导航系统将为科学研究和工程应用带来巨大的机遇和挑战[1]。GNSS多系统组合精密定位是指在多系统的条件下，联合载波相位和伪距观测量，通过差分或者详尽的误差改正，来获得用户的精确的位置，其定位精度、可靠性和可用性均优于单系统定位。多系统的组合定位不仅能够提供更多的可见卫星，优化卫星的空间几何结构，加快定位的收敛速度和提高定位的精度，同时对于定位结果的可靠性和系统的可用性也有重要贡献[2-4]。另一方面，多系统组合提供更多可见卫星的同时，面对如此多的导航卫星及其播发的多频信号，用户如何选择并高效的处理这些数据以获得最优的定位结果，是多系统组合定位必须解决的问题。二、全球卫星导航系统的建设情况GPS作为第一个具备提供全球连续定位服务能力的导航系统，在军用和民用领域扮演着越来越重要的角色。同时，面对其他国家卫星导航系统的迅猛发展和竞争以及GPS系统在完备性、连续性、可用性和抗干扰性等方面有待改善的事实，美国政府为了保持GPS在国际GNSS领域的主导地位，开始了GPS现代化。主要是改进GPS空间星座部分和地面部分，包括新增测距码(民用/军用)、提供第三频率信号、增强信号抗干扰性、提高星载原子钟稳定性以及延长卫星寿命等，以满足全球范围内的军事、经济和科学研究的最新需求。GLONASS系统作为第二个全球卫星导航系统，随着俄罗斯政府开展 GLONASS系统现代化建设，已于2011年底恢复满星座运行，实现了全球独立和连续的定位服务[5]。同时为了促进与其他全球导航系统的兼容与互操作，在新发射的GLONASS-K系列卫星上同时播发FDMA以及CDMA信号，而且GLONASS系统也将新增第三个频率信号。与GPS相比，卫星星座在高纬度地区的可见性更好，因此组合多系统定位，将可以改善卫星导航系统的全球覆盖率。为了打破美俄在卫星导航领域的垄断地位，欧盟启动了Galileo导航卫星计划，旨在为不同用户提供公共服务，生命安全服务，商业服务，公共管理服务，搜寻营救服务，同时与现有GPS/GLONASS系统实现兼容与互操作[6]。GALILEO系统是欧洲设计建设的新一代民用全球卫星导航系统，由30颗卫星组成，其中27颗为工作卫星，3颗为备用卫星。目前Galileo星座的布设已经完成了系统测试阶段和在轨验证阶段，正处于全球的组网阶段。与GPS，GLONASS相比，Galileo增加了系统差分、增强与完备性监测等功能，使得该系统拥有更高的定位精度、可用性和更好的连续性。系统建设完成后，Galileo将与GPS在L1和L5频点上实现兼容和互用。北斗卫星导航系统（BDS）是我国正在实施和自主研制的全球卫星导航系统，该系统分为两代，第一代为区域卫星导航系统，已于2003年正式运行。第二代为全球系统，并且遵循先区域后全球的战略，已于2012年底提供亚太地区独立的定位、导航和授时服务，包括5颗地球静止轨道卫星(GEO)，5颗倾斜地球同步轨道卫星（IGSO）以及4颗中圆轨道卫星（MEO）。区别于GPS系统，BDS系统的星座设计采用异构星座，多层次的星座设计，可以优化中国及其周边地区的导航定位性能。另一方面，GEO卫星拥有C波段通讯以及双向卫星时频传递设备，能够提供短报文通讯和时频传递等其它卫星导航系统不具备的服务。目前BDS系统建设处于全球组网的验证阶段，预计到2020年将完成35颗北斗卫星的组网，并向全球提供开放或授权的导航定位和授时服务。上述4个卫星导航定位系统在轨卫星类型和数量及发播频率见表1。表1 各卫星导航系统的卫星类型和播发的频率三、多系统组合定位带来的优势和面临的挑战多系统组合定位能够提供更多的可见卫星，优化卫星定位的空间几何结构，提高定位结果的精度，保证卫星导航系统的可用性和定位结果的可靠性，同时也提高了卫星导航系统的自主完备性监测能力。本节分析了多系统组合对可见卫星数，系统的覆盖和DOP值带来的影响，同时探讨了多系统组合数据预处理的优势，以及对精密定位带来的机遇和面临的挑战。⒈ 多系统组合对系统可用性的影响多系统组合能够有效增加全球各个地区的可见卫星数量，保证导航系统的可用性。可用性是指用户在导航定位期间，卫星导航系统正常工作时，接收的卫星数不小于一定量的概率。组合多系统进行定位时，可见卫星数将成倍的增长，见图1。能够很好的覆盖有遮挡的环境，克服可见卫星数不足对定位造成的影响，拓宽了导航系统的应用范围。特别是在信号受遮挡的环境下，如城市峡谷，丘陵山区等，单系统往往不能提供足够的可见卫星，因此单一卫星导航系统往往在这些环境中不可用，而组合多系统进行定位能够提高系统的可用性。①三系统组合星空图 ②GPS星空图③GLONASS星空图④BDS星空图图1 不同卫星导航系统的星空图多系统组合能够有效提高导航卫星的全球覆盖率。由于不同卫星导航系统的星座设计时，轨道平面和倾角不尽相同，因此对于不同纬度地区的覆盖率不同。由于俄罗斯处于高纬度地区，GLONASS在星座设计时，对于高纬度地区的覆盖率要高于GPS。组合多GNSS可以弥补单个卫星导航系统在特定纬度上的局限性，有效提高导航卫星的全球覆盖率，从而获得全球一致的定位结果。多系统组合能够有效优化卫星的空间几何结构，从而提高定位的精度以及定位结果的可靠性。一方面，可以明显改善用户的观测几何结构，进而提高用户的定位精度。多GNSS组合极大改善了卫星的空间几何分布，减小了精度衰减因子，即DOP值，使得在极端条件下，如截止高度角较高情况，也能够保证足够的可见卫星以及保证DOP值达到正常观测条件下的导航定位需求。同时，观测方程的几何强度越高，平差系统对粗差的抵抗能力越强，即粗差探测能力越强，从而保证了定位结果的可靠性。⒉ 多系统组合数据预处理周跳探测和修复是高精度数据处理前的必要环节。相比事后精密定位的周跳处理，对于实时精密定位时的周跳探测和修复难度更大，特别是周跳的可靠修复。周跳修复错误将使整周误差引入载波观测方程，使得定位结果不可靠。因此传统精密定位特别是PPP，往往只对周跳进行探测而不修复，对于有周跳的历元重新引入模糊度参数。然而当数据中断时，将导致PPP的重新初始化，限制了PPP在实时条件下的应用。多系统组合能够提供更多的可见卫星，增强卫星的几何构形和观测模型的强度，为周跳的可靠修复提供了可能。文献[9]对非差条件下的GPS/GLONASS组合周跳的可靠修复进行研究，实验结果表明，相比单GPS周跳修复，组合GPS/GLONASS系统的周跳修复的成功率更高。对于30s采样的观测数据，加入GLONASS卫星后，相比单GPS系统，周跳的固定成功率从73%提高到98%。当观测数据的采样在180s时，组合系统的周跳修复成功率仍然达到81%。同时通过实测数据验证了该方法能够保证动态PPP的连续定位，避免重新初始化。如果采用更多的卫星导航系统进行组合周跳修复，还将进一步提高周跳修复的成功率和可靠性。⒊ 多系统组合PPP随着多个卫星导航系统的发展，精密单点定位由传统的单GPS PPP逐渐过渡到多系统组合PPP研究。PPP的定位精度、收敛时间以及定位结果的可靠性受可见卫星数和观测环境影响较大，特别是在城市峡谷地区，卫星的信号受障碍物遮挡，使得用户的可见卫星数急剧下降。组合多系统进行精密定位可以有效增加单站可见卫星数，进而改善卫星的空间几何结构，有利于精密单点定位的初始化，加快位置参数的收敛速度和提高模糊度参数的解算精度，有助于模糊度的快速固定。同时能够提高定位的可靠性和卫星导航系统的可用性，成为了当前的研究热点。组合PPP方面的研究较早主要基于GPS/GLONASS系统。在基于消电离层组合观测量模式下，有学者对组合GPS/GLONASS精密单点定位的函数模型和随机模型进行推导，通过实测数据计算表明组合系统PPP，能够提高收敛速度，但最终定位结果与单系统差别不大[10]。在GPS卫星数较少的情况下，增加GLONASS卫星能够改善PPP的定位精度和收敛速度[11-12]。同时，组合GPS/GLONASS系统PPP可以提高初始化时模糊度实数解的精度，进而缩短PPP模糊度首次固定时间[14-16]。在基于原始观测量模式下，基于原始观测量的GPS/GLONASS组合PPP相比单系统PPP，能够加快精密单点定位的收敛速度，水平方向在10min便能获得10cm的定位精度[13]。同时随着我国北斗卫星导航系统在亚太地区的正式服务，相关研究表明组合GPS/BDS 静态精密单点定位的精度稍差于单GPS，可能与BDS的GEO卫星的多路径影响以及系统间的偏差估计的过程噪声并非最优有关，但动态精密单点定位的精度优于单独系统的定位精度[17]。在基于星间单差的PPP模式下，对于组合GPS/BDS/GLONASS三系统精密单点定位，BDS观测量的加入能够进一步提高组合GPS/GLONASS 的收敛速度[18]。对于四系统组合精密单点定位，相比单系统PPP，多系统组合定位明显提高了PPP技术的在特殊环境中的可用性和定位结果的可靠性[1-4]。⒋ 多系统组合RTK实时动态定位（RTK）要求载波相位模糊度的准确和快速固定方能获得厘米级的定位结果。因此模糊度的快速固定是实现高精度定位的关键。在短基线条件下，单历元解算模糊度时，采用单个的卫星导航系统求得的模糊度浮点解往往因为卫星的几何构型较弱，使得模糊度浮点解的解算精度不高，进而导致模糊度参数无法准确固定。组合多系统进行定位时，能够提供更多的可见卫星，增加了观测系统的冗余度，增强了观测方程强度，能够获得精度较高的模糊度浮点解。因此多系统组合条件下，单历元的模糊度固定成功率明显高于单系统结果，这对于一些特定应用至关重要，如城市居民区等环境中的移动载体定位，以及变形监测等。当前多系统组合RTK主要基于两种模式，即松组合和紧组合模式。松组合模式通常在各自卫星系统内部组双差，然后组合多系统观测量进行定位。在组合BDS/GPS双频单历元RTK模式下，组合BDS/GPS单历元RTK能够可靠的固定模糊度参数[19]，模糊度的固定成功率接近100%。在组合BDS/GPS系统单频RTK模式下，组合BDS/GPS系统单频RTK相比单系统单频RTK能够有效提高模糊度固定成功率，与双频GPS RTK定位性能相当[20]。同时组合BDS/GPS双频RTK相比双频GPS RTK能够保证定位结果的可靠性和系统的可用性。在不同高度截止角条件下，组合GPS/BDS RTK在高度截止角较高的条件下仍可以单历元可靠的固定模糊度[21]。以上的研究都是基于松组合模式。紧组合模式是利用不同系统间的载波频谱重叠，不同系统组双差时可以只选择一颗参考卫星，然后进行混合系统间卫星差分并直接进行定位。相比松组合模式，紧组合模式增加了多余观测量，能够进一步提高观测方程的强度。在双系统组合模式下，利用实测数据对各系统间的ISB进行估计并分析其稳定性，结果表明相同接收机类型产生的ISB相同，双差可以消除该影响。而不同接收机类型产生的ISB大小不同，但具有很好的稳定性，经过ISB改正后，双系统紧组合RTK相比GPS单系统RTK，模糊度固定成功率明显提高[22-23]。在四系统组合模式下，四系统紧组合单频RTK，相比松组合RTK，经过ISB改正后，多系统紧组合RTK单历元模糊度可以可靠的固定，甚至在截止高度角为30度时[24]。⒌ 多系统组合定位面临的挑战组合多系统进行定位时能够带来很多优势，但同时也面临一些问题。多系统组合能够提供更多的可见卫星，但必需采用多模多频的接收机，这就对接收机的制造和设计难度和功耗提出了新的要求。一方面需要顾及多模接收机的功能，又要兼顾接收机的制造成本。各卫星导航系统存在频谱的重叠，虽然为系统间的互操作提供了基础，但必需解决系统间相同频谱信号的互相干扰问题，互操作必需建立在兼容的基础之上，同时还要顾及不同卫星导航系统的时空基准的兼容。对于多系统的组合精密定位，特别是多系统组合精密单点定位依赖多系统的精密轨道和钟差产品。面对如此多的卫星以及地面参考站数据，对服务端多系统的精密星历快速解算也是一项挑战，特别是实时条件下。另一方面，不同卫星导航系统的信号质量，星历产品的精度往往不同，因此对于多系统组合定位时，如何合理给出系统间观测量的权比，优化系统间的随机模型还需要进一步研究和探讨。同时对于完备性监测，传统单系统完备性监测通常假定单星故障，而多系统组合时，将出现多星故障的情况，多星故障的探测和排除相比单星条件下将更加复杂。四、多系统组合定位的应用多GNSS系统组合定位除了能够获得高精度的定位结果，同时也能够用于反演大气延迟，如电离层延迟和对流层延迟等参数。由于PPP技术的灵活性，基于PPP估计对流层延迟进而反演大气水汽含量近年来得到广泛的研究。随着多卫星导航系统的发展，基于多系统组合PPP反演的对流层延迟，相比单GPS估计的对流层延迟，精度和可靠性更优。基于GPS/BDS观测量实时反演的大气水汽含量，通过与VLBI反演的大气水汽含量进行比较表明，组合GPS/BDS反演的大气水汽含量的精度优于单系统反演结果，同时能够避免单系统反演时出现的粗差[25]。通过四系统组合实时PPP技术反演的实时大气水汽含量，进一步验证了多系统组合PPP技术能够有效反演水汽含量[26]。同时，将四系统组合实时PPP技术用于估计高分辨率的对流层梯度参数，实验结果表明，相比单GPS系统估计的对流层延迟梯度，组合系统获得的对流层梯度参数与其它手段获得的对流层延迟梯度符合得更好[27]，因此多系统组合估计的对流层延迟梯度对于数值天气预报和气象研究更具意义。多GNSS系统与其它导航技术的组合能够降低导航定位算法的复杂度。在有足够的观测卫星条件下，GPS与INS的松组合定位结果和紧组合定位结果相当，但松组合的算法简单易于实现；而当观测卫星不足时，采用GPS与INS紧组合的定位结果明显优于GPS与INS松组合定位结果。多GNSS系统组合能够保证在极端条件下的可见卫星数，因此多GNSS与INS的松组合定位结果能够保持与紧组合相当，而且不明显增加算法的复杂性[28]。五、总结本文系统论述了GNSS多系统组合精密定位的研究进展，介绍了各卫星导航系统的最新建设和发展状况，探讨了多系统组合精密定位为数据预处理，PPP和RTK带来的机遇和面临的挑战，以及当前对这些问题的研究现状。通过前文的论述表明，卫星导航定位领域正发生着深刻的变革，多GNSS的兼容和共同发展是未来导航定位领域发展的趋势，而且各系统均能提供多个频率信号，多模多频的组合定位将有望提升各项导航定位的性能指标。研究多模多频组合导航定位的理论和方法是目前及将来一段时间内的研究热点和GNSS发展方向。参考文献：[1]Li,X.,M.Ge,X.Dai,et 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