地基增強(qiáng)系統(tǒng)發(fā)展及應(yīng)用

王 雷,倪少杰,王飛雪

(國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué) 電子科學(xué)與工程學(xué)院,湖南 長(zhǎng)沙 410073)

0 引 言

人類(lèi)對(duì)于定位精度的追求永無(wú)止境。全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(GNSS)的定位、授時(shí)、導(dǎo)航功能已經(jīng)得到了極大的應(yīng)用，船舶、汽車(chē)定位導(dǎo)航給人們的生活帶來(lái)了極大地方便。但單獨(dú)的GNSS定位精度并不能滿足人們的所有需求，由于GNSS信號(hào)自衛(wèi)星發(fā)射，地面的起伏導(dǎo)致某些地區(qū)存在盲區(qū)，室內(nèi)定位無(wú)法滿足需求；GNSS的定位精度也不能滿足飛機(jī)的精密進(jìn)近、變形監(jiān)測(cè)等需要更高精度應(yīng)用的需求；商業(yè)領(lǐng)域的基于位置服務(wù)(LBS)和新提出的"智能高速路"系統(tǒng)對(duì)定位精度要求更高。所以，建立能夠提供更高定位精度的系統(tǒng)具有重大的意義。

1 GNSS關(guān)鍵原理、誤差源及解決方法

GNSS利用用戶接收機(jī)接收位置精確已知的四顆衛(wèi)星的導(dǎo)航信號(hào)，構(gòu)成四個(gè)方程，對(duì)其進(jìn)行解算得出位置三維坐標(biāo)及接收機(jī)鐘差四個(gè)未知數(shù)，實(shí)現(xiàn)定位及授時(shí)的功能。

影響GNSS精度的因素主要有：與GNSS衛(wèi)星有關(guān)的因素，包括衛(wèi)星星歷誤差、衛(wèi)星鐘差和衛(wèi)星信號(hào)發(fā)射天線相位中心偏差；與傳播途徑有關(guān)的因素，包括電離層延遲、對(duì)流層延遲和多徑效應(yīng)；與接收機(jī)有關(guān)的因素，包括接收機(jī)天線相位中心偏差，接收機(jī)軟件和硬件造成的誤差；其它因素包括Sagnac效應(yīng)和相對(duì)論效應(yīng)等[1]。同時(shí)衛(wèi)星的可見(jiàn)數(shù)也嚴(yán)重影響系統(tǒng)的定位功能。

衛(wèi)星星歷誤差、衛(wèi)星鐘差、電離層誤差和對(duì)流層誤差都具有很強(qiáng)的空間相關(guān)性，差分法是通過(guò)位置精確已知的參考站接收GNSS信號(hào)，進(jìn)而結(jié)算出上述具有強(qiáng)空間相關(guān)性的誤差量提供給用戶接收機(jī)作為差分改正數(shù)，用戶據(jù)此對(duì)定位結(jié)果進(jìn)行改正，可以提高定位精度。具體的應(yīng)用中包括位置差分，偽距差分和載波相位差分三種：

1)位置差分利用基準(zhǔn)站得出位置坐標(biāo)差分改正數(shù),用戶對(duì)解算的用戶站坐標(biāo)進(jìn)行改正。

2)偽距誤差利用基準(zhǔn)站得到偽距差分改正數(shù),用戶利用此信息修正測(cè)量的偽距。

3)載波相位差分方法分為兩類(lèi)。一種是把載波相位修正量發(fā)送給用戶站,以改正其載波相位,之后求解坐標(biāo)。另外一種把參考站采集的載波相位發(fā)送給用戶臺(tái)接收機(jī)進(jìn)行求差解算坐標(biāo)。

2 地基增強(qiáng)系統(tǒng)及其關(guān)鍵技術(shù)

地基增強(qiáng)系統(tǒng)是指參考站位于地面的對(duì)于GNSS進(jìn)行功能增強(qiáng)的運(yùn)行系統(tǒng)，主要可分為兩類(lèi)。差分型的均基于差分原理使得接收機(jī)獲得更高的定位精度，系統(tǒng)間具有很大的相似性。偽衛(wèi)星和Locata則發(fā)送具有與GNSS信號(hào)相同功能的信號(hào)，與GNSS不同的是系統(tǒng)工作在地面，可以減弱和消除GNSS中存在的許多誤差。主要以GPS的增強(qiáng)系統(tǒng)為例對(duì)其原理及應(yīng)用進(jìn)行介紹。

2.1 差分型

差分型的GNSS增強(qiáng)系統(tǒng)主要包括廣域增強(qiáng)系統(tǒng)(WAAS)，局域增強(qiáng)系統(tǒng)(LAAS)，聯(lián)合精密進(jìn)近系統(tǒng)(JPALS)和連續(xù)運(yùn)行衛(wèi)星定位服務(wù)綜合系統(tǒng)(CORS)，這些系統(tǒng)相互之間具有一定的相似性，結(jié)構(gòu)都包含參考站、數(shù)據(jù)通信鏈路和用戶。

2.1.1 WAAS系統(tǒng)

WAAS的主要特點(diǎn)是利用地球同步衛(wèi)星構(gòu)成數(shù)據(jù)通信鏈路。系統(tǒng)將星歷誤差、大氣延時(shí)誤差、衛(wèi)星鐘差誤差進(jìn)行分離并分別進(jìn)行模型化，主控站利用參考站的位置信息和接收到的GPS信號(hào)計(jì)算出差分改正，并將改正信息經(jīng)上行注入站傳送給WAAS地球同步衛(wèi)星，地球同步衛(wèi)星將信息傳送給地球上的用戶，用戶通過(guò)改正信息精確計(jì)算自己的位置，在覆蓋范圍內(nèi)提高用戶的定位精度，實(shí)現(xiàn)優(yōu)于3 m的定位[2]。WAAS系統(tǒng)由于采用模型化誤差的方法，控制誤差在某一范圍內(nèi)，應(yīng)用范圍廣且差分精度與距離無(wú)關(guān)，但系統(tǒng)構(gòu)建費(fèi)用昂貴，并且WAAS通過(guò)衛(wèi)星廣播差分信息存在盲區(qū)和多徑的問(wèn)題。

該系統(tǒng)在比較開(kāi)放性的地勢(shì)環(huán)境與海上的位置比較有利，主要用于空中導(dǎo)航，也可以給一般的用戶使用，如船舶和普通的GPS導(dǎo)航用戶。

2.1.2 LAAS系統(tǒng)

LAAS與WAAS不同的是LAAS利用地面的參考站代替了其中的地球同步衛(wèi)星進(jìn)行差分信息的廣播，參考站計(jì)算出所接收到的GPS信號(hào)的距離改正，此距離改正與空間具有很大的相關(guān)性，所以在距離參考站一定范圍內(nèi)改正效果高于WAAS，但改正精度隨著用戶與參考站距離的增大而急劇降低。且LAAS系統(tǒng)需要保證用戶接收機(jī)和參考站接收相同衛(wèi)星的信號(hào)以保證誤差的相關(guān)性。在有效覆蓋范圍內(nèi)LAAS系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)水平方向和垂直方向精度均優(yōu)于1 m，且系統(tǒng)構(gòu)建成本較WAAS小，主要為機(jī)場(chǎng)(大概覆蓋半徑為30～50 km)范圍內(nèi)提供精密進(jìn)場(chǎng)、離場(chǎng)程序、和終端區(qū)作業(yè)服務(wù)。

2.1.3 JPALS系統(tǒng)

JPALS包括陸基JPALS (LB-JPALS)，空基JPALS(SB-JPALS)，與LAAS系統(tǒng)有很大的相似性，但JPALS主要提供美軍使用，利用P碼信號(hào)，相對(duì)于LAAS可以實(shí)現(xiàn)更高的定位精度。系統(tǒng)的構(gòu)成中加入了專(zhuān)門(mén)的陸基JPALS完好性監(jiān)測(cè)(JLIM)用于確?？臻g信號(hào)異常或系統(tǒng)異常時(shí)向用戶提供警告。

文獻(xiàn)[3]中對(duì)JPALS系統(tǒng)的可能采用的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了分析和研究，認(rèn)為該系統(tǒng)采用GPS實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位(RTK)[4]技術(shù)，采用兩個(gè)獨(dú)立的數(shù)據(jù)通信鏈路，并利用了抗干擾和多路徑的天線技術(shù)以及JPALS機(jī)動(dòng)化技術(shù)。

JPALS代表著引導(dǎo)飛行精密進(jìn)近的最高水平。LB-JPALS可以達(dá)到2.0～4.0 m的精度，SB-JPALS可以達(dá)到0.4 m精度。

該系統(tǒng)主要為美軍提供軍事保障，可以用于引導(dǎo)航母艦載飛機(jī)自動(dòng)著陸，并且由于采用了軍民復(fù)用技術(shù)，能夠?yàn)槊裼蔑w機(jī)提供精密進(jìn)近著陸。

2.1.4 CORS系統(tǒng)

CORS是應(yīng)用多基站網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)建立的。

1)RTK技術(shù)

RTK技術(shù)基于載波相位觀測(cè)量進(jìn)行實(shí)時(shí)差分，用戶站同時(shí)接收GPS信號(hào)和參考站傳輸?shù)挠^測(cè)數(shù)據(jù)，根據(jù)相對(duì)定位原理，實(shí)時(shí)解算整周模糊度未知數(shù)并得到用戶站的三維坐標(biāo)及精度。該技術(shù)在應(yīng)用中遇到的最大問(wèn)題就是參考站校正數(shù)據(jù)的有效作用距離問(wèn)題。

網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)中，線性衰減的單點(diǎn)GPS誤差模型被區(qū)域型的GPS網(wǎng)絡(luò)誤差模型取代，通過(guò)多個(gè)參考站組成的GPS網(wǎng)絡(luò)估計(jì)一個(gè)地區(qū)的GPS誤差模型，并為該網(wǎng)絡(luò)覆蓋地區(qū)的用戶提供校正數(shù)據(jù)[5]。

2)CORS系統(tǒng)原理及應(yīng)用

相比于前述幾種系統(tǒng)，對(duì)于CORS系統(tǒng)而言，獨(dú)特的數(shù)據(jù)處理中心是其核心，CORS利用特定的算法對(duì)參考站網(wǎng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理得出精確的差分改正，使用戶得到更好的定位精度。 應(yīng)用較廣泛的CORS技術(shù)有Trimble公司的虛擬參考站(VRS)技術(shù)和Leica公司的主輔站改正(MAX)技術(shù)，這兩種技術(shù)都是將所有的固定參考站數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)處理中心，進(jìn)行聯(lián)合解算，再以RTCM 等標(biāo)準(zhǔn)格式播發(fā)到移動(dòng)站，但兩者也存在一定的差別。

1)VRS技術(shù)工作原理

VRS技術(shù)在特定區(qū)域建立永久的固定參考站(通常相距50～70 km)，用戶接收機(jī)通過(guò)GSM短信息功能向控制中心發(fā)送一個(gè)概略坐標(biāo)，控制中心根據(jù)用戶的位置，選擇一組最佳的參考站，利用特定的模型算法，相當(dāng)于在用戶位置附近建立一個(gè)虛擬參考站，并利用此參考站產(chǎn)生高精度的差分改正信息，控制中心將標(biāo)準(zhǔn)格式的改正信息發(fā)送給用戶接收機(jī)進(jìn)行載波相位差分改正，從而產(chǎn)生厘米級(jí)的定位結(jié)果，解決了RTK技術(shù)作業(yè)距離限制上的問(wèn)題[6]。文獻(xiàn)[7]中指出CORS系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)定位精度水平5 cm、垂直8 cm甚至更高精度，其高定位精度使其可以應(yīng)用于監(jiān)測(cè)地殼形變、支持遙感應(yīng)用、求定大氣中水汽分布、監(jiān)測(cè)電離層中自由電子濃度和分布等領(lǐng)域。

2)MAX 技術(shù)工作原理

主輔站技術(shù)利用最新多基站、多系統(tǒng)、多頻( L1， L2， L5)及多信號(hào)非差處理算法，采用了Leica公司的SpiderNET軟件包，利用了廣泛采用的LAMBDA算法(Teunissen，1994)解算整周模糊度，利用卡爾曼濾波進(jìn)行嚴(yán)格實(shí)施平差。其系統(tǒng)原理是利用網(wǎng)絡(luò)處理軟件將網(wǎng)絡(luò)中所有參考站相位距離歸算到一個(gè)公共的整周未知數(shù)水平，并據(jù)此對(duì)每一對(duì)衛(wèi)星/接收機(jī)以及每一個(gè)頻率計(jì)算出彌散性(誤差值與頻率有關(guān))和非彌散性(誤差值與頻率無(wú)關(guān))誤差，并將此誤差的差分改正數(shù)作為網(wǎng)絡(luò)的改正數(shù)據(jù)播發(fā)給流動(dòng)站。

主輔站技術(shù)克服了VRS技術(shù)需要雙向通信的缺陷，且無(wú)網(wǎng)大小限制，也沒(méi)有網(wǎng)中臺(tái)站及流動(dòng)用戶的數(shù)量限制[8]。

2.2 偽衛(wèi)星及Locata技術(shù)

與差分的增強(qiáng)系統(tǒng)不同，偽衛(wèi)星和Locata系統(tǒng)發(fā)射類(lèi)似GPS的信號(hào)并以與GPS相同的原理運(yùn)行，可以起到減少盲區(qū)、提高精度、增強(qiáng)抗干擾能力的作用。系統(tǒng)的布站相對(duì)于差分的增強(qiáng)系統(tǒng)具有更高的靈活性，所以應(yīng)用前景更為廣泛，但仍有技術(shù)問(wèn)題需要解決。

2.2.1 偽衛(wèi)星

偽衛(wèi)星定位系統(tǒng)主要由偽衛(wèi)星、主控站、參考接收機(jī)、用戶接收機(jī)構(gòu)成。主控站配置偽衛(wèi)星的C/A碼序列號(hào)，并將D碼(導(dǎo)航電文)信號(hào)發(fā)送給偽衛(wèi)星系統(tǒng)。高精度參考接收機(jī)測(cè)量偽衛(wèi)星同步誤差，將信息反饋給主控站用以調(diào)整偽衛(wèi)星C/A碼發(fā)送時(shí)間。用戶接收機(jī)則進(jìn)行偽距測(cè)量導(dǎo)航電文解算和定位[9]。

偽衛(wèi)星定位技術(shù)包括以下應(yīng)用模式[10]。

1)偽衛(wèi)星增強(qiáng)GPS系統(tǒng)

在地形復(fù)雜、嚴(yán)重遮擋的地區(qū)， GPS衛(wèi)星可見(jiàn)數(shù)受到限制，位置精度因子(PDOP)受幾何分布影響而變大，定位精度變差。偽衛(wèi)星可以通過(guò)改善衛(wèi)星的幾何分布，達(dá)到提高GPS導(dǎo)航定位精度的目的。

2)獨(dú)立偽衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)

在礦井隧道、地下掩體等環(huán)境，GPS信號(hào)完全被遮擋，偽衛(wèi)星則可以獨(dú)自進(jìn)行定位。獨(dú)立偽衛(wèi)星定位系統(tǒng)采用與GPS相同的定位技術(shù)，定位質(zhì)量很大程度上也取決于接收機(jī)與偽衛(wèi)星之間構(gòu)成的幾何圖形。目前，偽衛(wèi)星應(yīng)用仍面臨一些技術(shù)問(wèn)題，這些問(wèn)題制約和局限著偽衛(wèi)星定位技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和應(yīng)用[11]。

與GPS 衛(wèi)星不同，偽衛(wèi)星通常裝備的是低端時(shí)鐘，在采樣時(shí)間里與參考站和用戶接收機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間信號(hào)不能精確同步，目前已經(jīng)有很多不同的技術(shù)針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，最需要的是建立對(duì)不同環(huán)境都適用的同步策略[12]。

偽衛(wèi)星在地面運(yùn)行，接收機(jī)與偽衛(wèi)星之間的距離變化大，接收到的信號(hào)強(qiáng)弱變化范圍很大，會(huì)存在強(qiáng)信號(hào)對(duì)弱信號(hào)產(chǎn)生干擾的現(xiàn)象， 即遠(yuǎn)近效應(yīng)。針對(duì)這一問(wèn)題，目前應(yīng)用較多的一些解決方法有從偽衛(wèi)星信號(hào)格式著手的脈沖調(diào)制技術(shù)；基于多用戶檢測(cè)設(shè)計(jì)的串行干擾抵消(SIC)技術(shù)[13]；時(shí)分多址技術(shù)(TDMA)[14 ]等。

針對(duì)偽衛(wèi)星的多徑衰減問(wèn)題，數(shù)據(jù)濾波與自適應(yīng)抗多徑以及時(shí)空組合處理都是很好的方法。文獻(xiàn)[15]還研究了一種動(dòng)態(tài)抗多徑方案，利用偽衛(wèi)星直接信號(hào)與多徑信號(hào)建立模型，在接收端對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑濾波等處理達(dá)到減弱多徑干擾的目的。

2.2.2 Locata

Locata是由澳大利亞的Locata公司研制的一種既能增強(qiáng)GPS定位又可獨(dú)立進(jìn)行定位的高精度定位系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用稱(chēng)為T(mén)imeLoc的系統(tǒng)時(shí)間同步技術(shù)實(shí)現(xiàn)局域或者廣域網(wǎng)絡(luò)中多個(gè)LocataLite之間納秒級(jí)的同步，此技術(shù)由Locata公司保有專(zhuān)利，這也是Locata系統(tǒng)最大的優(yōu)勢(shì)。

LocataLite是可以實(shí)現(xiàn)GPS星座所有功能的收發(fā)器，在兩個(gè)頻率(S1和S6)上發(fā)射信號(hào)，兩個(gè)頻率均位于2.4 GHz的ISM帶寬內(nèi)，并且LocataLite可以根據(jù)特定的應(yīng)用在任意頻率以任何適合的功率發(fā)射信號(hào)。Locata信號(hào)體制結(jié)合了CDMA和TDMA，如圖1所示。所以充分利用了各自的優(yōu)勢(shì)，一定程度上減小了遠(yuǎn)近效應(yīng)。

圖1 Locata信號(hào)的CDMA+TDMA信號(hào)結(jié)構(gòu)

由LocataLite組成的同步網(wǎng)絡(luò)LocataNet可以在室內(nèi)外環(huán)境運(yùn)行的定位網(wǎng)絡(luò)。Locata Rover是Locata系統(tǒng)中的移動(dòng)接收機(jī)，輸出與GPS一樣的定位、導(dǎo)航、授時(shí)信息[16]。Locata可以用來(lái)單獨(dú)進(jìn)行定位，也可以與結(jié)合GNSS信號(hào)進(jìn)行定位，達(dá)到增強(qiáng)GNSS的作用。系統(tǒng)采用載波相位單點(diǎn)定位技術(shù)進(jìn)行定位，由于Locata實(shí)現(xiàn)了時(shí)鐘同步，LocataLite之間就不存在時(shí)鐘偏差；系統(tǒng)在地面上運(yùn)行，電離層誤差可以忽略；LocataLites與Locata之間基線距離短，所以對(duì)流層誤差也可以忽略?？梢钥闯鯨ocata解決了GNSS系統(tǒng)中存在一些誤差。

Locata系統(tǒng)仍面臨著一些尚需解決的技術(shù)問(wèn)題。

1)在Locata信號(hào)與GPS信號(hào)同時(shí)存在的情況下，兩種信號(hào)有可能互相影響，文獻(xiàn)[17]中對(duì)GPS信號(hào)和Locata信號(hào)同時(shí)存在時(shí)的捕獲能力進(jìn)行了分析，得到以下結(jié)論：當(dāng)GPS信號(hào)功率超過(guò)Locata，GPS會(huì)對(duì)Locata信號(hào)捕獲造成影響，形成一定相干寬帶干擾。反之，在Locata信號(hào)功率高出GPS信號(hào)30 dB以上，則會(huì)對(duì)GPS信號(hào)捕獲影響，形成一定的窄帶干擾。

2)多徑衰減問(wèn)題是Locata系統(tǒng)遇到的一個(gè)重要的問(wèn)題，文獻(xiàn)[18]指出Locata系統(tǒng)對(duì)于此問(wèn)題的解決是通過(guò)應(yīng)用信號(hào)多樣性原理，LocataLite的硬件設(shè)計(jì)允許通過(guò)兩個(gè)天線在同樣的頻率上利用不同的偽隨機(jī)碼(PRN)發(fā)射兩個(gè)信號(hào)，對(duì)兩個(gè)信號(hào)進(jìn)行解算減弱多徑衰落影響。

3)WiFi現(xiàn)在得到了普遍的應(yīng)用，而廣泛分布的WiFi信號(hào)與Locata信號(hào)之間有著互相的干擾，這是急需解決的問(wèn)題[19]。

Locata低精度的粗定位可以實(shí)現(xiàn)1/2 m的定位精度，高精度的載波相位單點(diǎn)定位可以實(shí)現(xiàn)2～3 cm的定位精度。該系統(tǒng)可以應(yīng)用于動(dòng)態(tài)定位、變形監(jiān)測(cè)、露天開(kāi)礦、室內(nèi)定位、城市定位等領(lǐng)域[20]。

3 結(jié)束語(yǔ)

GNSS系統(tǒng)增強(qiáng)系統(tǒng)是對(duì)GNSS的有效的補(bǔ)充，北斗系統(tǒng)的發(fā)展也面臨著增強(qiáng)系統(tǒng)發(fā)展的問(wèn)題。所述的增強(qiáng)系統(tǒng)對(duì)北斗系統(tǒng)增強(qiáng)系統(tǒng)的發(fā)展具有一定的參考價(jià)值，北斗增強(qiáng)系統(tǒng)的發(fā)展過(guò)程借此可以進(jìn)行更好的規(guī)劃。在發(fā)展地基增強(qiáng)系統(tǒng)的初期進(jìn)行全國(guó)范圍的頂層設(shè)計(jì)可以有效地節(jié)約資源，提高效率，提供全國(guó)范圍內(nèi)有效的定位精度，更好的服務(wù)于衛(wèi)星導(dǎo)航定位用戶。

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