一種新型高精度地基偽衛(wèi)星定位系統(tǒng)
——Locata

劉芹麗,馬劉海,李春霞

(北京衛(wèi)星導航中心,北京 100094)

0 引 言

Locata系統(tǒng)是由澳大利亞Locata公司發(fā)明的一種地基“非GPS定位系統(tǒng)”(NGBPS),商用上稱為LocataNet。與GPS系統(tǒng)利用定軌衛(wèi)星定位不同,Locata系統(tǒng)利用多個在區(qū)域內(nèi)發(fā)射強無線電定位信號的小地基偽衛(wèi)星發(fā)射器組成的網(wǎng)絡實現(xiàn)定位，它實際上是采用類GPS定位技術(shù)的地基局域網(wǎng)絡,由于是地基的、發(fā)射強信號,可以在任何室外、室內(nèi)環(huán)境中使用[1-5]。

經(jīng)過長達16年的秘密研發(fā),Locata系統(tǒng)于2011年公之于眾,當年9月份先后在GPS world、ION GNSS會議、每日航天網(wǎng)站上公布了其技術(shù)、性能和產(chǎn)品開發(fā)情況。這次公開發(fā)布標志著未來一種新型的關(guān)鍵新技術(shù)——高精度無線電定位技術(shù)的到來?？梢灶A計Locata定位技術(shù)將催生大量新型應用,藉此最終將開發(fā)出真正的“全球新一代應用”。

本文將介紹Locata系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、關(guān)鍵技術(shù),精度與可靠性等性能,以及應用現(xiàn)狀與前景。

1 Locata系統(tǒng)組成

1.1 Locata網(wǎng)絡

Locata網(wǎng)絡由多個自主同步的地面站組成，每個地面站主要由一個LocataLite收發(fā)機、一個射頻放大器、一副天線、一個路由器、一個3G調(diào)制解調(diào)器、電池、太陽能帆板組成如圖1所示。附加的設施有天線桿、防風屋、電纜、電源,有些站還安裝了氣象觀測儀器。

圖1 Locata地面站

每個地面站實質(zhì)是一顆地基偽衛(wèi)星，其核心設施是LocataLite收發(fā)機。LocataLite收發(fā)機是一個書本大小的設備，其功能類似地面版的GPS衛(wèi)星，使用與Wi-Fi相同的頻率發(fā)射定位信號，覆蓋范圍達數(shù)公里。雖然LocataLite的時鐘芯片精度遠不及原子鐘，但借由LocataLite各偽衛(wèi)星之間互相保持同步。每個LocataLite根據(jù)從其它LocataLite接收到的時鐘信號調(diào)制自己的時鐘信號，生成一個保證網(wǎng)內(nèi)所有信號同步的反饋循環(huán)，使所有LocataLite時鐘信號在2 ns范圍內(nèi)保持同步。

偽衛(wèi)星之間通過LocataLite收發(fā)機自動實現(xiàn)互相同步，使得設計者能夠任意配置Locata定位網(wǎng)絡以滿足具體的、個性化的精度、可用性、可靠性需求。而且，借助于調(diào)制解調(diào)器在主偽衛(wèi)星本地可以實現(xiàn)對整個Locata定位網(wǎng)絡的控制。這些靈活性使信號完好性得以保障，使得Locata系統(tǒng)改善信號可用性、可靠性的能力超出了GPS系統(tǒng)，也超出了任何其它無法本地控制發(fā)射機生成的定位信號的系統(tǒng)。

1.2 接收機

GPS/Locata組合接收機的外觀基本等同于標準的、專業(yè)的GPS接收機，它能夠捕獲和無縫跟蹤GPS信號、Locata信號。這種雙重功能使得用戶通過在Locata信號、GPS信號二者之間無縫轉(zhuǎn)換獲得最優(yōu)定位解。

圖2示出了Leica Geosystem公司開發(fā)的全世界首款GPS/Locata組合接收機，這款接收機集成了兩個GPS、兩個Locata接收機以提供定向、定位解。

圖2 全世界首款GPS/Locata接收機

2 Locata系統(tǒng)性能

2.1 精度與可用性

截止2013年1月,Locata系統(tǒng)已經(jīng)開展了3次大型試驗,包括在澳大利亞威爾士庫馬機場附近的一個大約1 553 km2LocataNet網(wǎng)的2次試驗、2011年10月美國空軍746試驗中隊在白沙導彈靶場大約2 071 km2范圍內(nèi)的進行的1次飛行試驗,其中前2次是開發(fā)方的技術(shù)試驗,后1次是使用方美國空軍進行的演示驗證試驗。

美國空軍746測試中隊演示的、位于世界著名的新墨西哥州白沙導彈靶場方圓2 000 km2的區(qū)域是當時世界上最大的LocataNet,10個Locatalite站點的部署如圖3所示。測試過程中飛機的飛行軌跡、速度和高度如圖4、5所示。

圖3 2011年10月部署在白沙導彈靶場的LocataNet

圖4 位于4620 m英尺高空的飛行軌跡

圖5 飛機飛行高度和速度

待測接收設備是一個機柜,安裝固定在機艙內(nèi)行李架上,天線安裝在機身下方,如圖6所示。

圖6 測試接收機和天線

2011年10月的這次Locata測試結(jié)果與美國空軍CRS(中央慣導及GPS測試設施參考系統(tǒng))輸出基準值的誤差，如圖7所示。圖7中從上至下依次給出的是Locata系統(tǒng)載波相位定位輸出結(jié)果在東向6 mm、北向、高程三個方向的誤差曲線，對該誤差數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果由表1所示,采用載波相位定位技術(shù),Locata可以將定位性能提高到東向6 cm、北向6 cm,垂直15 cm,三維18 cm的水平。整個定位精度滿足美國空間合同規(guī)定的非GPS定位系統(tǒng)性能指標——當PDOP<3時,三維定位精度(RMS)優(yōu)于18 cm[7].

圖7 Locata系統(tǒng)載波相位定位在東向、北向、高程三個方向的誤差曲線

表1Locata與美國空軍參考解相比的定位性能

偽碼定位RMS誤差/m載波相位定位RMS誤差/m 東向0.0700.062 北向0.1050.060 高程0.2010.151 3D0.2450.174

圖8給出了此次驗證試驗中Locata偽衛(wèi)星數(shù)量、跟蹤信號數(shù)、使用信號數(shù)。整個過程中10個Locata偽衛(wèi)星一直運行良好，每個偽衛(wèi)星發(fā)射4個定位信號，一共發(fā)射40個信號，在EKF定位解中使用的信號數(shù)有35～36個。至少35個信號可視，如此高的可用性對于GPS系統(tǒng)而言是不可能的。

對于所收集的氣象數(shù)據(jù)，文章首先進行了數(shù)據(jù)的預處理工作，包括尋找數(shù)據(jù)中的錯誤點、缺失點、調(diào)整數(shù)據(jù)格式等。在此基礎上，從年變化和月變化兩個維度就氣溫、降水、風速、濕度等多種氣候?qū)Ρ戎笜诉M行分析，了解其氣候差異、趨勢及變化。

良好的信號可用性保障了定位幾何性能。圖9給出了PDOP、EDOP、NDOP和VDOP值，分別表示三維定位幾何因子、東向定位幾何因子、北向定位幾何因子、垂直方向定位幾何因子。在整個飛行過程中，PDOP最大值略大于3，它的三個分量EDOP、NDOP和VDOP中最差的是VDOP，其最大值達2.7.

圖8 偽衛(wèi)星數(shù)量、跟蹤信號數(shù)和使用信號數(shù)

圖9 定位幾何值

第746測試中隊的技術(shù)主管Morin稱,2011年10月的這次技術(shù)驗證中,Locata網(wǎng)絡在沒有GPS的情況下,對平均海拔高度4 575 m和6 096 m的飛機定位精度優(yōu)于18 cm,該精度在第746測試中隊CIGTF(中央慣導及GPS測試設施)參考系統(tǒng)的精度容限范圍內(nèi),并滿足其最初目標。進一步分析表明,如果對Locata的部署進行優(yōu)化,描述其誤差特性,并將其偽距觀測量和載波相位觀測量與UHARS(超高精度參考系統(tǒng))的GPS和慣導觀測量相融合,經(jīng)UHARS后處理軟件進行處理,可將精度控制在5 cm以內(nèi)。

經(jīng)過這次全面的飛行測試以后,美國空軍認為,Locata系統(tǒng)不僅滿足2010年所簽訂合同中規(guī)定的極其嚴格的跟蹤和定位要求,甚至在多個方面性能更優(yōu)，美國空軍確認的Locata系統(tǒng)特點包括[8]:

1)定位精度高。在沒有GPS參與的情況下,Locata網(wǎng)絡對距離50 km、時速550 km的飛機定位精度為水平6 cm(實際上是東向、北向各6 cm,水平共計8 cm)、垂直15 cm,相當于1美元鈔票的大小。

2)時間同步快。在整個測試過程中,Locata網(wǎng)絡運行數(shù)秒鐘后,白沙導航靶場的整個網(wǎng)絡即與其實現(xiàn)了納秒級精度的同步,甚至在惡劣天氣中仍然能保持同步,直到每次測試結(jié)束后網(wǎng)絡被關(guān)閉。

3)遠距離接收效果好。美國空軍的測試表明,Locata網(wǎng)絡的發(fā)射機如果與放大器相連接,可提升遠距離信號的接收效果。美空軍證實,Locata發(fā)射機與一臺簡單便宜的10 W放大器相連,飛機在距離100 km處即可獲得并跟蹤信號;或連接更高功率的放大器,還可實現(xiàn)更遠距離的信號捕獲和跟蹤。

4)高動態(tài)性能優(yōu)。在白沙導彈靶場飛行測試之前,商業(yè)Locata系統(tǒng)僅被用于轎車、卡車、推土機、鉆車等地面交通工具的區(qū)域定位，而在美空軍的此次測試中,Locata系統(tǒng)需要在飛機動態(tài)作戰(zhàn)機動(如傾斜飛行,角速度和直線加速等)情況下驗證其性能,飛行速度高達560 km/s,飛行高度高達9 144 m.

Locata公司創(chuàng)始人之一兼首席執(zhí)行官Gambale稱,經(jīng)Hexagon、LeicaGeosystems等商業(yè)合作伙伴開發(fā)并出售的Locata產(chǎn)品已經(jīng)證明了其技術(shù)在商業(yè)定位領域具備“改變現(xiàn)有規(guī)則”的能力，而此次美國空軍驗證了在GPS受干擾情況下,Locata能夠在大范圍的軍事區(qū)域內(nèi)提供厘米級的非GPS定位能力,更將其技術(shù)水平迅速提升到一個新的等級。根據(jù)2010年簽訂的合同,未來在白沙導彈基地部署的基于Locata的UHARS覆蓋范圍將達6 744 km2,不使用GPS衛(wèi)星,在如此廣泛的區(qū)域提供厘米級的定位精度,是獨一無二的,具有革命意義，世界上沒有其它技術(shù)能夠做到這一點。

對于此次驗證測試,美空軍給出了歷史性地、公開地贊揚,稱“Locata成為未來定位和導航系統(tǒng)的金標準,成為美國防部未來導航系統(tǒng)測試與評估新的金標準參考系統(tǒng)”。

2.2 多功能與擴展性

類似于GPS這樣的系統(tǒng)全球覆蓋,因此不需要擴展，對于陸基系統(tǒng)而言,隨著應用或者用戶的需求而擴大或縮小覆蓋面積的能力,是非常有價值的，Locata技術(shù)是完全可縮放,靈活的,其覆蓋范圍可以從一個房間到一個操場,再到整個城市。

此外,臨近的Locata網(wǎng)絡可以互相配合形成一個超級Locata網(wǎng)絡,以在跨越幾個獨立的Locata網(wǎng)絡的區(qū)域提供連續(xù)的定位服務，Locata技術(shù)特別設計成允許網(wǎng)絡以最小的網(wǎng)絡運營者或用戶成本擴展。與其它技術(shù)相比,這種可自動配置的能力賦予Locata技術(shù)強有力的商業(yè)優(yōu)勢。

進一步,Locata信號強度目前與移動電話信號強度相當,比標準GPS信號強成千上萬倍，在一些關(guān)鍵任務應用領域,比如軍用、生命安全應用場合,Locata系統(tǒng)可以設計成發(fā)射出比FCC允許的Wi-Fi波段發(fā)射功率更高的功率，例如,目前世界上最大的由746測試中隊驗證的2 071 km2白沙導彈靶場,Locata偽衛(wèi)星發(fā)射信號比商業(yè)Locata偽衛(wèi)星強100倍,以此允許Locata偽衛(wèi)星部署間隔超過50 km.

Locata公司日前被美國空軍授予了獨家的、多年合同,其任務是當GPS被有意干擾時，在白沙導彈靶場6 474 km2的區(qū)域內(nèi)提供高精度定位保障，把Locata網(wǎng)絡擴展到更大的區(qū)域也不存在理論和技術(shù)問題。這是一項世界一流的能力,說明了Locata作為未來定位系統(tǒng)必須擁有的能力的重要性。

3 Locata系統(tǒng)應用現(xiàn)狀與前景

3.1 Locata系統(tǒng)與GPS系統(tǒng)的區(qū)別

Locata比GPS更精確,信號更強,還可用于室內(nèi)定位服務。

GPS定位精度通常為3～5 m.相比之下，美國空軍2013年1月在白沙導彈靶場測試結(jié)果表明Locata的定位精度僅為18 cm.測試者Morin說，理論上它可以精確到5 cm范圍內(nèi)。顯而易見，Locata的準確性更高。

GPS在一個空曠的沙漠中也能展現(xiàn)出極高的精準度,但是GPS信號很弱，猶如20 000 km外的一盞汽車燈光很容易就被固體阻斷，在城市地區(qū)建筑多，信號常常遭受遮擋使其強度大大降低，從而信號不能被接收或定位精度下降；有時障礙物使信號傳播歷經(jīng)反射，反射信號會干擾接收機使其精度降低。Locata系統(tǒng)雖然不能保證一定能在復雜的城市環(huán)境中運行，但是其信號確實遠比GPS信號強，這使得其可用性更高。

3.2 Locata應用現(xiàn)狀與前景

Locata不僅可以和GPS無縫組合,當GPS不穩(wěn)定或者完全不可用時它也可以獨立使用,例如在倉庫、城市中應用。

GPS/Locata組合接收機通過融合技術(shù)提供定向和定位服務，目前這樣的接收機運行部署在露天采礦場,為鉆機、鐵鏟,以及其它大型機器提供精確定位,由Locata驅(qū)動的Leica新艦隊管理系統(tǒng)則負責確保機器自動運行的可靠性。

Locata與GPS相配合使用將是主要應用模式。比如,徠卡測量系統(tǒng)公司推出的“拼圖定位系統(tǒng)”正是同時使用了Locata和GPS.在澳大利亞西部的金礦礦區(qū),Newmont公司已經(jīng)正在使這種公文包大小的設備為鉆機提供精確的定位服務，甘貝爾說,五年內(nèi),既便宜又能裝載到智能手機上的Locata/GPS組合定位系統(tǒng)將會面世——GPS也是通過同樣的途徑實現(xiàn)對定位系統(tǒng)市場的統(tǒng)治。

Locata系統(tǒng)獨立用于室內(nèi)定位是另外一個發(fā)展方向，在未來的室內(nèi)導航技術(shù)發(fā)展中,Locata系統(tǒng)將面臨強有力的競爭，谷歌和諾基亞先下手為強,均推出了GPS難以實現(xiàn)的室內(nèi)定位服務——防止用戶迷失在迷宮般的商場或大城市的水泥森林中，但是,它們的覆蓋范圍小,定位誤差也高達好幾米。而Locata系統(tǒng)定位精度高,可以在某些領域大放異彩，比如,在缺乏復雜光學系統(tǒng)的前提下,裝配有Locata的機器人可以很容易地在建筑內(nèi)部導航。再比如,能提供精確定位服務的應用程序不僅能指引你逛商場,同時可以把你帶到確切的貨架前。

4 結(jié)束語

Locata是一種新的、完全自主的地基偽衛(wèi)星定位技術(shù)。它具有信號強、精度高、可靠性高,系統(tǒng)可擴展性強、可靈活組網(wǎng),可用于室內(nèi)定位等優(yōu)點。尤其在定位精度方面的表現(xiàn)前所未有:美國空軍2013年1月在白沙導彈靶場測試的結(jié)果顯示,Locata系統(tǒng)三維定位精度達到18 cm,其理論三維定位精度更是高達5 cm.Locata不僅可以和GPS無縫組合,還可以獨立使用,它昭示著高精度無線電定位和室內(nèi)定位服務時代的到來。

[1]CHOUDHURY MRIZOS C. Slow structural deformation monitoring using Locata A trial attumut pond dam [J]. Journal of Applied Geodesy, 2010,4(4):177-187.

[2]BARNES J RIZOS C, PAHWA A,etal. The potential for Locata technology for structural monitoring applications [J]. Journal of GPS, 2007 6(2)166-172.

[3]RIZOS C G. W. ROBERTS G W, J. BARNES J,etal. Locata:A new high accuracy indoor positioning system [C]//Proceedings of the international conference on indoor positioning & indoor navigation, September 15-17, 2010:441-447.

[4]BARNES J, LAMANCE J, LILLY B,etal. An integrated locata & Leica geosystem positioning system for open-cit mining applications [C]//2th International Technical Meeting of the Satellite Division of the Institute of Navigation, Fort Worth, Texas, 26-29 September, 2007:1661-1668.

[5]LAMANCE J, SMALL D. Locata correlator-based beam forming antenna technology for precise indoor positioning and attitude [C]//24th International Technical Meeting of the Satellite Division of the Institute of Navigation, Porland OR, 19-23 September, 2011:2436-2445.

[6]TRUNZO ABENSHOOF P. UHARS non-GPS based positioning system [C]//24th International Technical Meeting of the Satellite Division of the Institute of Navigation, Porland OR, 19-23 September, 2011:3582-3586.

[7]CRAIG D. USAF’s new reference system truth on the range [J]. Inside GNSS,2012:36-48.

[8]GPS World. Locata tests lead to air force contract for non-GPS positioning system [EB/OL]. (2012-12-12).http:/gpsworld.com.