衛(wèi)星導航差分系統(tǒng)和增強系統(tǒng)（五）

+ 劉天雄

2.3.4 偽衛(wèi)星及Locata系統(tǒng)

偽衛(wèi)星定位系統(tǒng)由偽衛(wèi)星、主控站、參考接收機、用戶接收機構(gòu)成。主控站配置偽衛(wèi)星的測距碼碼序列號，并將D碼(導航電文)信號發(fā)送給偽衛(wèi)星系統(tǒng)。高精度參考接收機測量偽衛(wèi)星同步誤差，將信息反饋給主控站用以調(diào)整偽衛(wèi)星測距發(fā)送時間。

在地形復雜、導航信號被嚴重遮擋的地區(qū)，偽衛(wèi)星可以改善幾何精度因子GDOP，達到提高定位精度的目的。在礦井隧道、地下掩體等環(huán)境，導航信號完全被遮擋，偽衛(wèi)星定位系統(tǒng)則可以獨自實現(xiàn)用戶的位置解算。偽衛(wèi)星定位系統(tǒng)與衛(wèi)星導航系統(tǒng)定位原理一致，定位質(zhì)量很大程度上也取決于接收機與偽衛(wèi)星之間精度因子GDOP。目前，偽衛(wèi)星應(yīng)用仍面臨一些技術(shù)問題，包括時間同步、遠近效應(yīng)和多徑效應(yīng)，這些問題制約和局限著偽衛(wèi)星定位技術(shù)的進一步發(fā)展和應(yīng)用。

偽衛(wèi)星系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)是建立對不同環(huán)境都適用的同步策略。偽衛(wèi)星在地面運行，接收機與偽衛(wèi)星之問的距離變化大，接收到的信號強弱變化范圍很大，會存在強信號對弱信號產(chǎn)生干擾的現(xiàn)象，即遠近效應(yīng)。目前應(yīng)用較多的一些解決方法有從偽衛(wèi)星信號格式著手的脈沖調(diào)制技術(shù)；基于多用戶檢測設(shè)計的串行干擾抵消(SIC)技術(shù)；時分多址技術(shù)(TDMA)等。數(shù)據(jù)濾波與自適應(yīng)抗多徑以及時空組合處理可以有效消弱多徑效應(yīng)。通過建立多徑信號模型，在接收端對數(shù)據(jù)進行平滑濾波等處理等措施實現(xiàn)消弱動態(tài)抗多徑。

Locata是澳大利亞Locata公司研制的既能增強GPS定位又可獨立進行定位的高精度定位系統(tǒng)，系統(tǒng)利用TimeLoc系統(tǒng)時間同步技術(shù)實現(xiàn)局域或者廣域網(wǎng)絡(luò)中多個LocataLite之間納秒級的同步。LoeataLite是可以實現(xiàn)GPS星座所有功能的收發(fā)器，在2．4 GHz的兩個頻率(S1和S6)上發(fā)射導航信號，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。Locata信號體制結(jié)合了CDMA和TDMA的優(yōu)點，一定程度上減小了遠近效應(yīng)。

由LocataLite組成的同步網(wǎng)絡(luò)LocataNet是可以在室內(nèi)外環(huán)境運行的定位網(wǎng)絡(luò)。Locata Rover是Locata系統(tǒng)中的移動接收機。Locata可以用來單獨進行定位，也可以結(jié)合GNSS信號進行定位，達到增強GNSS的效果。系統(tǒng)采用載波相位單點定位技術(shù)進行定位，系統(tǒng)在地面上運行，可以忽略電離層誤差；LocataLite與Locata之間基線距離短，所以也可以忽略對流層誤差。

Locata系統(tǒng)仍面臨著一些尚需解決的技術(shù)問題，首先是Locata信號與GPS信號的互相影響。對GPS信號和Locata信號同時存在時的捕獲能力研究表明：當GPS信號功率超過Locata，GPS會對Locata信號捕獲造成影響，形成一定相干寬帶干擾；反之，在Locata信號功率高出GPS信號30dB以上，則會對GPS信號捕獲影響，形成一定的窄帶干擾。其次是多徑干擾問題，目前Locata系統(tǒng)對于此問題的解決是通過LocataLite的硬件設(shè)計允許通過兩個天線在同樣的頻率上利用不同的偽隨機碼(PRN)發(fā)射兩個信號，對兩個信號進行解算，減弱多徑衰落影響。最后是Wi—Fi信號對Locata信號的干擾。Locata低精度的粗定位可以實現(xiàn)1/2 m的定位精度，高精度的載波相位單點定位可以實現(xiàn)2～3cm的定位精度。該系統(tǒng)可以應(yīng)用于動態(tài)定位、變形監(jiān)測、露天開礦、室內(nèi)定位、城市定位等領(lǐng)域。

2.3.5 無線電信標－差分全球定位系統(tǒng)

無線電信標－差分GPS系統(tǒng)（Radio Beacon-Differential Global Position System，RBN-DGPS）是在GPS基本系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，利用差分技術(shù)，借助海上無線電指向標播發(fā)差分修正數(shù)據(jù)和完好性信息，給海上用戶提供高精度、高可靠的定位和授時服務(wù)的助航系統(tǒng)，被廣泛應(yīng)用于船舶進出港及狹窄水道的導航和定位、交通安全管理、航標定位、航道測量、航道疏浚、漁業(yè)捕撈、海上石油勘探等領(lǐng)域，系統(tǒng)于2003年底覆蓋全球海岸線，GPS由此正式成為國際海事組織認可的船舶導航主導航手段。

RBN-DGPS系統(tǒng)由參考基準站、控制中心、無線電信標發(fā)射臺三部分組成。參考基準站由二臺高性能的GPS接收機和兩臺數(shù)據(jù)處理工作站組成，其中GPS信號接收天線安放在位置已精確測定的位置點上，一組GPS接收機和工作站接收視野內(nèi)的所有導航信號，計算出導航信號的差分信息；另一組GPS接收機和工作站接收視野內(nèi)的所有導航信號，監(jiān)測GPS信號的完好性和播發(fā)差分修正值的正確性。參考基準站同時將差分修正信息、完好性信息以及指向標狀態(tài)信息打包給無線電信標發(fā)射臺的調(diào)制器，調(diào)制器采用最小移頻鍵控（Minimum Shift Keying，MSK）方式生成RBN-DGPS信號，無線電信標發(fā)射機利用無線電指向標載頻 (283.5～325.0kHz)將DGPS修正信息、完好性信息以及指向標狀態(tài)信息播發(fā)給無線電信標發(fā)射機附近海事用戶。監(jiān)控中心完成各RBN-DGPS監(jiān)測站監(jiān)控制和協(xié)調(diào)工作。為保證系統(tǒng)的可靠性，基站內(nèi)主要設(shè)備如GPS接收機、無線電信標發(fā)射機采用雙機熱備份工作。RBN-DGPS參考基站安裝在全球沿海海岸，大致每隔100～300km設(shè)置一個基站，基站位置盡量靠近港口和河流入海口。

為滿足我國主要港口、重要水道和沿岸的航行安全，以及海洋測繪、海洋石油開發(fā)、海洋漁業(yè)、海洋資源調(diào)查、海上交通管理、航道疏浚、港口引航等需要高精度導航服務(wù)的用戶需求，根據(jù)國際組織有關(guān)標準、規(guī)定和建議，我國在沿海建立了無線電信標—差分GPS系統(tǒng)。

為使無線電信標—差分GPS系統(tǒng)滿足國際標準化要求，需要采用的國際國內(nèi)標準包括：①美國航海無線電技術(shù)委員會104特委會(Radio Technical Commission For Maritime Service Special Committee No.104)(RTCM-SC-104)于1990年頒布的適用于差分衛(wèi)星導航系統(tǒng)數(shù)據(jù)格式和接收機接口的推薦標準(2.0版)，1994年該委員會公布的2.1版，增設(shè)了一些新的格式內(nèi)容以支持實時動態(tài)(RTK)應(yīng)用。②美國航海無線電技術(shù)委員會104特委會(RTCM-SC-104)1996年公布的差分GPS基準站和完善性監(jiān)測(RSIM)推薦標準(1.0版)。③1993年美國海岸警衛(wèi)隊公布的DGPS無線電廣播標準。④1994年航標和燈塔管理機構(gòu)的國際組織(IALA)發(fā)出的關(guān)于全球差分衛(wèi)星導航系統(tǒng)規(guī)劃的通函。⑤1994年國際電聯(lián)無線電通訊研究組第八小組關(guān)于利用無線電信標差分發(fā)送全球衛(wèi)星導航信息的技術(shù)特性提出的草案(ITU-RM.823)。⑥1998年9月28日發(fā)布的中國沿海無線電指向標-差分全球定位系統(tǒng)播發(fā)標準(JT—377)。

圖15 中國沿海RBN-DGPS臺站分布

中國海事局計劃在“九五”期間分三期在我國沿海地區(qū)共建設(shè)20座RBN-DGPS臺站，按規(guī)定強度信號覆蓋(或多重覆蓋)整個沿海水域和部分陸域，信號完全覆蓋中國沿海領(lǐng)域，成為一種國際標準化、現(xiàn)代化的導航系統(tǒng)，完好性監(jiān)控臺與基準臺和播發(fā)臺同臺址同步建設(shè)。1996年建成一期6座臺站，包括大三山、秦皇島、北塘、王家麥、大戢山和抱虎角。1998年建成二期7座臺站，包括燕尾港、石塘、鎮(zhèn)海角、鹿嶼、三灶、硇洲和三亞。1999年建成三期7座臺站，包括老鐵山、成山角、蒿枝港、定海、天達山、防城和洋浦，2000年建成中央監(jiān)控站。中國沿海RBNDGPS臺站分布如圖15所示。

中國RBN-DGPS系統(tǒng)主要技術(shù)指標如下：

①工作頻率：依據(jù)國際電聯(lián)劃分的海上無線電指向標頻率(283.5～325.0kHz)范圍，RBN-DGPS臺站采用單頻發(fā)射制，播發(fā)差分修正信息；

②差分全球定位系統(tǒng)識別碼：依航標和燈塔管理機構(gòu)的國際組織(IALA)分配給我國的基準臺和播發(fā)臺的識別碼范圍由北向南按區(qū)域進行分配；

③單站差分修正信號作用距離：海上接收場強在75mv/m時，服務(wù)范圍300公里；

④差分信息調(diào)制方式和播發(fā)類別：我國RBN-DGPS向用戶播發(fā)的差分信息采用最小移頻鍵控(MSK)調(diào)制方式；播發(fā)類別為調(diào)相單信道數(shù)據(jù)傳送；

⑤信號格式和信息類型：信號格式采用RTCM SC-104信號格式標準；

⑥差分數(shù)據(jù)傳輸率：差分數(shù)據(jù)傳輸率為200波特；

⑦坐標系統(tǒng)：基準臺坐標采用WGS-84坐標系；

⑧基準站坐標精度：為保證海上用戶獲得高精度助航服務(wù)，1995～1998年先后完成了全國20個臺站位置坐標精密測定，我國基準臺在WGS-84坐標系內(nèi)的位置精度保持在0.5米以內(nèi)。

1996年5～9月，海事局組織了一期RBNDGPS綜合性能測試工作，分別在南海、東海及北方海區(qū)對一期建成的臺站進行了測試，在系統(tǒng)的覆蓋范圍內(nèi)，重點考核了定點和動態(tài)的定位精度、信號作用距離、可靠性等指標，測試結(jié)果為：信號作用距離300公里，白天定位精度優(yōu)于5米(置信度95%)。1998年12月～1999年7月，海事局組織了二期RBN-DGPS綜合性能測試工作，分別在南海、東海對二期建成的臺站進行了測試，測試結(jié)果為：信號作用距離300公里（白天），定位精度優(yōu)于5米(置信度95%)。

中國RBN-DGPS臺播發(fā)的所有信息均為公眾提供免費服務(wù)，海上公眾用戶可配備1臺RBN（MSK）接收機和1臺DGPS接收機即可利用RBN-DGPS臺站播發(fā)的信息進行海上高精度導航和定位；需注意的是選用的DGPS接收機的技術(shù)指標和用戶與基準臺距離的相關(guān)性將直接影響定位精度。用戶距臺站越近，定位精度越高。通常情況下，在距基準臺300公里的范圍內(nèi)，米級導航型DGPS接收機的定位精度約為10米；亞米級接收機定位精度約為5米。