一種差分導(dǎo)航信息收發(fā)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

孫偉瑋，王馨悅，門蘭寧

（1.海軍裝備部，陜西西安 710068；2.西安微電子技術(shù)研究所，陜西西安 710054；3.西安中星偉業(yè)通信科技有限公司，陜西 西安 710077）

隨著2020 年7 月31 日北斗三號(hào)全球?qū)Ш较到y(tǒng)的全面建成開通，意味著我國(guó)導(dǎo)航設(shè)備的應(yīng)用將出現(xiàn)井噴式增長(zhǎng)，相應(yīng)的對(duì)導(dǎo)航設(shè)備的需求也日益多元化，如定位方法從靜態(tài)擴(kuò)展到動(dòng)態(tài)，服務(wù)領(lǐng)域從導(dǎo)航測(cè)繪擴(kuò)展到國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域；性能要求也會(huì)越來(lái)越高，如定位精度從米級(jí)到亞米級(jí)甚至毫米級(jí)，授時(shí)精度由微秒級(jí)到納秒級(jí)。在過去十幾年的時(shí)間里，以GPS 為代表的衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)使高精度測(cè)量技術(shù)和方式發(fā)生了革命性變革，在此背景下，借鑒GPS 的研究經(jīng)驗(yàn)，文中設(shè)計(jì)開發(fā)了一款基于無(wú)線、4G傳輸，支持北斗、GPS、GLONASS 等導(dǎo)航系統(tǒng)的差分導(dǎo)航信息收發(fā)系統(tǒng)，該系統(tǒng)可為近海用戶、野外作業(yè)用戶提供高精度的定位信息[1-4]。

1 差分定位原理

1.1 差分導(dǎo)航信息收發(fā)系統(tǒng)的組成因素

差分導(dǎo)航信息收發(fā)系統(tǒng)首先需要一個(gè)放置在已知點(diǎn)的基準(zhǔn)站，其次是通過某種手段接收差分信息的移動(dòng)站。為了保證差分信息的定位精度，移動(dòng)站距離基準(zhǔn)站不應(yīng)超過50 km。基準(zhǔn)站應(yīng)盡量處于高處，無(wú)遮擋，遠(yuǎn)離大水體及復(fù)雜的電磁環(huán)境[5-8]。

1.2 差分定位分類

根據(jù)系統(tǒng)所服務(wù)的地理范圍，差分導(dǎo)航系統(tǒng)可分為局域、區(qū)域和廣域三大類，分別對(duì)應(yīng)著不同長(zhǎng)度的基線距離，一般來(lái)說基線距離越長(zhǎng)，移動(dòng)站利用差分信息定位的精度越差，也就是說廣域、區(qū)域、局域的定位精度是依次降低的。

根據(jù)予以差分校正的目標(biāo)量不同，差分導(dǎo)航可分為位置差分、偽距差分、載波相位平滑后的偽距差分及載波相位差分等[9-12]。

根據(jù)用戶接收機(jī)定位結(jié)果的形式不同，差分定位可以分為絕對(duì)定位和相對(duì)定位。

根據(jù)差分信息源數(shù)不同，可分為網(wǎng)格差分定位和單基站差分定位[13]。

1.3 差分定位原理

導(dǎo)航接收機(jī)的誤差主要包括信號(hào)傳輸途中的電離層誤差、對(duì)流層誤差、多徑誤差、導(dǎo)航星座的衛(wèi)星時(shí)鐘誤差、星歷誤差，接收機(jī)噪聲等。為了提高接收機(jī)的定位精度，應(yīng)盡量消除以上誤差。差分定位技術(shù)通過基準(zhǔn)站的精準(zhǔn)定位信息及導(dǎo)航衛(wèi)星的PVT 信息反推以上各誤差，然后通過某種手段傳輸給移動(dòng)站導(dǎo)航接收機(jī)，進(jìn)而消除接收機(jī)之間公共誤差[14-15]。

導(dǎo)航接收機(jī)的偽距及載波相位觀測(cè)方程如（1）、（2）所示：

由此可見通過差分計(jì)算可基本消除上述誤差，以上誤差源對(duì)定位結(jié)果的影響如表1 所示[3]。

表1 各誤差源對(duì)定位結(jié)果的影響

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)概述

該系統(tǒng)為全頻點(diǎn)差分導(dǎo)航信息收發(fā)系統(tǒng)（包括GPS-L1、BD-B1、BD-B3、GLONASS-R1 等），支持RTCM2.X 及3.0 以上協(xié)議、NAEM0183 導(dǎo)航協(xié)議。系統(tǒng)主要由基準(zhǔn)站、無(wú)線電臺(tái)及發(fā)射天線、移動(dòng)站組成?；鶞?zhǔn)站通過4G 信號(hào)直接發(fā)送差分信息或通過串口向無(wú)線電臺(tái)輸出差分信息，無(wú)線電臺(tái)通過900 MHz 頻段無(wú)線信號(hào)將接收到的差分信息轉(zhuǎn)發(fā)出去；移動(dòng)站通過4G 或無(wú)線電的方式將接收到的差分信息用于差分定位。同時(shí)移動(dòng)站還可以通過一路RS422 口或者WiFi 傳輸方式將差分信息轉(zhuǎn)發(fā)出來(lái)，因此移動(dòng)站也可作為一個(gè)短距離的差分信息中繼站。

2.2 系統(tǒng)框架

基準(zhǔn)站主要由電源模塊、低噪聲放大器、差分信息產(chǎn)生模塊、4G 信號(hào)收發(fā)模塊、對(duì)外通信模塊等組成。組成框架如圖1 所示。

圖1 基準(zhǔn)站組成框架

無(wú)線電臺(tái)主要由電源模塊、電臺(tái)模塊、功放、串口通信模塊、發(fā)射天線組成。設(shè)計(jì)框圖如圖2 所示。

圖2 無(wú)線電臺(tái)設(shè)計(jì)框圖

移動(dòng)站主要由電源模塊、低噪聲放大器、差分信息處理模塊、WiFi 模塊、4G 模塊、無(wú)線電收發(fā)模塊、串口通信模塊、天線模塊等組成，設(shè)計(jì)框圖如圖3 所示。當(dāng)移動(dòng)站作為差分信息中繼站時(shí)，有串口通信模塊及WiFi模塊兩種方式可輸出差分信息。

圖3 移動(dòng)站設(shè)計(jì)框圖

2.3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

設(shè)備實(shí)物如圖4 所示。

圖4 系統(tǒng)實(shí)物

由于無(wú)線電的發(fā)射功率較大(1～5 W 可調(diào))，為防止其對(duì)導(dǎo)航信號(hào)及4G 信號(hào)的接收造成干擾，在架設(shè)系統(tǒng)時(shí)應(yīng)將基準(zhǔn)站與無(wú)線電臺(tái)盡量分開架設(shè)，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)最遠(yuǎn)可分開85 m，保證無(wú)線電臺(tái)的發(fā)射信號(hào)不會(huì)影響基準(zhǔn)站的信號(hào)接收。由于無(wú)線信號(hào)易受障礙物遮擋，故無(wú)線電臺(tái)應(yīng)盡量架設(shè)到高處空曠且盡量遠(yuǎn)離基準(zhǔn)站的地帶。

4G 通信由于使用移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商基站，不存在通信距離限制，但根據(jù)差分定位的原理，基準(zhǔn)站與移動(dòng)站之間存在空間傳輸誤差相關(guān)性要求，因此利用4G 方式傳輸差分信息，移動(dòng)站可在基準(zhǔn)站方圓50 km 范圍內(nèi)保持差分固定解(高精度定位模式)的輸出模式。

無(wú)線電的傳輸差分信息經(jīng)測(cè)試，在城市環(huán)境中選擇空曠郊區(qū)環(huán)境，經(jīng)過跑車試驗(yàn)測(cè)試無(wú)線電通信距離可達(dá)19.5 km，在湖北省的某水庫(kù)跑船測(cè)試水上通信距離可達(dá)15 km。

以上兩種差分信息的傳輸方式基本滿足陸上、水上多種使用場(chǎng)景，在以上試驗(yàn)場(chǎng)景中，移動(dòng)站的差分定位精度基本在0.03 m 內(nèi)，如圖5（跑車、跑船數(shù)據(jù)）所示，比單點(diǎn)定位精度高出兩個(gè)數(shù)量級(jí)，如圖6所示。

圖5 移動(dòng)站差分定位精度

圖6 移動(dòng)站單點(diǎn)定位跑車精度

3 系統(tǒng)應(yīng)用

該系統(tǒng)采用4G 及無(wú)線電兩種差分信息傳輸方式，增大了該系統(tǒng)的適用范圍，4G 傳輸在基準(zhǔn)站和移動(dòng)站導(dǎo)航信號(hào)的空間傳輸誤差參數(shù)相關(guān)的情況下，擺脫了無(wú)線信號(hào)傳輸距離及可視路徑上障礙物的約束；無(wú)線電傳輸在移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商基站信號(hào)較差的海上應(yīng)用環(huán)境中，可繼續(xù)為移動(dòng)站提供差分信息，無(wú)線電的組網(wǎng)功能可使基準(zhǔn)站同時(shí)為多個(gè)移動(dòng)站提供差分服務(wù)；移動(dòng)站的中繼功能為某些不具備無(wú)線或4G 接收功能的導(dǎo)航設(shè)備提供了差分定位的可能性?；谠撓到y(tǒng)的以上特點(diǎn)，該系統(tǒng)可應(yīng)用于野外測(cè)量、駕?？荚嚰案鞣N水上載體的高精度導(dǎo)航定位的應(yīng)用。

4 結(jié)論

該差分導(dǎo)航信息收發(fā)系統(tǒng)采用高速率的無(wú)線傳輸及4G 的方式傳輸差分信息，利用載波雙差差分方式，主要消除了衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的時(shí)鐘公差、傳輸路徑上的空間誤差等大部分相關(guān)誤差，通過陸上跑車、湖上跑船試驗(yàn)驗(yàn)證該差分系統(tǒng)的差分定位精度可達(dá)到5 cm 以下，大大提高了定位設(shè)備的精度。通過高速無(wú)線傳輸、4G 的傳輸方式及移動(dòng)站的中繼功能擴(kuò)大了高精度導(dǎo)航設(shè)備的適用范圍。