地基增強系統發展及應用

王 雷,倪少杰,王飛雪

(國防科學技術大學 電子科學與工程學院,湖南 長沙 410073)

0 引 言

人類對于定位精度的追求永無止境。全球衛星導航系統(GNSS)的定位、授時、導航功能已經得到了極大的應用，船舶、汽車定位導航給人們的生活帶來了極大地方便。但單獨的GNSS定位精度并不能滿足人們的所有需求，由于GNSS信號自衛星發射，地面的起伏導致某些地區存在盲區，室內定位無法滿足需求；GNSS的定位精度也不能滿足飛機的精密進近、變形監測等需要更高精度應用的需求；商業領域的基于位置服務(LBS)和新提出的"智能高速路"系統對定位精度要求更高。所以，建立能夠提供更高定位精度的系統具有重大的意義。

1 GNSS關鍵原理、誤差源及解決方法

GNSS利用用戶接收機接收位置精確已知的四顆衛星的導航信號，構成四個方程，對其進行解算得出位置三維坐標及接收機鐘差四個未知數，實現定位及授時的功能。

影響GNSS精度的因素主要有：與GNSS衛星有關的因素，包括衛星星歷誤差、衛星鐘差和衛星信號發射天線相位中心偏差；與傳播途徑有關的因素，包括電離層延遲、對流層延遲和多徑效應；與接收機有關的因素，包括接收機天線相位中心偏差，接收機軟件和硬件造成的誤差；其它因素包括Sagnac效應和相對論效應等[1]。同時衛星的可見數也嚴重影響系統的定位功能。

衛星星歷誤差、衛星鐘差、電離層誤差和對流層誤差都具有很強的空間相關性，差分法是通過位置精確已知的參考站接收GNSS信號，進而結算出上述具有強空間相關性的誤差量提供給用戶接收機作為差分改正數，用戶據此對定位結果進行改正，可以提高定位精度。具體的應用中包括位置差分，偽距差分和載波相位差分三種：

1)位置差分利用基準站得出位置坐標差分改正數,用戶對解算的用戶站坐標進行改正。

2)偽距誤差利用基準站得到偽距差分改正數,用戶利用此信息修正測量的偽距。

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

2 地基增強系統及其關鍵技術

地基增強系統是指參考站位于地面的對于GNSS進行功能增強的運行系統，主要可分為兩類。差分型的均基于差分原理使得接收機獲得更高的定位精度，系統間具有很大的相似性。偽衛星和Locata則發送具有與GNSS信號相同功能的信號，與GNSS不同的是系統工作在地面，可以減弱和消除GNSS中存在的許多誤差。主要以GPS的增強系統為例對其原理及應用進行介紹。

2.1 差分型

差分型的GNSS增強系統主要包括廣域增強系統(WAAS)，局域增強系統(LAAS)，聯合精密進近系統(JPALS)和連續運行衛星定位服務綜合系統(CORS)，這些系統相互之間具有一定的相似性，結構都包含參考站、數據通信鏈路和用戶。

2.1.1 WAAS系統

WAAS的主要特點是利用地球同步衛星構成數據通信鏈路。系統將星歷誤差、大氣延時誤差、衛星鐘差誤差進行分離并分別進行模型化，主控站利用參考站的位置信息和接收到的GPS信號計算出差分改正，并將改正信息經上行注入站傳送給WAAS地球同步衛星，地球同步衛星將信息傳送給地球上的用戶，用戶通過改正信息精確計算自己的位置，在覆蓋范圍內提高用戶的定位精度，實現優于3 m的定位[2]。WAAS系統由于采用模型化誤差的方法，控制誤差在某一范圍內，應用范圍廣且差分精度與距離無關，但系統構建費用昂貴，并且WAAS通過衛星廣播差分信息存在盲區和多徑的問題。

該系統在比較開放性的地勢環境與海上的位置比較有利，主要用于空中導航，也可以給一般的用戶使用，如船舶和普通的GPS導航用戶。

2.1.2 LAAS系統

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星進行差分信息的廣播，參考站計算出所接收到的GPS信號的距離改正，此距離改正與空間具有很大的相關性，所以在距離參考站一定范圍內改正效果高于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系統需要保證用戶接收機和參考站接收相同衛星的信號以保證誤差的相關性。在有效覆蓋范圍內LAAS系統可以實現水平方向和垂直方向精度均優于1 m，且系統構建成本較WAAS小，主要為機場(大概覆蓋半徑為30～50 km)范圍內提供精密進場、離場程序、和終端區作業服務。

2.1.3 JPALS系統

JPALS包括陸基JPALS (LB-JPALS)，空基JPALS(SB-JPALS)，與LAAS系統有很大的相似性，但JPALS主要提供美軍使用，利用P碼信號，相對于LAAS可以實現更高的定位精度。系統的構成中加入了專門的陸基JPALS完好性監測(JLIM)用于確保空間信號異常或系統異常時向用戶提供警告。

文獻[3]中對JPALS系統的可能采用的關鍵技術進行了分析和研究，認為該系統采用GPS實時動態定位(RTK)[4]技術，采用兩個獨立的數據通信鏈路，并利用了抗干擾和多路徑的天線技術以及JPALS機動化技術。

JPALS代表著引導飛行精密進近的最高水平。LB-JPALS可以達到2.0～4.0 m的精度，SB-JPALS可以達到0.4 m精度。

該系統主要為美軍提供軍事保障，可以用于引導航母艦載飛機自動著陸，并且由于采用了軍民復用技術，能夠為民用飛機提供精密進近著陸。

2.1.4 CORS系統

CORS是應用多基站網絡RTK技術建立的。

1)RTK技術

RTK技術基于載波相位觀測量進行實時差分，用戶站同時接收GPS信號和參考站傳輸的觀測數據，根據相對定位原理，實時解算整周模糊度未知數并得到用戶站的三維坐標及精度。該技術在應用中遇到的最大問題就是參考站校正數據的有效作用距離問題。

網絡RTK技術中，線性衰減的單點GPS誤差模型被區域型的GPS網絡誤差模型取代，通過多個參考站組成的GPS網絡估計一個地區的GPS誤差模型，并為該網絡覆蓋地區的用戶提供校正數據[5]。

2)CORS系統原理及應用

相比于前述幾種系統，對于CORS系統而言，獨特的數據處理中心是其核心，CORS利用特定的算法對參考站網的數據進行處理得出精確的差分改正，使用戶得到更好的定位精度。 應用較廣泛的CORS技術有Trimble公司的虛擬參考站(VRS)技術和Leica公司的主輔站改正(MAX)技術，這兩種技術都是將所有的固定參考站數據發送到數據處理中心，進行聯合解算，再以RTCM 等標準格式播發到移動站，但兩者也存在一定的差別。

1)VRS技術工作原理

VRS技術在特定區域建立永久的固定參考站(通常相距50～70 km)，用戶接收機通過GSM短信息功能向控制中心發送一個概略坐標，控制中心根據用戶的位置，選擇一組最佳的參考站，利用特定的模型算法，相當于在用戶位置附近建立一個虛擬參考站，并利用此參考站產生高精度的差分改正信息，控制中心將標準格式的改正信息發送給用戶接收機進行載波相位差分改正，從而產生厘米級的定位結果，解決了RTK技術作業距離限制上的問題[6]。文獻[7]中指出CORS系統可以實現定位精度水平5 cm、垂直8 cm甚至更高精度，其高定位精度使其可以應用于監測地殼形變、支持遙感應用、求定大氣中水汽分布、監測電離層中自由電子濃度和分布等領域。

2)MAX 技術工作原理

主輔站技術利用最新多基站、多系統、多頻( L1， L2， L5)及多信號非差處理算法，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，利用卡爾曼濾波進行嚴格實施平差。其系統原理是利用網絡處理軟件將網絡中所有參考站相位距離歸算到一個公共的整周未知數水平，并據此對每一對衛星/接收機以及每一個頻率計算出彌散性(誤差值與頻率有關)和非彌散性(誤差值與頻率無關)誤差，并將此誤差的差分改正數作為網絡的改正數據播發給流動站。

主輔站技術克服了VRS技術需要雙向通信的缺陷，且無網大小限制，也沒有網中臺站及流動用戶的數量限制[8]。

2.2 偽衛星及Locata技術

與差分的增強系統不同，偽衛星和Locata系統發射類似GPS的信號并以與GPS相同的原理運行，可以起到減少盲區、提高精度、增強抗干擾能力的作用。系統的布站相對于差分的增強系統具有更高的靈活性，所以應用前景更為廣泛，但仍有技術問題需要解決。

2.2.1 偽衛星

偽衛星定位系統主要由偽衛星、主控站、參考接收機、用戶接收機構成。主控站配置偽衛星的C/A碼序列號，并將D碼(導航電文)信號發送給偽衛星系統。高精度參考接收機測量偽衛星同步誤差，將信息反饋給主控站用以調整偽衛星C/A碼發送時間。用戶接收機則進行偽距測量導航電文解算和定位[9]。

偽衛星定位技術包括以下應用模式[10]。

1)偽衛星增強GPS系統

在地形復雜、嚴重遮擋的地區， GPS衛星可見數受到限制，位置精度因子(PDOP)受幾何分布影響而變大，定位精度變差。偽衛星可以通過改善衛星的幾何分布，達到提高GPS導航定位精度的目的。

2)獨立偽衛星導航定位系統

在礦井隧道、地下掩體等環境，GPS信號完全被遮擋，偽衛星則可以獨自進行定位。獨立偽衛星定位系統采用與GPS相同的定位技術，定位質量很大程度上也取決于接收機與偽衛星之間構成的幾何圖形。目前，偽衛星應用仍面臨一些技術問題，這些問題制約和局限著偽衛星定位技術的進一步發展和應用[11]。

與GPS 衛星不同，偽衛星通常裝備的是低端時鐘，在采樣時間里與參考站和用戶接收機的標準時間信號不能精確同步，目前已經有很多不同的技術針對這個問題，最需要的是建立對不同環境都適用的同步策略[12]。

偽衛星在地面運行，接收機與偽衛星之間的距離變化大，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生干擾的現象， 即遠近效應。針對這一問題，目前應用較多的一些解決方法有從偽衛星信號格式著手的脈沖調制技術；基于多用戶檢測設計的串行干擾抵消(SIC)技術[13]；時分多址技術(TDMA)[14 ]等。

針對偽衛星的多徑衰減問題，數據濾波與自適應抗多徑以及時空組合處理都是很好的方法。文獻[15]還研究了一種動態抗多徑方案，利用偽衛星直接信號與多徑信號建立模型，在接收端對數據進行平滑濾波等處理達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GPS定位又可獨立進行定位的高精度定位系統。該系統利用稱為TimeLoc的系統時間同步技術實現局域或者廣域網絡中多個LocataLite之間納秒級的同步，此技術由Locata公司保有專利，這也是Locata系統最大的優勢。

LocataLite是可以實現GPS星座所有功能的收發器，在兩個頻率(S1和S6)上發射信號，兩個頻率均位于2.4 GHz的ISM帶寬內，并且LocataLite可以根據特定的應用在任意頻率以任何適合的功率發射信號。Locata信號體制結合了CDMA和TDMA，如圖1所示。所以充分利用了各自的優勢，一定程度上減小了遠近效應。

圖1 Locata信號的CDMA+TDMA信號結構

由LocataLite組成的同步網絡LocataNet可以在室內外環境運行的定位網絡。Locata Rover是Locata系統中的移動接收機，輸出與GPS一樣的定位、導航、授時信息[16]。Locata可以用來單獨進行定位，也可以與結合GNSS信號進行定位，達到增強GNSS的作用。系統采用載波相位單點定位技術進行定位，由于Locata實現了時鐘同步，LocataLite之間就不存在時鐘偏差；系統在地面上運行，電離層誤差可以忽略；LocataLites與Locata之間基線距離短，所以對流層誤差也可以忽略。可以看出Locata解決了GNSS系統中存在一些誤差。

Locata系統仍面臨著一些尚需解決的技術問題。

1)在Locata信號與GPS信號同時存在的情況下，兩種信號有可能互相影響，文獻[17]中對GPS信號和Locata信號同時存在時的捕獲能力進行了分析，得到以下結論：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30 dB以上，則會對GPS信號捕獲影響，形成一定的窄帶干擾。

2)多徑衰減問題是Locata系統遇到的一個重要的問題，文獻[18]指出Locata系統對于此問題的解決是通過應用信號多樣性原理，LocataLite的硬件設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)發射兩個信號，對兩個信號進行解算減弱多徑衰落影響。

3)WiFi現在得到了普遍的應用，而廣泛分布的WiFi信號與Locata信號之間有著互相的干擾，這是急需解決的問題[19]。

Locata低精度的粗定位可以實現1/2 m的定位精度，高精度的載波相位單點定位可以實現2～3 cm的定位精度。該系統可以應用于動態定位、變形監測、露天開礦、室內定位、城市定位等領域[20]。

3 結束語

GNSS系統增強系統是對GNSS的有效的補充，北斗系統的發展也面臨著增強系統發展的問題。所述的增強系統對北斗系統增強系統的發展具有一定的參考價值，北斗增強系統的發展過程借此可以進行更好的規劃。在發展地基增強系統的初期進行全國范圍的頂層設計可以有效地節約資源，提高效率，提供全國范圍內有效的定位精度，更好的服務于衛星導航定位用戶。

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