一種新型高精度地基偽衛星定位系統
——Locata

劉芹麗,馬劉海,李春霞

(北京衛星導航中心,北京 100094)

0 引 言

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

經過長達16年的秘密研發,Locata系統于2011年公之于眾,當年9月份先后在GPS world、ION GNSS會議、每日航天網站上公布了其技術、性能和產品開發情況。這次公開發布標志著未來一種新型的關鍵新技術——高精度無線電定位技術的到來。可以預計Locata定位技術將催生大量新型應用,藉此最終將開發出真正的“全球新一代應用”。

本文將介紹Locata系統結構、關鍵技術,精度與可靠性等性能,以及應用現狀與前景。

1 Locata系統組成

1.1 Locata網絡

Locata網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收發機、一個射頻放大器、一副天線、一個路由器、一個3G調制解調器、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

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

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

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換獲得最優定位解。

圖2示出了Leica Geosystem公司開發的全世界首款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系統性能

2.1 精度與可用性

截止2013年1月,Locata系統已經開展了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范圍內的進行的1次飛行試驗,其中前2次是開發方的技術試驗,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測試結果與美國空軍CRS(中央慣導及GPS測試設施參考系統)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系統載波相位定位輸出結果在東向6 mm、北向、高程三個方向的誤差曲線，對該誤差數據統計結果由表1所示,采用載波相位定位技術,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定的非GPS定位系統性能指標——當PDOP<3時,三維定位精度(RMS)優于18 cm[7].

圖7 Locata系統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偽衛星數量、跟蹤信號數、使用信號數。整個過程中10個Locata偽衛星一直運行良好，每個偽衛星發射4個定位信號，一共發射40個信號，在EKF定位解中使用的信號數有35～36個。至少35個信號可視，如此高的可用性對于GPS系統而言是不可能的。

對于所收集的氣象數據，文章首先進行了數據的預處理工作，包括尋找數據中的錯誤點、缺失點、調整數據格式等。在此基礎上，從年變化和月變化兩個維度就氣溫、降水、風速、濕度等多種氣候對比指標進行分析，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 偽衛星數量、跟蹤信號數和使用信號數

圖9 定位幾何值

第746測試中隊的技術主管Morin稱,2011年10月的這次技術驗證中,Locata網絡在沒有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)參考系統的精度容限范圍內,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)的GPS和慣導觀測量相融合,經UHARS后處理軟件進行處理,可將精度控制在5 cm以內。

經過這次全面的飛行測試以后,美國空軍認為,Locata系統不僅滿足2010年所簽訂合同中規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，美國空軍確認的Locata系統特點包括[8]:

1)定位精度高。在沒有GPS參與的情況下,Locata網絡對距離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網絡運行數秒鐘后,白沙導航靶場的整個網絡即與其實現了納秒級精度的同步,甚至在惡劣天氣中仍然能保持同步,直到每次測試結束后網絡被關閉。

3)遠距離接收效果好。美國空軍的測試表明,Locata網絡的發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,還可實現更遠距離的信號捕獲和跟蹤。

4)高動態性能優。在白沙導彈靶場飛行測試之前,商業Locata系統僅被用于轎車、卡車、推土機、鉆車等地面交通工具的區域定位，而在美空軍的此次測試中,Locata系統需要在飛機動態作戰機動(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公司創始人之一兼首席執行官Gambale稱,經Hexagon、LeicaGeosystems等商業合作伙伴開發并出售的Locata產品已經證明了其技術在商業定位領域具備“改變現有規則”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域內提供厘米級的非GPS定位能力,更將其技術水平迅速提升到一個新的等級。根據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衛星,在如此廣泛的區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的金標準,成為美國防部未來導航系統測試與評估新的金標準參考系統”。

2.2 多功能與擴展性

類似于GPS這樣的系統全球覆蓋,因此不需要擴展，對于陸基系統而言,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網絡可以互相配合形成一個超級Locata網絡,以在跨越幾個獨立的Locata網絡的區域提供連續的定位服務，Locata技術特別設計成允許網絡以最小的網絡運營者或用戶成本擴展。與其它技術相比,這種可自動配置的能力賦予Locata技術強有力的商業優勢。

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，在一些關鍵任務應用領域,比如軍用、生命安全應用場合,Locata系統可以設計成發射出比FCC允許的Wi-Fi波段發射功率更高的功率，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偽衛星發射信號比商業Locata偽衛星強100倍,以此允許Locata偽衛星部署間隔超過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的區域內提供高精度定位保障，把Locata網絡擴展到更大的區域也不存在理論和技術問題。這是一項世界一流的能力,說明了Locata作為未來定位系統必須擁有的能力的重要性。

3 Locata系統應用現狀與前景

3.1 Locata系統與GPS系統的區別

Locata比GPS更精確,信號更強,還可用于室內定位服務。

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。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反射，反射信號會干擾接收機使其精度降低。Locata系統雖然不能保證一定能在復雜的城市環境中運行，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應用現狀與前景

Locata不僅可以和GPS無縫組合,當GPS不穩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驅動的Leica新艦隊管理系統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,徠卡測量系統公司推出的“拼圖定位系統”正是同時使用了Locata和GPS.在澳大利亞西部的金礦礦區,Newmont公司已經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,既便宜又能裝載到智能手機上的Locata/GPS組合定位系統將會面世——GPS也是通過同樣的途徑實現對定位系統市場的統治。

Locata系統獨立用于室內定位是另外一個發展方向，在未來的室內導航技術發展中,Locata系統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難以實現的室內定位服務——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的前提下,裝配有Locata的機器人可以很容易地在建筑內部導航。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 結束語

Locata是一種新的、完全自主的地基偽衛星定位技術。它具有信號強、精度高、可靠性高,系統可擴展性強、可靈活組網,可用于室內定位等優點。尤其在定位精度方面的表現前所未有:美國空軍2013年1月在白沙導彈靶場測試的結果顯示,Locata系統三維定位精度達到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定位服務時代的到來。

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[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.