基于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的差分定位應(yīng)用的研究

劉若林

（中海油信息科技有限公司深圳分公司，廣東 深圳 518000）

1 全球各定位導(dǎo)航系統(tǒng)現(xiàn)狀

美國GPS是20世紀(jì)70年代開始，由美國海陸空三軍聯(lián)合研制的新型空間衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)。核心要求是通過實(shí)時(shí)提供全天候以及全球性導(dǎo)航信息，滿足海陸空三大領(lǐng)域的應(yīng)用需求。耗資300億美元，經(jīng)過20余年的試驗(yàn)與研究，到1994年3月，全球的覆蓋率高達(dá)98%，24顆GPS衛(wèi)星全部布設(shè)完成。GPS系統(tǒng)的衛(wèi)星（包括21顆運(yùn)行衛(wèi)星和3顆備用衛(wèi)星）均勻分布在6個(gè)軌道，每顆離地面高度約1.7×104km，雙頻工作精度為20 m，授時(shí)精度為40 ns，持續(xù)發(fā)射一定頻率的無線電信號(hào)，海陸空任意位置的信號(hào)接收儀器均能收到，只要選取4顆以上（含4顆）衛(wèi)星發(fā)出的無線電信號(hào)進(jìn)行分析就能確定位置。GPS系統(tǒng)除了常用到導(dǎo)航功能以外，還多用于監(jiān)測地殼移動(dòng)、確定地面邊界等。

歐盟Galileo系統(tǒng)是世界上第一個(gè)基于民用的全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，是歐盟為了打破美國的GPS在衛(wèi)星導(dǎo)航定位這一領(lǐng)域的壟斷，而開發(fā)的全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)，有歐洲版“GPS”之稱?？臻g星座部分是由分布在三個(gè)軌道上的30顆中高度圓軌道衛(wèi)星構(gòu)成（衛(wèi)星距地高度為23 616 km,分布在3條軌道，每條軌道9顆運(yùn)行衛(wèi)星，另有1顆備用衛(wèi)星分布在正常軌道上方300 km處），能使任何人在任何時(shí)間、任何地點(diǎn)準(zhǔn)確定位，誤差不超過3 m。

GLONASS早于蘇聯(lián)時(shí)期已經(jīng)被開發(fā)，俄羅斯于1993年獨(dú)立完成本國全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的建設(shè)，但由于資金等各種原因，系統(tǒng)仍在持續(xù)進(jìn)行階段。GLONASS有24顆衛(wèi)星、3個(gè)軌道面，每8顆以近圓形均勻排列在一個(gè)軌道面上，距地高度19 100 km。據(jù)俄羅斯官方報(bào)道，完成的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)精度已經(jīng)遠(yuǎn)高于世界水平，定位以及導(dǎo)航之間的誤差只有23 m。

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是我國自主建設(shè)以及獨(dú)立運(yùn)行的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，可以滿足全球用戶全天候、全天時(shí)、高精度定位以及導(dǎo)航等服務(wù)需求，是我國重要的空間基礎(chǔ)設(shè)施。由3顆靜止軌道衛(wèi)星以及30顆非靜止軌道衛(wèi)星組成了系統(tǒng)空間端，其中30顆非靜止衛(wèi)星包括了3顆傾斜地球同步軌道（IGSO）衛(wèi)星以及27顆中軌道（MEO）衛(wèi)星。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)所應(yīng)用的為三種軌道衛(wèi)星混合星座，具有更多數(shù)量的高軌衛(wèi)星，相比其他衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)其具有更強(qiáng)的抗遮擋能力，對(duì)于低緯度地區(qū)功能優(yōu)勢更加顯著。此外，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的導(dǎo)航信號(hào)為多頻信號(hào)，創(chuàng)新性地將導(dǎo)航和通信能力融為一體，不僅可以實(shí)時(shí)導(dǎo)航、快速定位和精確授時(shí)，還能進(jìn)行位置報(bào)告和短報(bào)文通信。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的水平定位和高程定位精度均達(dá)到了10 m，尤其在亞太地區(qū)，水平定位精度為5 m、高程定位精度為5 m[1]。

四大導(dǎo)航系統(tǒng)各具特色也各有千秋，美國的GPS更重于成熟，數(shù)十年的積累提高了軍事應(yīng)用的效能。歐盟的Galileo則是傾向于精確，定位精度能到達(dá)1 m的級(jí)別，如果說GPS能定位到街道，那Galileo就是能定位到門牌號(hào)。那么依靠偽隨機(jī)碼相同的不同頻率來區(qū)分的GLONASS就是以抗干擾能力強(qiáng)著稱。至于我國的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，雖然起步晚，但是有后發(fā)者優(yōu)勢，取得最大的開放性和互動(dòng)性。優(yōu)點(diǎn)顯而易見，不足也就呼之欲出，沒有一個(gè)導(dǎo)航系統(tǒng)可以兼顧所有的優(yōu)勢，特別是在技術(shù)不掌握在自己手里時(shí)，當(dāng)時(shí)中國參與Galileo計(jì)劃就是一個(gè)例子。所以，不管是何種方式解決定位導(dǎo)航領(lǐng)域的難題，都必須植根于祖國的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，這也正是北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的開放性和兼容性決定的[2]。

2 關(guān)于差分定位系統(tǒng)

衛(wèi)星定位功能的實(shí)現(xiàn)，關(guān)鍵在于一組衛(wèi)星的偽距、星歷、衛(wèi)星發(fā)射時(shí)間等觀測量以及用戶鐘差。正常情況下需要完成4顆以上的衛(wèi)星測量，才可以獲得相應(yīng)的地面三維坐標(biāo)信息。而在整個(gè)定位過程中會(huì)因?yàn)楦鞣N原因的影響而產(chǎn)生不可避免的誤差：（1）因衛(wèi)星鐘、星歷、電離層以及對(duì)流層均存在誤差而產(chǎn)生的定位誤差；（2）系統(tǒng)傳播延遲產(chǎn)生的誤差；（3）用戶接收機(jī)自身存在的誤差，包括通道延遲、內(nèi)部噪聲以及多路徑效應(yīng)等?？偨Y(jié)來講，第一部分的誤差可以通過技術(shù)支持完全消除掉，第二部分可以消除大部分，只有第三種是沒法消除。而差分定位方法便是用算法計(jì)算出差分?jǐn)?shù)據(jù)，傳送至用戶，用以消除掉以上三種誤差，模型和算法便是差分定位的研究重點(diǎn)。

現(xiàn)在大都使用的差分GPS（DGPS）以獲悉精確三維坐標(biāo)的差分GPS基準(zhǔn)臺(tái)為基礎(chǔ)，計(jì)算獲得偽距修正量或位置修正量，向用戶實(shí)時(shí)或事后發(fā)送獲得的修正量，并且修正用戶的測量數(shù)據(jù)，確保GPS定位精度進(jìn)一步提高。

傳統(tǒng)的差分GPS多為單基準(zhǔn)站差分、多基準(zhǔn)站的局部區(qū)域差分和廣域差分三種類型。以地域大小以及基準(zhǔn)站的數(shù)量來分類，但無論是哪種，作為地基的差分系統(tǒng)，精度都取決于與基站的距離，一個(gè)基站的定位范圍在100 km以內(nèi)，距離越近精度越高。如果實(shí)現(xiàn)一個(gè)廣域的系統(tǒng)，其地域面積越大，基站就需要越多，且定位精度要求越高，基站密度也得更大，前后期的費(fèi)用也將指數(shù)增長。

隨著技術(shù)的提高，增強(qiáng)型差分定位系統(tǒng)正在慢慢展現(xiàn)。該系統(tǒng)具有偽衛(wèi)星技術(shù)和衛(wèi)星通信技術(shù)，其中一種WAAS（Wide Area Augmentation System）所應(yīng)用的是空基偽衛(wèi)星以及通信衛(wèi)星發(fā)送差分修正數(shù)據(jù)的方式，正在慢慢替代了舊的地基模式。其不需要修建地基基站的優(yōu)勢更是在區(qū)域越大，精度要求更高時(shí)表現(xiàn)的格外突出。

播發(fā)的差分?jǐn)?shù)據(jù)信號(hào)便是采用載波相位的RTK模式，通過基準(zhǔn)站網(wǎng)來對(duì)用戶附近某點(diǎn)（虛擬參考站）各項(xiàng)誤差進(jìn)行計(jì)算和改正，并將結(jié)果應(yīng)用到基于虛擬參考站坐標(biāo)以及衛(wèi)星坐標(biāo)計(jì)算得到的距離數(shù)值上，獲得虛擬參考站對(duì)應(yīng)的虛擬觀測值，將此數(shù)值發(fā)送給用戶，完成實(shí)時(shí)的相對(duì)定位，新型的差分定位便是基于算法和北斗衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)的，如圖1所示。在原來單個(gè)定位導(dǎo)航系統(tǒng)提供的定位精度是優(yōu)于25 m，部分能達(dá)到米級(jí)，而我們通常采用差分定位技術(shù)后，在水平精度達(dá)到分米級(jí)甚至厘米級(jí)別，做到真正定位到人，極大地提高了民用導(dǎo)航定位的精度。

3 INMARSAT海事衛(wèi)星數(shù)據(jù)播發(fā)

INMARSAT海事衛(wèi)星采用DAMA系統(tǒng)，自20世紀(jì)90年代初投入使用后，一直表現(xiàn)得非常穩(wěn)定、可靠，經(jīng)過多方面論證設(shè)計(jì)而成的數(shù)據(jù)通信協(xié)議使得盡管帶寬頻率資源非常有限，僅有34M，也依然成功為全球近15萬的通信終端提供了服務(wù)業(yè)務(wù)。

圖1 差分定位系統(tǒng)原理示意圖

INMARSAT系統(tǒng)空間段共分為4顆工作衛(wèi)星以及5顆軌道上的備用衛(wèi)星兩大組成部分，所有衛(wèi)星均處于靜止軌道，并包括點(diǎn)波束模式與全球覆蓋模式。其中，點(diǎn)波束模式多用于通信業(yè)務(wù)較多、航運(yùn)密集的區(qū)域，集中衛(wèi)星發(fā)射功率，減小移動(dòng)站體積。全球覆蓋模式則是除了保障對(duì)通信業(yè)務(wù)多、航運(yùn)密集區(qū)域的使用，也兼顧了其他運(yùn)輸較少的區(qū)域，保證無論在世界任何地區(qū)都能使用衛(wèi)星進(jìn)行通信。INMARSAT系統(tǒng)的所有衛(wèi)星均由位于英國倫敦總部的衛(wèi)星控制中心進(jìn)行統(tǒng)一管控，以保證正常運(yùn)行。但I(xiàn)NMARSAT系統(tǒng)在全球各地還設(shè)有很多直接和衛(wèi)星保持聯(lián)系的測控站，控制中心通過測控站接收傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。必要時(shí)，這些測控站可以代替控制中心控制衛(wèi)星。INMARSAT系統(tǒng)的4顆工作衛(wèi)星覆蓋全球4個(gè)洋區(qū)：大西洋西區(qū)（AOR-WEST）54°W、大西洋東區(qū)（AOR-EAST）15.5°W、印度洋區(qū)（IOR）64.5°E、太平洋區(qū)（POR）178° E。

海事衛(wèi)星系統(tǒng)的一大特點(diǎn)在于其具有移動(dòng)性，受所應(yīng)用的為L波段的固有特性影響，基于寬的天線波束，L波段終端能夠在以更短的時(shí)間完成尋星與對(duì)星任務(wù)。

海事衛(wèi)星播發(fā)的下行線路采用傳播損耗和雨致衰減相當(dāng)小的L波段，對(duì)通信十分有利，被稱為黃金頻段。當(dāng)發(fā)生突發(fā)事件時(shí)，能夠確保行進(jìn)中的視頻圖像以及數(shù)據(jù)通信不受影響，并在扎營后迅速建立起通信樞紐，在國內(nèi)外均起到了重要的作用。

雖然INMARSAT海事衛(wèi)星L波段的資源稀少而且昂貴，但是使用其對(duì)差分修正數(shù)據(jù)進(jìn)行全球下行播發(fā)無疑是最有保障的方式。我們?cè)谶M(jìn)行下行全球播發(fā)時(shí)，在把全球各處的服務(wù)器內(nèi)差分?jǐn)?shù)據(jù)互聯(lián)修正后分別傳至北京、倫敦等幾個(gè)不同的上行站機(jī)房，在INMARSAT無介入下自行調(diào)制以變頻，以C波段頻率上行至海事衛(wèi)星，通過衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器降頻以L波段進(jìn)行全球播發(fā)，實(shí)現(xiàn)全球大范圍覆蓋，以保障差分?jǐn)?shù)據(jù)實(shí)時(shí)、安全和穩(wěn)定的下行播發(fā)。

4 結(jié) 論

整套差分定位系統(tǒng)是基于北斗衛(wèi)星的定位導(dǎo)航功能，運(yùn)用星基增強(qiáng)差分算法，通過INMARSAT海事衛(wèi)星L波段進(jìn)行下行全球播發(fā)覆蓋，可以做到全球全覆蓋，讓終端用戶獲得實(shí)時(shí)穩(wěn)定的高精度的定位導(dǎo)航需求，使水平精度可以達(dá)到厘米級(jí)別，垂直精度達(dá)到分米級(jí)別以上，北斗衛(wèi)星和海事衛(wèi)星的保密性也讓所有數(shù)據(jù)僅在提供者與使用者之間傳輸，能夠很好的保障用戶信息的安全不被竊取，將是新型導(dǎo)航定位行業(yè)的一個(gè)方向和開端。