一種差分導航信息收發(fā)系統(tǒng)的設計及實現(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 日北斗三號全球導航系統(tǒng)的全面建成開通，意味著我國導航設備的應用將出現(xiàn)井噴式增長，相應的對導航設備的需求也日益多元化，如定位方法從靜態(tài)擴展到動態(tài)，服務領域從導航測繪擴展到國民經(jīng)濟的各個領域；性能要求也會越來越高，如定位精度從米級到亞米級甚至毫米級，授時精度由微秒級到納秒級。在過去十幾年的時間里，以GPS 為代表的衛(wèi)星導航定位技術使高精度測量技術和方式發(fā)生了革命性變革，在此背景下，借鑒GPS 的研究經(jīng)驗，文中設計開發(fā)了一款基于無線、4G傳輸，支持北斗、GPS、GLONASS 等導航系統(tǒng)的差分導航信息收發(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 差分導航信息收發(fā)系統(tǒng)的組成因素

差分導航信息收發(fā)系統(tǒng)首先需要一個放置在已知點的基準站，其次是通過某種手段接收差分信息的移動站。為了保證差分信息的定位精度，移動站距離基準站不應超過50 km。基準站應盡量處于高處，無遮擋，遠離大水體及復雜的電磁環(huán)境[5-8]。

1.2 差分定位分類

根據(jù)系統(tǒng)所服務的地理范圍，差分導航系統(tǒng)可分為局域、區(qū)域和廣域三大類，分別對應著不同長度的基線距離，一般來說基線距離越長，移動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量不同，差分導航可分為位置差分、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)用戶接收機定位結果的形式不同，差分定位可以分為絕對定位和相對定位。

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

導航接收機的誤差主要包括信號傳輸途中的電離層誤差、對流層誤差、多徑誤差、導航星座的衛(wèi)星時鐘誤差、星歷誤差，接收機噪聲等。為了提高接收機的定位精度，應盡量消除以上誤差。差分定位技術通過基準站的精準定位信息及導航衛(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站導航接收機，進而消除接收機之間公共誤差[14-15]。

導航接收機的偽距及載波相位觀測方程如（1）、（2）所示：

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

表1 各誤差源對定位結果的影響

2 系統(tǒng)設計

2.1 系統(tǒng)概述

該系統(tǒng)為全頻點差分導航信息收發(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 導航協(xié)議。系統(tǒng)主要由基準站、無線電臺及發(fā)射天線、移動站組成?；鶞收就ㄟ^4G 信號直接發(fā)送差分信息或通過串口向無線電臺輸出差分信息，無線電臺通過900 MHz 頻段無線信號將接收到的差分信息轉發(fā)出去；移動站通過4G 或無線電的方式將接收到的差分信息用于差分定位。同時移動站還可以通過一路RS422 口或者WiFi 傳輸方式將差分信息轉發(fā)出來，因此移動站也可作為一個短距離的差分信息中繼站。

2.2 系統(tǒng)框架

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

圖1 基準站組成框架

無線電臺主要由電源模塊、電臺模塊、功放、串口通信模塊、發(fā)射天線組成。設計框圖如圖2 所示。

圖2 無線電臺設計框圖

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

圖3 移動站設計框圖

2.3 系統(tǒng)實現(xiàn)

設備實物如圖4 所示。

圖4 系統(tǒng)實物

由于無線電的發(fā)射功率較大(1～5 W 可調)，為防止其對導航信號及4G 信號的接收造成干擾，在架設系統(tǒng)時應將基準站與無線電臺盡量分開架設，該系統(tǒng)設計最遠可分開85 m，保證無線電臺的發(fā)射信號不會影響基準站的信號接收。由于無線信號易受障礙物遮擋，故無線電臺應盡量架設到高處空曠且盡量遠離基準站的地帶。

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

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

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

圖5 移動站差分定位精度

圖6 移動站單點定位跑車精度

3 系統(tǒng)應用

該系統(tǒng)采用4G 及無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 傳輸在基準站和移動站導航信號的空間傳輸誤差參數(shù)相關的情況下，擺脫了無線信號傳輸距離及可視路徑上障礙物的約束；無線電傳輸在移動運營商基站信號較差的海上應用環(huán)境中，可繼續(xù)為移動站提供差分信息，無線電的組網(wǎng)功能可使基準站同時為多個移動站提供差分服務；移動站的中繼功能為某些不具備無線或4G 接收功能的導航設備提供了差分定位的可能性?；谠撓到y(tǒng)的以上特點，該系統(tǒng)可應用于野外測量、駕校考試及各種水上載體的高精度導航定位的應用。

4 結論

該差分導航信息收發(fā)系統(tǒng)采用高速率的無線傳輸及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)星導航系統(tǒng)的時鐘公差、傳輸路徑上的空間誤差等大部分相關誤差，通過陸上跑車、湖上跑船試驗驗證該差分系統(tǒng)的差分定位精度可達到5 cm 以下，大大提高了定位設備的精度。通過高速無線傳輸、4G 的傳輸方式及移動站的中繼功能擴大了高精度導航設備的適用范圍。