地基增强系统发展及应用

王 雷,倪少杰,王飞雪

(国防科学技术大学 电子科学与工程学院,湖南 长沙 410073)

0 引 言

人类对于定位精度的追求永无止境。全球卫星导航系统(GNSS)的定位、授时、导航功能已经得到了极大的应用，船舶、汽车定位导航给人们的生活带来了极大地方便。但单独的GNSS定位精度并不能满足人们的所有需求，由于GNSS信号自卫星发射，地面的起伏导致某些地区存在盲区，室内定位无法满足需求；GNSS的定位精度也不能满足飞机的精密进近、变形监测等需要更高精度应用的需求；商业领域的基于位置服务(LBS)和新提出的"智能高速路"系统对定位精度要求更高。所以，建立能够提供更高定位精度的系统具有重大的意义。

1 GNSS关键原理、误差源及解决方法

GNSS利用用户接收机接收位置精确已知的四颗卫星的导航信号，构成四个方程，对其进行解算得出位置三维坐标及接收机钟差四个未知数，实现定位及授时的功能。

影响GNSS精度的因素主要有：与GNSS卫星有关的因素，包括卫星星历误差、卫星钟差和卫星信号发射天线相位中心偏差；与传播途径有关的因素，包括电离层延迟、对流层延迟和多径效应；与接收机有关的因素，包括接收机天线相位中心偏差，接收机软件和硬件造成的误差；其它因素包括Sagnac效应和相对论效应等[1]。同时卫星的可见数也严重影响系统的定位功能。

卫星星历误差、卫星钟差、电离层误差和对流层误差都具有很强的空间相关性，差分法是通过位置精确已知的参考站接收GNSS信号，进而结算出上述具有强空间相关性的误差量提供给用户接收机作为差分改正数，用户据此对定位结果进行改正，可以提高定位精度。具体的应用中包括位置差分，伪距差分和载波相位差分三种：

1)位置差分利用基准站得出位置坐标差分改正数,用户对解算的用户站坐标进行改正。

2)伪距误差利用基准站得到伪距差分改正数,用户利用此信息修正测量的伪距。

3)载波相位差分方法分为两类。一种是把载波相位修正量发送给用户站,以改正其载波相位,之后求解坐标。另外一种把参考站采集的载波相位发送给用户台接收机进行求差解算坐标。

2 地基增强系统及其关键技术

地基增强系统是指参考站位于地面的对于GNSS进行功能增强的运行系统，主要可分为两类。差分型的均基于差分原理使得接收机获得更高的定位精度，系统间具有很大的相似性。伪卫星和Locata则发送具有与GNSS信号相同功能的信号，与GNSS不同的是系统工作在地面，可以减弱和消除GNSS中存在的许多误差。主要以GPS的增强系统为例对其原理及应用进行介绍。

2.1 差分型

差分型的GNSS增强系统主要包括广域增强系统(WAAS)，局域增强系统(LAAS)，联合精密进近系统(JPALS)和连续运行卫星定位服务综合系统(CORS)，这些系统相互之间具有一定的相似性，结构都包含参考站、数据通信链路和用户。

2.1.1 WAAS系统

WAAS的主要特点是利用地球同步卫星构成数据通信链路。系统将星历误差、大气延时误差、卫星钟差误差进行分离并分别进行模型化，主控站利用参考站的位置信息和接收到的GPS信号计算出差分改正，并将改正信息经上行注入站传送给WAAS地球同步卫星，地球同步卫星将信息传送给地球上的用户，用户通过改正信息精确计算自己的位置，在覆盖范围内提高用户的定位精度，实现优于3 m的定位[2]。WAAS系统由于采用模型化误差的方法，控制误差在某一范围内，应用范围广且差分精度与距离无关，但系统构建费用昂贵，并且WAAS通过卫星广播差分信息存在盲区和多径的问题。

该系统在比较开放性的地势环境与海上的位置比较有利，主要用于空中导航，也可以给一般的用户使用，如船舶和普通的GPS导航用户。

2.1.2 LAAS系统

LAAS与WAAS不同的是LAAS利用地面的参考站代替了其中的地球同步卫星进行差分信息的广播，参考站计算出所接收到的GPS信号的距离改正，此距离改正与空间具有很大的相关性，所以在距离参考站一定范围内改正效果高于WAAS，但改正精度随着用户与参考站距离的增大而急剧降低。且LAAS系统需要保证用户接收机和参考站接收相同卫星的信号以保证误差的相关性。在有效覆盖范围内LAAS系统可以实现水平方向和垂直方向精度均优于1 m，且系统构建成本较WAAS小，主要为机场(大概覆盖半径为30～50 km)范围内提供精密进场、离场程序、和终端区作业服务。

2.1.3 JPALS系统

JPALS包括陆基JPALS (LB-JPALS)，空基JPALS(SB-JPALS)，与LAAS系统有很大的相似性，但JPALS主要提供美军使用，利用P码信号，相对于LAAS可以实现更高的定位精度。系统的构成中加入了专门的陆基JPALS完好性监测(JLIM)用于确保空间信号异常或系统异常时向用户提供警告。

文献[3]中对JPALS系统的可能采用的关键技术进行了分析和研究，认为该系统采用GPS实时动态定位(RTK)[4]技术，采用两个独立的数据通信链路，并利用了抗干扰和多路径的天线技术以及JPALS机动化技术。

JPALS代表着引导飞行精密进近的最高水平。LB-JPALS可以达到2.0～4.0 m的精度，SB-JPALS可以达到0.4 m精度。

该系统主要为美军提供军事保障，可以用于引导航母舰载飞机自动着陆，并且由于采用了军民复用技术，能够为民用飞机提供精密进近着陆。

2.1.4 CORS系统

CORS是应用多基站网络RTK技术建立的。

1)RTK技术

RTK技术基于载波相位观测量进行实时差分，用户站同时接收GPS信号和参考站传输的观测数据，根据相对定位原理，实时解算整周模糊度未知数并得到用户站的三维坐标及精度。该技术在应用中遇到的最大问题就是参考站校正数据的有效作用距离问题。

网络RTK技术中，线性衰减的单点GPS误差模型被区域型的GPS网络误差模型取代，通过多个参考站组成的GPS网络估计一个地区的GPS误差模型，并为该网络覆盖地区的用户提供校正数据[5]。

2)CORS系统原理及应用

相比于前述几种系统，对于CORS系统而言，独特的数据处理中心是其核心，CORS利用特定的算法对参考站网的数据进行处理得出精确的差分改正，使用户得到更好的定位精度。 应用较广泛的CORS技术有Trimble公司的虚拟参考站(VRS)技术和Leica公司的主辅站改正(MAX)技术，这两种技术都是将所有的固定参考站数据发送到数据处理中心，进行联合解算，再以RTCM 等标准格式播发到移动站，但两者也存在一定的差别。

1)VRS技术工作原理

VRS技术在特定区域建立永久的固定参考站(通常相距50～70 km)，用户接收机通过GSM短信息功能向控制中心发送一个概略坐标，控制中心根据用户的位置，选择一组最佳的参考站，利用特定的模型算法，相当于在用户位置附近建立一个虚拟参考站，并利用此参考站产生高精度的差分改正信息，控制中心将标准格式的改正信息发送给用户接收机进行载波相位差分改正，从而产生厘米级的定位结果，解决了RTK技术作业距离限制上的问题[6]。文献[7]中指出CORS系统可以实现定位精度水平5 cm、垂直8 cm甚至更高精度，其高定位精度使其可以应用于监测地壳形变、支持遥感应用、求定大气中水汽分布、监测电离层中自由电子浓度和分布等领域。

2)MAX 技术工作原理

主辅站技术利用最新多基站、多系统、多频( L1， L2， L5)及多信号非差处理算法，采用了Leica公司的SpiderNET软件包，利用了广泛采用的LAMBDA算法(Teunissen，1994)解算整周模糊度，利用卡尔曼滤波进行严格实施平差。其系统原理是利用网络处理软件将网络中所有参考站相位距离归算到一个公共的整周未知数水平，并据此对每一对卫星/接收机以及每一个频率计算出弥散性(误差值与频率有关)和非弥散性(误差值与频率无关)误差，并将此误差的差分改正数作为网络的改正数据播发给流动站。

主辅站技术克服了VRS技术需要双向通信的缺陷，且无网大小限制，也没有网中台站及流动用户的数量限制[8]。

2.2 伪卫星及Locata技术

与差分的增强系统不同，伪卫星和Locata系统发射类似GPS的信号并以与GPS相同的原理运行，可以起到减少盲区、提高精度、增强抗干扰能力的作用。系统的布站相对于差分的增强系统具有更高的灵活性，所以应用前景更为广泛，但仍有技术问题需要解决。

2.2.1 伪卫星

伪卫星定位系统主要由伪卫星、主控站、参考接收机、用户接收机构成。主控站配置伪卫星的C/A码序列号，并将D码(导航电文)信号发送给伪卫星系统。高精度参考接收机测量伪卫星同步误差，将信息反馈给主控站用以调整伪卫星C/A码发送时间。用户接收机则进行伪距测量导航电文解算和定位[9]。

伪卫星定位技术包括以下应用模式[10]。

1)伪卫星增强GPS系统

在地形复杂、严重遮挡的地区， GPS卫星可见数受到限制，位置精度因子(PDOP)受几何分布影响而变大，定位精度变差。伪卫星可以通过改善卫星的几何分布，达到提高GPS导航定位精度的目的。

2)独立伪卫星导航定位系统

在矿井隧道、地下掩体等环境，GPS信号完全被遮挡，伪卫星则可以独自进行定位。独立伪卫星定位系统采用与GPS相同的定位技术，定位质量很大程度上也取决于接收机与伪卫星之间构成的几何图形。目前，伪卫星应用仍面临一些技术问题，这些问题制约和局限着伪卫星定位技术的进一步发展和应用[11]。

与GPS 卫星不同，伪卫星通常装备的是低端时钟，在采样时间里与参考站和用户接收机的标准时间信号不能精确同步，目前已经有很多不同的技术针对这个问题，最需要的是建立对不同环境都适用的同步策略[12]。

伪卫星在地面运行，接收机与伪卫星之间的距离变化大，接收到的信号强弱变化范围很大，会存在强信号对弱信号产生干扰的现象， 即远近效应。针对这一问题，目前应用较多的一些解决方法有从伪卫星信号格式着手的脉冲调制技术；基于多用户检测设计的串行干扰抵消(SIC)技术[13]；时分多址技术(TDMA)[14 ]等。

针对伪卫星的多径衰减问题，数据滤波与自适应抗多径以及时空组合处理都是很好的方法。文献[15]还研究了一种动态抗多径方案，利用伪卫星直接信号与多径信号建立模型，在接收端对数据进行平滑滤波等处理达到减弱多径干扰的目的。

2.2.2 Locata

Locata是由澳大利亚的Locata公司研制的一种既能增强GPS定位又可独立进行定位的高精度定位系统。该系统利用称为TimeLoc的系统时间同步技术实现局域或者广域网络中多个LocataLite之间纳秒级的同步，此技术由Locata公司保有专利，这也是Locata系统最大的优势。

LocataLite是可以实现GPS星座所有功能的收发器，在两个频率(S1和S6)上发射信号，两个频率均位于2.4 GHz的ISM带宽内，并且LocataLite可以根据特定的应用在任意频率以任何适合的功率发射信号。Locata信号体制结合了CDMA和TDMA，如图1所示。所以充分利用了各自的优势，一定程度上减小了远近效应。

图1 Locata信号的CDMA+TDMA信号结构

由LocataLite组成的同步网络LocataNet可以在室内外环境运行的定位网络。Locata Rover是Locata系统中的移动接收机，输出与GPS一样的定位、导航、授时信息[16]。Locata可以用来单独进行定位，也可以与结合GNSS信号进行定位，达到增强GNSS的作用。系统采用载波相位单点定位技术进行定位，由于Locata实现了时钟同步，LocataLite之间就不存在时钟偏差；系统在地面上运行，电离层误差可以忽略；LocataLites与Locata之间基线距离短，所以对流层误差也可以忽略。可以看出Locata解决了GNSS系统中存在一些误差。

Locata系统仍面临着一些尚需解决的技术问题。

1)在Locata信号与GPS信号同时存在的情况下，两种信号有可能互相影响，文献[17]中对GPS信号和Locata信号同时存在时的捕获能力进行了分析，得到以下结论：当GPS信号功率超过Locata，GPS会对Locata信号捕获造成影响，形成一定相干宽带干扰。反之，在Locata信号功率高出GPS信号30 dB以上，则会对GPS信号捕获影响，形成一定的窄带干扰。

2)多径衰减问题是Locata系统遇到的一个重要的问题，文献[18]指出Locata系统对于此问题的解决是通过应用信号多样性原理，LocataLite的硬件设计允许通过两个天线在同样的频率上利用不同的伪随机码(PRN)发射两个信号，对两个信号进行解算减弱多径衰落影响。

3)WiFi现在得到了普遍的应用，而广泛分布的WiFi信号与Locata信号之间有着互相的干扰，这是急需解决的问题[19]。

Locata低精度的粗定位可以实现1/2 m的定位精度，高精度的载波相位单点定位可以实现2～3 cm的定位精度。该系统可以应用于动态定位、变形监测、露天开矿、室内定位、城市定位等领域[20]。

3 结束语

GNSS系统增强系统是对GNSS的有效的补充，北斗系统的发展也面临着增强系统发展的问题。所述的增强系统对北斗系统增强系统的发展具有一定的参考价值，北斗增强系统的发展过程借此可以进行更好的规划。在发展地基增强系统的初期进行全国范围的顶层设计可以有效地节约资源，提高效率，提供全国范围内有效的定位精度，更好的服务于卫星导航定位用户。

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