李 超，黃勁松，徐亞明，張 濤，吳明魁，蔡仁瀾

(1.重慶市勘測院，重慶 420000；2.武漢大學測繪學院，湖北 武漢 430079；3.航天恒星科技有限公司(503所)，北京 100086)

PL-RTK:一個基于偽衛(wèi)星的實時動態(tài)定位系統(tǒng)

李 超1，黃勁松2，徐亞明2，張 濤2，吳明魁2，蔡仁瀾3

(1.重慶市勘測院，重慶 420000；2.武漢大學測繪學院，湖北 武漢 430079；3.航天恒星科技有限公司(503所)，北京 100086)

介紹了一個偽衛(wèi)星實時動態(tài)定位系統(tǒng)PL-RTK。PL-RTK中，偽衛(wèi)星星座由一組(不小于4)商業(yè)GPS L1信號發(fā)射器組成，基準站和流動站均采用商業(yè)GPS接收機，數(shù)據(jù)鏈采用無線局域網(wǎng)(WLAN)，偽衛(wèi)星星座之間的時頻統(tǒng)一通過控制中心進行調(diào)控。PL-RTK需要在已知點上進行靜態(tài)初始化。試驗結果表明，PL-RTK平面方向的定位精度優(yōu)于1.0 cm，高程方向的定位精度優(yōu)于1.1 cm。

偽衛(wèi)星；RTK；定位系統(tǒng)

一、前 言

GNSS系統(tǒng)的高精度、可靠性和完好性等諸多優(yōu)越性依賴于跟蹤的可視衛(wèi)星數(shù)和衛(wèi)星的幾何分布[1-2]。在觀測條件不理想的情況下，如城市的高樓群、較深的露天礦坑或深山峽谷等區(qū)域，可視衛(wèi)星的數(shù)目和幾何圖形結構通常都不理想，難以滿足高精度和高可靠性導航定位的需要；在某些極端條件下，如在大型廠房、地下停車場、機場大廳、礦井、隧道等室內(nèi)或地下環(huán)境中，則完全接收不到衛(wèi)星信號[1-2]。偽衛(wèi)星定位技術則為解決上述問題提供了有效的途徑。

偽衛(wèi)星不僅可以輔助GNSS進行定位[2-7]，當偽衛(wèi)星數(shù)目足夠時，還可以建立完全由偽衛(wèi)星組成的獨立定位系統(tǒng)。目前，國內(nèi)外已有多家公司研制出了偽衛(wèi)星獨立定位系統(tǒng)。斯坦福大學研制出了一種能夠進行自主定位的自校正偽衛(wèi)星陣列(self calibrating pseudolite array，SCPA)，可以同時為系統(tǒng)覆蓋區(qū)域內(nèi)的多個流動站提供厘米級的定位精度[8-10]。澳大利亞Locata公司研制出了Locata定位技術，能夠利用載波相位觀測值進行亞厘米級的單點定位[11-15]。韓國國立首爾大學實驗室(Seoul National University GPS Lab，SNUGL)則研制出了一個由非同步偽衛(wèi)星組建的室內(nèi)導航系統(tǒng)，精度達到厘米級，是亞洲第一個研制出的實用的室內(nèi)導航系統(tǒng)[16]。上海交通大學空天科學技術研究院和上海伽利略導航有限公司聯(lián)合研制出了亞分米級定位精度的室內(nèi)偽衛(wèi)星定位系統(tǒng)，他們的實測數(shù)據(jù)表明，在室內(nèi)環(huán)境中，無周跳影響下，使用該方法可以達到厘米級的定位精度[17]。

本文介紹了由項目組研制的一個偽衛(wèi)星實時動態(tài)定位系統(tǒng)PL-RTK。PL-RTK中，偽衛(wèi)星星座由一組(不小于4)商業(yè)GPS L1信號發(fā)射器組成，偽衛(wèi)星天線相位中心的位置通過文獻[18]的方法進行標定，基準站和流動站均采用商業(yè)GPS接收機，數(shù)據(jù)鏈采用無線局域網(wǎng)(WLAN)，偽衛(wèi)星星座之間的時頻統(tǒng)一通過控制中心進行調(diào)控。在誤差處理方面，通過雙差消除偽衛(wèi)星鐘差和接收機鐘差的影響，并忽略對流層延遲誤差(偽衛(wèi)星與接收機之間的距離很短)、多路徑效應的影響。另外，PL-RTK需要在已知點上進行靜態(tài)初始化。試驗結果表明，PL-RTK平面方向的定位精度優(yōu)于1.0 cm，高程方向的定位精度優(yōu)于1.1 cm。

二、PL-RTK系統(tǒng)結構

如圖1所示，PL-RTK系統(tǒng)由偽衛(wèi)星星座、控制中心、基準站和流動站，以及通信數(shù)據(jù)鏈4部分組成。

1.偽衛(wèi)星星座

如圖2所示，偽衛(wèi)星星座由偽衛(wèi)星信號發(fā)射器和發(fā)射天線組成。偽衛(wèi)星的數(shù)量不能少于4顆。在PL-RTK中，偽衛(wèi)星信號發(fā)射器使用Pendulum公司生產(chǎn)的Pendulum GSG-L1(如圖3(a)所示)，為了保證信號的覆蓋范圍，發(fā)射天線使用微帶天線(如圖3 (b)所示)。

圖1 PL-RTK系統(tǒng)結構

圖2 偽衛(wèi)星星座

圖3

偽衛(wèi)星發(fā)射天線相位中心的位置誤差是偽衛(wèi)星定位中的一項主要誤差源。在利用偽衛(wèi)星進行導航定位時，由于偽衛(wèi)星與用戶之間的距離很近，在某些情況下，偽衛(wèi)星天線相位中心位置的很小誤差可能會引起定位模型的很大誤差，從而嚴重影響系統(tǒng)的定位精度[19]。為了進行精密定位，就必須準確確定出發(fā)射天線的相位中心的位置。偽衛(wèi)星天線相位中心的標定方法見文獻[18]。另外，為了盡量減少偽衛(wèi)星位置誤差的影響，需要根據(jù)定位環(huán)境合理分布偽衛(wèi)星的位置。

2.控制中心

控制中心的主要功能是對偽衛(wèi)星星座之間的時頻統(tǒng)一進行調(diào)控并設定偽衛(wèi)星的相關參數(shù)，如PRN號、信號發(fā)射功率、多普勒頻率和信號衰減因子等。需要一臺安裝有多種隨機軟件(如GSG-L1設置軟件)的PC進行控制。

3.基準站和流動站

如圖4所示，基準站和流動站均采用商業(yè)GPS接收機(NovAtel ProPak V3)?；鶞收窘邮諜C架設于已知點上，流動站接收機作業(yè)前需要在已知點上進行靜態(tài)初始化。

圖4 接收機和接收機天線

4.數(shù)據(jù)鏈

數(shù)據(jù)鏈采用無線局域網(wǎng)(WLAN)，由一個無線路由器和數(shù)個無線串口服務器組成，主要功能是實現(xiàn)基準站、流動站接收機與客戶端PC機或PDA手持設備之間穩(wěn)定的雙向通信，同時還可以實現(xiàn)控制中心與偽衛(wèi)星星座之間的通信。

三、PL-RTK定位原理

1.數(shù)學模型

PL-RTK使用載波相位觀測值進行定位，定位模型采用雙差模型。載波相位基本觀測方程為

式中，m表示測站；i表示偽衛(wèi)星；λ1表示L1載波波長；c表示真空中的光速；表示測站m和偽衛(wèi)星i之間的幾何距離；dtm表示接收機鐘差；dti偽衛(wèi)星鐘差；表示整周模糊度；表示偽距變率(cycle/ s)；ε表示其他殘余誤差，包括偽衛(wèi)星位置誤差，大氣延遲誤差(對流層延遲誤差)、多路徑效應、接收機噪聲等。由于偽衛(wèi)星安置于地面，因此不受電離層延遲誤差的影響。

偽衛(wèi)星i、j和接收機m、n之間的雙差載波相位觀測方程為

通過雙差可以消除偽衛(wèi)星鐘差和接收機鐘差的影響，削弱偽衛(wèi)星位置誤差和對流層延遲誤差的影響。

2.關鍵技術

PL-RTK在進行動態(tài)定位之前，必須首先正確固定雙差整周模糊度參數(shù)。整周模糊度參數(shù)的固定方法有很多，但只有存在雙頻觀測值，可見衛(wèi)星數(shù)大于5顆且?guī)缀螆D形結構較好時，才能夠快速可靠地實時解算整周模糊度參數(shù)[12]。PL-RTK中，由于偽衛(wèi)星信號發(fā)射器僅發(fā)射GPS L1信號且偽衛(wèi)星的幾何結構不是很好，因此，雙差整周模糊度參數(shù)使用靜態(tài)初始化。另外，利用偽衛(wèi)星進行定位時，存在遠近效應、多路徑效應、對流層延遲誤差、偽衛(wèi)星位置誤差及時間同步等問題需要解決。在PL-RTK中，通過對偽衛(wèi)星信號發(fā)射功率的調(diào)整來削弱遠近效應的影響。偽衛(wèi)星位置通過文獻[13]的方法進行精確標定；對流層延遲誤差的影響忽略不計；多路徑效應的影響暫時不予考慮。PL-RTK系統(tǒng)的時頻統(tǒng)一對整周模糊度的固定和最后的定位精度有著重要的影響，下面將進行具體介紹。

偽衛(wèi)星通常使用不穩(wěn)定的恒溫晶振(OCXO)作為時間基準，沒有足夠的精度使用戶接收機和基準站接收機之間的采樣時間同步。通常，接收機將會調(diào)整內(nèi)部時鐘，使其與首次跟蹤到的偽衛(wèi)星保持同步。對于非同步偽衛(wèi)星星座而言，當基準站接收機和流動站接收機首次跟蹤到的衛(wèi)星不同時，接收機之間的采樣時間不同步，誤差可能會較大，這將嚴重影響相對定位的精度，需要進行處理。

通常可以使用外部時鐘基準來維持系統(tǒng)的時頻統(tǒng)一，但是需要安裝光纖網(wǎng)絡，這會增加系統(tǒng)的成本和復雜性[17]。通過一顆主控偽衛(wèi)星發(fā)送的導航電文也可以達到同步偽衛(wèi)星時鐘的目的[16]。另外，Lacata技術則使用TimeLoc方法來對LocataLites(偽衛(wèi)星雙向信號發(fā)射器)進行同步[11-12]。

PL-RTK中，需要利用基準站的偽距觀測值計算偽衛(wèi)星之間的相對鐘差，然后對時鐘進行同步。時鐘同步分為以下3個步驟：

1)指定一顆偽衛(wèi)星為參考星。

2)利用星間單差偽距觀測值計算出基準星和其他衛(wèi)星間的相對鐘差，利用其對偽衛(wèi)星的時鐘進行調(diào)整，從而使各偽衛(wèi)星的時間同步。

3)利用多普勒觀測值的星間單差計算出基準星和其他衛(wèi)星間的相對頻偏，利用其對偽衛(wèi)星的鐘頻進行調(diào)整，從而使各偽衛(wèi)星的頻率一致。

為了對此方法的效果進行驗證，筆者進行了相應的試驗。試驗中，基準站安置在B51，流動站分別固定在B77、B32和B37。同步前和同步后的雙差整周模糊度值見表1。從表1中可以看出，同步前，浮點解整周模糊度參數(shù)的整周特性不明顯且與真實值相差較大；同步后，整周模糊度參數(shù)的整數(shù)特性非常明顯，而且和真實值的差異很小。因此，通過上述方法，時間同步誤差對雙差觀測值的影響能夠大大消除。

表1 同步前和同步后的雙差相位觀測值(DDN)周

四、試驗及結果分析

項目組在一間6 m×5 m×3 m的實驗室內(nèi)組建了PL-RTK原型系統(tǒng)。如圖5所示，該系統(tǒng)的偽衛(wèi)星星座由6顆偽衛(wèi)星組成，實驗室內(nèi)用全站儀建立了一個當?shù)鬲毩⒆鴺讼?Z軸為垂直方向，坐標精度為0.2 mm)，并在地面建立了一系列坐標已知點。在此原型系統(tǒng)的支持下，進行了動態(tài)定位試驗，對系統(tǒng)的精度進行評估，試驗過程中流動站移動軌跡如圖5所示。流動站在已知點B2完成整周模糊度的初始化后開始連續(xù)移動，每當移動到一個已知點上時，進行10～20歷元的靜態(tài)觀測，并逐歷元計算出流動站的位置坐標。將坐標計算值和已知真值求差，即可計算出每個歷元流動站坐標的測量誤差。試驗中，連續(xù)在18個已知點上進行了觀測，這些點的定位誤差及標準差如圖6所示。

圖5 流動站的移動軌跡

每個點的坐標偏差通過幾個歷元的平均值與真實值做差求得。由圖6可知，水平方向的坐標偏差小于1 cm，垂直方向的坐標偏差小于2.0 cm。所有18個點的坐標偏差的統(tǒng)計分析結果見表2。由表2可知，PL-RTK原型系統(tǒng)進行實時動態(tài)定位時，水平方向定位精度約為0.8 cm，垂直方向的定位精度約為1.1 cm。

圖6 坐標偏差及標準差

表2 坐標偏差統(tǒng)計分析 cm

五、結束語

本文介紹了一個偽衛(wèi)星實時動態(tài)定位原型系統(tǒng)PL-RTK。PL-RTK中，通過偽衛(wèi)星星座的時頻統(tǒng)一對接收機間的時間同步誤差進行處理，雙差整周模糊度參數(shù)需要在已知點上進行靜態(tài)初始化。試驗結果表明，PL-RTK水平方向的定位精度優(yōu)于1.0 cm，垂直方向的定位精度優(yōu)于1.1 cm。

[1] WANG J.Pseudolite Applications in Positioning and Navigation：Progress and Problems[J].Journal of Global Positioning Systems，2002，1(1)：48-56.

[2] 王丹.偽衛(wèi)星動態(tài)定位方法及其增強GPS技術的研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學，2009.

[3] 何秀鳳，陳永奇，桑文剛，等.GPS偽衛(wèi)星組合定位方法及在變形監(jiān)測中的應用[J].南京航空航天大學學報，2008，39(6)：795-799.

[4] 楊光.GPS和偽衛(wèi)星組合定位技術及其在形變監(jiān)測中的應用[D].南京：河海大學，2004.

[5] COHEN C E，PERVAN B S，COBB H S，et al.Realtime Cycle Ambiguity Resolution Using a Pseudolite for Precision Landing of Aircraft with GPS[C].∥Proceedings of the Second International Symposium on Differential Satellite Navigation Systems(DSNS93).Amsterdam：[s.n.]，1993.

[6] DAI L，WANG J，RIZOS C，HAN S.Pseudo-satellites Applications in Deformation Monitoring[J].GPS Solutions，2001，5(3)：80-87.

[7] STONE J M，LEMASTER E A，POWELL J D，et al. GPS Pseudolite Transceivers and Their Applications[C]∥Proceedings of the 1999 Institute of Navigation National Technical Meeting.San Diego，CA：[s.n.]，1999.

[8] LEMASTER E A.Self-calibrating Pseudolite Arrays：Theory and Experiment[M].[S.l.]：Stanford University，2002.

[9] LEMASTER E A，ROCK S M.A Local-area GPS Pseudolite-based Navigation System for Mars Rovers[J].Autonomous Robots，2003，14(2-3)：209-224.

[10] LEMASTER E A，ROCK S M.An Improved Solution Algorithm for Self-Calibrating Pseudolite Arrays[C]∥Proceedings of the 2002 Institute of Navigation National Technical Meeting.San Diego，CA：[s.n.]，2002.

[11] BARNES J，RIZOS C，WANG J，et al.Locata：A New Positioning Technology for High Precision Indoor and Outdoor Positioning[C]∥Proceedings of 2003 International Symposium on GPS GNSS.[S.l.]：IGNSS，2003：9-18.

[12] BARNES J，RIZOS C，WANG J，et al.Locata：The Positioning Technology of the Future[C]∥Proceedings of the 6th International Symposium on Satellite Navigation Technology Including Mobile Positioning＆ Location Services.Melbourne，Australia：[s.n.]，2003.

[13] BARNES J，RIZOS C，KANLI M，et al.Indoor Industrial Machine Guidance Using Locata：A Pilot Study at BlueScope Steel[C]∥60th Annual Meeting of the US Inst.of Navigation.[S.l.]：the US Institute of Navigation，2004：533-540.

[14] BARNES J，RIZOS C，KANLI M，et al.Locata：A New Positioning Technology for Classically Difficult GNSS Environments[C]∥Proceedings of the International Global Navigation Satellite Systems Society IGNSS Symposium.[S.l.]：IGNSS，2006.

[15] MONTILLET J P，MENG X，ROBERTS G W，et al.A-chieving Centimetre-level Positioning Accuracy in Urban Canyons with Locata Technology[J].Journal of Global Positioning Systems，2007，6(2)：158-165.

[16] KEE C，JUN H，YUN D.Indoor Navigation System Using Asynchronous Pseudolites[J].The Journal of Navigation，2003，56(3)：443-455.

[17] 劉峻寧，翟傳潤，宋嫡兒，等.基于改進時星差分的室內(nèi)偽衛(wèi)星精密單點定位研究[J].武漢大學學報：信息科學版，2009，34(1)：105-108.

[18] WU M，HUANG J，XU Y，et al.Precise Antenna Calibration forGround-based Pseudolite[M].Berlin：Springer Berlin Heidelberg，2014：487-491.

[19] WANG J，LEE H K.Impact of Pseudolite Location Errors in Positioning[J].Geomatics Research Australasia，2002，77(1)：81-94.

PL-RTK:A Pseudolite-based RTK System

LI Chao，HUANG Jinsong，XU Yaming，ZHANG Tao，WU Mingkui，CAI Renlan

P228.4

B

0494-0911(2014)12-0001-04

李超，黃勁松，徐亞明，等.PL-RTK：一個基于偽衛(wèi)星的實時動態(tài)定位系統(tǒng)[J].測繪通報，2014(12)：1-4.

10.13474/j.cnki.11-2246.2014.0383

2014-04-28

李 超(1985—)，男，土家族，湖北恩施人，碩士，工程師，主要研究方向為變形監(jiān)測遠程自動化系統(tǒng)。