+ 劉天雄

2.3.4 偽衛(wèi)星及Locata系統(tǒng)

偽衛(wèi)星定位系統(tǒng)由偽衛(wèi)星、主控站、參考接收機(jī)、用戶接收機(jī)構(gòu)成。主控站配置偽衛(wèi)星的測(cè)距碼碼序列號(hào)，并將D碼(導(dǎo)航電文)信號(hào)發(fā)送給偽衛(wèi)星系統(tǒng)。高精度參考接收機(jī)測(cè)量偽衛(wèi)星同步誤差，將信息反饋給主控站用以調(diào)整偽衛(wèi)星測(cè)距發(fā)送時(shí)間。

在地形復(fù)雜、導(dǎo)航信號(hào)被嚴(yán)重遮擋的地區(qū)，偽衛(wèi)星可以改善幾何精度因子GDOP，達(dá)到提高定位精度的目的。在礦井隧道、地下掩體等環(huán)境，導(dǎo)航信號(hào)完全被遮擋，偽衛(wèi)星定位系統(tǒng)則可以獨(dú)自實(shí)現(xiàn)用戶的位置解算。偽衛(wèi)星定位系統(tǒng)與衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)定位原理一致，定位質(zhì)量很大程度上也取決于接收機(jī)與偽衛(wèi)星之間精度因子GDOP。目前，偽衛(wèi)星應(yīng)用仍面臨一些技術(shù)問題，包括時(shí)間同步、遠(yuǎn)近效應(yīng)和多徑效應(yīng)，這些問題制約和局限著偽衛(wèi)星定位技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和應(yīng)用。

偽衛(wèi)星系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)是建立對(duì)不同環(huán)境都適用的同步策略。偽衛(wèi)星在地面運(yùn)行，接收機(jī)與偽衛(wèi)星之問的距離變化大，接收到的信號(hào)強(qiáng)弱變化范圍很大，會(huì)存在強(qiáng)信號(hào)對(duì)弱信號(hào)產(chǎn)生干擾的現(xiàn)象，即遠(yuǎn)近效應(yīng)。目前應(yīng)用較多的一些解決方法有從偽衛(wèi)星信號(hào)格式著手的脈沖調(diào)制技術(shù)；基于多用戶檢測(cè)設(shè)計(jì)的串行干擾抵消(SIC)技術(shù)；時(shí)分多址技術(shù)(TDMA)等。數(shù)據(jù)濾波與自適應(yīng)抗多徑以及時(shí)空組合處理可以有效消弱多徑效應(yīng)。通過建立多徑信號(hào)模型，在接收端對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑濾波等處理等措施實(shí)現(xiàn)消弱動(dòng)態(tài)抗多徑。

Locata是澳大利亞Locata公司研制的既能增強(qiáng)GPS定位又可獨(dú)立進(jìn)行定位的高精度定位系統(tǒng)，系統(tǒng)利用TimeLoc系統(tǒng)時(shí)間同步技術(shù)實(shí)現(xiàn)局域或者廣域網(wǎng)絡(luò)中多個(gè)LocataLite之間納秒級(jí)的同步。LoeataLite是可以實(shí)現(xiàn)GPS星座所有功能的收發(fā)器，在2．4 GHz的兩個(gè)頻率(S1和S6)上發(fā)射導(dǎo)航信號(hào)，并且LocataLite可以根據(jù)特定的應(yīng)用在任意頻率以任何適合的功率發(fā)射信號(hào)。Locata信號(hào)體制結(jié)合了CDMA和TDMA的優(yōu)點(diǎn)，一定程度上減小了遠(yuǎn)近效應(yīng)。

由LocataLite組成的同步網(wǎng)絡(luò)LocataNet是可以在室內(nèi)外環(huán)境運(yùn)行的定位網(wǎng)絡(luò)。Locata Rover是Locata系統(tǒng)中的移動(dòng)接收機(jī)。Locata可以用來單獨(dú)進(jìn)行定位，也可以結(jié)合GNSS信號(hào)進(jìn)行定位，達(dá)到增強(qiáng)GNSS的效果。系統(tǒng)采用載波相位單點(diǎn)定位技術(shù)進(jìn)行定位，系統(tǒng)在地面上運(yùn)行，可以忽略電離層誤差；LocataLite與Locata之間基線距離短，所以也可以忽略對(duì)流層誤差。

Locata系統(tǒng)仍面臨著一些尚需解決的技術(shù)問題，首先是Locata信號(hào)與GPS信號(hào)的互相影響。對(duì)GPS信號(hào)和Locata信號(hào)同時(shí)存在時(shí)的捕獲能力研究表明：當(dāng)GPS信號(hào)功率超過Locata，GPS會(huì)對(duì)Locata信號(hào)捕獲造成影響，形成一定相干寬帶干擾；反之，在Locata信號(hào)功率高出GPS信號(hào)30dB以上，則會(huì)對(duì)GPS信號(hào)捕獲影響，形成一定的窄帶干擾。其次是多徑干擾問題，目前Locata系統(tǒng)對(duì)于此問題的解決是通過LocataLite的硬件設(shè)計(jì)允許通過兩個(gè)天線在同樣的頻率上利用不同的偽隨機(jī)碼(PRN)發(fā)射兩個(gè)信號(hào)，對(duì)兩個(gè)信號(hào)進(jìn)行解算，減弱多徑衰落影響。最后是Wi—Fi信號(hào)對(duì)Locata信號(hào)的干擾。Locata低精度的粗定位可以實(shí)現(xiàn)1/2 m的定位精度，高精度的載波相位單點(diǎn)定位可以實(shí)現(xiàn)2～3cm的定位精度。該系統(tǒng)可以應(yīng)用于動(dòng)態(tài)定位、變形監(jiān)測(cè)、露天開礦、室內(nèi)定位、城市定位等領(lǐng)域。

2.3.5 無線電信標(biāo)－差分全球定位系統(tǒng)

無線電信標(biāo)－差分GPS系統(tǒng)（Radio Beacon-Differential Global Position System，RBN-DGPS）是在GPS基本系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，利用差分技術(shù)，借助海上無線電指向標(biāo)播發(fā)差分修正數(shù)據(jù)和完好性信息，給海上用戶提供高精度、高可靠的定位和授時(shí)服務(wù)的助航系統(tǒng)，被廣泛應(yīng)用于船舶進(jìn)出港及狹窄水道的導(dǎo)航和定位、交通安全管理、航標(biāo)定位、航道測(cè)量、航道疏浚、漁業(yè)捕撈、海上石油勘探等領(lǐng)域，系統(tǒng)于2003年底覆蓋全球海岸線，GPS由此正式成為國際海事組織認(rèn)可的船舶導(dǎo)航主導(dǎo)航手段。

RBN-DGPS系統(tǒng)由參考基準(zhǔn)站、控制中心、無線電信標(biāo)發(fā)射臺(tái)三部分組成。參考基準(zhǔn)站由二臺(tái)高性能的GPS接收機(jī)和兩臺(tái)數(shù)據(jù)處理工作站組成，其中GPS信號(hào)接收天線安放在位置已精確測(cè)定的位置點(diǎn)上，一組GPS接收機(jī)和工作站接收視野內(nèi)的所有導(dǎo)航信號(hào)，計(jì)算出導(dǎo)航信號(hào)的差分信息；另一組GPS接收機(jī)和工作站接收視野內(nèi)的所有導(dǎo)航信號(hào)，監(jiān)測(cè)GPS信號(hào)的完好性和播發(fā)差分修正值的正確性。參考基準(zhǔn)站同時(shí)將差分修正信息、完好性信息以及指向標(biāo)狀態(tài)信息打包給無線電信標(biāo)發(fā)射臺(tái)的調(diào)制器，調(diào)制器采用最小移頻鍵控（Minimum Shift Keying，MSK）方式生成RBN-DGPS信號(hào)，無線電信標(biāo)發(fā)射機(jī)利用無線電指向標(biāo)載頻 (283.5～325.0kHz)將DGPS修正信息、完好性信息以及指向標(biāo)狀態(tài)信息播發(fā)給無線電信標(biāo)發(fā)射機(jī)附近海事用戶。監(jiān)控中心完成各RBN-DGPS監(jiān)測(cè)站監(jiān)控制和協(xié)調(diào)工作。為保證系統(tǒng)的可靠性，基站內(nèi)主要設(shè)備如GPS接收機(jī)、無線電信標(biāo)發(fā)射機(jī)采用雙機(jī)熱備份工作。RBN-DGPS參考基站安裝在全球沿海海岸，大致每隔100～300km設(shè)置一個(gè)基站，基站位置盡量靠近港口和河流入海口。

為滿足我國主要港口、重要水道和沿岸的航行安全，以及海洋測(cè)繪、海洋石油開發(fā)、海洋漁業(yè)、海洋資源調(diào)查、海上交通管理、航道疏浚、港口引航等需要高精度導(dǎo)航服務(wù)的用戶需求，根據(jù)國際組織有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)定和建議，我國在沿海建立了無線電信標(biāo)—差分GPS系統(tǒng)。

為使無線電信標(biāo)—差分GPS系統(tǒng)滿足國際標(biāo)準(zhǔn)化要求，需要采用的國際國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)包括：①美國航海無線電技術(shù)委員會(huì)104特委會(huì)(Radio Technical Commission For Maritime Service Special Committee No.104)(RTCM-SC-104)于1990年頒布的適用于差分衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)數(shù)據(jù)格式和接收機(jī)接口的推薦標(biāo)準(zhǔn)(2.0版)，1994年該委員會(huì)公布的2.1版，增設(shè)了一些新的格式內(nèi)容以支持實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)(RTK)應(yīng)用。②美國航海無線電技術(shù)委員會(huì)104特委會(huì)(RTCM-SC-104)1996年公布的差分GPS基準(zhǔn)站和完善性監(jiān)測(cè)(RSIM)推薦標(biāo)準(zhǔn)(1.0版)。③1993年美國海岸警衛(wèi)隊(duì)公布的DGPS無線電廣播標(biāo)準(zhǔn)。④1994年航標(biāo)和燈塔管理機(jī)構(gòu)的國際組織(IALA)發(fā)出的關(guān)于全球差分衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)規(guī)劃的通函。⑤1994年國際電聯(lián)無線電通訊研究組第八小組關(guān)于利用無線電信標(biāo)差分發(fā)送全球衛(wèi)星導(dǎo)航信息的技術(shù)特性提出的草案(ITU-RM.823)。⑥1998年9月28日發(fā)布的中國沿海無線電指向標(biāo)-差分全球定位系統(tǒng)播發(fā)標(biāo)準(zhǔn)(JT—377)。

圖15 中國沿海RBN-DGPS臺(tái)站分布

中國海事局計(jì)劃在“九五”期間分三期在我國沿海地區(qū)共建設(shè)20座RBN-DGPS臺(tái)站，按規(guī)定強(qiáng)度信號(hào)覆蓋(或多重覆蓋)整個(gè)沿海水域和部分陸域，信號(hào)完全覆蓋中國沿海領(lǐng)域，成為一種國際標(biāo)準(zhǔn)化、現(xiàn)代化的導(dǎo)航系統(tǒng)，完好性監(jiān)控臺(tái)與基準(zhǔn)臺(tái)和播發(fā)臺(tái)同臺(tái)址同步建設(shè)。1996年建成一期6座臺(tái)站，包括大三山、秦皇島、北塘、王家麥、大戢山和抱虎角。1998年建成二期7座臺(tái)站，包括燕尾港、石塘、鎮(zhèn)海角、鹿嶼、三灶、硇洲和三亞。1999年建成三期7座臺(tái)站，包括老鐵山、成山角、蒿枝港、定海、天達(dá)山、防城和洋浦，2000年建成中央監(jiān)控站。中國沿海RBNDGPS臺(tái)站分布如圖15所示。

中國RBN-DGPS系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)如下：

①工作頻率：依據(jù)國際電聯(lián)劃分的海上無線電指向標(biāo)頻率(283.5～325.0kHz)范圍，RBN-DGPS臺(tái)站采用單頻發(fā)射制，播發(fā)差分修正信息；

②差分全球定位系統(tǒng)識(shí)別碼：依航標(biāo)和燈塔管理機(jī)構(gòu)的國際組織(IALA)分配給我國的基準(zhǔn)臺(tái)和播發(fā)臺(tái)的識(shí)別碼范圍由北向南按區(qū)域進(jìn)行分配；

③單站差分修正信號(hào)作用距離：海上接收?qǐng)鰪?qiáng)在75mv/m時(shí)，服務(wù)范圍300公里；

④差分信息調(diào)制方式和播發(fā)類別：我國RBN-DGPS向用戶播發(fā)的差分信息采用最小移頻鍵控(MSK)調(diào)制方式；播發(fā)類別為調(diào)相單信道數(shù)據(jù)傳送；

⑤信號(hào)格式和信息類型：信號(hào)格式采用RTCM SC-104信號(hào)格式標(biāo)準(zhǔn)；

⑥差分?jǐn)?shù)據(jù)傳輸率：差分?jǐn)?shù)據(jù)傳輸率為200波特；

⑦坐標(biāo)系統(tǒng)：基準(zhǔn)臺(tái)坐標(biāo)采用WGS-84坐標(biāo)系；

⑧基準(zhǔn)站坐標(biāo)精度：為保證海上用戶獲得高精度助航服務(wù)，1995～1998年先后完成了全國20個(gè)臺(tái)站位置坐標(biāo)精密測(cè)定，我國基準(zhǔn)臺(tái)在WGS-84坐標(biāo)系內(nèi)的位置精度保持在0.5米以內(nèi)。

1996年5～9月，海事局組織了一期RBNDGPS綜合性能測(cè)試工作，分別在南海、東海及北方海區(qū)對(duì)一期建成的臺(tái)站進(jìn)行了測(cè)試，在系統(tǒng)的覆蓋范圍內(nèi)，重點(diǎn)考核了定點(diǎn)和動(dòng)態(tài)的定位精度、信號(hào)作用距離、可靠性等指標(biāo)，測(cè)試結(jié)果為：信號(hào)作用距離300公里，白天定位精度優(yōu)于5米(置信度95%)。1998年12月～1999年7月，海事局組織了二期RBN-DGPS綜合性能測(cè)試工作，分別在南海、東海對(duì)二期建成的臺(tái)站進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試結(jié)果為：信號(hào)作用距離300公里（白天），定位精度優(yōu)于5米(置信度95%)。

中國RBN-DGPS臺(tái)播發(fā)的所有信息均為公眾提供免費(fèi)服務(wù)，海上公眾用戶可配備1臺(tái)RBN（MSK）接收機(jī)和1臺(tái)DGPS接收機(jī)即可利用RBN-DGPS臺(tái)站播發(fā)的信息進(jìn)行海上高精度導(dǎo)航和定位；需注意的是選用的DGPS接收機(jī)的技術(shù)指標(biāo)和用戶與基準(zhǔn)臺(tái)距離的相關(guān)性將直接影響定位精度。用戶距臺(tái)站越近，定位精度越高。通常情況下，在距基準(zhǔn)臺(tái)300公里的范圍內(nèi)，米級(jí)導(dǎo)航型DGPS接收機(jī)的定位精度約為10米；亞米級(jí)接收機(jī)定位精度約為5米。