PL-RTK:一个基于伪卫星的实时动态定位系统

李 超，黄劲松，徐亚明，张 涛，吴明魁，蔡仁澜

(1.重庆市勘测院，重庆 420000；2.武汉大学测绘学院，湖北 武汉 430079；3.航天恒星科技有限公司(503所)，北京 100086)

PL-RTK:一个基于伪卫星的实时动态定位系统

李 超1，黄劲松2，徐亚明2，张 涛2，吴明魁2，蔡仁澜3

(1.重庆市勘测院，重庆 420000；2.武汉大学测绘学院，湖北 武汉 430079；3.航天恒星科技有限公司(503所)，北京 100086)

介绍了一个伪卫星实时动态定位系统PL-RTK。PL-RTK中，伪卫星星座由一组(不小于4)商业GPS L1信号发射器组成，基准站和流动站均采用商业GPS接收机，数据链采用无线局域网(WLAN)，伪卫星星座之间的时频统一通过控制中心进行调控。PL-RTK需要在已知点上进行静态初始化。试验结果表明，PL-RTK平面方向的定位精度优于1.0 cm，高程方向的定位精度优于1.1 cm。

伪卫星；RTK；定位系统

一、前 言

GNSS系统的高精度、可靠性和完好性等诸多优越性依赖于跟踪的可视卫星数和卫星的几何分布[1-2]。在观测条件不理想的情况下，如城市的高楼群、较深的露天矿坑或深山峡谷等区域，可视卫星的数目和几何图形结构通常都不理想，难以满足高精度和高可靠性导航定位的需要；在某些极端条件下，如在大型厂房、地下停车场、机场大厅、矿井、隧道等室内或地下环境中，则完全接收不到卫星信号[1-2]。伪卫星定位技术则为解决上述问题提供了有效的途径。

伪卫星不仅可以辅助GNSS进行定位[2-7]，当伪卫星数目足够时，还可以建立完全由伪卫星组成的独立定位系统。目前，国内外已有多家公司研制出了伪卫星独立定位系统。斯坦福大学研制出了一种能够进行自主定位的自校正伪卫星阵列(self calibrating pseudolite array，SCPA)，可以同时为系统覆盖区域内的多个流动站提供厘米级的定位精度[8-10]。澳大利亚Locata公司研制出了Locata定位技术，能够利用载波相位观测值进行亚厘米级的单点定位[11-15]。韩国国立首尔大学实验室(Seoul National University GPS Lab，SNUGL)则研制出了一个由非同步伪卫星组建的室内导航系统，精度达到厘米级，是亚洲第一个研制出的实用的室内导航系统[16]。上海交通大学空天科学技术研究院和上海伽利略导航有限公司联合研制出了亚分米级定位精度的室内伪卫星定位系统，他们的实测数据表明，在室内环境中，无周跳影响下，使用该方法可以达到厘米级的定位精度[17]。

本文介绍了由项目组研制的一个伪卫星实时动态定位系统PL-RTK。PL-RTK中，伪卫星星座由一组(不小于4)商业GPS L1信号发射器组成，伪卫星天线相位中心的位置通过文献[18]的方法进行标定，基准站和流动站均采用商业GPS接收机，数据链采用无线局域网(WLAN)，伪卫星星座之间的时频统一通过控制中心进行调控。在误差处理方面，通过双差消除伪卫星钟差和接收机钟差的影响，并忽略对流层延迟误差(伪卫星与接收机之间的距离很短)、多路径效应的影响。另外，PL-RTK需要在已知点上进行静态初始化。试验结果表明，PL-RTK平面方向的定位精度优于1.0 cm，高程方向的定位精度优于1.1 cm。

二、PL-RTK系统结构

如图1所示，PL-RTK系统由伪卫星星座、控制中心、基准站和流动站，以及通信数据链4部分组成。

1.伪卫星星座

如图2所示，伪卫星星座由伪卫星信号发射器和发射天线组成。伪卫星的数量不能少于4颗。在PL-RTK中，伪卫星信号发射器使用Pendulum公司生产的Pendulum GSG-L1(如图3(a)所示)，为了保证信号的覆盖范围，发射天线使用微带天线(如图3 (b)所示)。

图1 PL-RTK系统结构

图2 伪卫星星座

图3

伪卫星发射天线相位中心的位置误差是伪卫星定位中的一项主要误差源。在利用伪卫星进行导航定位时，由于伪卫星与用户之间的距离很近，在某些情况下，伪卫星天线相位中心位置的很小误差可能会引起定位模型的很大误差，从而严重影响系统的定位精度[19]。为了进行精密定位，就必须准确确定出发射天线的相位中心的位置。伪卫星天线相位中心的标定方法见文献[18]。另外，为了尽量减少伪卫星位置误差的影响，需要根据定位环境合理分布伪卫星的位置。

2.控制中心

控制中心的主要功能是对伪卫星星座之间的时频统一进行调控并设定伪卫星的相关参数，如PRN号、信号发射功率、多普勒频率和信号衰减因子等。需要一台安装有多种随机软件(如GSG-L1设置软件)的PC进行控制。

3.基准站和流动站

如图4所示，基准站和流动站均采用商业GPS接收机(NovAtel ProPak V3)。基准站接收机架设于已知点上，流动站接收机作业前需要在已知点上进行静态初始化。

图4 接收机和接收机天线

4.数据链

数据链采用无线局域网(WLAN)，由一个无线路由器和数个无线串口服务器组成，主要功能是实现基准站、流动站接收机与客户端PC机或PDA手持设备之间稳定的双向通信，同时还可以实现控制中心与伪卫星星座之间的通信。

三、PL-RTK定位原理

1.数学模型

PL-RTK使用载波相位观测值进行定位，定位模型采用双差模型。载波相位基本观测方程为

式中，m表示测站；i表示伪卫星；λ1表示L1载波波长；c表示真空中的光速；表示测站m和伪卫星i之间的几何距离；dtm表示接收机钟差；dti伪卫星钟差；表示整周模糊度；表示伪距变率(cycle/ s)；ε表示其他残余误差，包括伪卫星位置误差，大气延迟误差(对流层延迟误差)、多路径效应、接收机噪声等。由于伪卫星安置于地面，因此不受电离层延迟误差的影响。

伪卫星i、j和接收机m、n之间的双差载波相位观测方程为

通过双差可以消除伪卫星钟差和接收机钟差的影响，削弱伪卫星位置误差和对流层延迟误差的影响。

2.关键技术

PL-RTK在进行动态定位之前，必须首先正确固定双差整周模糊度参数。整周模糊度参数的固定方法有很多，但只有存在双频观测值，可见卫星数大于5颗且几何图形结构较好时，才能够快速可靠地实时解算整周模糊度参数[12]。PL-RTK中，由于伪卫星信号发射器仅发射GPS L1信号且伪卫星的几何结构不是很好，因此，双差整周模糊度参数使用静态初始化。另外，利用伪卫星进行定位时，存在远近效应、多路径效应、对流层延迟误差、伪卫星位置误差及时间同步等问题需要解决。在PL-RTK中，通过对伪卫星信号发射功率的调整来削弱远近效应的影响。伪卫星位置通过文献[13]的方法进行精确标定；对流层延迟误差的影响忽略不计；多路径效应的影响暂时不予考虑。PL-RTK系统的时频统一对整周模糊度的固定和最后的定位精度有着重要的影响，下面将进行具体介绍。

伪卫星通常使用不稳定的恒温晶振(OCXO)作为时间基准，没有足够的精度使用户接收机和基准站接收机之间的采样时间同步。通常，接收机将会调整内部时钟，使其与首次跟踪到的伪卫星保持同步。对于非同步伪卫星星座而言，当基准站接收机和流动站接收机首次跟踪到的卫星不同时，接收机之间的采样时间不同步，误差可能会较大，这将严重影响相对定位的精度，需要进行处理。

通常可以使用外部时钟基准来维持系统的时频统一，但是需要安装光纤网络，这会增加系统的成本和复杂性[17]。通过一颗主控伪卫星发送的导航电文也可以达到同步伪卫星时钟的目的[16]。另外，Lacata技术则使用TimeLoc方法来对LocataLites(伪卫星双向信号发射器)进行同步[11-12]。

PL-RTK中，需要利用基准站的伪距观测值计算伪卫星之间的相对钟差，然后对时钟进行同步。时钟同步分为以下3个步骤：

1)指定一颗伪卫星为参考星。

2)利用星间单差伪距观测值计算出基准星和其他卫星间的相对钟差，利用其对伪卫星的时钟进行调整，从而使各伪卫星的时间同步。

3)利用多普勒观测值的星间单差计算出基准星和其他卫星间的相对频偏，利用其对伪卫星的钟频进行调整，从而使各伪卫星的频率一致。

为了对此方法的效果进行验证，笔者进行了相应的试验。试验中，基准站安置在B51，流动站分别固定在B77、B32和B37。同步前和同步后的双差整周模糊度值见表1。从表1中可以看出，同步前，浮点解整周模糊度参数的整周特性不明显且与真实值相差较大；同步后，整周模糊度参数的整数特性非常明显，而且和真实值的差异很小。因此，通过上述方法，时间同步误差对双差观测值的影响能够大大消除。

表1 同步前和同步后的双差相位观测值(DDN)周

四、试验及结果分析

项目组在一间6 m×5 m×3 m的实验室内组建了PL-RTK原型系统。如图5所示，该系统的伪卫星星座由6颗伪卫星组成，实验室内用全站仪建立了一个当地独立坐标系(Z轴为垂直方向，坐标精度为0.2 mm)，并在地面建立了一系列坐标已知点。在此原型系统的支持下，进行了动态定位试验，对系统的精度进行评估，试验过程中流动站移动轨迹如图5所示。流动站在已知点B2完成整周模糊度的初始化后开始连续移动，每当移动到一个已知点上时，进行10～20历元的静态观测，并逐历元计算出流动站的位置坐标。将坐标计算值和已知真值求差，即可计算出每个历元流动站坐标的测量误差。试验中，连续在18个已知点上进行了观测，这些点的定位误差及标准差如图6所示。

图5 流动站的移动轨迹

每个点的坐标偏差通过几个历元的平均值与真实值做差求得。由图6可知，水平方向的坐标偏差小于1 cm，垂直方向的坐标偏差小于2.0 cm。所有18个点的坐标偏差的统计分析结果见表2。由表2可知，PL-RTK原型系统进行实时动态定位时，水平方向定位精度约为0.8 cm，垂直方向的定位精度约为1.1 cm。

图6 坐标偏差及标准差

表2 坐标偏差统计分析 cm

五、结束语

本文介绍了一个伪卫星实时动态定位原型系统PL-RTK。PL-RTK中，通过伪卫星星座的时频统一对接收机间的时间同步误差进行处理，双差整周模糊度参数需要在已知点上进行静态初始化。试验结果表明，PL-RTK水平方向的定位精度优于1.0 cm，垂直方向的定位精度优于1.1 cm。

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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，黄劲松，徐亚明，等.PL-RTK：一个基于伪卫星的实时动态定位系统[J].测绘通报，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，硕士，工程师，主要研究方向为变形监测远程自动化系统。