卫星导航差分系统和增强系统（五）

+ 刘天雄

2.3.4 伪卫星及Locata系统

伪卫星定位系统由伪卫星、主控站、参考接收机、用户接收机构成。主控站配置伪卫星的测距码码序列号，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测距发送时间。

在地形复杂、导航信号被严重遮挡的地区，伪卫星可以改善几何精度因子GDOP，达到提高定位精度的目的。在矿井隧道、地下掩体等环境，导航信号完全被遮挡，伪卫星定位系统则可以独自实现用户的位置解算。伪卫星定位系统与卫星导航系统定位原理一致，定位质量很大程度上也取决于接收机与伪卫星之间精度因子GDOP。目前，伪卫星应用仍面临一些技术问题，包括时间同步、远近效应和多径效应，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。

伪卫星系统的关键技术是建立对不同环境都适用的同步策略。伪卫星在地面运行，接收机与伪卫星之问的距离变化大，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。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；时分多址技术(TDMA)等。数据滤波与自适应抗多径以及时空组合处理可以有效消弱多径效应。通过建立多径信号模型，在接收端对数据进行平滑滤波等处理等措施实现消弱动态抗多径。

Locata是澳大利亚Locata公司研制的既能增强GPS定位又可独立进行定位的高精度定位系统，系统利用TimeLoc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。LoeataLite是可以实现GPS星座所有功能的收发器，在2．4 GHz的两个频率(S1和S6)上发射导航信号，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的优点，一定程度上减小了远近效应。

由LocataLite组成的同步网络LocataNet是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。Locata可以用来单独进行定位，也可以结合GNSS信号进行定位，达到增强GNSS的效果。系统采用载波相位单点定位技术进行定位，系统在地面上运行，可以忽略电离层误差；LocataLite与Locata之间基线距离短，所以也可以忽略对流层误差。

Locata系统仍面临着一些尚需解决的技术问题，首先是Locata信号与GPS信号的互相影响。对GPS信号和Locata信号同时存在时的捕获能力研究表明：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30dB以上，则会对GPS信号捕获影响，形成一定的窄带干扰。其次是多径干扰问题，目前Locata系统对于此问题的解决是通过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。最后是Wi—Fi信号对Locata信号的干扰。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2～3cm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。

2.3.5 无线电信标－差分全球定位系统

无线电信标－差分GPS系统（Radio Beacon-Differential Global Position System，RBN-DGPS）是在GPS基本系统的基础上，利用差分技术，借助海上无线电指向标播发差分修正数据和完好性信息，给海上用户提供高精度、高可靠的定位和授时服务的助航系统，被广泛应用于船舶进出港及狭窄水道的导航和定位、交通安全管理、航标定位、航道测量、航道疏浚、渔业捕捞、海上石油勘探等领域，系统于2003年底覆盖全球海岸线，GPS由此正式成为国际海事组织认可的船舶导航主导航手段。

RBN-DGPS系统由参考基准站、控制中心、无线电信标发射台三部分组成。参考基准站由二台高性能的GPS接收机和两台数据处理工作站组成，其中GPS信号接收天线安放在位置已精确测定的位置点上，一组GPS接收机和工作站接收视野内的所有导航信号，计算出导航信号的差分信息；另一组GPS接收机和工作站接收视野内的所有导航信号，监测GPS信号的完好性和播发差分修正值的正确性。参考基准站同时将差分修正信息、完好性信息以及指向标状态信息打包给无线电信标发射台的调制器，调制器采用最小移频键控（Minimum Shift Keying，MSK）方式生成RBN-DGPS信号，无线电信标发射机利用无线电指向标载频 (283.5～325.0kHz)将DGPS修正信息、完好性信息以及指向标状态信息播发给无线电信标发射机附近海事用户。监控中心完成各RBN-DGPS监测站监控制和协调工作。为保证系统的可靠性，基站内主要设备如GPS接收机、无线电信标发射机采用双机热备份工作。RBN-DGPS参考基站安装在全球沿海海岸，大致每隔100～300km设置一个基站，基站位置尽量靠近港口和河流入海口。

为满足我国主要港口、重要水道和沿岸的航行安全，以及海洋测绘、海洋石油开发、海洋渔业、海洋资源调查、海上交通管理、航道疏浚、港口引航等需要高精度导航服务的用户需求，根据国际组织有关标准、规定和建议，我国在沿海建立了无线电信标—差分GPS系统。

为使无线电信标—差分GPS系统满足国际标准化要求，需要采用的国际国内标准包括：①美国航海无线电技术委员会104特委会(Radio Technical Commission For Maritime Service Special Committee No.104)(RTCM-SC-104)于1990年颁布的适用于差分卫星导航系统数据格式和接收机接口的推荐标准(2.0版)，1994年该委员会公布的2.1版，增设了一些新的格式内容以支持实时动态(RTK)应用。②美国航海无线电技术委员会104特委会(RTCM-SC-104)1996年公布的差分GPS基准站和完善性监测(RSIM)推荐标准(1.0版)。③1993年美国海岸警卫队公布的DGPS无线电广播标准。④1994年航标和灯塔管理机构的国际组织(IALA)发出的关于全球差分卫星导航系统规划的通函。⑤1994年国际电联无线电通讯研究组第八小组关于利用无线电信标差分发送全球卫星导航信息的技术特性提出的草案(ITU-RM.823)。⑥1998年9月28日发布的中国沿海无线电指向标-差分全球定位系统播发标准(JT—377)。

图15 中国沿海RBN-DGPS台站分布

中国海事局计划在“九五”期间分三期在我国沿海地区共建设20座RBN-DGPS台站，按规定强度信号覆盖(或多重覆盖)整个沿海水域和部分陆域，信号完全覆盖中国沿海领域，成为一种国际标准化、现代化的导航系统，完好性监控台与基准台和播发台同台址同步建设。1996年建成一期6座台站，包括大三山、秦皇岛、北塘、王家麦、大戢山和抱虎角。1998年建成二期7座台站，包括燕尾港、石塘、镇海角、鹿屿、三灶、硇洲和三亚。1999年建成三期7座台站，包括老铁山、成山角、蒿枝港、定海、天达山、防城和洋浦，2000年建成中央监控站。中国沿海RBNDGPS台站分布如图15所示。

中国RBN-DGPS系统主要技术指标如下：

①工作频率：依据国际电联划分的海上无线电指向标频率(283.5～325.0kHz)范围，RBN-DGPS台站采用单频发射制，播发差分修正信息；

②差分全球定位系统识别码：依航标和灯塔管理机构的国际组织(IALA)分配给我国的基准台和播发台的识别码范围由北向南按区域进行分配；

③单站差分修正信号作用距离：海上接收场强在75mv/m时，服务范围300公里；

④差分信息调制方式和播发类别：我国RBN-DGPS向用户播发的差分信息采用最小移频键控(MSK)调制方式；播发类别为调相单信道数据传送；

⑤信号格式和信息类型：信号格式采用RTCM SC-104信号格式标准；

⑥差分数据传输率：差分数据传输率为200波特；

⑦坐标系统：基准台坐标采用WGS-84坐标系；

⑧基准站坐标精度：为保证海上用户获得高精度助航服务，1995～1998年先后完成了全国20个台站位置坐标精密测定，我国基准台在WGS-84坐标系内的位置精度保持在0.5米以内。

1996年5～9月，海事局组织了一期RBNDGPS综合性能测试工作，分别在南海、东海及北方海区对一期建成的台站进行了测试，在系统的覆盖范围内，重点考核了定点和动态的定位精度、信号作用距离、可靠性等指标，测试结果为：信号作用距离300公里，白天定位精度优于5米(置信度95%)。1998年12月～1999年7月，海事局组织了二期RBN-DGPS综合性能测试工作，分别在南海、东海对二期建成的台站进行了测试，测试结果为：信号作用距离300公里（白天），定位精度优于5米(置信度95%)。

中国RBN-DGPS台播发的所有信息均为公众提供免费服务，海上公众用户可配备1台RBN（MSK）接收机和1台DGPS接收机即可利用RBN-DGPS台站播发的信息进行海上高精度导航和定位；需注意的是选用的DGPS接收机的技术指标和用户与基准台距离的相关性将直接影响定位精度。用户距台站越近，定位精度越高。通常情况下，在距基准台300公里的范围内，米级导航型DGPS接收机的定位精度约为10米；亚米级接收机定位精度约为5米。