基于共生调频数据广播的北斗地基增强系统设计和性能测试

张光华，张全德，门爱东

(1. 深圳思凯微电子有限公司，广东 深圳 518055； 2. 中国卫星导航定位协会，北京 100830；3. 北京邮电大学信息与通信工程学院，北京 100876)

近年来，全球卫星导航系统(global navigation satellite system，GNSS)已经在军事和商业领域得到了越来越多的应用，如军事上的作战指挥、导弹的精确制导，以及商业上的基于位置服务(location based services，LBS)的社交娱乐、共享单车、共享汽车、智能交通等诸多领域。同时，这些领域的蓬勃发展也对实现精确定位提出了越来越高的要求，高精度的定位将使这些领域得到更迅猛的发展[1-4]。

地基增强系统是提高卫星定位精度的重要方式。地基增强系统主要由连续运行基准站(continuously operating reference stations，CORS)、数据处理中心、数据播发系统、运营服务系统和用户终端5部分构成。基准站将数据发送到数据处理中心，数据处理中心利用特定的算法对数据进行处理得出精确的差分改正，再通过数据播发系统发送到用户终端，用户终端收到卫星数据的同时，也收到改正数据，通过修正可得出精确位置[5-8]。

“十二五”期间，全国建设了均匀分布的360个国家级GNSS连续运行基准站(CORS)，各省(区、市)建设了2300多个CORS站[9]。在利用CORS系统进行测量时，普遍采用虚拟参考站(virtual reference station,VRS)网络RTK技术，数据处理中心需要先接收用户的粗略坐标，改正之后还需将改正信息返回给用户，这种技术路线难以应对超大规模用户的请求，且不利于用户信息的保密。VRS算法已被美国Trimble公司申报专利，需要购买昂贵的软件进行处理。数据播发需采用3G/4G移动通信网络，并发性较差，使用成本较高，覆盖范围较窄，无法在大众消费领域得到大规模推广。

为了解决上述问题，本文提出一种原始创新的基于共生调频数据广播(CDRadio)技术的基合导航系统(Kinhood System)，也称BDS-CDRadio[10]。采用与调频广播共生的CDRadio技术来传输卫星导航定位差分修正数据，与现有的网络RTK技术相比具有以下优势：一是用户容量大，可以容纳超大规模用户的请求；二是保密性强，广播属于单向通信，不会泄露用户的位置信息；三是CDRadio技术基于现有广播设施，覆盖范围广阔，建设与使用成本低，理论上可以支持海量用户的免费使用；四是系统属于自主知识产权，不存在与国外公司发生知识产权争议的隐患。

CDRadio技术支持纯数据类的广播应用，在物理层实现了业务复用，同时对误码率、传输时延、功耗等方面进行了优化。CDRadio与传统广播共享频谱，无需额外进行基础设施建设，可以更顺利地投入实际运营，是一种潜力巨大的创新技术。

1 CDRadio技术原理介绍

CDRadio技术是专门针对中国调频广播而设计的，通过采用非规则频谱分配、LDPC纠错编码、OFDM、时间分片和分层调制等关键技术，在更有效地利用现存模拟频段间的频谱间隙、提高接收灵敏度、改善干扰环境和覆盖盲区的前提下，可实现300 kHz频段内的数模同播，这是全球独创的先进技术。

CDRadio的频谱模式主要有两种，其中包括主模式和扩展模式。主模式利用先进的LDPC码、信道估计均衡、调制和其他专门技术，可提供一个更低的接收门限，模数可以混叠在一起。该模式能够在不改变现有电台频率规划的情况下进行数字化改造，从而实现从模拟到数字的平滑过渡。扩展模式从主模式(数模混叠)带宽的两边扩展出纯数字带宽，总共有15种组合方式，频带有规则型、非规则型、对称、非对称等，带宽有200～800 kHz的不同档次，以满足中国各种复杂情况的应用。

2 BDS-CDRadio地基增强系统设计

根据北斗差分数据源获取方式的差异，BDS-CDRadio地基增强系统的运行模式可以分为单基准站模式和CORS接入模式。若系统工作于单基准站模式，则需要在调频广播电台附近架设北斗差分基准站，接收卫星信号并产生RTCM标准格式[11]的差分数据，再通过串口接入CDRadio发射设备；若系统工作于CORS接入模式，则通过互联网接入当地CORS网络获取差分数据，作为CDRadio数字广播的业务数据输入，经调制之后通过广播电台发射出去。

CDRadio的调频频道具有24～64 kbps的数据传输带宽，不仅可以满足北斗厘米级高精度定位的数据需求，剩余传输带宽还可以为北斗系统提供辅助增强功能，如连续性、完好性和可用性等方面[12]，进一步扩展了北斗系统的应用范围。此外，CDRaido信号属窄带信号，且功耗较低，可以方便投入使用，具有广阔的应用前景。

基合导航系统可以提供亚米级高精度和厘米级精准定位服务，调频广播的泛在性可以使北斗增强信息像空气一样无处不在，让大众享受到免费的全天候、高可靠的精准定位服务。此外，基合导航系统无需额外频谱资源与流量资费，发射端基本上共用原有设备，只对少量的硬件设备进行改造，建设成本低廉，而且一般情况下一个城市改造一个广播电台即可，部署和推广十分快捷，具体如图1所示。

3 实时动态定位精度测试

为了验证基合导航系统差分数据通信链路在不同运动速度下的有效性与稳定性，2017年3月，在中国卫星导航定位协会主持下，原国家测绘地理信息局第二大地测量队将黑龙江卫星定位连续运行综合服务系统(HLJCORS)作为基准，对基合导航系统进行了定位精度检测。

测试利用HLJCORS生成虚拟基准站数据，并将其与广播数据耦合后通过广播系统播发。广播差分数据由广播RTK接收机进行实时定位测量，网络RTK接收机通过HLJCORS进行同步实时定位测量，以网络RTK的观测结果对比分析基合导航系统的定位精度[13-14]。测试采用动态和静态两种方法：动态测试通过在基准站周边选取不同方向的道路测试基合导航系统在车辆行驶状态下的定位性能；静态测试则添加静态GNSS接收机进行同步观测，以验证基合导航系统在静止状态下的定位精度与稳定性。动态测试路线与静态测试点分布如图2所示。

图1 基合导航系统测试

图2 动态测试路线和静态测试点位分布

3.1 动态测试

按照与广播基站距离的大小，将动态路线分为0～5 km、5～10 km、10～20 km、20～30 km、>30 km等5个距离区间进行分段分析。在每个距离区间，将网络RTK的固定解坐标作为标准，对广播RTK的固定解进行精度测定，广播RTK的非固定解不列入测定范围。不同区间的精度统计见表1。

表1 不同区间的精度统计

在动态路线的测试过程中，通过对广播RTK与网络RTK的定位结果进行比较，广播RTK动态定位的平面中误差最大为3.8 cm，最小为0.9 cm，平面中误差的标准差为2.08 cm，表明广播RTK的定位精度很高。

根据不同动态路线相同距离区间的统计结果可看出，在0～20 km的区间内，广播RTK的定位精度与其距广播源的距离呈负相关。然而当距离大于20 km时，随着距离的增大，定位精度呈现出上升趋势而非下降的趋势。但各自统计的中误差标准差均小于3 cm，因此笔者认为该结果处于接收范围之内。

系统在同一条测试路线但不同车速下的定位精度见表2。因受市内环境、路况等因素影响，平均测试时间较短。

表2 不同车速下的精度统计表(2017年3月4日)

通过对不同车速下基合导航系统定位精度的测试与分析，初步结论为：在120 km/h以下的车速对基合导航系统定位精度无明显影响。

3.2 静态测试

静态测试使用Trimble公司的商用GNSS数据处理软件TBC，依次对NetR9采集的16处静态观测数据采用事后基于CORS基准站静态基线解算的方法获得坐标，起算点选择位于齐齐哈尔市建华区的HLJCORS站(编号为QQJH)，按单基线模式解算。

对16个静态测试点逐一进行精度分析，以NetR9静态定位结果为基准，比较广播RTK定位精度，对比结果见表3。由于在测试过程中广播站发射功率下调，因此未选择距基站30 km处及更远距离处进行测试。

根据上述测试结果，广播RTK点位平面中误差大多分布在0.5～1.3 cm之间，中误差的标准差为1.38 cm，定位精度高且稳定。从距离上看，位于5 km内的定位精度最低，此范围内10个静态点平面中误差的标准差为1.58 cm，经分析，这是由于市区内楼房、建筑较密集，对定位信号产生了遮蔽，从而降低了定位精度。

4 稳定性测试

统计广播RTK与网络RTK在动态测试路线不同距离区间内测得固定解的历元数占所在测段观测历元总数的百分比，分析基合导航系统定位的稳定性，见表4。

表3基合导航系统与天宝NetR9静态定位结果对比精度统计

点位至基准站距离/km平面中误差/cm高程中误差/cm望江-12.20.91.6新明-12.82.12.7新江-22.91.22.3站南-13.01.74.1德龙-13.10.91.4民航-13.30.61.8新立-13.40.83.1新江-13.91.01.8站北-24.01.13.2站北-14.63.45.0G301-110.00.61.8G111-210.00.51.7G111-310.01.12.8G301-220.01.11.2G111-120.01.31.3G111-420.00.92.0

表4 各方向不同距离处RTK固定解情况比较

根据表4的统计结果可以看出，在与广播基站距离10 km以下时，各方向广播RTK固定解比率均较高；在与广播基站距离10～20 km时，G111富裕方向、大兴镇方向、绥满高速胜利方向的广播RTK固定解比率较高；而在与广播基站距离20 km以上时，各方向广播RTK固定解比率全面低于网络RTK。

统计不同路线上广播RTK与网络RTK测得的差分解数量占所在路线观测值总数的百分比，以此分析基合导航系统广播通信数据链路的稳定性，见表5。

表5 不同线路广播RTK与网络RTK的差分解统计

通过表5可以看出，在各测试路线上，基合导航系统通过广播通信测得的差分解比率均高于HLJCORS通过网络通信测得的比率，显示出利用广播播发差分数据具有良好的稳定性。

另一方面，在距离广播基站20 km以内，基合导航系统的RTK固定解所占的比率较高；但随着距广播基站距离增加到20 km以上，基合导航系统的RTK固定解所占的比率开始降低，这与广播信号强度降低及单基站RTK定位模式限制都有关系。若要解决此问题，需采用播发网格化差分数据的方式来解决，这也是基合导航系统下一步亟须解决的问题。

5 结 语

本文提出的以广播的方式传输，采用数模同播技术的全新基于北斗系统的地基增强系统——基合导航系统(BDS-CDRadio)，它将差分数据共生在原有的调频广播之内，无需进行昂贵的基础设施建设，具有覆盖面积广、用户容量大、数据多样性强、在高速移动的状态下有较高的接收质量等优点。

测试表明，基合导航系统可以达到厘米级的定位精度，且120 km/h以下的车速对其定位精度无明显影响，此外，基合导航系统通过广播信号播发数据的方式也具有很高的稳定性。但随着距广播基站距离增加到20 km以上，基合导航系统的RTK固定解所占的比率开始降低，这是基合导航系统下一步将要解决的问题。

基合导航系统理论上可以支持免费使用，它的运行成本仅是发射端的电费。推进基合导航系统在精准农业、智慧城市、铁路路基及边坡监测、高速公路收费及维护、车道级机动车精准导航及未来的自动驾驶等领域的广泛应用，对于促进卫星导航产业的发展意义十分重大。