PL-RTK:一個基于偽衛星的實時動態定位系統

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:一個基于偽衛星的實時動態定位系統

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)

介紹了一個偽衛星實時動態定位系統PL-RTK。PL-RTK中，偽衛星星座由一組(不小于4)商業GPS L1信號發射器組成，基準站和流動站均采用商業GPS接收機，數據鏈采用無線局域網(WLAN)，偽衛星星座之間的時頻統一通過控制中心進行調控。PL-RTK需要在已知點上進行靜態初始化。試驗結果表明，PL-RTK平面方向的定位精度優于1.0 cm，高程方向的定位精度優于1.1 cm。

偽衛星；RTK；定位系統

一、前 言

GNSS系統的高精度、可靠性和完好性等諸多優越性依賴于跟蹤的可視衛星數和衛星的幾何分布[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域，可視衛星的數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、隧道等室內或地下環境中，則完全接收不到衛星信號[1-2]。偽衛星定位技術則為解決上述問題提供了有效的途徑。

偽衛星不僅可以輔助GNSS進行定位[2-7]，當偽衛星數目足夠時，還可以建立完全由偽衛星組成的獨立定位系統。目前，國內外已有多家公司研制出了偽衛星獨立定位系統。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星陣列(self calibrating pseudolite array，SCPA)，可以同時為系統覆蓋區域內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星組建的室內導航系統，精度達到厘米級，是亞洲第一個研制出的實用的室內導航系統[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合研制出了亞分米級定位精度的室內偽衛星定位系統，他們的實測數據表明，在室內環境中，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星實時動態定位系統PL-RTK。PL-RTK中，偽衛星星座由一組(不小于4)商業GPS L1信號發射器組成，偽衛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GPS接收機，數據鏈采用無線局域網(WLAN)，偽衛星星座之間的時頻統一通過控制中心進行調控。在誤差處理方面，通過雙差消除偽衛星鐘差和接收機鐘差的影響，并忽略對流層延遲誤差(偽衛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初始化。試驗結果表明，PL-RTK平面方向的定位精度優于1.0 cm，高程方向的定位精度優于1.1 cm。

二、PL-RTK系統結構

如圖1所示，PL-RTK系統由偽衛星星座、控制中心、基準站和流動站，以及通信數據鏈4部分組成。

1.偽衛星星座

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

圖1 PL-RTK系統結構

圖2 偽衛星星座

圖3

偽衛星發射天線相位中心的位置誤差是偽衛星定位中的一項主要誤差源。在利用偽衛星進行導航定位時，由于偽衛星與用戶之間的距離很近，在某些情況下，偽衛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，從而嚴重影響系統的定位精度[19]。為了進行精密定位，就必須準確確定出發射天線的相位中心的位置。偽衛星天線相位中心的標定方法見文獻[18]。另外，為了盡量減少偽衛星位置誤差的影響，需要根據定位環境合理分布偽衛星的位置。

2.控制中心

控制中心的主要功能是對偽衛星星座之間的時頻統一進行調控并設定偽衛星的相關參數，如PRN號、信號發射功率、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GPS接收機(NovAtel ProPak V3)。基準站接收機架設于已知點上，流動站接收機作業前需要在已知點上進行靜態初始化。

圖4 接收機和接收機天線

4.數據鏈

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

三、PL-RTK定位原理

1.數學模型

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和偽衛星i之間的幾何距離；dtm表示接收機鐘差；dti偽衛星鐘差；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。由于偽衛星安置于地面，因此不受電離層延遲誤差的影響。

偽衛星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星鐘差和接收機鐘差的影響，削弱偽衛星位置誤差和對流層延遲誤差的影響。

2.關鍵技術

PL-RTK在進行動態定位之前，必須首先正確固定雙差整周模糊度參數。整周模糊度參數的固定方法有很多，但只有存在雙頻觀測值，可見衛星數大于5顆且幾何圖形結構較好時，才能夠快速可靠地實時解算整周模糊度參數[12]。PL-RTK中，由于偽衛星信號發射器僅發射GPS L1信號且偽衛星的幾何結構不是很好，因此，雙差整周模糊度參數使用靜態初始化。另外，利用偽衛星進行定位時，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，通過對偽衛星信號發射功率的調整來削弱遠近效應的影響。偽衛星位置通過文獻[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系統的時頻統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。

偽衛星通常使用不穩定的恒溫晶振(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，接收機將會調整內部時鐘，使其與首次跟蹤到的偽衛星保持同步。對于非同步偽衛星星座而言，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的時頻統一，但是需要安裝光纖網絡，這會增加系統的成本和復雜性[17]。通過一顆主控偽衛星發送的導航電文也可以達到同步偽衛星時鐘的目的[16]。另外，Lacata技術則使用TimeLoc方法來對LocataLites(偽衛星雙向信號發射器)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星間的相對鐘差，利用其對偽衛星的時鐘進行調整，從而使各偽衛星的時間同步。

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

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，整周模糊度參數的整數特性非常明顯，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的實驗室內組建了PL-RTK原型系統。如圖5所示，該系統的偽衛星星座由6顆偽衛星組成，實驗室內用全站儀建立了一個當地獨立坐標系(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。在此原型系統的支持下，進行了動態定位試驗，對系統的精度進行評估，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移動，每當移動到一個已知點上時，進行10～20歷元的靜態觀測，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計分析結果見表2。由表2可知，PL-RTK原型系統進行實時動態定位時，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 坐標偏差統計分析 cm

五、結束語

本文介紹了一個偽衛星實時動態定位原型系統PL-RTK。PL-RTK中，通過偽衛星星座的時頻統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需要在已知點上進行靜態初始化。試驗結果表明，PL-RTK水平方向的定位精度優于1.0 cm，垂直方向的定位精度優于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，黃勁松，徐亞明，等.PL-RTK：一個基于偽衛星的實時動態定位系統[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測遠程自動化系統。