雙頻信標(biāo)差分導(dǎo)航系統(tǒng)的探究與實(shí)現(xiàn)

◎ 李鵬宇 廣州航標(biāo)處

趙萬鋒 交通運(yùn)輸部南海航海保障中心

雙頻信標(biāo)差分導(dǎo)航系統(tǒng)的探究與實(shí)現(xiàn)

◎ 李鵬宇 廣州航標(biāo)處

趙萬鋒 交通運(yùn)輸部南海航海保障中心

本文介紹了RBN/DGNSS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成和工作原理，探究建設(shè)RBN/DGNSS系統(tǒng)對推動北斗系統(tǒng)的重要意義，提出一種兼容DGPS和DBDS的信標(biāo)差分設(shè)計(jì)方案并通過實(shí)驗(yàn)校驗(yàn)可行性。

RBN/DGNSS GPS BDS 偽距差分

1.引言

RBN/DGNSS是沿海無線電指向標(biāo)/全球衛(wèi)星差分導(dǎo)航系統(tǒng)的英文簡稱，它是全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)地面增強(qiáng)系統(tǒng)的重要構(gòu)成要素。該系統(tǒng)可通過無線電指向標(biāo)播發(fā)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)差分修正信息，為航海用戶提供精確定位服務(wù)。伴隨北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的建設(shè)和運(yùn)營，探究建設(shè)兼具GPS和BDS的信標(biāo)差分系統(tǒng)，對推動北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用具有積極意義。

2.系統(tǒng)介紹

根據(jù)RTCM推薦標(biāo)準(zhǔn)，RBN/ DGNSS系統(tǒng)播發(fā)站由一臺DGNSS基準(zhǔn)站、一座控制臺、一臺DGNSS完善性監(jiān)測站和一臺發(fā)射機(jī)組成。基準(zhǔn)站包括一個MSK調(diào)制解調(diào)器和一臺基準(zhǔn)接收機(jī)，能產(chǎn)生可供播發(fā)的DGNSS修正信息。控制臺用于設(shè)置系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)并控制其工作狀態(tài)，同時具有存儲、記錄、統(tǒng)計(jì)、分析和顯示等功能。完善性監(jiān)測站主要是接收基準(zhǔn)站播發(fā)的修正信息，并校驗(yàn)該修正信息是否在規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)允許的誤差范圍內(nèi)。完善性監(jiān)測站可定時提供反饋信息給基準(zhǔn)站，以指示系統(tǒng)正在被監(jiān)控且工作狀態(tài)正常。發(fā)射機(jī)用于信號的放大與發(fā)射。各獨(dú)立設(shè)備由通信網(wǎng)絡(luò)相連接，從而構(gòu)成有效運(yùn)行的一個整體。

3.偽距差分定位原理

RBN/DGNSS系統(tǒng)工作原理是偽距差分定位。該定位方式是當(dāng)前應(yīng)用最廣的一種技術(shù)。它的工作原理是：在GPS/BDS基準(zhǔn)站上觀測所有可見衛(wèi)星，根據(jù)基準(zhǔn)站已知坐標(biāo)和各衛(wèi)星的坐標(biāo)，求出每顆衛(wèi)星每一時刻到基準(zhǔn)站的真實(shí)距離，再與測得的偽距比較，得出偽距修正數(shù)值，隨即將其傳輸至航海用戶接收機(jī)，航海用戶利用修正后的偽距可解算出本身的位置，從而達(dá)到大幅提高定位精度的目的。

同時，可知偽距的改正數(shù)為：

偽距改正數(shù)的變化率為：

基準(zhǔn)站將 Δ ρj和 d ρj發(fā)送給用戶，用戶測出偽距為 ρ ，j加上改正數(shù)，便求得經(jīng)改正后的偽距為：

利用改正后的偽距 ρj( t) ，只需

p觀測4顆衛(wèi)星就可以按公式（2）計(jì)算用戶的坐標(biāo)，從而獲取用戶精確位置。

式（2），如下。

式中：

δt——鐘差 Vt——接收機(jī)噪聲

4.雙系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

4.1播發(fā)站系統(tǒng)組成

按照RTCM推薦標(biāo)準(zhǔn)，兼容GPS與BDS的RBN/DGNSS系統(tǒng)包括基準(zhǔn)站、完善性監(jiān)測站和發(fā)射臺三部分組成(如圖1示)。基準(zhǔn)站包括DGNSS基準(zhǔn)站1和DGNSS基準(zhǔn)站2，并采用雙機(jī)熱備份。完善性監(jiān)測站由DBDS監(jiān)測站和DGPS監(jiān)測站組成，實(shí)現(xiàn)對各自導(dǎo)航系統(tǒng)的完善性監(jiān)測。信標(biāo)發(fā)射機(jī)1和信標(biāo)發(fā)射機(jī)2也為雙熱機(jī)備份。

基準(zhǔn)站由一個基準(zhǔn)接收機(jī)和一個MSK調(diào)制器組成，接收機(jī)置于位置精確的已知點(diǎn)上，接收GPS和BDS定位信息，通過解算生成差分修正信息，經(jīng)MSK調(diào)制器調(diào)制到無線電信標(biāo)發(fā)射機(jī)，隨后播發(fā)給航海用戶。

完善性監(jiān)測站由GPS/BDS接收機(jī)和無線電信標(biāo)機(jī)（MSK調(diào)制器）組成，用于解算定位誤差，并校驗(yàn)信息是否在誤差允許范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的完善性監(jiān)測。當(dāng)修正信息超出誤差允許范圍時，完善性監(jiān)測站還會產(chǎn)生報(bào)警信息并傳送給控制站，提醒值班人員及時查找故障。

控制站包括計(jì)算機(jī)和相應(yīng)監(jiān)控軟件，主要用于設(shè)置RBN/DGNSS系統(tǒng)連接串口、運(yùn)行參數(shù)和報(bào)警門限等，同時可接收和存儲RBN/DGNSS系統(tǒng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)，自動生成相關(guān)數(shù)據(jù)報(bào)表，實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)正常運(yùn)行的有效控制。指向信標(biāo)發(fā)射機(jī)是一臺大功率發(fā)射機(jī)，主要用于發(fā)射信號的升級放大。自動天調(diào)主要用于調(diào)諧發(fā)射機(jī)與天線之間的匹配。

為提高系統(tǒng)可靠性，確保系統(tǒng)始終由狀態(tài)正常的基準(zhǔn)站和發(fā)射機(jī)交聯(lián)工作，特增加一個繼電器控制盒，用于在兩臺基準(zhǔn)站與發(fā)射機(jī)之間切換信號。

4.2GPS與BDS兼容工作方案

GPS與BDS兼容工作系統(tǒng)要求RBN/DGNSS系統(tǒng)既廣播DGPS差分修正信息又廣播DBDS修正信息。當(dāng)前可有兩種方案供選擇：一是將GPS差分修正信息和BDS差分修正信息在同一頻點(diǎn)上分時順序廣播（單頻播發(fā)）；二是將GPS差分修正信息和BDS差分修正信息分別調(diào)制到間隔為500Hz的兩個頻點(diǎn)上同時廣播（雙頻播發(fā)）。

第一種方案采取分時廣播的方案會延長差分修正信息的更新周期，對定位精度造成一定影響。

第二種方案差分修正信息更新率不變，現(xiàn)有系統(tǒng)性能基本不受影響，能充分利用現(xiàn)有RBN-DGPS臺站資源。

圖1　

表1　

5.實(shí)驗(yàn)與測試

5.1實(shí)驗(yàn)方案

為驗(yàn)證第二種方案的可行性，在三灶差分臺開展了實(shí)驗(yàn)和測試工作。DGNSS基準(zhǔn)站由1臺GPS基準(zhǔn)站、1臺GPS/BDS雙模接收機(jī)、1臺雙路信標(biāo)調(diào)制器、信號合成電路、微處理器（帶液晶觸屏）組成。

GPS/BDS雙模接收機(jī)獲取GPS和BDS衛(wèi)星的偽距、星歷等原始數(shù)據(jù)，在與基準(zhǔn)站的精確坐標(biāo)對比后產(chǎn)生GPS/BDS的偽距、偽距變化率等修正信息，再以電文編碼1或9（BDS為電文41或49）發(fā)送到信標(biāo)調(diào)制器，經(jīng)MSK調(diào)制到主（291.0KHz）、副（291.5KHz）載波兩個通道上，兩路信號合成提供給發(fā)射機(jī)。

實(shí)驗(yàn)過程中由DGPS完善性監(jiān)測站記錄統(tǒng)計(jì)連續(xù)播發(fā)狀態(tài)下的DGPS差分定位結(jié)果。同時，由DBDS接收機(jī)獲取和計(jì)算播發(fā)的DBDS差分定位結(jié)果。

5.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2015年1月6日11:00時至14:00時連續(xù)播發(fā)，DGPS和DBDS差分定位精度統(tǒng)計(jì)結(jié)果，由完善性監(jiān)測站解算并生成以下統(tǒng)計(jì)表1。

由圖表可得出，在同一時間段內(nèi)，RBN-DGNSS系統(tǒng)雙頻工作時，在固定試驗(yàn)點(diǎn)DGPS定位誤差在0.5米內(nèi)的比例達(dá)97.48%，DBDS定位誤差在1米內(nèi)的比例達(dá)99.46%。總結(jié)可知，RBNDGNSS系統(tǒng)雙頻工作能有效滿足相關(guān)指標(biāo)要求，具有很強(qiáng)可行性。

6.結(jié)束語

本文提出一種兼容DGPS和DBDS的無線電指向標(biāo)-差分全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)方案。通過將DGPS和DBDS差分修正信息雙頻同時播發(fā)，實(shí)現(xiàn)DGPS和DBDS的兼容工作。此方案可在現(xiàn)有RBN-DGPS臺站上實(shí)施改造，具有成本低、改造方便、定位精度高等特點(diǎn)，具有推廣價(jià)值。

[1]王成.中國沿海無線電信標(biāo)差分系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn).航海技術(shù)，2015（3）:59-63.

[2]吳功棟，王玉林，王成，邢偉坡.航海無線電指向標(biāo)差分北斗系統(tǒng)研究.航海技術(shù)，2013（11）：69-71.