基于共生調頻數據廣播的北斗地基增強系統設計和性能測試

張光華，張全德，門愛東

(1. 深圳思凱微電子有限公司，廣東 深圳 518055； 2. 中國衛星導航定位協會，北京 100830；3. 北京郵電大學信息與通信工程學院，北京 100876)

近年來，全球衛星導航系統(global navigation satellite system，GNSS)已經在軍事和商業領域得到了越來越多的應用，如軍事上的作戰指揮、導彈的精確制導，以及商業上的基于位置服務(location based services，LBS)的社交娛樂、共享單車、共享汽車、智能交通等諸多領域。同時，這些領域的蓬勃發展也對實現精確定位提出了越來越高的要求，高精度的定位將使這些領域得到更迅猛的發展[1-4]。

地基增強系統是提高衛星定位精度的重要方式。地基增強系統主要由連續運行基準站(continuously operating reference stations，CORS)、數據處理中心、數據播發系統、運營服務系統和用戶終端5部分構成。基準站將數據發送到數據處理中心，數據處理中心利用特定的算法對數據進行處理得出精確的差分改正，再通過數據播發系統發送到用戶終端，用戶終端收到衛星數據的同時，也收到改正數據，通過修正可得出精確位置[5-8]。

“十二五”期間，全國建設了均勻分布的360個國家級GNSS連續運行基準站(CORS)，各省(區、市)建設了2300多個CORS站[9]。在利用CORS系統進行測量時，普遍采用虛擬參考站(virtual reference station,VRS)網絡RTK技術，數據處理中心需要先接收用戶的粗略坐標，改正之后還需將改正信息返回給用戶，這種技術路線難以應對超大規模用戶的請求，且不利于用戶信息的保密。VRS算法已被美國Trimble公司申報專利，需要購買昂貴的軟件進行處理。數據播發需采用3G/4G移動通信網絡，并發性較差，使用成本較高，覆蓋范圍較窄，無法在大眾消費領域得到大規模推廣。

為了解決上述問題，本文提出一種原始創新的基于共生調頻數據廣播(CDRadio)技術的基合導航系統(Kinhood System)，也稱BDS-CDRadio[10]。采用與調頻廣播共生的CDRadio技術來傳輸衛星導航定位差分修正數據，與現有的網絡RTK技術相比具有以下優勢：一是用戶容量大，可以容納超大規模用戶的請求；二是保密性強，廣播屬于單向通信，不會泄露用戶的位置信息；三是CDRadio技術基于現有廣播設施，覆蓋范圍廣闊，建設與使用成本低，理論上可以支持海量用戶的免費使用；四是系統屬于自主知識產權，不存在與國外公司發生知識產權爭議的隱患。

CDRadio技術支持純數據類的廣播應用，在物理層實現了業務復用，同時對誤碼率、傳輸時延、功耗等方面進行了優化。CDRadio與傳統廣播共享頻譜，無需額外進行基礎設施建設，可以更順利地投入實際運營，是一種潛力巨大的創新技術。

1 CDRadio技術原理介紹

CDRadio技術是專門針對中國調頻廣播而設計的，通過采用非規則頻譜分配、LDPC糾錯編碼、OFDM、時間分片和分層調制等關鍵技術，在更有效地利用現存模擬頻段間的頻譜間隙、提高接收靈敏度、改善干擾環境和覆蓋盲區的前提下，可實現300 kHz頻段內的數模同播，這是全球獨創的先進技術。

CDRadio的頻譜模式主要有兩種，其中包括主模式和擴展模式。主模式利用先進的LDPC碼、信道估計均衡、調制和其他專門技術，可提供一個更低的接收門限，模數可以混疊在一起。該模式能夠在不改變現有電臺頻率規劃的情況下進行數字化改造，從而實現從模擬到數字的平滑過渡。擴展模式從主模式(數模混疊)帶寬的兩邊擴展出純數字帶寬，總共有15種組合方式，頻帶有規則型、非規則型、對稱、非對稱等，帶寬有200～800 kHz的不同檔次，以滿足中國各種復雜情況的應用。

2 BDS-CDRadio地基增強系統設計

根據北斗差分數據源獲取方式的差異，BDS-CDRadio地基增強系統的運行模式可以分為單基準站模式和CORS接入模式。若系統工作于單基準站模式，則需要在調頻廣播電臺附近架設北斗差分基準站，接收衛星信號并產生RTCM標準格式[11]的差分數據，再通過串口接入CDRadio發射設備；若系統工作于CORS接入模式，則通過互聯網接入當地CORS網絡獲取差分數據，作為CDRadio數字廣播的業務數據輸入，經調制之后通過廣播電臺發射出去。

CDRadio的調頻頻道具有24～64 kbps的數據傳輸帶寬，不僅可以滿足北斗厘米級高精度定位的數據需求，剩余傳輸帶寬還可以為北斗系統提供輔助增強功能，如連續性、完好性和可用性等方面[12]，進一步擴展了北斗系統的應用范圍。此外，CDRaido信號屬窄帶信號，且功耗較低，可以方便投入使用，具有廣闊的應用前景。

基合導航系統可以提供亞米級高精度和厘米級精準定位服務，調頻廣播的泛在性可以使北斗增強信息像空氣一樣無處不在，讓大眾享受到免費的全天候、高可靠的精準定位服務。此外，基合導航系統無需額外頻譜資源與流量資費，發射端基本上共用原有設備，只對少量的硬件設備進行改造，建設成本低廉，而且一般情況下一個城市改造一個廣播電臺即可，部署和推廣十分快捷，具體如圖1所示。

3 實時動態定位精度測試

為了驗證基合導航系統差分數據通信鏈路在不同運動速度下的有效性與穩定性，2017年3月，在中國衛星導航定位協會主持下，原國家測繪地理信息局第二大地測量隊將黑龍江衛星定位連續運行綜合服務系統(HLJCORS)作為基準，對基合導航系統進行了定位精度檢測。

測試利用HLJCORS生成虛擬基準站數據，并將其與廣播數據耦合后通過廣播系統播發。廣播差分數據由廣播RTK接收機進行實時定位測量，網絡RTK接收機通過HLJCORS進行同步實時定位測量，以網絡RTK的觀測結果對比分析基合導航系統的定位精度[13-14]。測試采用動態和靜態兩種方法：動態測試通過在基準站周邊選取不同方向的道路測試基合導航系統在車輛行駛狀態下的定位性能；靜態測試則添加靜態GNSS接收機進行同步觀測，以驗證基合導航系統在靜止狀態下的定位精度與穩定性。動態測試路線與靜態測試點分布如圖2所示。

圖1 基合導航系統測試

圖2 動態測試路線和靜態測試點位分布

3.1 動態測試

按照與廣播基站距離的大小，將動態路線分為0～5 km、5～10 km、10～20 km、20～30 km、>30 km等5個距離區間進行分段分析。在每個距離區間，將網絡RTK的固定解坐標作為標準，對廣播RTK的固定解進行精度測定，廣播RTK的非固定解不列入測定范圍。不同區間的精度統計見表1。

表1 不同區間的精度統計

在動態路線的測試過程中，通過對廣播RTK與網絡RTK的定位結果進行比較，廣播RTK動態定位的平面中誤差最大為3.8 cm，最小為0.9 cm，平面中誤差的標準差為2.08 cm，表明廣播RTK的定位精度很高。

根據不同動態路線相同距離區間的統計結果可看出，在0～20 km的區間內，廣播RTK的定位精度與其距廣播源的距離呈負相關。然而當距離大于20 km時，隨著距離的增大，定位精度呈現出上升趨勢而非下降的趨勢。但各自統計的中誤差標準差均小于3 cm，因此筆者認為該結果處于接收范圍之內。

系統在同一條測試路線但不同車速下的定位精度見表2。因受市內環境、路況等因素影響，平均測試時間較短。

表2 不同車速下的精度統計表(2017年3月4日)

通過對不同車速下基合導航系統定位精度的測試與分析，初步結論為：在120 km/h以下的車速對基合導航系統定位精度無明顯影響。

3.2 靜態測試

靜態測試使用Trimble公司的商用GNSS數據處理軟件TBC，依次對NetR9采集的16處靜態觀測數據采用事后基于CORS基準站靜態基線解算的方法獲得坐標，起算點選擇位于齊齊哈爾市建華區的HLJCORS站(編號為QQJH)，按單基線模式解算。

對16個靜態測試點逐一進行精度分析，以NetR9靜態定位結果為基準，比較廣播RTK定位精度，對比結果見表3。由于在測試過程中廣播站發射功率下調，因此未選擇距基站30 km處及更遠距離處進行測試。

根據上述測試結果，廣播RTK點位平面中誤差大多分布在0.5～1.3 cm之間，中誤差的標準差為1.38 cm，定位精度高且穩定。從距離上看，位于5 km內的定位精度最低，此范圍內10個靜態點平面中誤差的標準差為1.58 cm，經分析，這是由于市區內樓房、建筑較密集，對定位信號產生了遮蔽，從而降低了定位精度。

4 穩定性測試

統計廣播RTK與網絡RTK在動態測試路線不同距離區間內測得固定解的歷元數占所在測段觀測歷元總數的百分比，分析基合導航系統定位的穩定性，見表4。

表3基合導航系統與天寶NetR9靜態定位結果對比精度統計

點位至基準站距離/km平面中誤差/cm高程中誤差/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德龍-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 各方向不同距離處RTK固定解情況比較

根據表4的統計結果可以看出，在與廣播基站距離10 km以下時，各方向廣播RTK固定解比率均較高；在與廣播基站距離10～20 km時，G111富裕方向、大興鎮方向、綏滿高速勝利方向的廣播RTK固定解比率較高；而在與廣播基站距離20 km以上時，各方向廣播RTK固定解比率全面低于網絡RTK。

統計不同路線上廣播RTK與網絡RTK測得的差分解數量占所在路線觀測值總數的百分比，以此分析基合導航系統廣播通信數據鏈路的穩定性，見表5。

表5 不同線路廣播RTK與網絡RTK的差分解統計

通過表5可以看出，在各測試路線上，基合導航系統通過廣播通信測得的差分解比率均高于HLJCORS通過網絡通信測得的比率，顯示出利用廣播播發差分數據具有良好的穩定性。

另一方面，在距離廣播基站20 km以內，基合導航系統的RTK固定解所占的比率較高；但隨著距廣播基站距離增加到20 km以上，基合導航系統的RTK固定解所占的比率開始降低，這與廣播信號強度降低及單基站RTK定位模式限制都有關系。若要解決此問題，需采用播發網格化差分數據的方式來解決，這也是基合導航系統下一步亟須解決的問題。

5 結 語

本文提出的以廣播的方式傳輸，采用數模同播技術的全新基于北斗系統的地基增強系統——基合導航系統(BDS-CDRadio)，它將差分數據共生在原有的調頻廣播之內，無需進行昂貴的基礎設施建設，具有覆蓋面積廣、用戶容量大、數據多樣性強、在高速移動的狀態下有較高的接收質量等優點。

測試表明，基合導航系統可以達到厘米級的定位精度，且120 km/h以下的車速對其定位精度無明顯影響，此外，基合導航系統通過廣播信號播發數據的方式也具有很高的穩定性。但隨著距廣播基站距離增加到20 km以上，基合導航系統的RTK固定解所占的比率開始降低，這是基合導航系統下一步將要解決的問題。

基合導航系統理論上可以支持免費使用，它的運行成本僅是發射端的電費。推進基合導航系統在精準農業、智慧城市、鐵路路基及邊坡監測、高速公路收費及維護、車道級機動車精準導航及未來的自動駕駛等領域的廣泛應用，對于促進衛星導航產業的發展意義十分重大。