基于北斗衛星導航系統的差分定位應用的研究

劉若林

（中海油信息科技有限公司深圳分公司，廣東 深圳 518000）

1 全球各定位導航系統現狀

美國GPS是20世紀70年代開始，由美國海陸空三軍聯合研制的新型空間衛星導航定位系統。核心要求是通過實時提供全天候以及全球性導航信息，滿足海陸空三大領域的應用需求。耗資300億美元，經過20余年的試驗與研究，到1994年3月，全球的覆蓋率高達98%，24顆GPS衛星全部布設完成。GPS系統的衛星（包括21顆運行衛星和3顆備用衛星）均勻分布在6個軌道，每顆離地面高度約1.7×104km，雙頻工作精度為20 m，授時精度為40 ns，持續發射一定頻率的無線電信號，海陸空任意位置的信號接收儀器均能收到，只要選取4顆以上（含4顆）衛星發出的無線電信號進行分析就能確定位置。GPS系統除了常用到導航功能以外，還多用于監測地殼移動、確定地面邊界等。

歐盟Galileo系統是世界上第一個基于民用的全球衛星導航定位系統，是歐盟為了打破美國的GPS在衛星導航定位這一領域的壟斷，而開發的全球導航衛星系統，有歐洲版“GPS”之稱?？臻g星座部分是由分布在三個軌道上的30顆中高度圓軌道衛星構成（衛星距地高度為23 616 km,分布在3條軌道，每條軌道9顆運行衛星，另有1顆備用衛星分布在正常軌道上方300 km處），能使任何人在任何時間、任何地點準確定位，誤差不超過3 m。

GLONASS早于蘇聯時期已經被開發，俄羅斯于1993年獨立完成本國全球衛星導航系統的建設，但由于資金等各種原因，系統仍在持續進行階段。GLONASS有24顆衛星、3個軌道面，每8顆以近圓形均勻排列在一個軌道面上，距地高度19 100 km。據俄羅斯官方報道，完成的全球衛星導航系統精度已經遠高于世界水平，定位以及導航之間的誤差只有23 m。

北斗衛星導航系統是我國自主建設以及獨立運行的衛星導航系統，可以滿足全球用戶全天候、全天時、高精度定位以及導航等服務需求，是我國重要的空間基礎設施。由3顆靜止軌道衛星以及30顆非靜止軌道衛星組成了系統空間端，其中30顆非靜止衛星包括了3顆傾斜地球同步軌道（IGSO）衛星以及27顆中軌道（MEO）衛星。北斗衛星導航系統所應用的為三種軌道衛星混合星座，具有更多數量的高軌衛星，相比其他衛星導航定位系統其具有更強的抗遮擋能力，對于低緯度地區功能優勢更加顯著。此外，北斗衛星導航系統的導航信號為多頻信號，創新性地將導航和通信能力融為一體，不僅可以實時導航、快速定位和精確授時，還能進行位置報告和短報文通信。北斗衛星導航系統的水平定位和高程定位精度均達到了10 m，尤其在亞太地區，水平定位精度為5 m、高程定位精度為5 m[1]。

四大導航系統各具特色也各有千秋，美國的GPS更重于成熟，數十年的積累提高了軍事應用的效能。歐盟的Galileo則是傾向于精確，定位精度能到達1 m的級別，如果說GPS能定位到街道，那Galileo就是能定位到門牌號。那么依靠偽隨機碼相同的不同頻率來區分的GLONASS就是以抗干擾能力強著稱。至于我國的北斗衛星導航系統，雖然起步晚，但是有后發者優勢，取得最大的開放性和互動性。優點顯而易見，不足也就呼之欲出，沒有一個導航系統可以兼顧所有的優勢，特別是在技術不掌握在自己手里時，當時中國參與Galileo計劃就是一個例子。所以，不管是何種方式解決定位導航領域的難題，都必須植根于祖國的北斗衛星導航系統，這也正是北斗衛星導航系統的開放性和兼容性決定的[2]。

2 關于差分定位系統

衛星定位功能的實現，關鍵在于一組衛星的偽距、星歷、衛星發射時間等觀測量以及用戶鐘差。正常情況下需要完成4顆以上的衛星測量，才可以獲得相應的地面三維坐標信息。而在整個定位過程中會因為各種原因的影響而產生不可避免的誤差：（1）因衛星鐘、星歷、電離層以及對流層均存在誤差而產生的定位誤差；（2）系統傳播延遲產生的誤差；（3）用戶接收機自身存在的誤差，包括通道延遲、內部噪聲以及多路徑效應等?？偨Y來講，第一部分的誤差可以通過技術支持完全消除掉，第二部分可以消除大部分，只有第三種是沒法消除。而差分定位方法便是用算法計算出差分數據，傳送至用戶，用以消除掉以上三種誤差，模型和算法便是差分定位的研究重點。

現在大都使用的差分GPS（DGPS）以獲悉精確三維坐標的差分GPS基準臺為基礎，計算獲得偽距修正量或位置修正量，向用戶實時或事后發送獲得的修正量，并且修正用戶的測量數據，確保GPS定位精度進一步提高。

傳統的差分GPS多為單基準站差分、多基準站的局部區域差分和廣域差分三種類型。以地域大小以及基準站的數量來分類，但無論是哪種，作為地基的差分系統，精度都取決于與基站的距離，一個基站的定位范圍在100 km以內，距離越近精度越高。如果實現一個廣域的系統，其地域面積越大，基站就需要越多，且定位精度要求越高，基站密度也得更大，前后期的費用也將指數增長。

隨著技術的提高，增強型差分定位系統正在慢慢展現。該系統具有偽衛星技術和衛星通信技術，其中一種WAAS（Wide Area Augmentation System）所應用的是空基偽衛星以及通信衛星發送差分修正數據的方式，正在慢慢替代了舊的地基模式。其不需要修建地基基站的優勢更是在區域越大，精度要求更高時表現的格外突出。

播發的差分數據信號便是采用載波相位的RTK模式，通過基準站網來對用戶附近某點（虛擬參考站）各項誤差進行計算和改正，并將結果應用到基于虛擬參考站坐標以及衛星坐標計算得到的距離數值上，獲得虛擬參考站對應的虛擬觀測值，將此數值發送給用戶，完成實時的相對定位，新型的差分定位便是基于算法和北斗衛星實現的，如圖1所示。在原來單個定位導航系統提供的定位精度是優于25 m，部分能達到米級，而我們通常采用差分定位技術后，在水平精度達到分米級甚至厘米級別，做到真正定位到人，極大地提高了民用導航定位的精度。

3 INMARSAT海事衛星數據播發

INMARSAT海事衛星采用DAMA系統，自20世紀90年代初投入使用后，一直表現得非常穩定、可靠，經過多方面論證設計而成的數據通信協議使得盡管帶寬頻率資源非常有限，僅有34M，也依然成功為全球近15萬的通信終端提供了服務業務。

圖1 差分定位系統原理示意圖

INMARSAT系統空間段共分為4顆工作衛星以及5顆軌道上的備用衛星兩大組成部分，所有衛星均處于靜止軌道，并包括點波束模式與全球覆蓋模式。其中，點波束模式多用于通信業務較多、航運密集的區域，集中衛星發射功率，減小移動站體積。全球覆蓋模式則是除了保障對通信業務多、航運密集區域的使用，也兼顧了其他運輸較少的區域，保證無論在世界任何地區都能使用衛星進行通信。INMARSAT系統的所有衛星均由位于英國倫敦總部的衛星控制中心進行統一管控，以保證正常運行。但INMARSAT系統在全球各地還設有很多直接和衛星保持聯系的測控站，控制中心通過測控站接收傳輸的數據。必要時，這些測控站可以代替控制中心控制衛星。INMARSAT系統的4顆工作衛星覆蓋全球4個洋區：大西洋西區（AOR-WEST）54°W、大西洋東區（AOR-EAST）15.5°W、印度洋區（IOR）64.5°E、太平洋區（POR）178° E。

海事衛星系統的一大特點在于其具有移動性，受所應用的為L波段的固有特性影響，基于寬的天線波束，L波段終端能夠在以更短的時間完成尋星與對星任務。

海事衛星播發的下行線路采用傳播損耗和雨致衰減相當小的L波段，對通信十分有利，被稱為黃金頻段。當發生突發事件時，能夠確保行進中的視頻圖像以及數據通信不受影響，并在扎營后迅速建立起通信樞紐，在國內外均起到了重要的作用。

雖然INMARSAT海事衛星L波段的資源稀少而且昂貴，但是使用其對差分修正數據進行全球下行播發無疑是最有保障的方式。我們在進行下行全球播發時，在把全球各處的服務器內差分數據互聯修正后分別傳至北京、倫敦等幾個不同的上行站機房，在INMARSAT無介入下自行調制以變頻，以C波段頻率上行至海事衛星，通過衛星轉發器降頻以L波段進行全球播發，實現全球大范圍覆蓋，以保障差分數據實時、安全和穩定的下行播發。

4 結 論

整套差分定位系統是基于北斗衛星的定位導航功能，運用星基增強差分算法，通過INMARSAT海事衛星L波段進行下行全球播發覆蓋，可以做到全球全覆蓋，讓終端用戶獲得實時穩定的高精度的定位導航需求，使水平精度可以達到厘米級別，垂直精度達到分米級別以上，北斗衛星和海事衛星的保密性也讓所有數據僅在提供者與使用者之間傳輸，能夠很好的保障用戶信息的安全不被竊取，將是新型導航定位行業的一個方向和開端。