一种新型高精度地基伪卫星定位系统——Locata

刘芹丽,马刘海,李春霞

(北京卫星导航中心,北京 100094)

0 引 言

Locata系统是由澳大利亚Locata公司发明的一种地基“非GPS定位系统”(NGBPS),商用上称为LocataNet。与GPS系统利用定轨卫星定位不同,Locata系统利用多个在区域内发射强无线电定位信号的小地基伪卫星发射器组成的网络实现定位，它实际上是采用类GPS定位技术的地基局域网络,由于是地基的、发射强信号,可以在任何室外、室内环境中使用[1-5]。

经过长达16年的秘密研发,Locata系统于2011年公之于众,当年9月份先后在GPS world、ION GNSS会议、每日航天网站上公布了其技术、性能和产品开发情况。这次公开发布标志着未来一种新型的关键新技术——高精度无线电定位技术的到来。可以预计Locata定位技术将催生大量新型应用,藉此最终将开发出真正的“全球新一代应用”。

本文将介绍Locata系统结构、关键技术,精度与可靠性等性能,以及应用现状与前景。

1 Locata系统组成

1.1 Locata网络

Locata网络由多个自主同步的地面站组成，每个地面站主要由一个LocataLite收发机、一个射频放大器、一副天线、一个路由器、一个3G调制解调器、电池、太阳能帆板组成如图1所示。附加的设施有天线杆、防风屋、电缆、电源,有些站还安装了气象观测仪器。

图1 Locata地面站

每个地面站实质是一颗地基伪卫星，其核心设施是LocataLite收发机。LocataLite收发机是一个书本大小的设备，其功能类似地面版的GPS卫星，使用与Wi-Fi相同的频率发射定位信号，覆盖范围达数公里。虽然LocataLite的时钟芯片精度远不及原子钟，但借由LocataLite各伪卫星之间互相保持同步。每个LocataLite根据从其它LocataLite接收到的时钟信号调制自己的时钟信号，生成一个保证网内所有信号同步的反馈循环，使所有LocataLite时钟信号在2 ns范围内保持同步。

伪卫星之间通过LocataLite收发机自动实现互相同步，使得设计者能够任意配置Locata定位网络以满足具体的、个性化的精度、可用性、可靠性需求。而且，借助于调制解调器在主伪卫星本地可以实现对整个Locata定位网络的控制。这些灵活性使信号完好性得以保障，使得Locata系统改善信号可用性、可靠性的能力超出了GPS系统，也超出了任何其它无法本地控制发射机生成的定位信号的系统。

1.2 接收机

GPS/Locata组合接收机的外观基本等同于标准的、专业的GPS接收机，它能够捕获和无缝跟踪GPS信号、Locata信号。这种双重功能使得用户通过在Locata信号、GPS信号二者之间无缝转换获得最优定位解。

图2示出了Leica Geosystem公司开发的全世界首款GPS/Locata组合接收机，这款接收机集成了两个GPS、两个Locata接收机以提供定向、定位解。

图2 全世界首款GPS/Locata接收机

2 Locata系统性能

2.1 精度与可用性

截止2013年1月,Locata系统已经开展了3次大型试验,包括在澳大利亚威尔士库马机场附近的一个大约1 553 km2LocataNet网的2次试验、2011年10月美国空军746试验中队在白沙导弹靶场大约2 071 km2范围内的进行的1次飞行试验,其中前2次是开发方的技术试验,后1次是使用方美国空军进行的演示验证试验。

美国空军746测试中队演示的、位于世界著名的新墨西哥州白沙导弹靶场方圆2 000 km2的区域是当时世界上最大的LocataNet,10个Locatalite站点的部署如图3所示。测试过程中飞机的飞行轨迹、速度和高度如图4、5所示。

图3 2011年10月部署在白沙导弹靶场的LocataNet

图4 位于4620 m英尺高空的飞行轨迹

图5 飞机飞行高度和速度

待测接收设备是一个机柜,安装固定在机舱内行李架上,天线安装在机身下方,如图6所示。

图6 测试接收机和天线

2011年10月的这次Locata测试结果与美国空军CRS(中央惯导及GPS测试设施参考系统)输出基准值的误差，如图7所示。图7中从上至下依次给出的是Locata系统载波相位定位输出结果在东向6 mm、北向、高程三个方向的误差曲线，对该误差数据统计结果由表1所示,采用载波相位定位技术,Locata可以将定位性能提高到东向6 cm、北向6 cm,垂直15 cm,三维18 cm的水平。整个定位精度满足美国空间合同规定的非GPS定位系统性能指标——当PDOP<3时,三维定位精度(RMS)优于18 cm[7].

图7 Locata系统载波相位定位在东向、北向、高程三个方向的误差曲线

表1Locata与美国空军参考解相比的定位性能

伪码定位RMS误差/m载波相位定位RMS误差/m 东向0.0700.062 北向0.1050.060 高程0.2010.151 3D0.2450.174

图8给出了此次验证试验中Locata伪卫星数量、跟踪信号数、使用信号数。整个过程中10个Locata伪卫星一直运行良好，每个伪卫星发射4个定位信号，一共发射40个信号，在EKF定位解中使用的信号数有35～36个。至少35个信号可视，如此高的可用性对于GPS系统而言是不可能的。

对于所收集的气象数据，文章首先进行了数据的预处理工作，包括寻找数据中的错误点、缺失点、调整数据格式等。在此基础上，从年变化和月变化两个维度就气温、降水、风速、湿度等多种气候对比指标进行分析，了解其气候差异、趋势及变化。

良好的信号可用性保障了定位几何性能。图9给出了PDOP、EDOP、NDOP和VDOP值，分别表示三维定位几何因子、东向定位几何因子、北向定位几何因子、垂直方向定位几何因子。在整个飞行过程中，PDOP最大值略大于3，它的三个分量EDOP、NDOP和VDOP中最差的是VDOP，其最大值达2.7.

图8 伪卫星数量、跟踪信号数和使用信号数

图9 定位几何值

第746测试中队的技术主管Morin称,2011年10月的这次技术验证中,Locata网络在没有GPS的情况下,对平均海拔高度4 575 m和6 096 m的飞机定位精度优于18 cm,该精度在第746测试中队CIGTF(中央惯导及GPS测试设施)参考系统的精度容限范围内,并满足其最初目标。进一步分析表明,如果对Locata的部署进行优化,描述其误差特性,并将其伪距观测量和载波相位观测量与UHARS(超高精度参考系统)的GPS和惯导观测量相融合,经UHARS后处理软件进行处理,可将精度控制在5 cm以内。

经过这次全面的飞行测试以后,美国空军认为,Locata系统不仅满足2010年所签订合同中规定的极其严格的跟踪和定位要求,甚至在多个方面性能更优，美国空军确认的Locata系统特点包括[8]:

1)定位精度高。在没有GPS参与的情况下,Locata网络对距离50 km、时速550 km的飞机定位精度为水平6 cm(实际上是东向、北向各6 cm,水平共计8 cm)、垂直15 cm,相当于1美元钞票的大小。

2)时间同步快。在整个测试过程中,Locata网络运行数秒钟后,白沙导航靶场的整个网络即与其实现了纳秒级精度的同步,甚至在恶劣天气中仍然能保持同步,直到每次测试结束后网络被关闭。

3)远距离接收效果好。美国空军的测试表明,Locata网络的发射机如果与放大器相连接,可提升远距离信号的接收效果。美空军证实,Locata发射机与一台简单便宜的10 W放大器相连,飞机在距离100 km处即可获得并跟踪信号;或连接更高功率的放大器,还可实现更远距离的信号捕获和跟踪。

4)高动态性能优。在白沙导弹靶场飞行测试之前,商业Locata系统仅被用于轿车、卡车、推土机、钻车等地面交通工具的区域定位，而在美空军的此次测试中,Locata系统需要在飞机动态作战机动(如倾斜飞行,角速度和直线加速等)情况下验证其性能,飞行速度高达560 km/s,飞行高度高达9 144 m.

Locata公司创始人之一兼首席执行官Gambale称,经Hexagon、LeicaGeosystems等商业合作伙伴开发并出售的Locata产品已经证明了其技术在商业定位领域具备“改变现有规则”的能力，而此次美国空军验证了在GPS受干扰情况下,Locata能够在大范围的军事区域内提供厘米级的非GPS定位能力,更将其技术水平迅速提升到一个新的等级。根据2010年签订的合同,未来在白沙导弹基地部署的基于Locata的UHARS覆盖范围将达6 744 km2,不使用GPS卫星,在如此广泛的区域提供厘米级的定位精度,是独一无二的,具有革命意义，世界上没有其它技术能够做到这一点。

对于此次验证测试,美空军给出了历史性地、公开地赞扬,称“Locata成为未来定位和导航系统的金标准,成为美国防部未来导航系统测试与评估新的金标准参考系统”。

2.2 多功能与扩展性

类似于GPS这样的系统全球覆盖,因此不需要扩展，对于陆基系统而言,随着应用或者用户的需求而扩大或缩小覆盖面积的能力,是非常有价值的，Locata技术是完全可缩放,灵活的,其覆盖范围可以从一个房间到一个操场,再到整个城市。

此外,临近的Locata网络可以互相配合形成一个超级Locata网络,以在跨越几个独立的Locata网络的区域提供连续的定位服务，Locata技术特别设计成允许网络以最小的网络运营者或用户成本扩展。与其它技术相比,这种可自动配置的能力赋予Locata技术强有力的商业优势。

进一步,Locata信号强度目前与移动电话信号强度相当,比标准GPS信号强成千上万倍，在一些关键任务应用领域,比如军用、生命安全应用场合,Locata系统可以设计成发射出比FCC允许的Wi-Fi波段发射功率更高的功率，例如,目前世界上最大的由746测试中队验证的2 071 km2白沙导弹靶场,Locata伪卫星发射信号比商业Locata伪卫星强100倍,以此允许Locata伪卫星部署间隔超过50 km.

Locata公司日前被美国空军授予了独家的、多年合同,其任务是当GPS被有意干扰时，在白沙导弹靶场6 474 km2的区域内提供高精度定位保障，把Locata网络扩展到更大的区域也不存在理论和技术问题。这是一项世界一流的能力,说明了Locata作为未来定位系统必须拥有的能力的重要性。

3 Locata系统应用现状与前景

3.1 Locata系统与GPS系统的区别

Locata比GPS更精确,信号更强,还可用于室内定位服务。

GPS定位精度通常为3～5 m.相比之下，美国空军2013年1月在白沙导弹靶场测试结果表明Locata的定位精度仅为18 cm.测试者Morin说，理论上它可以精确到5 cm范围内。显而易见，Locata的准确性更高。

GPS在一个空旷的沙漠中也能展现出极高的精准度,但是GPS信号很弱，犹如20 000 km外的一盏汽车灯光很容易就被固体阻断，在城市地区建筑多，信号常常遭受遮挡使其强度大大降低，从而信号不能被接收或定位精度下降；有时障碍物使信号传播历经反射，反射信号会干扰接收机使其精度降低。Locata系统虽然不能保证一定能在复杂的城市环境中运行，但是其信号确实远比GPS信号强，这使得其可用性更高。

3.2 Locata应用现状与前景

Locata不仅可以和GPS无缝组合,当GPS不稳定或者完全不可用时它也可以独立使用,例如在仓库、城市中应用。

GPS/Locata组合接收机通过融合技术提供定向和定位服务，目前这样的接收机运行部署在露天采矿场,为钻机、铁铲,以及其它大型机器提供精确定位,由Locata驱动的Leica新舰队管理系统则负责确保机器自动运行的可靠性。

Locata与GPS相配合使用将是主要应用模式。比如,徕卡测量系统公司推出的“拼图定位系统”正是同时使用了Locata和GPS.在澳大利亚西部的金矿矿区,Newmont公司已经正在使这种公文包大小的设备为钻机提供精确的定位服务，甘贝尔说,五年内,既便宜又能装载到智能手机上的Locata/GPS组合定位系统将会面世——GPS也是通过同样的途径实现对定位系统市场的统治。

Locata系统独立用于室内定位是另外一个发展方向，在未来的室内导航技术发展中,Locata系统将面临强有力的竞争，谷歌和诺基亚先下手为强,均推出了GPS难以实现的室内定位服务——防止用户迷失在迷宫般的商场或大城市的水泥森林中，但是,它们的覆盖范围小,定位误差也高达好几米。而Locata系统定位精度高,可以在某些领域大放异彩，比如,在缺乏复杂光学系统的前提下,装配有Locata的机器人可以很容易地在建筑内部导航。再比如,能提供精确定位服务的应用程序不仅能指引你逛商场,同时可以把你带到确切的货架前。

4 结束语

Locata是一种新的、完全自主的地基伪卫星定位技术。它具有信号强、精度高、可靠性高,系统可扩展性强、可灵活组网,可用于室内定位等优点。尤其在定位精度方面的表现前所未有:美国空军2013年1月在白沙导弹靶场测试的结果显示,Locata系统三维定位精度达到18 cm,其理论三维定位精度更是高达5 cm.Locata不仅可以和GPS无缝组合,还可以独立使用,它昭示着高精度无线电定位和室内定位服务时代的到来。

[1]CHOUDHURY MRIZOS C. Slow structural deformation monitoring using Locata A trial attumut pond dam [J]. Journal of Applied Geodesy, 2010,4(4):177-187.

[2]BARNES J RIZOS C, PAHWA A,etal. The potential for Locata technology for structural monitoring applications [J]. Journal of GPS, 2007 6(2)166-172.

[3]RIZOS C G. W. ROBERTS G W, J. BARNES J,etal. Locata:A new high accuracy indoor positioning system [C]//Proceedings of the international conference on indoor positioning & indoor navigation, September 15-17, 2010:441-447.

[4]BARNES J, LAMANCE J, LILLY B,etal. An integrated locata & Leica geosystem positioning system for open-cit mining applications [C]//2th International Technical Meeting of the Satellite Division of the Institute of Navigation, Fort Worth, Texas, 26-29 September, 2007:1661-1668.

[5]LAMANCE J, SMALL D. Locata correlator-based beam forming antenna technology for precise indoor positioning and attitude [C]//24th International Technical Meeting of the Satellite Division of the Institute of Navigation, Porland OR, 19-23 September, 2011:2436-2445.

[6]TRUNZO ABENSHOOF P. UHARS non-GPS based positioning system [C]//24th International Technical Meeting of the Satellite Division of the Institute of Navigation, Porland OR, 19-23 September, 2011:3582-3586.

[7]CRAIG D. USAF’s new reference system truth on the range [J]. Inside GNSS,2012:36-48.

[8]GPS World. Locata tests lead to air force contract for non-GPS positioning system [EB/OL]. (2012-12-12).http:/gpsworld.com.