Locata定位系统的时间同步机制

陈健熊,彭良福,黄勤珍

(西南民族大学 电气信息工程学院,四川 成都 610041)

0 引 言

定位导航技术近几年得到了非常广泛的应用,它不仅是为了满足国家军事经济发展的需求,更是成为了普通大众日常生活中的必需品。如汽车导航、手机定位、共享单车等基于位置的服务。目前定位导航技术已成为国家大力发展的高科技技术,定位导航技术水平的高低在一定程度上也反映出一个国家的科学技术发展的水平。

定位导航目前主要依靠全球导航卫星系统(GNSS),例如美国的全球定位系统(GPS)、中国的北斗卫星导航系统等。但是,GNSS系统存在着信号电平微弱、定位精度较低、无法覆盖室内等不足之处,在可见卫星的数量少于4颗时无法提供高精度的定位。Locata系统则是一种既可以与GNSS系统兼容工作又可以独立运行的新型的地基定位系统[1]。它不受外部环境限制,无需原子钟,采用独特的时间同步技术实现地面收发设备之间的高精度(纳秒级)时间同步,实时的定位精度可以达到厘米级[2]。Locata系统的定位技术被GNSS行业内称作第二代定位技术[3]。

1 Locata系统的定位原理

Locata系统是一种新型的高精度地基定位系统,既可以作为GPS在地面的延伸和扩展,又可以在GPS失效的情况下独立工作。Locata定位系统使用小型化的地面收发设备覆盖选定的区域,能在局部区域发射出比GPS信号功率强得多的无线电定位信号,在GPS信号难以到达或者无GPS信号的环境下实现精确的定位,在室内和室外环境中都可以使用。由于Locata系统发射的信号和GPS信号类似,可以直接用于单点定位系统的位置解算。因此,Locata系统相当于在地面上建立了一个类似于GPS的定位系统。

1.1 Locata系统的组成

Locata系统由被称为LocataLite的信号收发设备和Locata信号接收机(Locata Rover)组成定位网络。LocataLite是部署在地面网络中拥有GPS星座功能的收发设备。Locata信号接收机既能捕获GPS信号又能接收LocataLite的定位信号,并能够自主确定测距码和载波的单点定位解,无需差分校正;在组建一个自主定位网络LocataNet中,至少需要一台LocataLite作为参考发射机,和其余至少两台LocataLites被称作定位单元设备,组建好的LocataNet就可以利用伪距测量和载波相位测量进行单点定位[4]。

地面设备LocataLite一般在ISM频段的2.4 GHz到2.48 GHz两个频率上播发信号,也可以根据具体应用设计为在任何频率或功率上进行广播[5]。LocataLite的硬件部分如图1所示。它包括位置接收机、发射机、中央处理器(CPU)和一个共用振荡器。位置接收机包含了能够接收定位信号的接收通道。定位信号中包含了载波分量、PRN测距码分量和导航数据分量。定位信号的结构是基于直接序列码分多址(DS-CDMA)信号,通过跳时码分多址(TH-CDMA)方案按10%占空比工作,以避免远近效应问题[6]。LocataLite也可以在同频发送两个不同的PRN码信号到两个独立的天线以抑制多径效应[7]。

发射机至少包含一个射频载波发生器、一个PRN测距码生成器,以及一个受控时钟。CPU能够解析位置接收机接收到的定位信号,控制发射机的受控时钟和生成导航数据。共用振荡器为LocataLite各部件提供一致的本地时间基准[8]。

1.2 Locata系统的定位原理

全球定位系统利用伪距测量法进行定位测量。但由于测距码的码元宽度较大,无法进行高精度应用。而载波相位法中相对于测距码码元宽度,载波波长要小得多,对载波进行相位测量便能达到很高的精度[9]。Locata系统使用的就是载波相位法进行定位。

Locata系统利用小型化的地面收发设备LocataLite组成一个自主定位网络覆盖选定的区域,网络内的所有LocataLite完成时间基准统一后,同时发射高强度的无线电定位信号,采用完全与GPS类似的方式进行三维空间定位,提供定位、导航和授时(PNT)服务。

由LocataLite组成的地面定位网络,使用了一种新型的时间同步技术(称为TimeLoc),不需要原子钟就可以让整个网络内的Locatalite同步到一个统一的时间基准,大大降低了整个Locata定位系统的成本。在组建一个二维的Locata定位网络时,至少需要三台LocataLite地面收发设备,其中一台作为参考发射机(Reference Transmitter),另外两台作为定位单元设备(Positioning Unit Device)。如果组建一个三维的Locata定位网络,那么需要至少四台LocataLite地面收发设备,其中一台作为参考发射机,另外三台作为定位单元设备。定位网络内的移动用户通过Locata接收机(称为Locata Rover)接收Locata定位信号后,不需要进行差分校正,就可以自主确定基于伪距和载波相位的单点定位解。

对于Locata定位网络来说,有必要与全球时间基准(协调世界时UTC)对齐。参考发射机的时间基准既可以来自于广域增强系统(WAAS)卫星,也可以来自于全球导航卫星系统(GNSS)。当WAAS卫星信号不可用时,最好用GNSS的时间基准将一台参考发射机的时间基准引导到UTC,这时需要接收至少一颗GNSS卫星信号,使用这种技术可以实现的时间同步精度大约在50 ns.如果不与全球时间基准对齐,那么需要至少有一台LocataLite作为参考发射机,为定位网络内的其它LocataLite地面收发设备提供时间基准。

图2示出了一个由4台LocataLite地面收发设备构成的Locata定位系统。在图2中,4台LocataLite被布置在整个定位区域的山顶和楼顶的高处,使得定位网络内的移动用户手持的Locata接收机能够很好地接收LocataLite发射的定位信号。一台LocataLite设为主站发射参考定位信号,而另外三台处于高处的LocataLite作为从站。当从站接收到主站发出的参考定位信号后,分别与主站实现时间同步锁定,最终构成了一个时间基准同步的定位网络。当移动用户在网络内持有Locata接收机时,布置于地面的LocataLite发射很强功率的定位信号能够对Locata接收机提供定位服务。

2 Locata系统的时间同步技术

由距离等于速度乘以时间的公式可知,1 ns的时间误差会造成约30 cm的定位误差。若要使Locata接收机实现厘米级的单点定位,则定位网络内的所有LocataLite必须保持纳秒级的时间同步。

时间同步锁定技术(称为TimeLoc)是实现LocataNet网络内的多台LocataLite进行时间同步的关键技术。选定网络内的某台LocataLite作为主站(称为参考发射机),其余的LocataLite作为从站(称为定位单元设备)。TimeLoc的实现过程是参考发射机发射参考定位信号到定位单元设备,定位单元设备接收到参考定位信号后,自身产生并发射一个从定位信号,然后接收这个从定位信号,从而建立起一个测量环路。通过自动调整使接收到的来自主站的参考定位信号与自身发射和接收的从定位信号达到时间同步,于是定位单元设备与参考发射机的时间基准达到一致,从而实现时间锁定。图3为参考发射机和定位单元设备进行时间锁定的示意图。

每个定位信号中包含了一个载波分量、一个伪随机码分量和一个导航数据分量。导航数据分量包含了网络时间、设备位置等一些必要的网络数据。采用码分多址(CDMA)技术,伪随机码分量被调制在载波分量上,导航数据分量被调制在伪随机码分量上。

TimeLoc时间同步流程如图4所示。预先布置好的参考发射机和定位单元设备,其位置坐标为已知。Locata定位网络内的每台定位单元设备通过以下步骤与定位网络内的参考发射机完成时间锁定,形成统一的Locata定位系统的时间基准[10]。

1) 重置定位单元设备;

2) 定位单元设备的CPU启动,通过位置接收机搜索参考定位信号;

3) 位置接收机捕获到参考定位信号后,由CPU从其导航数据分量中解调出参考发射机的位置和时间;

4) CPU等待,定位单元设备与参考发射机进行粗略时间对齐;

时间对齐计算公式:定位单元设备的时间=信号传播时间+发射参考定位信号的时间;

设信号传播时间为t,步骤3)中解调出的参考发射机发射参考定位信号的时间为t1,在定位单元设备捕获到参考定位信号的时间为t2,参考发射机的坐标为(x0,y0,z0),定位单元设备的坐标为(x1,y1,z1);则

其中，c为自由空间的电磁波速度;

所以

5) CPU确定一个合适的PRN码给定位单位设备内部的从发射机,并把接收到的参考定位信号和共用振荡器的频偏分配给从发射机的受控时钟,使其频率与参考定位信号频率大致相等。CPU再分配与从发射机相同的频偏和伪随机码来初始化本地接收机的接收信道,最后定位单元设备启动从定位信号的发送;

6) 位置接收机启动搜索从定位信号;

7) 位置接收机捕获到从定位信号后,由CPU从其导航数据分量中解调出定位单元设备的粗略从时间;

8) 有两种方法完成此步骤的频率锁定:

方法1: 通过位置接收机,同时测量参考定位信号与从定位信号的整周载波相位(Integrated Carrier Phase, ICP)值,两个定位信号的ICP测量值作差,此差值代表参考定位信号和从定位信号之间的频率和相位差。CPU的控制回路不断校正受控发射机时钟,保持ICP差值为零,这样便达到了参考定位信号和从定位信号的频率锁定。

方法2: 接收到的频偏直接送到发射机的受控时钟,建立一个频率跟踪系统(FTS),受控时钟根据输入的频偏直接进行调整,完成频率锁定。

9) 完成步骤8)参考定位信号与从定位信号的频率锁定之后,本步骤进行两个信号的码锁定。PRN码由“多级反馈移位寄存器”产生,根据循环的控制输出,生成的PRN码会周期性出现一致。因此只需要把发射机的受控时钟调整一个需要的时间量,再不断地计算定位单元设备新生成的PRN码与参考定位信号解调出的PRN码的互相关性,直到互相关系数最大,参考定位信号与从定位信号的码锁定即可完成[11];

10) 一旦步骤8)和步骤9)参考定位信号与从定位信号的频率锁定、码锁定完成,那么还剩下180°相位模糊度和传播时间相位偏差这两个误差需要被校正。

① 180°相位模糊度的校正

在2.4 GHz频段,180°模糊度代表了近200 ps的时间偏差。使用科斯塔斯环(Costas Loop)从PRN码定位信号中解调出导航数据,科斯塔斯环本身包含了一个180°的相位模糊度。图5示出了科斯塔斯锁相环[12]。

设输入锁相环的信号表达式为s(t)coswct,环路锁定情况下,直接数字式频率合成器(DDS)输出信号为

v1(t)=cos(ωct+θ),v2(t)=sin(ωct+θ),

θ为DDS产生的本地振荡信号与输入信号之间的相位误差。所以

v3(t) =s(t)cosωct·cos(ωct+θ)

v4(t) =s(t)cosωct·sin(ωct+θ)

通过低通滤波器之后,可以得到

通过乘法器得到误差电压

因此,采用科斯塔斯环法进行载波同步时,存在180°的相位模糊度。

科斯塔斯环模糊度可以通过引用前导码来解决,前导码在定位网络内的发射机发送的导航数据分量中。通过前导码作为特殊序列,在接收端查看此特殊序列是否发生翻转来判断此180°相位[13]。当解决了科斯塔斯环模糊度后,参考定位信号与从定位信号之间的任意固定的相位差θ就变得很明显了。这个任意的相位偏差源于从定位信号的任意相位,在下面②中进行校正。

② 传播时间相位偏差

使用载波相位定位测量法,参考发射机和定位单元设备之间的实际几何距离可以用整载波周期和分数载波周期之和来表示。实际进行载波相位测量,定位单元设备接收机跟踪参考定位信号,在t0时刻进行载波相位测量时,测得的相位差包括整周分量和分数分量,即

φp(t0)-φR(t0)=N0+F0(φ),

式中: φp(t0)为t0时刻定位单元设备接收机从定位信号的相位； φR(t0)为t0时刻定位单元设备接收机参考定位信号的相位； N0为整周数(整数分量)； F0(φ)为不足一整周数(分数分量)[14]。

载波相位测量法存在整周模糊度的问题,TimeLoc使用伪距法在步骤8)中通过调整发射机的受控时钟校正了整数分量N0,而分数分量F0(φ)就是在上面①中描述的消除180°相位模糊度后通过鉴相器得到的任意固定的相位差θ.使用频率跟踪系统(FTS),根据θ值调整发射机的受控时钟的时间,完成调整后系统再重新开启时间锁定环路(Time-Lock Loop)。

至此,参考定位信号与从定位信号的载波相位调整一致,完成相位锁定。

11) 上述步骤全部完成后,CPU声明时间锁定,并开始发送时间已经完全同步的独特的定位信号。此定位信号与参考发射机的时间基准统一,具有纳秒(ns)级的同步精度。

采用TimeLoc技术,可以使Locata定位网络内的参考发射机与移动用户接收机之间的时间同步到1 ns的级别,远高于GNSS卫星使用原子钟及外部修正技术获得的时间同步精度[15]。因此,Locata定位系统可以进行比GNSS更精确的单点定位。

3 结束语

在当今高度信息化的社会,智能定位导航服务必将得到更多和更广的应用。目前普及的GPS等卫星导航技术无法有效地为卫星信号受遮挡的区域提供定位导航服务,例如高楼林立的城市以及室内和地下室等场所。而大型商场、超市、货物仓库、山地丛林等场所对高精度的定位有着非常大的市场需求。除此之外,在国防安全和军事领域上也有类似需求。2011年美国空军在白沙导弹试验场2000平方千米范围内进行Locata网络性能实测,验证了Locata定位系统在GPS被干扰或失效的情况下,也能为大范围的军事区域提供厘米级的非GPS定位[16]。我国也明确提出了争取到2030年前后构建基于北斗卫星导航系统的国家综合PNT(导航、定位、授时)体系[17]。Locata系统这种既能够与卫星定位导航系统无缝连接,又能够在卫星信号失效的情况下独立运行的定位系统及其优质高效的TimeLoc技术可以被我们借鉴和发展,应用于我国综合PNT体系的建设中。

[1] 李冬,焦文海,马银虎,李振海. Locata系统概况及启示[C].//第五届中国卫星导航学术年会电子文集,2014.

[2] JAIN S, POLITI A, DEMPSTER A G. Indoor positioning using fingerprinting with locata signals[C].//Internationnal Global Navigation Satellite Systems Society IGNSS Symposium,2007.

[3] 魏艳艳. Locata——一种新型的定位星座[J].现代导航,2013(6):461-465.

[4] BARNES J, RIZOS C, WANG J,etal. High precision indoor and outdoor positioning using LocataNet[J]. Journal of Global Positioning System, 2003, 2(2):73-82.

[5] 王雷,倪少杰,王飞雪.地基增强系统发展及应用[J].全球定位系统,2014,39(4):26-30.

[6] RIZOS C, ROBERTS G, BARNES J,etal. Experimental results of Locata: A high accuracy indoor positioning system[C].//International Conference on Indoor Positioning and Indoor Navigation. IEEE, 2010:1-7.

[7] BARNES J, RIZOS C, KANLI M,etal. A positioning technology for classically difficult GNSS environments from locata[C].//Position, Location, & Navigation Symposium, IEEE/ION, 2006:715-721.

[8] BARNES J, RIZOS C, WANG J, SMALL D,etal. Locata: A New positioning technology for high precision indoor and outdoor positioning.[C]/./In Proceedings of ION GNSS, Portland, OR, 2003: 1119-1128.

[9] 吴学伟,伊晓东. GPS定位技术与应用[M]. 北京:科学出版社,2010.

[10] DAVID SMALL. Method and device for chronologically synchronizing a location network: US:7616682B2[P]. 2009-11-10.

[11] 黄丁发. GPS卫星导航定位技术与方法[M]. 北京:科学出版社,2009.

[12] ROLAND E. BEST. 锁相环设计、仿真与应用[M]. 5版.李永明,等译. 北京:清华大学出版社,2007.

[13] 姜朝宇,王楠. 解决OQPSK相干解调相位模糊的一种方法[J].信息通信,2014(9):6-7.

[14] 李天文. GPS原理及应用[M].北京:科学出版社,2003.

[15] 张辉,郝金明,史晓韦. Locata:一种新型地基导航系统[C].//第五届中国卫星导航学术年会论文集, 2014.

[16] 刘芹丽,马刘海,李春霞. 一种新型高精度地基伪卫星定位系统——Locata[J]. 全球定位系统,2014,39(4):37-41.

[17] 刘庆军,刘锋,武向军. 国家综合PNT 体系的总体架构及其时空基准[C].//第八届中国卫星导航学术年会论文集, 2017:1-5.