基于北斗卫星导航系统的差分定位应用的研究

刘若林

（中海油信息科技有限公司深圳分公司，广东 深圳 518000）

1 全球各定位导航系统现状

美国GPS是20世纪70年代开始，由美国海陆空三军联合研制的新型空间卫星导航定位系统。核心要求是通过实时提供全天候以及全球性导航信息，满足海陆空三大领域的应用需求。耗资300亿美元，经过20余年的试验与研究，到1994年3月，全球的覆盖率高达98%，24颗GPS卫星全部布设完成。GPS系统的卫星（包括21颗运行卫星和3颗备用卫星）均匀分布在6个轨道，每颗离地面高度约1.7×104km，双频工作精度为20 m，授时精度为40 ns，持续发射一定频率的无线电信号，海陆空任意位置的信号接收仪器均能收到，只要选取4颗以上（含4颗）卫星发出的无线电信号进行分析就能确定位置。GPS系统除了常用到导航功能以外，还多用于监测地壳移动、确定地面边界等。

欧盟Galileo系统是世界上第一个基于民用的全球卫星导航定位系统，是欧盟为了打破美国的GPS在卫星导航定位这一领域的垄断，而开发的全球导航卫星系统，有欧洲版“GPS”之称。空间星座部分是由分布在三个轨道上的30颗中高度圆轨道卫星构成（卫星距地高度为23 616 km,分布在3条轨道，每条轨道9颗运行卫星，另有1颗备用卫星分布在正常轨道上方300 km处），能使任何人在任何时间、任何地点准确定位，误差不超过3 m。

GLONASS早于苏联时期已经被开发，俄罗斯于1993年独立完成本国全球卫星导航系统的建设，但由于资金等各种原因，系统仍在持续进行阶段。GLONASS有24颗卫星、3个轨道面，每8颗以近圆形均匀排列在一个轨道面上，距地高度19 100 km。据俄罗斯官方报道，完成的全球卫星导航系统精度已经远高于世界水平，定位以及导航之间的误差只有23 m。

北斗卫星导航系统是我国自主建设以及独立运行的卫星导航系统，可以满足全球用户全天候、全天时、高精度定位以及导航等服务需求，是我国重要的空间基础设施。由3颗静止轨道卫星以及30颗非静止轨道卫星组成了系统空间端，其中30颗非静止卫星包括了3颗倾斜地球同步轨道（IGSO）卫星以及27颗中轨道（MEO）卫星。北斗卫星导航系统所应用的为三种轨道卫星混合星座，具有更多数量的高轨卫星，相比其他卫星导航定位系统其具有更强的抗遮挡能力，对于低纬度地区功能优势更加显著。此外，北斗卫星导航系统的导航信号为多频信号，创新性地将导航和通信能力融为一体，不仅可以实时导航、快速定位和精确授时，还能进行位置报告和短报文通信。北斗卫星导航系统的水平定位和高程定位精度均达到了10 m，尤其在亚太地区，水平定位精度为5 m、高程定位精度为5 m[1]。

四大导航系统各具特色也各有千秋，美国的GPS更重于成熟，数十年的积累提高了军事应用的效能。欧盟的Galileo则是倾向于精确，定位精度能到达1 m的级别，如果说GPS能定位到街道，那Galileo就是能定位到门牌号。那么依靠伪随机码相同的不同频率来区分的GLONASS就是以抗干扰能力强著称。至于我国的北斗卫星导航系统，虽然起步晚，但是有后发者优势，取得最大的开放性和互动性。优点显而易见，不足也就呼之欲出，没有一个导航系统可以兼顾所有的优势，特别是在技术不掌握在自己手里时，当时中国参与Galileo计划就是一个例子。所以，不管是何种方式解决定位导航领域的难题，都必须植根于祖国的北斗卫星导航系统，这也正是北斗卫星导航系统的开放性和兼容性决定的[2]。

2 关于差分定位系统

卫星定位功能的实现，关键在于一组卫星的伪距、星历、卫星发射时间等观测量以及用户钟差。正常情况下需要完成4颗以上的卫星测量，才可以获得相应的地面三维坐标信息。而在整个定位过程中会因为各种原因的影响而产生不可避免的误差：（1）因卫星钟、星历、电离层以及对流层均存在误差而产生的定位误差；（2）系统传播延迟产生的误差；（3）用户接收机自身存在的误差，包括通道延迟、内部噪声以及多路径效应等。总结来讲，第一部分的误差可以通过技术支持完全消除掉，第二部分可以消除大部分，只有第三种是没法消除。而差分定位方法便是用算法计算出差分数据，传送至用户，用以消除掉以上三种误差，模型和算法便是差分定位的研究重点。

现在大都使用的差分GPS（DGPS）以获悉精确三维坐标的差分GPS基准台为基础，计算获得伪距修正量或位置修正量，向用户实时或事后发送获得的修正量，并且修正用户的测量数据，确保GPS定位精度进一步提高。

传统的差分GPS多为单基准站差分、多基准站的局部区域差分和广域差分三种类型。以地域大小以及基准站的数量来分类，但无论是哪种，作为地基的差分系统，精度都取决于与基站的距离，一个基站的定位范围在100 km以内，距离越近精度越高。如果实现一个广域的系统，其地域面积越大，基站就需要越多，且定位精度要求越高，基站密度也得更大，前后期的费用也将指数增长。

随着技术的提高，增强型差分定位系统正在慢慢展现。该系统具有伪卫星技术和卫星通信技术，其中一种WAAS（Wide Area Augmentation System）所应用的是空基伪卫星以及通信卫星发送差分修正数据的方式，正在慢慢替代了旧的地基模式。其不需要修建地基基站的优势更是在区域越大，精度要求更高时表现的格外突出。

播发的差分数据信号便是采用载波相位的RTK模式，通过基准站网来对用户附近某点（虚拟参考站）各项误差进行计算和改正，并将结果应用到基于虚拟参考站坐标以及卫星坐标计算得到的距离数值上，获得虚拟参考站对应的虚拟观测值，将此数值发送给用户，完成实时的相对定位，新型的差分定位便是基于算法和北斗卫星实现的，如图1所示。在原来单个定位导航系统提供的定位精度是优于25 m，部分能达到米级，而我们通常采用差分定位技术后，在水平精度达到分米级甚至厘米级别，做到真正定位到人，极大地提高了民用导航定位的精度。

3 INMARSAT海事卫星数据播发

INMARSAT海事卫星采用DAMA系统，自20世纪90年代初投入使用后，一直表现得非常稳定、可靠，经过多方面论证设计而成的数据通信协议使得尽管带宽频率资源非常有限，仅有34M，也依然成功为全球近15万的通信终端提供了服务业务。

图1 差分定位系统原理示意图

INMARSAT系统空间段共分为4颗工作卫星以及5颗轨道上的备用卫星两大组成部分，所有卫星均处于静止轨道，并包括点波束模式与全球覆盖模式。其中，点波束模式多用于通信业务较多、航运密集的区域，集中卫星发射功率，减小移动站体积。全球覆盖模式则是除了保障对通信业务多、航运密集区域的使用，也兼顾了其他运输较少的区域，保证无论在世界任何地区都能使用卫星进行通信。INMARSAT系统的所有卫星均由位于英国伦敦总部的卫星控制中心进行统一管控，以保证正常运行。但INMARSAT系统在全球各地还设有很多直接和卫星保持联系的测控站，控制中心通过测控站接收传输的数据。必要时，这些测控站可以代替控制中心控制卫星。INMARSAT系统的4颗工作卫星覆盖全球4个洋区：大西洋西区（AOR-WEST）54°W、大西洋东区（AOR-EAST）15.5°W、印度洋区（IOR）64.5°E、太平洋区（POR）178° E。

海事卫星系统的一大特点在于其具有移动性，受所应用的为L波段的固有特性影响，基于宽的天线波束，L波段终端能够在以更短的时间完成寻星与对星任务。

海事卫星播发的下行线路采用传播损耗和雨致衰减相当小的L波段，对通信十分有利，被称为黄金频段。当发生突发事件时，能够确保行进中的视频图像以及数据通信不受影响，并在扎营后迅速建立起通信枢纽，在国内外均起到了重要的作用。

虽然INMARSAT海事卫星L波段的资源稀少而且昂贵，但是使用其对差分修正数据进行全球下行播发无疑是最有保障的方式。我们在进行下行全球播发时，在把全球各处的服务器内差分数据互联修正后分别传至北京、伦敦等几个不同的上行站机房，在INMARSAT无介入下自行调制以变频，以C波段频率上行至海事卫星，通过卫星转发器降频以L波段进行全球播发，实现全球大范围覆盖，以保障差分数据实时、安全和稳定的下行播发。

4 结 论

整套差分定位系统是基于北斗卫星的定位导航功能，运用星基增强差分算法，通过INMARSAT海事卫星L波段进行下行全球播发覆盖，可以做到全球全覆盖，让终端用户获得实时稳定的高精度的定位导航需求，使水平精度可以达到厘米级别，垂直精度达到分米级别以上，北斗卫星和海事卫星的保密性也让所有数据仅在提供者与使用者之间传输，能够很好的保障用户信息的安全不被窃取，将是新型导航定位行业的一个方向和开端。