一种新型高精度地基伪卫星定位系统_Locata_刘芹丽

图３ ２０１１年１０月部署在白沙导弹靶场的 ＬｏｃａｔａＮｅｔ
图４ 位于４６２０ｍ 英尺高空的飞行轨迹
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 ５５３ｋｍ２ＬｏｃａｔａＮｅｔ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 ０７１ｋｍ２ 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。
东向
０．０７０
０．０６２
北向
０．１０５
０．０６０
高程
０．２０１
０．１５１
３Ｄ
０．２４５
０．１７４
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。
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 。
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 Ｌｏ－ ｃａｔａＬｉｔｅ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２ｎｓ范围内保持同步。
第 ３９ 卷 第 ４位系统 ＧＮＳＳ Ｗｏｒｌｄ ｏｆ Ｃｈｉｎａ
ＶＡｏｕｌｇ．ｕ３ｓ９ｔ，，Ｎ２０ｏ１．４４
ｄｏｉ：１０．１３４４２／ｊ．ｇｎｓｓ．１００８－９２６８．２０１４．０４．００９
一种新型高精度地基伪卫星定位系统———Ｌｏｃａｔａ
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 ”。
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。
２０１１年１０月的这次 Ｌｏｃａｔａ测试结果与美国空
图 ５ 飞 机 飞 行 高 度 和 速 度
图 ６ 测 试 接 收 机 和 天 线
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
图 ８ 伪 卫 星 数 量 、跟 踪 信 号 数 和 使 用 信 号 数
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 １ Ｌｏｃａｔａ与 美 国 空 军 参 考 解 相 比 的 定 位 性 能
伪码定位
载波相位定位
ＲＭＳ误差／ｍ
ＲＭＳ误差／ｍ
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．
收 稿 日 期 ：２０１３－１２－０３ 联系人：李春霞 Ｅ－ｍａｉｌ：ｃｈｕｎｘｉａ５４＠ｓｉｎａ．ｃｏｍ
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全 球 定 位 系 统
第 ３９ 卷
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
Ｌｏｃａｔａ接收 机 充 分 继 承 了 ＧＰＳ 接 收 机 的 设 计，保留了 ＧＰＳ 接 收 机 简 单、低 代 价 的 优 点，且 把 技 术 进 化 到 了 更 高 水 平 ，能 够 提 供 精 确 的 测 量 和 准 确的定位解。
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
图 ９ 定 位 几 何 值
ｍ 的飞机定位精度优于１８ｃｍ，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５ｃｍ 以内。
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５６０ｋｍ／ｓ，飞行高度高达９ １４４ｍ．
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
３）远 距 离 接 收 效 果 好 。 美 国 空 军 的 测 试 表 明 ，
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全 球 定 位 系 统
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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１００ｋｍ 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。
关 键 词 ：伪 卫 星 ；精 度 ；室 内 ；应 用 中图分类号：Ｐ２２８．４ 文献标志码：Ａ 文章编号：１００８－９２６８（２０１４）０４－００３７－０５
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］
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。