基于共生調(diào)頻數(shù)據(jù)廣播的北斗地基增強系統(tǒng)設計和性能測試

張光華，張全德，門愛東

(1. 深圳思凱微電子有限公司，廣東 深圳 518055； 2. 中國衛(wèi)星導航定位協(xié)會，北京 100830；3. 北京郵電大學信息與通信工程學院，北京 100876)

近年來，全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)(global navigation satellite system，GNSS)已經(jīng)在軍事和商業(yè)領域得到了越來越多的應用，如軍事上的作戰(zhàn)指揮、導彈的精確制導，以及商業(yè)上的基于位置服務(location based services，LBS)的社交娛樂、共享單車、共享汽車、智能交通等諸多領域。同時，這些領域的蓬勃發(fā)展也對實現(xiàn)精確定位提出了越來越高的要求，高精度的定位將使這些領域得到更迅猛的發(fā)展[1-4]。

地基增強系統(tǒng)是提高衛(wèi)星定位精度的重要方式。地基增強系統(tǒng)主要由連續(xù)運行基準站(continuously operating reference stations，CORS)、數(shù)據(jù)處理中心、數(shù)據(jù)播發(fā)系統(tǒng)、運營服務系統(tǒng)和用戶終端5部分構(gòu)成?；鶞收緦?shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)處理中心，數(shù)據(jù)處理中心利用特定的算法對數(shù)據(jù)進行處理得出精確的差分改正，再通過數(shù)據(jù)播發(fā)系統(tǒng)發(fā)送到用戶終端，用戶終端收到衛(wèi)星數(shù)據(jù)的同時，也收到改正數(shù)據(jù)，通過修正可得出精確位置[5-8]。

“十二五”期間，全國建設了均勻分布的360個國家級GNSS連續(xù)運行基準站(CORS)，各省(區(qū)、市)建設了2300多個CORS站[9]。在利用CORS系統(tǒng)進行測量時，普遍采用虛擬參考站(virtual reference station,VRS)網(wǎng)絡RTK技術，數(shù)據(jù)處理中心需要先接收用戶的粗略坐標，改正之后還需將改正信息返回給用戶，這種技術路線難以應對超大規(guī)模用戶的請求，且不利于用戶信息的保密。VRS算法已被美國Trimble公司申報專利，需要購買昂貴的軟件進行處理。數(shù)據(jù)播發(fā)需采用3G/4G移動通信網(wǎng)絡，并發(fā)性較差，使用成本較高，覆蓋范圍較窄，無法在大眾消費領域得到大規(guī)模推廣。

為了解決上述問題，本文提出一種原始創(chuàng)新的基于共生調(diào)頻數(shù)據(jù)廣播(CDRadio)技術的基合導航系統(tǒng)(Kinhood System)，也稱BDS-CDRadio[10]。采用與調(diào)頻廣播共生的CDRadio技術來傳輸衛(wèi)星導航定位差分修正數(shù)據(jù)，與現(xiàn)有的網(wǎng)絡RTK技術相比具有以下優(yōu)勢：一是用戶容量大，可以容納超大規(guī)模用戶的請求；二是保密性強，廣播屬于單向通信，不會泄露用戶的位置信息；三是CDRadio技術基于現(xiàn)有廣播設施，覆蓋范圍廣闊，建設與使用成本低，理論上可以支持海量用戶的免費使用；四是系統(tǒng)屬于自主知識產(chǎn)權，不存在與國外公司發(fā)生知識產(chǎn)權爭議的隱患。

CDRadio技術支持純數(shù)據(jù)類的廣播應用，在物理層實現(xiàn)了業(yè)務復用，同時對誤碼率、傳輸時延、功耗等方面進行了優(yōu)化。CDRadio與傳統(tǒng)廣播共享頻譜，無需額外進行基礎設施建設，可以更順利地投入實際運營，是一種潛力巨大的創(chuàng)新技術。

1 CDRadio技術原理介紹

CDRadio技術是專門針對中國調(diào)頻廣播而設計的，通過采用非規(guī)則頻譜分配、LDPC糾錯編碼、OFDM、時間分片和分層調(diào)制等關鍵技術，在更有效地利用現(xiàn)存模擬頻段間的頻譜間隙、提高接收靈敏度、改善干擾環(huán)境和覆蓋盲區(qū)的前提下，可實現(xiàn)300 kHz頻段內(nèi)的數(shù)模同播，這是全球獨創(chuàng)的先進技術。

CDRadio的頻譜模式主要有兩種，其中包括主模式和擴展模式。主模式利用先進的LDPC碼、信道估計均衡、調(diào)制和其他專門技術，可提供一個更低的接收門限，模數(shù)可以混疊在一起。該模式能夠在不改變現(xiàn)有電臺頻率規(guī)劃的情況下進行數(shù)字化改造，從而實現(xiàn)從模擬到數(shù)字的平滑過渡。擴展模式從主模式(數(shù)?；殳B)帶寬的兩邊擴展出純數(shù)字帶寬，總共有15種組合方式，頻帶有規(guī)則型、非規(guī)則型、對稱、非對稱等，帶寬有200～800 kHz的不同檔次，以滿足中國各種復雜情況的應用。

2 BDS-CDRadio地基增強系統(tǒng)設計

根據(jù)北斗差分數(shù)據(jù)源獲取方式的差異，BDS-CDRadio地基增強系統(tǒng)的運行模式可以分為單基準站模式和CORS接入模式。若系統(tǒng)工作于單基準站模式，則需要在調(diào)頻廣播電臺附近架設北斗差分基準站，接收衛(wèi)星信號并產(chǎn)生RTCM標準格式[11]的差分數(shù)據(jù)，再通過串口接入CDRadio發(fā)射設備；若系統(tǒng)工作于CORS接入模式，則通過互聯(lián)網(wǎng)接入當?shù)谻ORS網(wǎng)絡獲取差分數(shù)據(jù)，作為CDRadio數(shù)字廣播的業(yè)務數(shù)據(jù)輸入，經(jīng)調(diào)制之后通過廣播電臺發(fā)射出去。

CDRadio的調(diào)頻頻道具有24～64 kbps的數(shù)據(jù)傳輸帶寬，不僅可以滿足北斗厘米級高精度定位的數(shù)據(jù)需求，剩余傳輸帶寬還可以為北斗系統(tǒng)提供輔助增強功能，如連續(xù)性、完好性和可用性等方面[12]，進一步擴展了北斗系統(tǒng)的應用范圍。此外，CDRaido信號屬窄帶信號，且功耗較低，可以方便投入使用，具有廣闊的應用前景。

基合導航系統(tǒng)可以提供亞米級高精度和厘米級精準定位服務，調(diào)頻廣播的泛在性可以使北斗增強信息像空氣一樣無處不在，讓大眾享受到免費的全天候、高可靠的精準定位服務。此外，基合導航系統(tǒng)無需額外頻譜資源與流量資費，發(fā)射端基本上共用原有設備，只對少量的硬件設備進行改造，建設成本低廉，而且一般情況下一個城市改造一個廣播電臺即可，部署和推廣十分快捷，具體如圖1所示。

3 實時動態(tài)定位精度測試

為了驗證基合導航系統(tǒng)差分數(shù)據(jù)通信鏈路在不同運動速度下的有效性與穩(wěn)定性，2017年3月，在中國衛(wèi)星導航定位協(xié)會主持下，原國家測繪地理信息局第二大地測量隊將黑龍江衛(wèi)星定位連續(xù)運行綜合服務系統(tǒng)(HLJCORS)作為基準，對基合導航系統(tǒng)進行了定位精度檢測。

測試利用HLJCORS生成虛擬基準站數(shù)據(jù)，并將其與廣播數(shù)據(jù)耦合后通過廣播系統(tǒng)播發(fā)。廣播差分數(shù)據(jù)由廣播RTK接收機進行實時定位測量，網(wǎng)絡RTK接收機通過HLJCORS進行同步實時定位測量，以網(wǎng)絡RTK的觀測結(jié)果對比分析基合導航系統(tǒng)的定位精度[13-14]。測試采用動態(tài)和靜態(tài)兩種方法：動態(tài)測試通過在基準站周邊選取不同方向的道路測試基合導航系統(tǒng)在車輛行駛狀態(tài)下的定位性能；靜態(tài)測試則添加靜態(tài)GNSS接收機進行同步觀測，以驗證基合導航系統(tǒng)在靜止狀態(tài)下的定位精度與穩(wěn)定性。動態(tài)測試路線與靜態(tài)測試點分布如圖2所示。

圖1 基合導航系統(tǒng)測試

圖2 動態(tài)測試路線和靜態(tài)測試點位分布

3.1 動態(tài)測試

按照與廣播基站距離的大小，將動態(tài)路線分為0～5 km、5～10 km、10～20 km、20～30 km、>30 km等5個距離區(qū)間進行分段分析。在每個距離區(qū)間，將網(wǎng)絡RTK的固定解坐標作為標準，對廣播RTK的固定解進行精度測定，廣播RTK的非固定解不列入測定范圍。不同區(qū)間的精度統(tǒng)計見表1。

表1 不同區(qū)間的精度統(tǒng)計

在動態(tài)路線的測試過程中，通過對廣播RTK與網(wǎng)絡RTK的定位結(jié)果進行比較，廣播RTK動態(tài)定位的平面中誤差最大為3.8 cm，最小為0.9 cm，平面中誤差的標準差為2.08 cm，表明廣播RTK的定位精度很高。

根據(jù)不同動態(tài)路線相同距離區(qū)間的統(tǒng)計結(jié)果可看出，在0～20 km的區(qū)間內(nèi)，廣播RTK的定位精度與其距廣播源的距離呈負相關。然而當距離大于20 km時，隨著距離的增大，定位精度呈現(xiàn)出上升趨勢而非下降的趨勢。但各自統(tǒng)計的中誤差標準差均小于3 cm，因此筆者認為該結(jié)果處于接收范圍之內(nèi)。

系統(tǒng)在同一條測試路線但不同車速下的定位精度見表2。因受市內(nèi)環(huán)境、路況等因素影響，平均測試時間較短。

表2 不同車速下的精度統(tǒng)計表(2017年3月4日)

通過對不同車速下基合導航系統(tǒng)定位精度的測試與分析，初步結(jié)論為：在120 km/h以下的車速對基合導航系統(tǒng)定位精度無明顯影響。

3.2 靜態(tài)測試

靜態(tài)測試使用Trimble公司的商用GNSS數(shù)據(jù)處理軟件TBC，依次對NetR9采集的16處靜態(tài)觀測數(shù)據(jù)采用事后基于CORS基準站靜態(tài)基線解算的方法獲得坐標，起算點選擇位于齊齊哈爾市建華區(qū)的HLJCORS站(編號為QQJH)，按單基線模式解算。

對16個靜態(tài)測試點逐一進行精度分析，以NetR9靜態(tài)定位結(jié)果為基準，比較廣播RTK定位精度，對比結(jié)果見表3。由于在測試過程中廣播站發(fā)射功率下調(diào)，因此未選擇距基站30 km處及更遠距離處進行測試。

根據(jù)上述測試結(jié)果，廣播RTK點位平面中誤差大多分布在0.5～1.3 cm之間，中誤差的標準差為1.38 cm，定位精度高且穩(wěn)定。從距離上看，位于5 km內(nèi)的定位精度最低，此范圍內(nèi)10個靜態(tài)點平面中誤差的標準差為1.58 cm，經(jīng)分析，這是由于市區(qū)內(nèi)樓房、建筑較密集，對定位信號產(chǎn)生了遮蔽，從而降低了定位精度。

4 穩(wěn)定性測試

統(tǒng)計廣播RTK與網(wǎng)絡RTK在動態(tài)測試路線不同距離區(qū)間內(nèi)測得固定解的歷元數(shù)占所在測段觀測歷元總數(shù)的百分比，分析基合導航系統(tǒng)定位的穩(wěn)定性，見表4。

表3基合導航系統(tǒng)與天寶NetR9靜態(tài)定位結(jié)果對比精度統(tǒng)計

點位至基準站距離/km平面中誤差/cm高程中誤差/cm望江-12.20.91.6新明-12.82.12.7新江-22.91.22.3站南-13.01.74.1德龍-13.10.91.4民航-13.30.61.8新立-13.40.83.1新江-13.91.01.8站北-24.01.13.2站北-14.63.45.0G301-110.00.61.8G111-210.00.51.7G111-310.01.12.8G301-220.01.11.2G111-120.01.31.3G111-420.00.92.0

表4 各方向不同距離處RTK固定解情況比較

根據(jù)表4的統(tǒng)計結(jié)果可以看出，在與廣播基站距離10 km以下時，各方向廣播RTK固定解比率均較高；在與廣播基站距離10～20 km時，G111富裕方向、大興鎮(zhèn)方向、綏滿高速勝利方向的廣播RTK固定解比率較高；而在與廣播基站距離20 km以上時，各方向廣播RTK固定解比率全面低于網(wǎng)絡RTK。

統(tǒng)計不同路線上廣播RTK與網(wǎng)絡RTK測得的差分解數(shù)量占所在路線觀測值總數(shù)的百分比，以此分析基合導航系統(tǒng)廣播通信數(shù)據(jù)鏈路的穩(wěn)定性，見表5。

表5 不同線路廣播RTK與網(wǎng)絡RTK的差分解統(tǒng)計

通過表5可以看出，在各測試路線上，基合導航系統(tǒng)通過廣播通信測得的差分解比率均高于HLJCORS通過網(wǎng)絡通信測得的比率，顯示出利用廣播播發(fā)差分數(shù)據(jù)具有良好的穩(wěn)定性。

另一方面，在距離廣播基站20 km以內(nèi)，基合導航系統(tǒng)的RTK固定解所占的比率較高；但隨著距廣播基站距離增加到20 km以上，基合導航系統(tǒng)的RTK固定解所占的比率開始降低，這與廣播信號強度降低及單基站RTK定位模式限制都有關系。若要解決此問題，需采用播發(fā)網(wǎng)格化差分數(shù)據(jù)的方式來解決，這也是基合導航系統(tǒng)下一步亟須解決的問題。

5 結(jié) 語

本文提出的以廣播的方式傳輸，采用數(shù)模同播技術的全新基于北斗系統(tǒng)的地基增強系統(tǒng)——基合導航系統(tǒng)(BDS-CDRadio)，它將差分數(shù)據(jù)共生在原有的調(diào)頻廣播之內(nèi)，無需進行昂貴的基礎設施建設，具有覆蓋面積廣、用戶容量大、數(shù)據(jù)多樣性強、在高速移動的狀態(tài)下有較高的接收質(zhì)量等優(yōu)點。

測試表明，基合導航系統(tǒng)可以達到厘米級的定位精度，且120 km/h以下的車速對其定位精度無明顯影響，此外，基合導航系統(tǒng)通過廣播信號播發(fā)數(shù)據(jù)的方式也具有很高的穩(wěn)定性。但隨著距廣播基站距離增加到20 km以上，基合導航系統(tǒng)的RTK固定解所占的比率開始降低，這是基合導航系統(tǒng)下一步將要解決的問題。

基合導航系統(tǒng)理論上可以支持免費使用，它的運行成本僅是發(fā)射端的電費。推進基合導航系統(tǒng)在精準農(nóng)業(yè)、智慧城市、鐵路路基及邊坡監(jiān)測、高速公路收費及維護、車道級機動車精準導航及未來的自動駕駛等領域的廣泛應用，對于促進衛(wèi)星導航產(chǎn)業(yè)的發(fā)展意義十分重大。