陳健熊,彭良福,黃勤珍

(西南民族大學(xué) 電氣信息工程學(xué)院,四川 成都 610041)

0 引 言

定位導(dǎo)航技術(shù)近幾年得到了非常廣泛的應(yīng)用,它不僅是為了滿足國家軍事經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需求,更是成為了普通大眾日常生活中的必需品。如汽車導(dǎo)航、手機定位、共享單車等基于位置的服務(wù)。目前定位導(dǎo)航技術(shù)已成為國家大力發(fā)展的高科技技術(shù),定位導(dǎo)航技術(shù)水平的高低在一定程度上也反映出一個國家的科學(xué)技術(shù)發(fā)展的水平。

定位導(dǎo)航目前主要依靠全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS),例如美國的全球定位系統(tǒng)(GPS)、中國的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)等。但是,GNSS系統(tǒng)存在著信號電平微弱、定位精度較低、無法覆蓋室內(nèi)等不足之處,在可見衛(wèi)星的數(shù)量少于4顆時無法提供高精度的定位。Locata系統(tǒng)則是一種既可以與GNSS系統(tǒng)兼容工作又可以獨立運行的新型的地基定位系統(tǒng)[1]。它不受外部環(huán)境限制,無需原子鐘,采用獨特的時間同步技術(shù)實現(xiàn)地面收發(fā)設(shè)備之間的高精度(納秒級)時間同步,實時的定位精度可以達(dá)到厘米級[2]。Locata系統(tǒng)的定位技術(shù)被GNSS行業(yè)內(nèi)稱作第二代定位技術(shù)[3]。

1 Locata系統(tǒng)的定位原理

Locata系統(tǒng)是一種新型的高精度地基定位系統(tǒng),既可以作為GPS在地面的延伸和擴(kuò)展,又可以在GPS失效的情況下獨立工作。Locata定位系統(tǒng)使用小型化的地面收發(fā)設(shè)備覆蓋選定的區(qū)域,能在局部區(qū)域發(fā)射出比GPS信號功率強得多的無線電定位信號,在GPS信號難以到達(dá)或者無GPS信號的環(huán)境下實現(xiàn)精確的定位,在室內(nèi)和室外環(huán)境中都可以使用。由于Locata系統(tǒng)發(fā)射的信號和GPS信號類似,可以直接用于單點定位系統(tǒng)的位置解算。因此,Locata系統(tǒng)相當(dāng)于在地面上建立了一個類似于GPS的定位系統(tǒng)。

1.1 Locata系統(tǒng)的組成

Locata系統(tǒng)由被稱為LocataLite的信號收發(fā)設(shè)備和Locata信號接收機(Locata Rover)組成定位網(wǎng)絡(luò)。LocataLite是部署在地面網(wǎng)絡(luò)中擁有GPS星座功能的收發(fā)設(shè)備。Locata信號接收機既能捕獲GPS信號又能接收LocataLite的定位信號,并能夠自主確定測距碼和載波的單點定位解,無需差分校正;在組建一個自主定位網(wǎng)絡(luò)LocataNet中,至少需要一臺LocataLite作為參考發(fā)射機,和其余至少兩臺LocataLites被稱作定位單元設(shè)備,組建好的LocataNet就可以利用偽距測量和載波相位測量進(jìn)行單點定位[4]。

地面設(shè)備LocataLite一般在ISM頻段的2.4 GHz到2.48 GHz兩個頻率上播發(fā)信號,也可以根據(jù)具體應(yīng)用設(shè)計為在任何頻率或功率上進(jìn)行廣播[5]。LocataLite的硬件部分如圖1所示。它包括位置接收機、發(fā)射機、中央處理器(CPU)和一個共用振蕩器。位置接收機包含了能夠接收定位信號的接收通道。定位信號中包含了載波分量、PRN測距碼分量和導(dǎo)航數(shù)據(jù)分量。定位信號的結(jié)構(gòu)是基于直接序列碼分多址(DS-CDMA)信號,通過跳時碼分多址(TH-CDMA)方案按10%占空比工作,以避免遠(yuǎn)近效應(yīng)問題[6]。LocataLite也可以在同頻發(fā)送兩個不同的PRN碼信號到兩個獨立的天線以抑制多徑效應(yīng)[7]。

發(fā)射機至少包含一個射頻載波發(fā)生器、一個PRN測距碼生成器,以及一個受控時鐘。CPU能夠解析位置接收機接收到的定位信號,控制發(fā)射機的受控時鐘和生成導(dǎo)航數(shù)據(jù)。共用振蕩器為LocataLite各部件提供一致的本地時間基準(zhǔn)[8]。

1.2 Locata系統(tǒng)的定位原理

全球定位系統(tǒng)利用偽距測量法進(jìn)行定位測量。但由于測距碼的碼元寬度較大,無法進(jìn)行高精度應(yīng)用。而載波相位法中相對于測距碼碼元寬度,載波波長要小得多,對載波進(jìn)行相位測量便能達(dá)到很高的精度[9]。Locata系統(tǒng)使用的就是載波相位法進(jìn)行定位。

Locata系統(tǒng)利用小型化的地面收發(fā)設(shè)備LocataLite組成一個自主定位網(wǎng)絡(luò)覆蓋選定的區(qū)域,網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的所有LocataLite完成時間基準(zhǔn)統(tǒng)一后,同時發(fā)射高強度的無線電定位信號,采用完全與GPS類似的方式進(jìn)行三維空間定位,提供定位、導(dǎo)航和授時(PNT)服務(wù)。

由LocataLite組成的地面定位網(wǎng)絡(luò),使用了一種新型的時間同步技術(shù)(稱為TimeLoc),不需要原子鐘就可以讓整個網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的Locatalite同步到一個統(tǒng)一的時間基準(zhǔn),大大降低了整個Locata定位系統(tǒng)的成本。在組建一個二維的Locata定位網(wǎng)絡(luò)時,至少需要三臺LocataLite地面收發(fā)設(shè)備,其中一臺作為參考發(fā)射機(Reference Transmitter),另外兩臺作為定位單元設(shè)備(Positioning Unit Device)。如果組建一個三維的Locata定位網(wǎng)絡(luò),那么需要至少四臺LocataLite地面收發(fā)設(shè)備,其中一臺作為參考發(fā)射機,另外三臺作為定位單元設(shè)備。定位網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的移動用戶通過Locata接收機(稱為Locata Rover)接收Locata定位信號后,不需要進(jìn)行差分校正,就可以自主確定基于偽距和載波相位的單點定位解。

對于Locata定位網(wǎng)絡(luò)來說,有必要與全球時間基準(zhǔn)(協(xié)調(diào)世界時UTC)對齊。參考發(fā)射機的時間基準(zhǔn)既可以來自于廣域增強系統(tǒng)(WAAS)衛(wèi)星,也可以來自于全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)。當(dāng)WAAS衛(wèi)星信號不可用時,最好用GNSS的時間基準(zhǔn)將一臺參考發(fā)射機的時間基準(zhǔn)引導(dǎo)到UTC,這時需要接收至少一顆GNSS衛(wèi)星信號,使用這種技術(shù)可以實現(xiàn)的時間同步精度大約在50 ns.如果不與全球時間基準(zhǔn)對齊,那么需要至少有一臺LocataLite作為參考發(fā)射機,為定位網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的其它LocataLite地面收發(fā)設(shè)備提供時間基準(zhǔn)。

圖2示出了一個由4臺LocataLite地面收發(fā)設(shè)備構(gòu)成的Locata定位系統(tǒng)。在圖2中,4臺LocataLite被布置在整個定位區(qū)域的山頂和樓頂?shù)母咛?使得定位網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的移動用戶手持的Locata接收機能夠很好地接收LocataLite發(fā)射的定位信號。一臺LocataLite設(shè)為主站發(fā)射參考定位信號,而另外三臺處于高處的LocataLite作為從站。當(dāng)從站接收到主站發(fā)出的參考定位信號后,分別與主站實現(xiàn)時間同步鎖定,最終構(gòu)成了一個時間基準(zhǔn)同步的定位網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)移動用戶在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)持有Locata接收機時,布置于地面的LocataLite發(fā)射很強功率的定位信號能夠?qū)ocata接收機提供定位服務(wù)。

2 Locata系統(tǒng)的時間同步技術(shù)

由距離等于速度乘以時間的公式可知,1 ns的時間誤差會造成約30 cm的定位誤差。若要使Locata接收機實現(xiàn)厘米級的單點定位,則定位網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的所有LocataLite必須保持納秒級的時間同步。

時間同步鎖定技術(shù)(稱為TimeLoc)是實現(xiàn)LocataNet網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的多臺LocataLite進(jìn)行時間同步的關(guān)鍵技術(shù)。選定網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的某臺LocataLite作為主站(稱為參考發(fā)射機),其余的LocataLite作為從站(稱為定位單元設(shè)備)。TimeLoc的實現(xiàn)過程是參考發(fā)射機發(fā)射參考定位信號到定位單元設(shè)備,定位單元設(shè)備接收到參考定位信號后,自身產(chǎn)生并發(fā)射一個從定位信號,然后接收這個從定位信號,從而建立起一個測量環(huán)路。通過自動調(diào)整使接收到的來自主站的參考定位信號與自身發(fā)射和接收的從定位信號達(dá)到時間同步,于是定位單元設(shè)備與參考發(fā)射機的時間基準(zhǔn)達(dá)到一致,從而實現(xiàn)時間鎖定。圖3為參考發(fā)射機和定位單元設(shè)備進(jìn)行時間鎖定的示意圖。

每個定位信號中包含了一個載波分量、一個偽隨機碼分量和一個導(dǎo)航數(shù)據(jù)分量。導(dǎo)航數(shù)據(jù)分量包含了網(wǎng)絡(luò)時間、設(shè)備位置等一些必要的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)。采用碼分多址(CDMA)技術(shù),偽隨機碼分量被調(diào)制在載波分量上,導(dǎo)航數(shù)據(jù)分量被調(diào)制在偽隨機碼分量上。

TimeLoc時間同步流程如圖4所示。預(yù)先布置好的參考發(fā)射機和定位單元設(shè)備,其位置坐標(biāo)為已知。Locata定位網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的每臺定位單元設(shè)備通過以下步驟與定位網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的參考發(fā)射機完成時間鎖定,形成統(tǒng)一的Locata定位系統(tǒng)的時間基準(zhǔn)[10]。

1) 重置定位單元設(shè)備;

2) 定位單元設(shè)備的CPU啟動,通過位置接收機搜索參考定位信號;

3) 位置接收機捕獲到參考定位信號后,由CPU從其導(dǎo)航數(shù)據(jù)分量中解調(diào)出參考發(fā)射機的位置和時間;

4) CPU等待,定位單元設(shè)備與參考發(fā)射機進(jìn)行粗略時間對齊;

時間對齊計算公式:定位單元設(shè)備的時間=信號傳播時間+發(fā)射參考定位信號的時間;

設(shè)信號傳播時間為t,步驟3)中解調(diào)出的參考發(fā)射機發(fā)射參考定位信號的時間為t1,在定位單元設(shè)備捕獲到參考定位信號的時間為t2,參考發(fā)射機的坐標(biāo)為(x0,y0,z0),定位單元設(shè)備的坐標(biāo)為(x1,y1,z1);則

其中，c為自由空間的電磁波速度;

所以

5) CPU確定一個合適的PRN碼給定位單位設(shè)備內(nèi)部的從發(fā)射機,并把接收到的參考定位信號和共用振蕩器的頻偏分配給從發(fā)射機的受控時鐘,使其頻率與參考定位信號頻率大致相等。CPU再分配與從發(fā)射機相同的頻偏和偽隨機碼來初始化本地接收機的接收信道,最后定位單元設(shè)備啟動從定位信號的發(fā)送;

6) 位置接收機啟動搜索從定位信號;

7) 位置接收機捕獲到從定位信號后,由CPU從其導(dǎo)航數(shù)據(jù)分量中解調(diào)出定位單元設(shè)備的粗略從時間;

8) 有兩種方法完成此步驟的頻率鎖定:

方法1: 通過位置接收機,同時測量參考定位信號與從定位信號的整周載波相位(Integrated Carrier Phase, ICP)值,兩個定位信號的ICP測量值作差,此差值代表參考定位信號和從定位信號之間的頻率和相位差。CPU的控制回路不斷校正受控發(fā)射機時鐘,保持ICP差值為零,這樣便達(dá)到了參考定位信號和從定位信號的頻率鎖定。

方法2: 接收到的頻偏直接送到發(fā)射機的受控時鐘,建立一個頻率跟蹤系統(tǒng)(FTS),受控時鐘根據(jù)輸入的頻偏直接進(jìn)行調(diào)整,完成頻率鎖定。

9) 完成步驟8)參考定位信號與從定位信號的頻率鎖定之后,本步驟進(jìn)行兩個信號的碼鎖定。PRN碼由“多級反饋移位寄存器”產(chǎn)生,根據(jù)循環(huán)的控制輸出,生成的PRN碼會周期性出現(xiàn)一致。因此只需要把發(fā)射機的受控時鐘調(diào)整一個需要的時間量,再不斷地計算定位單元設(shè)備新生成的PRN碼與參考定位信號解調(diào)出的PRN碼的互相關(guān)性,直到互相關(guān)系數(shù)最大,參考定位信號與從定位信號的碼鎖定即可完成[11];

10) 一旦步驟8)和步驟9)參考定位信號與從定位信號的頻率鎖定、碼鎖定完成,那么還剩下180°相位模糊度和傳播時間相位偏差這兩個誤差需要被校正。

① 180°相位模糊度的校正

在2.4 GHz頻段,180°模糊度代表了近200 ps的時間偏差。使用科斯塔斯環(huán)(Costas Loop)從PRN碼定位信號中解調(diào)出導(dǎo)航數(shù)據(jù),科斯塔斯環(huán)本身包含了一個180°的相位模糊度。圖5示出了科斯塔斯鎖相環(huán)[12]。

設(shè)輸入鎖相環(huán)的信號表達(dá)式為s(t)coswct,環(huán)路鎖定情況下,直接數(shù)字式頻率合成器(DDS)輸出信號為

v1(t)=cos(ωct+θ),v2(t)=sin(ωct+θ),

θ為DDS產(chǎn)生的本地振蕩信號與輸入信號之間的相位誤差。所以

v3(t) =s(t)cosωct·cos(ωct+θ)

v4(t) =s(t)cosωct·sin(ωct+θ)

通過低通濾波器之后,可以得到

通過乘法器得到誤差電壓

因此,采用科斯塔斯環(huán)法進(jìn)行載波同步時,存在180°的相位模糊度。

科斯塔斯環(huán)模糊度可以通過引用前導(dǎo)碼來解決,前導(dǎo)碼在定位網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的發(fā)射機發(fā)送的導(dǎo)航數(shù)據(jù)分量中。通過前導(dǎo)碼作為特殊序列,在接收端查看此特殊序列是否發(fā)生翻轉(zhuǎn)來判斷此180°相位[13]。當(dāng)解決了科斯塔斯環(huán)模糊度后,參考定位信號與從定位信號之間的任意固定的相位差θ就變得很明顯了。這個任意的相位偏差源于從定位信號的任意相位,在下面②中進(jìn)行校正。

② 傳播時間相位偏差

使用載波相位定位測量法,參考發(fā)射機和定位單元設(shè)備之間的實際幾何距離可以用整載波周期和分?jǐn)?shù)載波周期之和來表示。實際進(jìn)行載波相位測量,定位單元設(shè)備接收機跟蹤參考定位信號,在t0時刻進(jìn)行載波相位測量時,測得的相位差包括整周分量和分?jǐn)?shù)分量,即

φp(t0)-φR(t0)=N0+F0(φ),

式中: φp(t0)為t0時刻定位單元設(shè)備接收機從定位信號的相位； φR(t0)為t0時刻定位單元設(shè)備接收機參考定位信號的相位； N0為整周數(shù)(整數(shù)分量)； F0(φ)為不足一整周數(shù)(分?jǐn)?shù)分量)[14]。

載波相位測量法存在整周模糊度的問題,TimeLoc使用偽距法在步驟8)中通過調(diào)整發(fā)射機的受控時鐘校正了整數(shù)分量N0,而分?jǐn)?shù)分量F0(φ)就是在上面①中描述的消除180°相位模糊度后通過鑒相器得到的任意固定的相位差θ.使用頻率跟蹤系統(tǒng)(FTS),根據(jù)θ值調(diào)整發(fā)射機的受控時鐘的時間,完成調(diào)整后系統(tǒng)再重新開啟時間鎖定環(huán)路(Time-Lock Loop)。

至此,參考定位信號與從定位信號的載波相位調(diào)整一致,完成相位鎖定。

11) 上述步驟全部完成后,CPU聲明時間鎖定,并開始發(fā)送時間已經(jīng)完全同步的獨特的定位信號。此定位信號與參考發(fā)射機的時間基準(zhǔn)統(tǒng)一,具有納秒(ns)級的同步精度。

采用TimeLoc技術(shù),可以使Locata定位網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的參考發(fā)射機與移動用戶接收機之間的時間同步到1 ns的級別,遠(yuǎn)高于GNSS衛(wèi)星使用原子鐘及外部修正技術(shù)獲得的時間同步精度[15]。因此,Locata定位系統(tǒng)可以進(jìn)行比GNSS更精確的單點定位。

3 結(jié)束語

在當(dāng)今高度信息化的社會,智能定位導(dǎo)航服務(wù)必將得到更多和更廣的應(yīng)用。目前普及的GPS等衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)無法有效地為衛(wèi)星信號受遮擋的區(qū)域提供定位導(dǎo)航服務(wù),例如高樓林立的城市以及室內(nèi)和地下室等場所。而大型商場、超市、貨物倉庫、山地叢林等場所對高精度的定位有著非常大的市場需求。除此之外,在國防安全和軍事領(lǐng)域上也有類似需求。2011年美國空軍在白沙導(dǎo)彈試驗場2000平方千米范圍內(nèi)進(jìn)行Locata網(wǎng)絡(luò)性能實測,驗證了Locata定位系統(tǒng)在GPS被干擾或失效的情況下,也能為大范圍的軍事區(qū)域提供厘米級的非GPS定位[16]。我國也明確提出了爭取到2030年前后構(gòu)建基于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的國家綜合PNT(導(dǎo)航、定位、授時)體系[17]。Locata系統(tǒng)這種既能夠與衛(wèi)星定位導(dǎo)航系統(tǒng)無縫連接,又能夠在衛(wèi)星信號失效的情況下獨立運行的定位系統(tǒng)及其優(yōu)質(zhì)高效的TimeLoc技術(shù)可以被我們借鑒和發(fā)展,應(yīng)用于我國綜合PNT體系的建設(shè)中。

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