摘  要： 隨著北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的應(yīng)用越來越廣泛,，如何進(jìn)一步提高定位的連續(xù)性與可靠性成為日益重要的問題,。組合定位技術(shù)能夠有效地提高北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的定位穩(wěn)定性和定位精度。介紹了目前可實現(xiàn)性較強(qiáng)的組合定位算法,，如多星座聯(lián)合,、慣性組合、無線定位組合等,，并分析其優(yōu)缺點和適用環(huán)境,。
關(guān)鍵詞： 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)；多星座聯(lián)合,；慣性組合導(dǎo)航,；無線定位

    2012年12月27日，我國北斗導(dǎo)航系統(tǒng)正式提供區(qū)域運營服務(wù),，并公布民用頻點信號格式,，由此打開了民間研制、使用北斗系統(tǒng)的大門,。諸多國際領(lǐng)先的衛(wèi)星定位產(chǎn)品研制公司,，如Ublox、CRS,、高通,、天寶等都第一時間響應(yīng)，推出了支持北斗定位功能的產(chǎn)品,。北斗系統(tǒng)為全球定位技術(shù)的發(fā)展提供了新的可能性,，其出色的無源定位性能和特有的短信息收發(fā)功能，為中國人民提供了可靠,、穩(wěn)定的位置和時間服務(wù),。
    但是北斗系統(tǒng)仍然存在衛(wèi)星導(dǎo)航故有的定位局限性,，在城市峽谷、室內(nèi)屏蔽,、橋梁涵洞,、高速等各種不同原因造成的信號質(zhì)量降低及中斷環(huán)境下，利用輔助定位技術(shù)提升北斗穩(wěn)定定位能力,，提升定位精度,，解決好缺失的“兩公里”，已經(jīng)成為業(yè)界愈加關(guān)注的問題,。在2013年的北斗導(dǎo)航年會上,，第一次開設(shè)了定位新技術(shù)專題加以討論。本文首先對北斗系統(tǒng)做簡要介紹,，然后分析目前重點研究的北斗系統(tǒng)組合定位算法,。
北斗系統(tǒng)組成
    北斗衛(wèi)星系統(tǒng)BDS是我國自主建設(shè)的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，全球區(qū)域覆蓋計劃為35顆星,，目前已實現(xiàn)亞太區(qū)域覆蓋,。系統(tǒng)由空間星座、地面控制站和用戶三大部分組成,?？臻g星座已有工作衛(wèi)星16顆，分為三種衛(wèi)星軌道（即地球靜止軌道,、中圓地球軌道和傾斜地球同步軌道）,。地面控制站主要完成監(jiān)測衛(wèi)星數(shù)據(jù)質(zhì)量，生成衛(wèi)星導(dǎo)航電文的廣播信息,，衛(wèi)星系統(tǒng)的運行控制管理等工作,。根據(jù)正式發(fā)布的北斗衛(wèi)星系統(tǒng)民用頻點B1I的空間信號接口控制文件(簡稱ICD)，B1I頻率為1 561.098 MHz,，與GPS民用頻點L1 1 575.42 MHz非常接近,；除此之外，B1I在導(dǎo)航電文中提供了與GPS系統(tǒng)協(xié)調(diào)工作的信息,，以便于開發(fā)集成雙系統(tǒng)用戶終端,。
    用戶部分是各類通過處理北斗衛(wèi)星系統(tǒng)信號，通過選擇不同功能的終端可以實現(xiàn)位置(Position),、時間(Time),、速度(Velocity)四維信息提供以及120個漢字/次的短報文通信服務(wù)。根據(jù)北斗官方公布的數(shù)據(jù),，北斗民用頻點B1I定位精度優(yōu)于10 m,；速度精度優(yōu)于0.2 m/s；授時精度達(dá)到20 ns,。該精度指標(biāo)略高于GPS系統(tǒng),，這一點從整個北斗系統(tǒng)的信號結(jié)構(gòu)設(shè)計中不難發(fā)現(xiàn)，因此不論是BDS獨立工作或是與其他導(dǎo)航系統(tǒng)聯(lián)合工作,，都能夠不同程度地提高應(yīng)用用戶的使用體驗,。
組合定位算法分析
    BDS利用衛(wèi)星發(fā)射信號攜帶的時間及其他有效輔助信息，利用基本的四星定位原理實現(xiàn)PVT信息獲取,。因此組合導(dǎo)航對其定位的輔助作用主要體現(xiàn)在兩個方面：一是在無法獲取4顆及以上衛(wèi)星的情況下,，利用其他系統(tǒng)信息輔助使定位功能持續(xù)，如與GPS,、Glonass,、SBAS等衛(wèi)星系統(tǒng)組合、與慣性傳感器組合,、與無線定位組合等,；另一方面是在能夠獲得有效衛(wèi)星的情況下提供更加可靠的輔助結(jié)果，使定位信息更加準(zhǔn)確,，如天文組合,、光學(xué)組合等。
多星座聯(lián)合定位
    如圖1所示,，多星座聯(lián)合是利用超過一個衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的星座信息實現(xiàn)定位,，例如目前國內(nèi)北斗接收機(jī)通常提供BDS與GPS聯(lián)合定位功能、GPS與Glonass聯(lián)合以及其他輔助衛(wèi)星系統(tǒng)聯(lián)合定位功能等,。其優(yōu)點是提高定位的穩(wěn)定性和可靠性,。一方面，當(dāng)單獨星座系統(tǒng)在可見天空內(nèi)無法獲取4顆衛(wèi)星時,，利用其他星座系統(tǒng)衛(wèi)星補(bǔ)齊衛(wèi)星數(shù)實現(xiàn)定位,，保持設(shè)備連續(xù)定位能力；另一方面,，通常情況下多星座聯(lián)合使得接收機(jī)可見衛(wèi)星數(shù)量達(dá)到20顆以上,，通過篩選信號質(zhì)量、衛(wèi)星位置等信息構(gòu)成更好的定位星座,，從而提高接收機(jī)定位精度,。

    目前已經(jīng)開始投入(試)運行的全球定位系統(tǒng)有4個，未來還會繼續(xù)增加,。各導(dǎo)航星座定位原理相同,，在電文中提供了充分的兼容互操作時間、坐標(biāo)信息以及頻率接近的免費民用頻點,，使接收機(jī)擴(kuò)展接收多星座信息在軟硬件設(shè)計上非常便利,，因此也是最易實現(xiàn)、最為常用的組合定位算法,。
慣性組合定位
    慣性導(dǎo)航系統(tǒng)利用陀螺儀和加速度計等慣性測量器件,，通過對姿態(tài),、速度等信息做時間積分來計算位置、速度等,。其特點是完全依靠自身器件力學(xué)測量值,，不需要外部信息輔助，定位精度取決于陀螺和加速度計的測量精度,，誤差隨時間累加,。能夠長時間正確導(dǎo)航的慣性系統(tǒng)與BDS進(jìn)行組合，可以實現(xiàn)優(yōu)勢互補(bǔ),。一方面,，在BDS衛(wèi)星不可用時，慣性系統(tǒng)可以自主定位,，保持定位連續(xù),；另一方面，BDS正常工作時,，可以對慣性系統(tǒng)的累積誤差進(jìn)行校正,，改善其可用性，從而使低成本慣性系統(tǒng)應(yīng)用成為可能,。
    慣性與BDS組合的算法根據(jù)所用數(shù)據(jù)的種類和形成定位計算的方式不同,，可以分為松組合、緊組合和超緊組合,。慣性松組合導(dǎo)航系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖2所示,。組合的程度越高，信息的融合程度越好,，可以帶來更好的定位精度,，但是其算法的復(fù)雜性為系統(tǒng)的穩(wěn)定性增加了風(fēng)險。

    目前市場常見的有松組合或緊組合導(dǎo)航產(chǎn)品,。根據(jù)選用的衛(wèi)星接收機(jī)和慣性器件精度的不同,，可以廣泛地應(yīng)用于城市復(fù)雜環(huán)境、高精度測繪以及高動態(tài)飛行器等軍民用領(lǐng)域,。BDS與慣導(dǎo)組合在定位原理上的互補(bǔ)性非常突出,，隨著慣性器件性能和處理器運算效率的不斷提升，這種組合模式將成為室外定位環(huán)境下替代單一衛(wèi)星導(dǎo)航定位設(shè)備的最好選擇,。
無線組合定位
    以BDS為代表的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)目前都存在因室內(nèi)信號快速衰減而導(dǎo)致定位精度降低和無法定位的情況,。針對這個問題，工程師們設(shè)計了各種輔助方法,，如A-GPS,、WiFi、藍(lán)牙、RFID,、Zigbee等一系列室內(nèi)定位算法,。共同特點是利用已經(jīng)設(shè)置的固定節(jié)點接收/轉(zhuǎn)發(fā)無線信號，接收設(shè)備通過計算傳播時延,、信號強(qiáng)度,、到達(dá)角度等獲取室內(nèi)位置信息,，信息與BDS接收機(jī)進(jìn)行組合,，實現(xiàn)室內(nèi)外無縫定位。
    基于IEEE802.11b的WiFi是現(xiàn)在室內(nèi)無線網(wǎng)絡(luò)熱點服務(wù)最常用到的協(xié)議,，智能手機(jī)上基本都有WiFi接收設(shè)備,，因此在不額外增加硬件的情況下，比較容易實現(xiàn)室內(nèi)定位,。通常使用分析接入點信號強(qiáng)度來推斷終端位置,。
    RFID利用射頻進(jìn)行非接觸式雙向數(shù)據(jù)交換，其作用距離可達(dá)到幾十米,，接收設(shè)備成本低廉,，相比于WiFi、藍(lán)牙更適合布局微微網(wǎng)絡(luò),。由于標(biāo)簽點不具備主動定位能力,，RFID定位更適用于物品管理。RFID室內(nèi)定位系統(tǒng)組成圖如圖3所示,。

    ZigBee同樣是短距離無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù),，技術(shù)特點是能夠在根據(jù)協(xié)議自動組網(wǎng)，并支持?jǐn)?shù)千個節(jié)點相互通信,，網(wǎng)絡(luò)接入靈活,，功耗和成本都非常低，適合人員流動量大的公共服務(wù)區(qū)域,，較之藍(lán)牙更適合大型場所的室內(nèi)定位使用,。
其他組合定位算法
    利用車載設(shè)備ABS、里程計等車輛路程,、姿態(tài)信息進(jìn)行軌跡推算,，將推斷結(jié)果與BDS結(jié)合，根據(jù)車輛運行特點設(shè)計適合路面行駛的專用定位算法,，提高定位精度和穩(wěn)定性,。
    視覺組合定位，利用路面已經(jīng)架設(shè)的攝像頭獲取交通視屏信息,、路面信息計算單視線方向攝像頭與車輛距離,，從而獲得定位信息。這種定位組合需要設(shè)立單獨的計算服務(wù)中心,，將車輛位置主動進(jìn)行推送,。
    天文信息定位,，通過高精度鏡頭采集太陽光、星光,，根據(jù)先驗信息計算太陽,、星空相對于接收機(jī)位置，輔助BDS完成高精度定位,。采集太陽光的稱為太陽敏感器,，采集星光的稱為星敏感器。天文組合定位主要用于高精度的飛行器導(dǎo)航,。
    組合定位的算法并非局限于上述介紹的一種算法與BDS組合,，實際項目中可以多種組合，如將多星座定位,、慣性器件,、無線定位輔助以及氣壓、氣溫,、地磁等各種傳感器信息協(xié)同融合以達(dá)到提高定位性能的目的,。
    作為通用位置服務(wù)傳感器北斗定位設(shè)備，在軍,、民及行業(yè)中都可以廣泛應(yīng)用,。在過去的2年中，國內(nèi)的北斗設(shè)備制造商集中精力解決市場有無問題,，在政策引導(dǎo)下,，如項目補(bǔ)貼、指定應(yīng)用等,，迅速發(fā)展軍用和專用市場,。今年，隨著國外廠商的加入市場壓力激增,，更好地提升技術(shù)能力,，做好細(xì)分專業(yè)市場將成為國內(nèi)北斗設(shè)備制造商競爭的有力手段。
    BDS組合定位技術(shù)方興未艾,，將會明顯地改善單BDS定位性能,，隨著傳感器件成本、體積,、功耗的減少,，組合定位技術(shù)必然會成為BDS定位設(shè)備發(fā)展的主流趨勢。
參考文獻(xiàn)
[1] KANG J M,，LEE Y W,，PARK J H，et al.Application of GPS/GLONASS combination to the revision of digital map [C].FIG XXII International Congress Washington，D.C.U.S.A,，2002.
[2] GREWAL M S,，WEILL L R，ANDREWS A P.Global positioning systems,，inertial navigation,，and integration[M].John  Wiley & Sons，2007.
[3] 陳永光,，李修和.基于信號強(qiáng)度的室內(nèi)定位技術(shù)[J].電子學(xué)報,，2004，32(9)：1456-1458.
[4] 何麗,，胡以華.太陽敏感器的原理與技術(shù)發(fā)展趨勢[J].電子元件與材料,，2006,，25(9)：5-7.