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(shí)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(diǎn)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(yùn)營服務(wù)，并公布民用頻點(diǎn)信號(hào)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(shí)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(shí)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(hào)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(huì)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(duì)北斗系統(tǒng)做簡(jiǎn)要介紹，然后分析目前重點(diǎn)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(jì)劃為35顆星，目前已實(shí)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(cè)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(yùn)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(diǎn)B1I的空間信號(hào)接口控制文件(簡(jiǎn)稱ICD)，B1I頻率為1 561.098 MHz，與GPS民用頻點(diǎn)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(hào)，通過選擇不同功能的終端可以實(shí)現(xiàn)位置(Position)、時(shí)間(Time)、速度(Velocity)四維信息提供以及120個(gè)漢字/次的短報(bào)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(diǎn)B1I定位精度優(yōu)于10 m；速度精度優(yōu)于0.2 m/s；授時(shí)精度達(dá)到20 ns。該精度指標(biāo)略高于GPS系統(tǒng)，這一點(diǎn)從整個(gè)北斗系統(tǒng)的信號(hào)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中不難發(fā)現(xiàn)，因此不論是BDS獨(dú)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(yàn)。
組合定位算法分析
    BDS利用衛(wèi)星發(fā)射信號(hào)攜帶的時(shí)間及其他有效輔助信息，利用基本的四星定位原理實(shí)現(xiàn)PVT信息獲取。因此組合導(dǎo)航對(duì)其定位的輔助作用主要體現(xiàn)在兩個(gè)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(gè)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的星座信息實(shí)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(diǎn)是提高定位的穩(wěn)定性和可靠性。一方面，當(dāng)單獨(dú)星座系統(tǒng)在可見天空內(nèi)無法獲取4顆衛(wèi)星時(shí)，利用其他星座系統(tǒng)衛(wèi)星補(bǔ)齊衛(wèi)星數(shù)實(shí)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(hào)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(yùn)行的全球定位系統(tǒng)有4個(gè)，未來還會(huì)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(shí)間、坐標(biāo)信息以及頻率接近的免費(fèi)民用頻點(diǎn)，使接收機(jī)擴(kuò)展接收多星座信息在軟硬件設(shè)計(jì)上非常便利，因此也是最易實(shí)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(jì)等慣性測(cè)量器件，通過對(duì)姿態(tài)、速度等信息做時(shí)間積分來計(jì)算位置、速度等。其特點(diǎn)是完全依靠自身器件力學(xué)測(cè)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(jì)的測(cè)量精度，誤差隨時(shí)間累加。能夠長時(shí)間正確導(dǎo)航的慣性系統(tǒng)與BDS進(jìn)行組合，可以實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。一方面，在BDS衛(wèi)星不可用時(shí)，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(shí)，可以對(duì)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(jì)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(xiǎn)。

    目前市場(chǎng)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(cè)繪以及高動(dòng)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(yùn)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(hào)快速衰減而導(dǎo)致定位精度降低和無法定位的情況。針對(duì)這個(gè)問題，工程師們?cè)O(shè)計(jì)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(diǎn)是利用已經(jīng)設(shè)置的固定節(jié)點(diǎn)接收/轉(zhuǎn)發(fā)無線信號(hào)，接收設(shè)備通過計(jì)算傳播時(shí)延、信號(hào)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(shí)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(diǎn)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(shí)現(xiàn)室內(nèi)定位。通常使用分析接入點(diǎn)信號(hào)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(diǎn)不具備主動(dòng)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(diǎn)是能夠在根據(jù)協(xié)議自動(dòng)組網(wǎng)，并支持?jǐn)?shù)千個(gè)節(jié)點(diǎn)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(dòng)量大的公共服務(wù)區(qū)域，較之藍(lán)牙更適合大型場(chǎng)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(jì)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(yùn)行特點(diǎn)設(shè)計(jì)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(jì)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(dú)的計(jì)算服務(wù)中心，將車輛位置主動(dòng)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(yàn)信息計(jì)算太陽、星空相對(duì)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(shí)際項(xiàng)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(chǎng)有無問題，在政策引導(dǎo)下，如項(xiàng)目補(bǔ)貼、指定應(yīng)用等，迅速發(fā)展軍用和專用市場(chǎng)。今年，隨著國外廠商的加入市場(chǎng)壓力激增，更好地提升技術(shù)能力，做好細(xì)分專業(yè)市場(chǎng)將成為國內(nèi)北斗設(shè)備制造商競(jìng)爭(zhēng)的有力手段。
    BDS組合定位技術(shù)方興未艾，將會(huì)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(huì)成為BDS定位設(shè)備發(fā)展的主流趨勢(shì)。
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