摘 要： 隨著北斗衛星導航系統的應用越來越廣泛，如何進一步提高定位的連續性與可靠性成為日益重要的問題。組合定位技術能夠有效地提高北斗衛星導航系統的定位穩定性和定位精度。介紹了目前可實現性較強的組合定位算法，如多星座聯合、慣性組合、無線定位組合等，并分析其優缺點和適用環境。
關鍵詞： 北斗衛星導航系統；多星座聯合；慣性組合導航；無線定位
2012年12月27日，我國北斗導航系統正式提供區域運營服務，并公布民用頻點信號格式，由此打開了民間研制、使用北斗系統的大門。諸多國際領先的衛星定位產品研制公司，如Ublox、CRS、高通、天寶等都第一時間響應，推出了支持北斗定位功能的產品。北斗系統為全球定位技術的發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功能，為中國人民提供了可靠、穩定的位置和時間服務。
但是北斗系統仍然存在衛星導航故有的定位局限性，在城市峽谷、室內屏蔽、橋梁涵洞、高速等各種不同原因造成的信號質量降低及中斷環境下，利用輔助定位技術提升北斗穩定定位能力，提升定位精度，解決好缺失的“兩公里”，已經成為業界愈加關注的問題。在2013年的北斗導航年會上，第一次開設了定位新技術專題加以討論。本文首先對北斗系統做簡要介紹，然后分析目前重點研究的北斗系統組合定位算法。
北斗系統組成
北斗衛星系統BDS是我國自主建設的全球衛星導航系統，全球區域覆蓋計劃為35顆星，目前已實現亞太區域覆蓋。系統由空間星座、地面控制站和用戶三大部分組成。空間星座已有工作衛星16顆，分為三種衛星軌道（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測衛星數據質量，生成衛星導航電文的廣播信息，衛星系統的運行控制管理等工作。根據正式發布的北斗衛星系統民用頻點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在導航電文中提供了與GPS系統協調工作的信息，以便于開發集成雙系統用戶終端。
用戶部分是各類通過處理北斗衛星系統信號，通過選擇不同功能的終端可以實現位置(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。根據北斗官方公布的數據，北斗民用頻點B1I定位精度優于10 m；速度精度優于0.2 m/s；授時精度達到20 ns。該精度指標略高于GPS系統，這一點從整個北斗系統的信號結構設計中不難發現，因此不論是BDS獨立工作或是與其他導航系統聯合工作，都能夠不同程度地提高應用用戶的使用體驗。
組合定位算法分析
BDS利用衛星發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PVT信息獲取。因此組合導航對其定位的輔助作用主要體現在兩個方面：一是在無法獲取4顆及以上衛星的情況下，利用其他系統信息輔助使定位功能持續，如與GPS、Glonass、SBAS等衛星系統組合、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星的情況下提供更加可靠的輔助結果，使定位信息更加準確，如天文組合、光學組合等。
多星座聯合定位
如圖1所示，多星座聯合是利用超過一個衛星導航系統的星座信息實現定位，例如目前國內北斗接收機通常提供BDS與GPS聯合定位功能、GPS與Glonass聯合以及其他輔助衛星系統聯合定位功能等。其優點是提高定位的穩定性和可靠性。一方面，當單獨星座系統在可見天空內無法獲取4顆衛星時，利用其他星座系統衛星補齊衛星數實現定位，保持設備連續定位能力；另一方面，通常情況下多星座聯合使得接收機可見衛星數量達到20顆以上，通過篩選信號質量、衛星位置等信息構成更好的定位星座，從而提高接收機定位精度。
目前已經開始投入(試)運行的全球定位系統有4個，未來還會繼續增加。各導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、坐標信息以及頻率接近的免費民用頻點，使接收機擴展接收多星座信息在軟硬件設計上非常便利，因此也是最易實現、最為常用的組合定位算法。
慣性組合定位
慣性導航系統利用陀螺儀和加速度計等慣性測量器件，通過對姿態、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。能夠長時間正確導航的慣性系統與BDS進行組合，可以實現優勢互補。一方面，在BDS衛星不可用時，慣性系統可以自主定位，保持定位連續；另一方面，BDS正常工作時，可以對慣性系統的累積誤差進行校正，改善其可用性，從而使低成本慣性系統應用成為可能。
慣性與BDS組合的算法根據所用數據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。慣性松組合導航系統架構圖如圖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，但是其算法的復雜性為系統的穩定性增加了風險。
目前市場常見的有松組合或緊組合導航產品。根據選用的衛星接收機和慣性器件精度的不同，可以廣泛地應用于城市復雜環境、高精度測繪以及高動態飛行器等軍民用領域。BDS與慣導組合在定位原理上的互補性非常突出，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境下替代單一衛星導航定位設備的最好選擇。
無線組合定位
以BDS為代表的衛星導航系統目前都存在因室內信號快速衰減而導致定位精度降低和無法定位的情況。針對這個問題，工程師們設計了各種輔助方法，如A-GPS、WiFi、藍牙、RFID、Zigbee等一系列室內定位算法。共同特點是利用已經設置的固定節點接收/轉發無線信號，接收設備通過計算傳播時延、信號強度、到達角度等獲取室內位置信息，信息與BDS接收機進行組合，實現室內外無縫定位。
基于IEEE802.11b的WiFi是現在室內無線網絡熱點服務最常用到的協議，智能手機上基本都有WiFi接收設備，因此在不額外增加硬件的情況下，比較容易實現室內定位。通常使用分析接入點信號強度來推斷終端位置。
RFID利用射頻進行非接觸式雙向數據交換，其作用距離可達到幾十米，接收設備成本低廉，相比于WiFi、藍牙更適合布局微微網絡。由于標簽點不具備主動定位能力，RFID定位更適用于物品管理。RFID室內定位系統組成圖如圖3所示。
ZigBee同樣是短距離無線網絡技術，技術特點是能夠在根據協議自動組網，并支持數千個節點相互通信，網絡接入靈活，功耗和成本都非常低，適合人員流動量大的公共服務區域，較之藍牙更適合大型場所的室內定位使用。
其他組合定位算法
利用車載設備ABS、里程計等車輛路程、姿態信息進行軌跡推算，將推斷結果與BDS結合，根據車輛運行特點設計適合路面行駛的專用定位算法，提高定位精度和穩定性。
視覺組合定位，利用路面已經架設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立單獨的計算服務中心，將車輛位置主動進行推送。
天文信息定位，通過高精度鏡頭采集太陽光、星光，根據先驗信息計算太陽、星空相對于接收機位置，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同融合以達到提高定位性能的目的。
作為通用位置服務傳感器北斗定位設備，在軍、民及行業中都可以廣泛應用。在過去的2年中，國內的北斗設備制造商集中精力解決市場有無問題，在政策引導下，如項目補貼、指定應用等，迅速發展軍用和專用市場。今年，隨著國外廠商的加入市場壓力激增，更好地提升技術能力，做好細分專業市場將成為國內北斗設備制造商競爭的有力手段。
BDS組合定位技術方興未艾，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，組合定位技術必然會成為BDS定位設備發展的主流趨勢。
參考文獻
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