摘 要：随着北斗卫星导航系统的应用越来越广泛，如何进一步提高定位的连续性与可靠性成为日益重要的问题。组合定位技术能够有效地提高北斗卫星导航系统的定位稳定性和定位精度。介绍了目前可实现性较强的组合定位算法，如多星座联合、惯性组合、无线定位组合等，并分析其优缺点和适用环境。
关键词：北斗卫星导航系统；多星座联合；惯性组合导航；无线定位

2012年12月27日，我国北斗导航系统正式提供区域运营服务，并公布民用频点信号格式，由此打开了民间研制、使用北斗系统的大门。诸多国际领先的卫星定位产品研制公司，如Ublox、CRS、高通、天宝等都第一时间响应，推出了支持北斗定位功能的产品。北斗系统为全球定位技术的发展提供了新的可能性，其出色的无源定位性能和特有的短信息收发功能，为中国人民提供了可靠、稳定的位置和时间服务。
但是北斗系统仍然存在卫星导航故有的定位局限性，在城市峡谷、室内屏蔽、桥梁涵洞、高速等各种不同原因造成的信号质量降低及中断环境下，利用辅助定位技术提升北斗稳定定位能力，提升定位精度，解决好缺失的“两公里”，已经成为业界愈加关注的问题。在2013年的北斗导航年会上，第一次开设了定位新技术专题加以讨论。本文首先对北斗系统做简要介绍，然后分析目前重点研究的北斗系统组合定位算法。
北斗系统组成
北斗卫星系统BDS是我国自主建设的全球卫星导航系统，全球区域覆盖计划为35颗星，目前已实现亚太区域覆盖。系统由空间星座、地面控制站和用户三大部分组成。空间星座已有工作卫星16颗，分为三种卫星轨道（即地球静止轨道、中圆地球轨道和倾斜地球同步轨道）。地面控制站主要完成监测卫星数据质量，生成卫星导航电文的广播信息，卫星系统的运行控制管理等工作。根据正式发布的北斗卫星系统民用频点B1I的空间信号接口控制文件(简称ICD)，B1I频率为1 561.098 MHz，与GPS民用频点L1 1 575.42 MHz非常接近；除此之外，B1I在导航电文中提供了与GPS系统协调工作的信息，以便于开发集成双系统用户终端。
用户部分是各类通过处理北斗卫星系统信号，通过选择不同功能的终端可以实现位置(Position)、时间(Time)、速度(Velocity)四维信息提供以及120个汉字/次的短报文通信服务。根据北斗官方公布的数据，北斗民用频点B1I定位精度优于10 m；速度精度优于0.2 m/s；授时精度达到20 ns。该精度指标略高于GPS系统，这一点从整个北斗系统的信号结构设计中不难发现，因此不论是BDS独立工作或是与其他导航系统联合工作，都能够不同程度地提高应用用户的使用体验。
组合定位算法分析
BDS利用卫星发射信号携带的时间及其他有效辅助信息，利用基本的四星定位原理实现PVT信息获取。因此组合导航对其定位的辅助作用主要体现在两个方面：一是在无法获取4颗及以上卫星的情况下，利用其他系统信息辅助使定位功能持续，如与GPS、Glonass、SBAS等卫星系统组合、与惯性传感器组合、与无线定位组合等；另一方面是在能够获得有效卫星的情况下提供更加可靠的辅助结果，使定位信息更加准确，如天文组合、光学组合等。
多星座联合定位
如图1所示，多星座联合是利用超过一个卫星导航系统的星座信息实现定位，例如目前国内北斗接收机通常提供BDS与GPS联合定位功能、GPS与Glonass联合以及其他辅助卫星系统联合定位功能等。其优点是提高定位的稳定性和可靠性。一方面，当单独星座系统在可见天空内无法获取4颗卫星时，利用其他星座系统卫星补齐卫星数实现定位，保持设备连续定位能力；另一方面，通常情况下多星座联合使得接收机可见卫星数量达到20颗以上，通过筛选信号质量、卫星位置等信息构成更好的定位星座，从而提高接收机定位精度。

目前已经开始投入(试)运行的全球定位系统有4个，未来还会继续增加。各导航星座定位原理相同，在电文中提供了充分的兼容互操作时间、坐标信息以及频率接近的免费民用频点，使接收机扩展接收多星座信息在软硬件设计上非常便利，因此也是最易实现、最为常用的组合定位算法。
惯性组合定位
惯性导航系统利用陀螺仪和加速度计等惯性测量器件，通过对姿态、速度等信息做时间积分来计算位置、速度等。其特点是完全依靠自身器件力学测量值，不需要外部信息辅助，定位精度取决于陀螺和加速度计的测量精度，误差随时间累加。能够长时间正确导航的惯性系统与BDS进行组合，可以实现优势互补。一方面，在BDS卫星不可用时，惯性系统可以自主定位，保持定位连续；另一方面，BDS正常工作时，可以对惯性系统的累积误差进行校正，改善其可用性，从而使低成本惯性系统应用成为可能。
惯性与BDS组合的算法根据所用数据的种类和形成定位计算的方式不同，可以分为松组合、紧组合和超紧组合。惯性松组合导航系统架构图如图2所示。组合的程度越高，信息的融合程度越好，可以带来更好的定位精度，但是其算法的复杂性为系统的稳定性增加了风险。

目前市场常见的有松组合或紧组合导航产品。根据选用的卫星接收机和惯性器件精度的不同，可以广泛地应用于城市复杂环境、高精度测绘以及高动态飞行器等军民用领域。BDS与惯导组合在定位原理上的互补性非常突出，随着惯性器件性能和处理器运算效率的不断提升，这种组合模式将成为室外定位环境下替代单一卫星导航定位设备的最好选择。
无线组合定位
以BDS为代表的卫星导航系统目前都存在因室内信号快速衰减而导致定位精度降低和无法定位的情况。针对这个问题，工程师们设计了各种辅助方法，如A-GPS、WiFi、蓝牙、RFID、Zigbee等一系列室内定位算法。共同特点是利用已经设置的固定节点接收/转发无线信号，接收设备通过计算传播时延、信号强度、到达角度等获取室内位置信息，信息与BDS接收机进行组合，实现室内外无缝定位。
基于IEEE802.11b的WiFi是现在室内无线网络热点服务最常用到的协议，智能手机上基本都有WiFi接收设备，因此在不额外增加硬件的情况下，比较容易实现室内定位。通常使用分析接入点信号强度来推断终端位置。
RFID利用射频进行非接触式双向数据交换，其作用距离可达到几十米，接收设备成本低廉，相比于WiFi、蓝牙更适合布局微微网络。由于标签点不具备主动定位能力，RFID定位更适用于物品管理。RFID室内定位系统组成图如图3所示。

ZigBee同样是短距离无线网络技术，技术特点是能够在根据协议自动组网，并支持数千个节点相互通信，网络接入灵活，功耗和成本都非常低，适合人员流动量大的公共服务区域，较之蓝牙更适合大型场所的室内定位使用。
其他组合定位算法
利用车载设备ABS、里程计等车辆路程、姿态信息进行轨迹推算，将推断结果与BDS结合，根据车辆运行特点设计适合路面行驶的专用定位算法，提高定位精度和稳定性。
视觉组合定位，利用路面已经架设的摄像头获取交通视屏信息、路面信息计算单视线方向摄像头与车辆距离，从而获得定位信息。这种定位组合需要设立单独的计算服务中心，将车辆位置主动进行推送。
天文信息定位，通过高精度镜头采集太阳光、星光，根据先验信息计算太阳、星空相对于接收机位置，辅助BDS完成高精度定位。采集太阳光的称为太阳敏感器，采集星光的称为星敏感器。天文组合定位主要用于高精度的飞行器导航。
组合定位的算法并非局限于上述介绍的一种算法与BDS组合，实际项目中可以多种组合，如将多星座定位、惯性器件、无线定位辅助以及气压、气温、地磁等各种传感器信息协同融合以达到提高定位性能的目的。
作为通用位置服务传感器北斗定位设备，在军、民及行业中都可以广泛应用。在过去的2年中，国内的北斗设备制造商集中精力解决市场有无问题，在政策引导下，如项目补贴、指定应用等，迅速发展军用和专用市场。今年，随着国外厂商的加入市场压力激增，更好地提升技术能力，做好细分专业市场将成为国内北斗设备制造商竞争的有力手段。
BDS组合定位技术方兴未艾，将会明显地改善单BDS定位性能，随着传感器件成本、体积、功耗的减少，组合定位技术必然会成为BDS定位设备发展的主流趋势。
参考文献
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