基于FM广播的北斗高精度定位方法研究

赵润森李利

北华航天工业学院

摘要：北斗定位客户端必须要综合空间段数据与来自连续运行基准站(CORS基站)的差分改正数据，以实现高精度定位。针对CORS基站通过双向3G/4G通信网络发送差分改正数据所存在的并发性差、覆盖范围小、建设成本高等缺陷,本文研究了基于FM广播的北斗高精度定位方法。通过高速光纤等通道，将CORS基站的差分改正数据利用现有的FM广播网络在大范围内广播，理论上可实现300km的覆盖范围，且受天气、地貌环境影响较小，不受并发性约束，可避免3G/4G通信小区间频繁切换对定位稳定性的影响，特别是3G/4G网络尚未覆盖的地区，只需较少投资即可实现数万平方公里的高精度北斗定位，是一种实用的北斗高精度定位方法。

关键字：FM广播；北斗；运动物体；高精度定位

1.引言

北斗卫星导航系统（BeiDouNavigationSatelliteSystem，DBS）是我国自主研制的全球卫星导航系统，由空间段、地面段和用户端组成，可提供全球、全天候、全天时的高精度、高可靠定位、导航等服务。目前DBS的水平定位精度达到10m，测速精度达到0.2m/s，授时精度10ns。

地基增强系统是DBS地面段的重要组成部分，由连续运行基准站（CORS）、数据播发系统等部分组成。地基增强系统对空间段数据进行差分改正后，广播发发送至定位客户端，定位客户端综合空间段数据与改正数据，实现精确定位。

当前，CORS基站主要借助现有3G/4G通信网络，将改正数据传输给定位客户端。而3G/4G通信网络是一种双向通信网络，需进行双向认证后，才能成功获取差分改正数据，信道容量受限，并发性较差，且3G/4G基站的覆盖范围大多在5km以内，这就要求必须要有非常密集的3G/4G基站覆盖，才能适应适应DBS在大众消费领域的大规模推广，影响DBS在大众消费领域的推广应用。对此，本文提出一种基于调频（FrequencyModulation，FM）广播高精度定位方法，理论覆盖半径可到300km，受天气、地貌环境影响更小，通过单向传输不需考虑站点容量的FM信号，广播CORS改正数据，以适应DBS在大众消费领域，超大规模、超密集用户的定位需求。

2.基于FM广播的北斗高精度定位方法设计

基于FM广播的北斗高精度定位方法的整体结构如图1所示，通过FM广播传递CORS系统的差分改正数据。

FM广播是高频振荡频率随信号幅度变化的广播技术，国内FM频率范围为87.5~108.0MHz，信道间隔为100kHz,大部分的智能手机（或其它北斗定位终端）都具有FM接收器。87.5~108.0MHz频率范围内的FM信号特点，保证了基于FM广播的北斗定位方法的精度与可行性。

（1）FM信号保障FM广播不受云、雾、雨水等气候条件影响，可保证全天候的DBS定位服务。

（2）FM电波受地形条件影响较小，0.9-1.8GHz的GSM信号在森林地带传播的衰减达到0.1-0.3db/m，若考虑风吹树叶摆动的影响，GSM信号衰减更加严重。而FM信号在同样环境下的衰减在0.04dB/m。

（3）FM功耗低且覆盖范围广，FM广播信号的覆盖范围可达300km，接收功率为40mW。

（4）FM信号单向通信，不需要获取用户位置信息，其保密性更强。

（5）FM广播不需要支付流量费用。

（6）FM广播采用一对多的方式，不受覆盖区域内定位客户端数量的影响，可同时对覆盖区域内的所有用户提供定位服务。

（7）FM广播采用单基准站方式，简单可靠，不存在知识产权纠纷；

针对如何将CORS系统的差分改正信息与FM调频广播结合并进行播发的问题，本文提出了采用基于中国数字音频广播(CDRadio)技术的北斗地基增强系统(BDS—CDRadio)。

为实现FM广播播发差分信息，现有的模拟调频广播电台仅仅需要增加一台CDRadio激励器和一个合路器即可完成改造。其中北斗差分数据基准设备接收卫星信号并产生RTCM标准格式的差分数据，再通过串口接入到CDRadio发射设备。CDRadio调制技术通过采用非规则频谱分配、LDPC纠错编码、OFDM、时间分片以及分层调制等关键技术，有效地利用现存FM广播模拟频段间的频谱间隙，从而实现300KHz频段内的北斗差分改正数据和模拟调频广播共同播发，此外此频段除用于播发北斗卫星差分数据的开销之外，剩余带宽还可开展文本、图片传送等增值服务。此种基于FM调频广播的北斗高精度定位方法，利用FM信号覆盖范围广、能耗低、受环境影响小等特点，不仅可以同时为更多用户广播改正数据，提供广播服务；还可利用现有广播设施，降低建设成本；此外，FM广播的单向通信特点，也可以保障用户位置的安全性，让大众享受到免费的全天候、高可靠的精准定位服务。

3.基于FM的北斗高精度定位方法测试

3.1测试场景

在测试环境中，FM广播采用PCM高频调制方式，PCM码率为2Mbps，信号采样频率为60MHz。采用NRZ码型PCM码，经30阶滤波器阶数和0.8滚降系数后作为成型滤波器。PCM/FM码元的相位信息如图2所示。

测试采用千寻服务软件代替CORS地面基站，获取RTCM标准格式的差分数据用于仿真测试使用。

采用调频广播传输差分数据，初始状态下，使其和北斗定位接收机客户端之间相距0.5km，接收机客户端以一定的速度直线远离FM广播站点。在广播差分数据的同时，使用4G信号进行定位。测试效果图示意图如图3所示。

3.2测试结果

连续测试120min，每隔1min记录一次基于4G信号的定位结果与基于FM信号的定位结果。如图4所示，FM定位结果与4G定位结果的对比可以看出，FM定位结果与4G定位结果的最大误差为1.3850m，平均误差为0.5273m。因此，可以看出基于FM的北斗定位方法也具有较高的精度。

同时，在23min、36min、81min、98min、104min时，未能成功4G定位结果，其主要原因在于在该时间没有4G信号，其可能的原因为：定位客户端在这些时刻未被4G网络覆盖，或正处于4G网络小区切换过程中，未能及时实现定位。

3.3测试分析

在移动环境下，对基于FM和基于4G两种北斗定位方法进行对比实验，根据实验结果，可以看出基于FM广播的北斗定位方法的定位结果与4G北斗定位方法的最大误差不超过1.5m，平均误差在0.5m左右，具有较高的定位精度，且在一些特定条件下具有更好的定位稳定性。

根据FM信号的特点，基于FM广播的北斗定位方法的覆盖范围更广，定位客户端的功耗更低，受气候、地貌环境影响较小，保密性更强，可同时对覆盖范围内的所有用户提供定位服务。在对现有的CORS基站进行简单改造后，借助现有FM广播信号覆盖网络，就可以实现较大范围内的北斗定位服务，因此基于FM的北斗定位方法具有很强的实用价值。

4.结束语

基于FM的北斗高精度定位方法，利用现有的FM网络，将CORS基站的差分改正数据进行广播，其理论上的覆盖范围可达到300km，不受覆盖范围内的定位客户端数量影响，避免4G通信小区间频繁切换对定位稳定性的影响，且受天气、地貌环境影响较小，特别是对于4G网络无法覆盖的地区，只需较少投资即可实现数万平方公里的高精度北斗定位，是一种实用的北斗高精度定位方法。

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