北斗军民融合高精度应用系统关键技术研究

1.引言

在北斗高精度导航、定位和授时服务等民用市场的激励下，为了最大化的提升北斗系统的高精度定位服务能力，由各级测绘管理部门或高精度位置服务企业主导，针对自身的实际应用需求，稳步建设局域、区域和广域的北斗高精度地基增强系统，目前，建设的各省连续运行参考站网（CORS）系统和全球连续监测评估系统（iGMAS）等各类北斗增强基础设施已向开放用户和授权用户分别提供米、亚米、厘米和毫米等不同精度的增强服务，在满足用户高精度定位服务基本需求下，扩展了高精度定位的应用领域。

北斗系统作为我军信息化作战的重要基础设施，满足了我军指挥控制、多兵种协同和战备训练等大部分军事应用需求，为重点区域提供了平面和高程精度优于10米的定位服务。但是，随着北斗系统在舰船精确着陆、陆军炮兵阵地测量、组网编队飞行和机动战场应急测绘保障等军事领域的扩展应用，现有的定位无法满足高端军事作战的应用需求，因此，借助现有民用北斗增强基础设施和数据资源，突破军民融合的技术瓶颈，提升北斗在军事高精度领域服务的性能，有利于国家GNSS增强基础设施的整体规划和统筹发展，对于深化GNSS基础设施的集约利用和军民技术的融合互用具有重大的现实意义。

军事作战和民用生产对高精度定位服务质量和安全的差异性需求，亟需针对北斗增强资源的不同精度服务性能，解决军民融合高精度定位的关键技术问题，因此，立足于北斗增强资源的多样性，从军事作战需求的安全性、稳健性和可靠性出发，开展北斗军民融合系统总体设计、卫星导航信号监测与评估技术和高精度数据处理等关键技术，从根本上解决军民融合快速高精度定位问题，提升北斗在军事高精度领域服务的性能。

2.北斗增强资源简介

北斗增强基础设施主要由连续运行基准站、通信网络、综合处理系统和增强信息播发系统组成，基准站负责实时采集数据，基于通信网络将实时采集的数据发送给综合处理系统，综合处理系统基于实时数据形成差分信息，并基于增强系统播发系统发送给用户终端，实现用户终端的增强定位。一般按照覆盖和作用范围分为局域增强系统、区域增强系统和广域增强系统，三种不同的增强系统会依据系统的服务精度和易用性做相应的裁剪，尤其在系统体系架构、信息传输和增强信息播发途径方面存在一定的差异。

局域增强系统一般基于单基准站或少量基准站实现增强定位服务，通常采用单基准站模式，在该使用方式下，系统简化为连续运行单基准站和增强信息播发系统，无需搭建综合处理系统和通信网络，直接基于单基站自身内部处理产生增强信息，采用增强信息播发系统（一般采用网络或电台模式）实现单基准站和用户站的增强信息的交互，实现用户端的增强服务。该系统具有快速部署和机动灵活的特点，属于当前军用高精度定位的主体应用模式和主流配置。但是由于单基准站局域增强系统的覆盖范围限制在15km范围内，因此，局域增强系统的服务范围局限在较小的作用区域，限制了大范围内的高精度连续服务。

相对于局域增强系统，区域增强系统覆盖范围具有明显的改观，其主要的理念是通过将覆盖范围内基准站（基准站平均间距40km至60km）联合形成基准站网，综合处理系统收集基准站网内实时观测数据，形成综合的增强信息来提供给用户，为基准站网覆盖范围内提供连续、一致和均匀的定位精度（优于10cm），系统的典型特征是服务区内精度连续和均匀，不存在边际弱点。该系统组成包含连续运行基准站、通信网络、综合处理系统和增强信息播发系统组成，在各省市建设中发挥重大作用，其主要技术方式采用虚拟参考站（VRS）模式，差分信息形式主要为测量域，用户端基于实时动态差分定位（RTK）方式实现高精度定位。因此，差分增强信息不能存在较大的时延(小于10s)，对通信网络和增强信息播发系统的依赖性较大。

广域增强系统可提供更大范围内的高精度定位服务，其服务范围可扩展到国家范围、经济区、洲际和全球，其主要的理念仍是通过均匀布设基准站（基准站平均间距300km至500km）形成基准站网，综合处理系统收集基准站网内实时观测数据，形成卫星轨道、钟差和电离层等综合的增强信息来提供给用户，为用户提供高精度定位服务，目前IGS系统、iGMAS系统、商业的STARFIRE，天宝的RTX均属于该类型。该系统增强信息主要以精密轨道、钟差和区域改正数为主，增强信息主要为参数域，用户端基于精密单点定位（PPP）实现高精度定位。该系统服务范围与基准站的覆盖范围并无直接联系，但是要求基准站能尽量覆盖具备一定的广度，最好能全球范围覆盖，虽然运营和维护成本较高，但是对于用户而言，具有易用性和广域支持性。

因此，当前的军民融合高精度定位，需要根据国内现役的各类北斗增强系统，充分兼容，实现最大限度的资源利用和精度提升。

3.军民融合高精度应用系统总体设计

当前，各类北斗增强系统组织形式和增强信息播发手段存在差异，但主体仍以虚拟参考站技术和精密单点技术两种技术途径为主，从终端应用的角度出发，接收机的信息主要以测量域信息和参数域信息两种形式存在。

在虚拟参考站技术支撑下，用户终端接收的主要是虚拟参考站的伪距、载波和基准站坐标，基于该测量域的差分信息，用户终端结合自身的卫星导航信息，采用实时RTK实现自身快速定位，在该使用条件下，为了实现用户站位置保密需求，用户终端只能被动接收虚拟基准站观测数据，在该条件下，虚拟基准站和用户站可能相距较远（大于100km），因此，需要解决百公里范围内的RTK快速定位问题。在PPP技术支撑下，用户终端接收的主要是精密星历、精密钟差以及区域改正信息，基于该参数域的差分信息，用户终端结合自身的观测信息，采用实时PPP实现自身快速定位，在该使用条件下，用户终端层面需要解决不同信息源条件下的PPP快速收敛问题。

针对军用终端用户，在差分信息接收方面，除了能接收虚拟参考站的伪距、载波和基准站坐标，还需要兼容接收精密星历、精密钟差以及区域改正信息等差分信息，此外，还需要兼容现役的单基站局域差分增强系统，因此，系统需要具备区分、识别不同系统差异化差分信息协议类型的能力；在信息处理方面，具备短基线RTK快速定位、中长基线RTK快速定位和PPP快速定位等多种模式，能针对精度各异的差分信息，实现快速定位。另外，在安全保密和完好性方面，需要针对不同的使用场景，采用不同的通信手段、保密措施和信息处理措施。

综上所述，结合当前各类军用和民用北斗增强基础设施应用模式，采用通信转换终端兼容不同的数据传输形式，基于协议标准化支持和兼容支持多数据协议，支持不同差分信息，同时从安全、服务连续性和可靠角度考虑，实现北斗军民融合高精度应用。

其中，系统层的省市CORS连续运行系统、iGMAS系统等为现有的局域/区域/广域增强系统，提供相应的北斗增强信息等数据；传输层包含地面移动通信网、无线电台、移动通信和卫星通信等，需兼容现有的各种北斗增强数据传输要求；数据处理层主要包含信号监测、可用性监测、差分定位和精密单点定位等信息处理；系统应用层主要包含定位服务和完好性服务。上述的系统体系主要针对地基增强系统不同的组织形式和差分增强信息，通过数据传输层和数据处理层来弱化地基增强系统间的差异性，通过数据传输形式的多样性和数据处理的多样化，实现最大限度的兼容性和标准化，最终实现统一致的用户定位服务，同时通过叠加完好性服务，实现军事用户高精度定位的可靠性。

4.卫星导航信号监测与评估技术

与民用生产对高精度服务需求相比，军事作战对高精度定位服务的质量和安全均有严格的要求和限制，除了具备高精度定位服务能力外，同时要求定位具备连续性、可靠性和稳健性等。针对北斗军民融合高精度应用系统，由于不同地基增强资源提供的增强信息精度势必会存在一定的差异性，必须解决从该点出发，对卫星导航信号进行监测与评估，为数据处理层提供可靠和稳健的先验信息，同时针对可能存在的异常情况进行有效判别，提示定位可能产生的异常，并对定位的最终置信区间给定一定的估值。

在北斗军民融合高精度应用系统中，卫星导航信号监测与评估技术主要实现实时异常源的监测与排除和导航服务能力预测评估两部分。实时异常源的监测与排除根据提供的原始观测量或差分信息实现异常源的排除；导航服务能力预测评估结合气象信息、排除异常源、地理信息、实时异常源的监测量等信息实现对导航质量的预测评估。

卫星导航信号监测与评估技术综合考虑不同码系列的融合处理需求，包括军码观测量监测、民码观测量监测、军民码融合观测量监测。其中，军码观测量监测、民码观测量监测二者可互为补充、互为比对，提高判决准确率；军民码观测量融合监测算法可利用更多的数据源，提高监测算法效率。

5.军民融合高精度数据处理技术

从系统应用层考虑，北斗军民融合高精度定位系统主要实现军事装备的高精度定位服务和完好性服务，为了实现连续、稳健和多样化的军事高精度服务，数据处理层必须采用多种处理模式和方法，解决不同地基增强资源信息内容的差异性和传输层数据标准的差异性，为系统层/传输层和应用层间无缝切换提供一致化和标准化服务类型。

在用户指令和军终端类型的牵引下，用户终端会根据差分信息的类型判断当前所采用的定位模式，若增强信息为参数域模式，根据用户特征，可采用广域单点、静态精密单点或实时精密单点定位模式；若增强信息为测量域模式，根据用户特征，可采用静态差分定位、快速静态差分定位、准静态差分定位或动态差分定位等。用户终端数据处理模块会依据选定的定位模式，基于自适应方式实时调整随机模型来适配差异化的地基增强信息，实现最佳定位效果，同时根据卫星导航信号和监测评估单元提供的完好性信息，估算定位结果的置信区间。

基于参数域的增强信息，用户可选择广域单点、静态精密单点或实时精密单点方式实现定位，在该模式下，用户终端处理技术需要解决不同精度的增强信息对定位收敛的影响，同时还需要考虑用户终端定位采用的观测量与系统产生增强信息所用观测量之间差异性，针对用户终端而言，上述信息在实际的应用环境中并不知晓，因此，在精密单点定位技术中，不直接采用模糊度固定的方式，而是采用模糊度浮点模式进行定位，同时，对于残余的系统误差，采用一阶马尔科夫过程来吸收，此外，针对精密星历、精密钟差和区域改正数的精度差异，主要基于滤波方程自适应调整随机模型方式，用以补偿增强信息的精度差异性。

基于测量域的增强信息，为了保证军事用户终端的保密性和安全性，军事用户终端一般静默接收单基站或虚拟参考站的观测数据，在该条件下，虚拟基准站和用户站可能相距较远（大于100km），需要解决长距离RTK快速定位问题，此外，军民融合差分定位还面临不同码交叉组合下的差分问题，需要解决不同码间偏差问题。因此，军民码融合长基线差分除了需要解决载波相位整周模糊度实时固定和基准站与流动站间空间相关误差（主要是电离层和对流层延迟）延迟问题，还需要解决不同码交叉组合条件下的差分问题。针对空间相关误差延迟和载波相位模糊度快速恢复问题，在长基线条件下，差分后残差对双差模糊度影响远大于0.5周，严重制约了模糊度的正确固定和定位精度，针对北斗系统而言，主要采用通过参数估计的方式吸收电离层和对流层延迟的影响，实现残余电离层和对流层延迟的补偿，然后，基于此，采用快速模糊度搜索方法，实现模糊度快速固定；针对不同码交叉组合中的码偏差问题，主要采用参数吸收码间偏差，同时为了避免与模糊度参数、电离层和对流层参数的相关性，通过对不同参数采用不同的估计频度，避免参数间严重相关性。

6.总结

从建设的各省CORS系统和iGMAS监测评估系统等各类增强系统出发，针对军民融合高精度应用系统目前面临的问题进行了讨论，从系统体系结构出发，设计采用数据传输层和数据处理层来弱化地基增强系统间的系统结构差异性，基于数据传输形式和数据处理的多样化，实现最大限度的兼容性和标准化，实现统一致的用户定位服务，同时通过叠加完好性服务，实现军事用户高精度定位的可靠性。

针对军民融合高精度定位服务质量和安全的区别，设计卫星导航信号监测与评估技术，改善和提升军用终端定位的完好性；同时归纳北斗增强信息的主要形式，即参数域和测量域，分别讨论两种形式下军民融合高精度定位面临的挑战，从参数估计、随机模型和测量模型方面，分析军民融合带来的不确定性和困难，并给出了相应的解决方案和处理方法。