周坤芳 佟海鵬 朱 強(qiáng)

(海軍陸戰(zhàn)學(xué)院 廣州 510430)

偽衛(wèi)星增強(qiáng)衛(wèi)星定位精度與抗干擾能力研究*

周坤芳 佟海鵬 朱 強(qiáng)

(海軍陸戰(zhàn)學(xué)院 廣州 510430)

受信號(hào)遮擋或干擾影響,衛(wèi)星導(dǎo)航在一些場(chǎng)所應(yīng)用受限,而偽衛(wèi)星作為一種簡(jiǎn)便易行效果顯著的增強(qiáng)手段,在一定程度上可彌補(bǔ)其不足。通過(guò)對(duì)偽衛(wèi)星增強(qiáng)衛(wèi)星定位原理研究,從幾何精度因子、接收機(jī)干信比著手,分析偽衛(wèi)星增強(qiáng)衛(wèi)星定位、抗干擾效果及偽衛(wèi)星增強(qiáng)應(yīng)用中注意的幾個(gè)問(wèn)題。仿真說(shuō)明,只要通過(guò)合理布設(shè)偽衛(wèi)星,可以有效改善衛(wèi)星導(dǎo)航定位圖形結(jié)構(gòu),提高導(dǎo)航定位精度和抗干擾能力。

偽衛(wèi)星; 定位原理; 幾何精度因子; 抗干擾能力

Class Number P228

1 引言

衛(wèi)星導(dǎo)航定位的精度和可靠性依賴于可見(jiàn)星數(shù)量和幾何分布,在峽谷、城市高樓地區(qū)等觀測(cè)環(huán)境較差的區(qū)域,信號(hào)受到遮擋而影響定位[1];同時(shí)受衛(wèi)星載荷影響,衛(wèi)星發(fā)射功率不能很大,使得落地衛(wèi)星信號(hào)功率較小,導(dǎo)航信號(hào)易受干擾而影響定位[2]。偽衛(wèi)星作為布設(shè)于地面或空中發(fā)射某種定位信號(hào)的發(fā)射器,可以有效改善用戶定位精度,提高抗干擾能力,滿足用戶需要。

2 偽衛(wèi)星增強(qiáng)定位原理

在可視范圍內(nèi),偽衛(wèi)星通常被當(dāng)作附加的導(dǎo)航衛(wèi)星使用,它能夠有效地改善衛(wèi)星導(dǎo)航定位圖形結(jié)構(gòu)。偽衛(wèi)星技術(shù)應(yīng)用于衛(wèi)星導(dǎo)航定位時(shí),要考慮衛(wèi)星信號(hào)與偽衛(wèi)星信號(hào)功率大小的差別以及與之相關(guān)的遠(yuǎn)近效應(yīng)問(wèn)題,通常偽衛(wèi)星信號(hào)采用不同的設(shè)計(jì)。其中偽衛(wèi)星系統(tǒng)常用的信號(hào)調(diào)制方式為用一定的占空率,以脈沖的方式發(fā)送偽衛(wèi)星信號(hào),信號(hào)的載頻和擴(kuò)頻碼與衛(wèi)星信號(hào)保持一致[3]。

2.1 偽衛(wèi)星定位觀測(cè)模型

偽衛(wèi)星增強(qiáng)衛(wèi)星定位中偽距定位方程[4～5]:

(1)

2.2 偽衛(wèi)星增強(qiáng)定位原理

以GPS為例分析偽衛(wèi)星增強(qiáng)衛(wèi)星導(dǎo)航定位原理,GPS偽距觀測(cè)模型[5]:

(2)

假設(shè)偽衛(wèi)星個(gè)數(shù)為i(i=1,2…),GPS衛(wèi)星個(gè)數(shù)為j(j=1,2…),則偽衛(wèi)星增強(qiáng)GPS組合定位方程:

Apg(ti)δZ=Lpg(ti)

(3)

δZ=[δXr(ti)δYr(ti)δZr(ti) -cdtr]T

設(shè)偽衛(wèi)星數(shù)i和GPS衛(wèi)星數(shù)j之和為k(k=2,3…),當(dāng)k=4時(shí),可解算出唯一一組接收機(jī)坐標(biāo);當(dāng)k>4時(shí),根據(jù)最小二乘原理,進(jìn)行迭代計(jì)算求出接收機(jī)坐標(biāo)。

3 偽衛(wèi)星增強(qiáng)改善幾何精度因子(GDOP)值

由于遮蔽或干擾等原因引起一定視角范圍內(nèi)的可見(jiàn)星無(wú)法用于定位觀測(cè),以至于可見(jiàn)星不足,會(huì)造成較差的星座幾何分布,甚至接收機(jī)無(wú)法進(jìn)行定位解算;即使接收機(jī)可以勉強(qiáng)進(jìn)行定位解算,若星座的幾何分布很差,將導(dǎo)致不良的幾何精度因子,使得獲得的定位數(shù)據(jù)難以符合精度要求。

3.1 幾何精度因子(GDOP)

從衛(wèi)星定位原理可知,GPS用戶衛(wèi)星誤差包括兩大類:GPS信號(hào)測(cè)距誤差和GPS定位星座幾何結(jié)構(gòu),其中后者稱為幾何精度因子(GDOP),它對(duì)測(cè)距誤差起著放大作用[6]。

(4)

式中:σx,σy,σz,σt為定位誤差各分量的方差。

顯然,GDOP值越小,GPS定位星座和用戶構(gòu)成的幾何圖形越好,它對(duì)用戶位置測(cè)定精度的損失就越小。

3.2 偽衛(wèi)星增強(qiáng)改善GDOP值

如圖1所示,假設(shè)遮蔽或干擾等原因,在圖中的陰影區(qū)域內(nèi)定位時(shí),接收機(jī)只能觀測(cè)到北部上空的四顆GPS衛(wèi)星,雖然勉強(qiáng)能進(jìn)行定位解算,但幾何精度因子較大,定位誤差很大,如圖2所示。

圖1 偽衛(wèi)星增強(qiáng)衛(wèi)星定位示意圖

圖2 偽衛(wèi)星增強(qiáng)前后GDOP值

在如圖1所示位置分別增設(shè)仰角為5°的1號(hào)、2號(hào)和3號(hào)偽衛(wèi)星,對(duì)沿陰影區(qū)域自北向南中軸線上接收機(jī)的GDOP值進(jìn)行仿真計(jì)算,按不增設(shè)偽衛(wèi)星時(shí)接收機(jī)GDOP值、只增設(shè)1號(hào)偽衛(wèi)星時(shí)接收機(jī)GDOP值、增設(shè)1號(hào)和2號(hào)偽衛(wèi)星時(shí)接收機(jī)GDOP值以及同時(shí)增設(shè)三顆偽衛(wèi)星時(shí)接收機(jī)GDOP值,如圖2所示。

從圖2可知,在增設(shè)一顆偽衛(wèi)星后,接收機(jī)的GDOP值迅速地減小了一半左右,當(dāng)再增設(shè)2號(hào)和3號(hào)偽衛(wèi)星后,已在很大程度上改善了系統(tǒng)的幾何布局,系統(tǒng)的GDOP值減小到了較為理想的范圍之內(nèi)。

顯然在觀測(cè)衛(wèi)星受到遮蔽或干擾導(dǎo)致可用星不足的情況下,增設(shè)偽衛(wèi)星可以有效改善衛(wèi)星星座布局,減小幾何精度因子,提高衛(wèi)星導(dǎo)航定位精度。

4 偽衛(wèi)星提高抗干擾能力

干擾對(duì)接收機(jī)影響通常采用載波功率與噪聲密度比(C/N0)來(lái)表征接收機(jī)所接受的信號(hào)質(zhì)量,實(shí)際使用以干信比(J/S)門限作為失鎖判別準(zhǔn)則。

4.1 干擾—信號(hào)功率比(J/S)

當(dāng)接收機(jī)被干擾而失鎖時(shí),接收機(jī)就失去了利用信號(hào)定位能力,實(shí)際使用時(shí)可用干信比(J/S)門限作為失鎖判別準(zhǔn)則[7～8]。

(5)

若到達(dá)接收機(jī)干信比超出了J/S門限時(shí),接收機(jī)跟蹤環(huán)路因失鎖而失去定位解算能力。因此,通過(guò)對(duì)接收機(jī)J/S計(jì)算,可判斷接收機(jī)抗干擾能力。對(duì)于載波環(huán)濾波器噪聲帶寬約為18Hz的GPS接收機(jī)來(lái)說(shuō),其跟蹤門限[C/N0]eq=24.6dB-Hz,由式(4)計(jì)算寬窄帶干擾信號(hào)時(shí)接收機(jī)門限電平(J/S),對(duì)于L1C/A碼,接收機(jī)干信比(J/S)門限約38.9dB和35.9dB。

4.2 偽衛(wèi)星提高抗干擾能力

GPS信號(hào)到達(dá)地面接收功率L1C/A碼為-159.6dB,偽衛(wèi)星發(fā)射功率為100W,接收機(jī)距離偽衛(wèi)星300km,接收到信號(hào)功率Srj為-126dB,L1載頻波長(zhǎng)λ=0.19m,假設(shè)GPS L1頻段導(dǎo)航信號(hào)受到壓制干擾,而且Grj=0dB,Gj=0dB,Lf=0dB,則沒(méi)有偽衛(wèi)星增強(qiáng)時(shí)接收機(jī)干信比(J/S)與干擾功率ERPj和干擾距離d的關(guān)系如圖3所示,偽衛(wèi)星增強(qiáng)時(shí)接收機(jī)干信比(J/S)與干擾功率ERPj和干擾距離d的關(guān)系如圖4所示。

圖3 無(wú)偽衛(wèi)星增強(qiáng)時(shí)L1載頻C/A碼干信比、干擾功率及干擾距離關(guān)系圖

圖4 偽衛(wèi)星增強(qiáng)時(shí)L1載頻C/A碼干信比、干擾功率及干擾距離關(guān)系圖

由圖3和圖4可知,當(dāng)應(yīng)用偽衛(wèi)星發(fā)射增強(qiáng)定位信號(hào)時(shí),相同距離上接收機(jī)接收到的干信比明顯大大低于無(wú)偽衛(wèi)星增強(qiáng)時(shí)接收到的干信比,從而使接收機(jī)在一定范圍內(nèi)接收到的干信比小于門限值[J/S]V成為可能。干擾使接收機(jī)失鎖,要么增大干擾機(jī)的發(fā)射功率,要么縮短干擾機(jī)與接收機(jī)的距離,這就使得在實(shí)踐中對(duì)接收機(jī)進(jìn)行干擾面臨很大的困難。因此,偽衛(wèi)星增強(qiáng)可以提高導(dǎo)航抗干擾能力。

5 偽衛(wèi)星增強(qiáng)應(yīng)用中注意的幾個(gè)問(wèn)題

從定位原理上來(lái)說(shuō),偽衛(wèi)星增強(qiáng)衛(wèi)星導(dǎo)航類似GPS系統(tǒng),但在實(shí)際增強(qiáng)應(yīng)用過(guò)程中,需要注意幾個(gè)問(wèn)題[9～10]。

5.1 時(shí)間同步

時(shí)間尺度精確測(cè)量和傳遞是衛(wèi)星導(dǎo)航定位的核心,在偽衛(wèi)星增強(qiáng)定位過(guò)程中,必須要合理解決時(shí)間同步問(wèn)題。當(dāng)前應(yīng)用廣泛、精度較高的授時(shí)技術(shù)為GPS授時(shí)法。

5.2 偽衛(wèi)星自身定位

地基偽衛(wèi)星增強(qiáng)衛(wèi)星導(dǎo)航定位,基站坐標(biāo)能夠精確確定,但地球曲率和地面障礙物的影響,使得地基偽衛(wèi)星作用距離有限。而空中偽衛(wèi)星覆蓋范圍廣,具有較好的幾何布局,但偽衛(wèi)星自身定位問(wèn)題成為影響整個(gè)定位系統(tǒng)性能的重要問(wèn)題之一,目前空中偽衛(wèi)星自身定位實(shí)現(xiàn)的一個(gè)重要途徑是通過(guò)逆向定位方法。

5.3 合理布設(shè)偽衛(wèi)星

當(dāng)需要增設(shè)多顆偽衛(wèi)星時(shí),要合理布設(shè)偽衛(wèi)星位置,避免動(dòng)態(tài)條件下接收機(jī)運(yùn)動(dòng)到某一位置時(shí),在較小的范圍內(nèi)與一顆以上的偽衛(wèi)星距離太近。實(shí)際操作時(shí),只需要根據(jù)遠(yuǎn)近邊界的比值,適當(dāng)調(diào)整偽衛(wèi)星的信號(hào)功率,并合理地將增設(shè)的多顆偽衛(wèi)星分散布設(shè),使得接收機(jī)在工作區(qū)域之內(nèi),滿足正常工作的需要。

6 結(jié)語(yǔ)

偽衛(wèi)星作為效果顯著的衛(wèi)星導(dǎo)航增強(qiáng)手段,通過(guò)合理設(shè)置偽衛(wèi)星的位置,可以有效改善衛(wèi)星導(dǎo)航定位圖形結(jié)構(gòu),提高導(dǎo)航定位精度和抗干擾能力,但在實(shí)際應(yīng)用中還有一些技術(shù)有待于深入研究。

[1] 趙巖,高社生,馮鵬程.臨近空間偽衛(wèi)星抗風(fēng)場(chǎng)干擾自主導(dǎo)航[J].中國(guó)慣性技術(shù)學(xué)報(bào),2013,21(3):359-364.

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Position Precision and Anti-jamming Ability of Pseudolite-Augmented Satellite

ZHOU Kunfang TONG Haipeng ZHU Qiang

(Naval Academy of Arms Command, Guangzhou 510430)

As its signals are blocked or interfered, satellite navigation is limited in some locations, which can in a way be supplemented by pseudolites as an easy and effective means of augmentation. Through the study of the principles of pseudolite-augmented satellite positioning technology and starting with the GDOP and receiver jam-to-signal ratio, the effectiveness of pseudolite-augmented satellite positioning and several issues for attention in the application of pseudolite augmenting are analyzed. The simulation shows that as long as the pseudolites are well arranged, they can effectively improve the graphics fabric of the satellite positioning as well as its positioning precision and anti-jamming ability.

pseudolite, positioning principle, geometric dilution of precision(GDOP), anti-jamming ability

2014年4月1日,

2014年5月19日

周坤芳,男,教授:研究方向:導(dǎo)航定位技術(shù)。

P228

10.3969/j.issn1672-9730.2014.10.015