朱祥維,徐　博,李井源,聶俊偉,歐　鋼

(國(guó)防科技大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院,湖南 長(zhǎng)沙 410073)

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基于廣義偽衛(wèi)星的新一代GNSS增強(qiáng)系統(tǒng)

朱祥維,徐博,李井源,聶俊偉,歐鋼

(國(guó)防科技大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院,湖南 長(zhǎng)沙 410073)

New Generation GNSS Augmentation System Based on Generalized Pseudolite

ZHU Xiangwei,XU Bo,LI Jingyuan，NIE Junwei,OU Gang

摘要：針對(duì)GNSS系統(tǒng)在可用性、安全性和完好性等方面的不足，在對(duì)偽衛(wèi)星使用模式和關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)歸納梳理的基礎(chǔ)上，提出了廣義偽衛(wèi)星的概念和基于廣義偽衛(wèi)星的新一代GNSS增強(qiáng)系統(tǒng)框架。通過新設(shè)計(jì)的偽衛(wèi)星體制，可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)層、信息層和通信能力的全面增強(qiáng)，并將偽衛(wèi)星的應(yīng)用范圍拓展至各類載體平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)的增強(qiáng)和延伸，提升了衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的可用性、安全性、完好性和精確性。結(jié)合偽衛(wèi)星的應(yīng)用，本文提出了廣義偽衛(wèi)星的兩種物理實(shí)現(xiàn)架構(gòu)和組網(wǎng)同步模式，為廣義偽衛(wèi)星的推廣應(yīng)用奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：衛(wèi)星導(dǎo)航；偽衛(wèi)星；增強(qiáng)系統(tǒng)；時(shí)間同步；遠(yuǎn)近效應(yīng)

偽衛(wèi)星的概念最早于20世紀(jì)70年代提出[1]，主要是為了對(duì)GPS系統(tǒng)的測(cè)距方法和原理進(jìn)行驗(yàn)證。伽利略衛(wèi)星系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)也使用了偽衛(wèi)星來驗(yàn)證頻率分配與用戶設(shè)備[2]。偽衛(wèi)星技術(shù)是伴隨著GNSS建設(shè)應(yīng)用發(fā)展起來的，已經(jīng)獲得了廣泛應(yīng)用[3]。除了測(cè)試驗(yàn)證GNSS系統(tǒng)原理和性能外，偽衛(wèi)星還能夠在可見導(dǎo)航衛(wèi)星數(shù)目不足的情況下起到替代導(dǎo)航衛(wèi)星的作用，提升整個(gè)系統(tǒng)的可用性和完好性[4]。在室內(nèi)、洞穴等極端環(huán)境中，偽衛(wèi)星甚至可以完全取代導(dǎo)航衛(wèi)星星座。在干擾環(huán)境下，通過偽衛(wèi)星功率增強(qiáng)可以提升用戶機(jī)的抗干擾能力和導(dǎo)航戰(zhàn)能力。

近期偽衛(wèi)星技術(shù)再度成為研究熱點(diǎn)。文獻(xiàn)[5—7]對(duì)GNSS環(huán)境下的偽衛(wèi)星信號(hào)進(jìn)行了多方面的研究，包括偽碼生成、載波頻率和信號(hào)功率等；文獻(xiàn)[8]對(duì)偽衛(wèi)星應(yīng)用中的多徑問題進(jìn)行了研究和測(cè)試；文獻(xiàn)[9]重構(gòu)了一個(gè)高精度GNSS/偽衛(wèi)星混合星座仿真平臺(tái)；文獻(xiàn)[10]給出了偽衛(wèi)星之間的一種時(shí)鐘同步算法；文獻(xiàn)[11]提出了一種高精度的偽衛(wèi)星天線校準(zhǔn)技術(shù)；文獻(xiàn)[12]提出了一種基于可移動(dòng)接收機(jī)天線和單個(gè)偽衛(wèi)星的室內(nèi)定位算法?？梢钥闯?，目前關(guān)于偽衛(wèi)星的研究主要集中在幾個(gè)方面：發(fā)掘新的應(yīng)用場(chǎng)景和應(yīng)用模式，對(duì)新的偽衛(wèi)星技術(shù)進(jìn)行性能評(píng)估，解決偽衛(wèi)星技術(shù)存在的關(guān)鍵性難題，如時(shí)鐘同步、多徑效應(yīng)和遠(yuǎn)近效應(yīng)等。

本文將對(duì)偽衛(wèi)星應(yīng)用模式和關(guān)鍵問題進(jìn)行全面梳理，在此基礎(chǔ)上提出基于廣義偽衛(wèi)星的北斗系統(tǒng)增強(qiáng)框架，并提出偽衛(wèi)星應(yīng)用中的兩種組網(wǎng)模式和兩種實(shí)現(xiàn)架構(gòu)，為后續(xù)偽衛(wèi)星推廣應(yīng)用奠定技術(shù)基礎(chǔ)。

一、偽衛(wèi)星定位的工作模式

偽衛(wèi)星的應(yīng)用主要可以分為兩大類：

1) 偽衛(wèi)星輔助定位。偽衛(wèi)星可以提供導(dǎo)航信息，彌補(bǔ)GNSS衛(wèi)星數(shù)目的不足，對(duì)GNSS的輔助增強(qiáng)改善了定位系統(tǒng)的可靠性和完好性。

2) 偽衛(wèi)星獨(dú)立定位。在環(huán)境十分惡劣的情況下，導(dǎo)航衛(wèi)星可能完全不可見，這時(shí)可以采用若干顆偽衛(wèi)星組成導(dǎo)航星座，獨(dú)立地進(jìn)行導(dǎo)航和定位。

1. 偽衛(wèi)星輔助GNSS模式

偽衛(wèi)星增強(qiáng)信號(hào)可以由空基平臺(tái)發(fā)送?？栈鶄涡l(wèi)星(APL)已經(jīng)被測(cè)試用于軍事應(yīng)用，如圖1(a)所示[13]。與GPS類似，為軍事應(yīng)用研發(fā)的APL，也可以使民用定位與導(dǎo)航受益。2000年4月進(jìn)行的APL(偽衛(wèi)星放置在高空無人機(jī)平臺(tái))抗干擾試驗(yàn)表明，偽衛(wèi)星不僅能提供足夠的定位精度，而且可以保證自身不被惡意干擾[14]。

在臨近空間平臺(tái)偽衛(wèi)星應(yīng)用方面，文獻(xiàn)[15]中提出了一種基于飛船的偽衛(wèi)星平臺(tái)，如圖1(b)所示。飛船將被部署在海拔20 km的高空，這樣偽衛(wèi)星與用戶之間的分隔距離大約為20～70 km。相比地面?zhèn)涡l(wèi)星，這種部署下遠(yuǎn)近效應(yīng)不再是一個(gè)嚴(yán)重問題。

在LEO增強(qiáng)GNSS方面，高完好性GPS(high integrity GPS,iGPS)通過集成銥星通信系統(tǒng)，用銥星LEO發(fā)射大功率增強(qiáng)信號(hào)，提供iGPS接收機(jī)更高的完好性和抗干擾能力，如圖1(c)所示[16]。文獻(xiàn)[17]對(duì)銥星信號(hào)輔助下的GPS終端的完好性進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，銥星的增強(qiáng)顯著提高了接收機(jī)RAIM故障檢測(cè)和識(shí)別概率。

基于海洋開發(fā)和水下軍事對(duì)抗的需要，出現(xiàn)了集通信、水聲定位和衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)于一身的水下GPS定位系統(tǒng)[18]。我國(guó)首套水下GPS高精度定位導(dǎo)航系也于2004年1月研制成功，如圖1(d)所示[19]。水下GPS定位系統(tǒng)主要由安裝在水下目標(biāo)上的收發(fā)器和漂浮在海面上的智能GPS浮標(biāo)(GIB)組成，可較好地解決水下運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的實(shí)時(shí)精確定位問題[20]。

在提升GNSS完好性方面，偽衛(wèi)星最引人注目的應(yīng)用是飛行器精密進(jìn)近與著陸，如圖1(e)所示[21]。在這些應(yīng)用中，偽衛(wèi)星觀測(cè)能為導(dǎo)航方案提供額外的完好性檢測(cè)[22]。偽衛(wèi)星信號(hào)在增強(qiáng)衛(wèi)星幾何強(qiáng)度、改善可用性和完好性，以及提高定位精度方面都能作出明顯的貢獻(xiàn)，尤其是在高度分量上[23]。近年來，我國(guó)有學(xué)者提出了基于北斗系統(tǒng)并結(jié)合偽衛(wèi)星的動(dòng)態(tài)和獨(dú)立的飛行器配置方案[24]。

此外，由于在高度角比較低時(shí)，偽衛(wèi)星的載波相位測(cè)量也具有較高的精度[23]，偽衛(wèi)星還被應(yīng)用于如礦山的機(jī)器控制，如圖1(f)所示[25]，以及形變監(jiān)測(cè)[26-27]等許多高精度測(cè)量領(lǐng)域。

圖1　偽衛(wèi)星增強(qiáng)GNSS應(yīng)用實(shí)例

2. 偽衛(wèi)星獨(dú)立工作模式

在一些極端環(huán)境下，GNSS衛(wèi)星可能完全不可見,這時(shí)完全使用偽衛(wèi)星定位是一個(gè)可選方案(如圖2所示)。文獻(xiàn)[28—29]中提出并測(cè)試了偽衛(wèi)星在室內(nèi)導(dǎo)航與定位中的應(yīng)用。文獻(xiàn)[30]中提出了一個(gè)關(guān)于偽衛(wèi)星室內(nèi)定位的模擬實(shí)驗(yàn)。文獻(xiàn)[31]中開發(fā)了一個(gè)軟件仿真工具，用于預(yù)測(cè)一個(gè)部署了6顆偽衛(wèi)星的隧道中可達(dá)到的定位精度。最近，關(guān)于偽衛(wèi)星室內(nèi)定位有學(xué)者提出了新的算法，如用矢量跟蹤環(huán)和Kalman濾波替代原來的標(biāo)量跟蹤環(huán)[32-33]。文獻(xiàn)[34—35]介紹了在GNSS無法工作的場(chǎng)合，基于Locata系統(tǒng)進(jìn)行室內(nèi)外定位方面的最新進(jìn)展。

圖2　偽衛(wèi)星室內(nèi)定位示意圖

偽衛(wèi)星獨(dú)立定位的另一個(gè)重要而有趣的應(yīng)用是用于外星上的定位與導(dǎo)航，如火星[36]。圖3展示了一個(gè)部署在火星上的偽衛(wèi)星陣列，其設(shè)計(jì)目標(biāo)是為火星上的機(jī)器人漫游提供厘米級(jí)精度的位置和高度信息服務(wù)。這種高精度定位服務(wù)也將為后續(xù)的外星探索提供支撐。為了解決偽衛(wèi)星自身位置的精確標(biāo)定問題，文獻(xiàn)[37—38]中提出了一種自動(dòng)標(biāo)定偽衛(wèi)星陣列(SCPA)的技術(shù)。這些偽衛(wèi)星被設(shè)計(jì)為收發(fā)器，它們能夠接收和發(fā)送測(cè)距信號(hào)用于確定它們之間的相對(duì)位置，直至陣列中的所有偽衛(wèi)星的位置都得到標(biāo)定。

圖3　火星上的偽衛(wèi)星自校準(zhǔn)陣列

3. 廣義偽衛(wèi)星增強(qiáng)GNSS系統(tǒng)

偽衛(wèi)星能夠與GNSS系統(tǒng)已有衛(wèi)星建立時(shí)空關(guān)聯(lián)，并作為導(dǎo)航臺(tái)對(duì)外提供導(dǎo)航信號(hào)，從而使GNSS系統(tǒng)的服務(wù)性能得到提升。相對(duì)于GNSS系統(tǒng)，它是用戶；相對(duì)于其他下級(jí)用戶，它又是導(dǎo)航臺(tái)。可以將偽衛(wèi)星看作GNSS衛(wèi)星信號(hào)的中繼器，它同步于GNSS系統(tǒng)，以自己的時(shí)空基準(zhǔn)為基礎(chǔ)發(fā)射相應(yīng)的導(dǎo)航信號(hào)，供導(dǎo)航用戶使用。

傳統(tǒng)偽衛(wèi)星主要是補(bǔ)充GNSS導(dǎo)航信號(hào)的不足，側(cè)重于信號(hào)層的增強(qiáng)，通過增加新的導(dǎo)航信號(hào)實(shí)現(xiàn)DOP值的改善和完好性的提升。差分GPS、連續(xù)運(yùn)行參考站(CORS)主要是通過廣播精密星歷在信息層增強(qiáng)來提高用戶精度。WAAS等星基增強(qiáng)系統(tǒng)(SBAS)就不但播發(fā)修正信息，還播發(fā)增強(qiáng)信號(hào)，其GEO衛(wèi)星也可以看作一種偽衛(wèi)星。

傳統(tǒng)偽衛(wèi)星一般指的是陸基偽衛(wèi)星，隨著技術(shù)進(jìn)步和需求提升，偽衛(wèi)星平臺(tái)也逐步發(fā)展到無人機(jī)、臨近空間(飛艇)、微小衛(wèi)星和低軌衛(wèi)星(LEO)。特別是GPS系統(tǒng)與銥星系統(tǒng)結(jié)合形成的iGPS，為L(zhǎng)EO增強(qiáng)GNSS系統(tǒng)，以及導(dǎo)航通信一體化提供了范例。根據(jù)使用場(chǎng)合的不同，偽衛(wèi)星發(fā)射的信號(hào)頻段、調(diào)制、多址等方式與GNSS信號(hào)可能差異較大。如對(duì)于水下導(dǎo)航，需要將射頻信號(hào)轉(zhuǎn)換到水聲信號(hào)。

因而，可以歸納出廣義偽衛(wèi)星的概念，廣義偽衛(wèi)星指的是可以播發(fā)增強(qiáng)導(dǎo)航信號(hào)，可以播發(fā)增強(qiáng)星歷信息，具備一定通信能力，可以根據(jù)需要布設(shè)于各類載體平臺(tái)，從而實(shí)現(xiàn)GNSS系統(tǒng)信號(hào)層、信息層和通信能力全面增強(qiáng)的設(shè)備。可見，偽衛(wèi)星不僅可以作為GNSS的原型驗(yàn)證和測(cè)試設(shè)備，也可以作為GNSS星座的補(bǔ)充和延伸，實(shí)現(xiàn)GNSS可用性、安全性、完好性和精確性的提升。

可用性體現(xiàn)在可以使GNSS信號(hào)延伸到室內(nèi)水下等傳統(tǒng)GNSS無法覆蓋的領(lǐng)域；安全性提升主要體現(xiàn)在導(dǎo)航對(duì)抗中，如基于飛艇或無人機(jī)的偽衛(wèi)星可以實(shí)現(xiàn)區(qū)域功率增強(qiáng)，為己方用戶機(jī)提升抗干擾能力，爭(zhēng)奪制導(dǎo)航權(quán)提供有力支撐；完好性提升的一個(gè)典型應(yīng)用是飛機(jī)精密引導(dǎo)/著陸系統(tǒng)，現(xiàn)在陸基增強(qiáng)系統(tǒng)GBAS C已經(jīng)可以用于機(jī)場(chǎng)CAT-I，GBAS D也在逐步獲得ICAO批準(zhǔn)用于CAT-II/III[39]。

因而，可以歸納出廣義偽衛(wèi)星增強(qiáng)GNSS系統(tǒng)包含3層含義和4個(gè)效果。3層含義包括：信息輔助、信號(hào)增強(qiáng)、通信能力增強(qiáng)。4個(gè)效果包括：可用性、安全性、完好性和精確性的提升。

在廣義偽衛(wèi)星概念基礎(chǔ)上，可以提出基于廣義偽衛(wèi)星的新一代GNSS增強(qiáng)系統(tǒng)框架，通過各類載體平臺(tái)搭載廣義偽衛(wèi)星，從而實(shí)現(xiàn)北斗系統(tǒng)可用性、安全性、完好性等的全面提升，如圖4所示。

圖4　基于廣義偽衛(wèi)星的GNSS增強(qiáng)系統(tǒng)框架

二、偽衛(wèi)星應(yīng)用的關(guān)鍵問題

雖然偽衛(wèi)星能夠?yàn)閷?dǎo)航與定位應(yīng)用提供巨大的靈活性、良好的幾何分布和信號(hào)可用性，但仍然存在若干需要解決的問題。下面將從5個(gè)方面介紹偽衛(wèi)星應(yīng)用中的關(guān)鍵問題和解決措施。

1. 兼容與互操作

偽衛(wèi)星與其他衛(wèi)星系統(tǒng)的兼容互操作問題，首先是與GNSS系統(tǒng)兼容與互操作。如果偽衛(wèi)星占用了GNSS的工作頻率，需要特別關(guān)注如何避免對(duì)正常GNSS信號(hào)的干擾。添加脈沖的方法對(duì)遠(yuǎn)近效應(yīng)問題有改正效果。但隨著干擾技術(shù)對(duì)PNT服務(wù)的危害日益加劇，許多文獻(xiàn)的觀點(diǎn)是偽衛(wèi)星應(yīng)當(dāng)工作在遠(yuǎn)離GPS的頻率上[40]。為了選擇偽衛(wèi)星的最佳工作頻率，應(yīng)當(dāng)考慮這些問題，以及與其他GNSS系統(tǒng)的集成和兼容性問題。

偽衛(wèi)星接收機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)也要考慮與已有GNSS接收機(jī)的兼容問題。由于偽衛(wèi)星信號(hào)功率通常遠(yuǎn)高于GNSS信號(hào)，如果偽衛(wèi)星信號(hào)工作在GNSS頻段，會(huì)對(duì)GNSS信號(hào)形成較強(qiáng)的多址干擾。而且，接收機(jī)還面臨大電平動(dòng)態(tài)范圍的考驗(yàn)。因此，為了開發(fā)一個(gè)穩(wěn)定的偽衛(wèi)星接收機(jī)，必須考慮偽衛(wèi)星信號(hào)傳播與接收的各種操作條件。此外，應(yīng)在盡量少改動(dòng)已有GNSS接收機(jī)的情況下，實(shí)現(xiàn)對(duì)偽衛(wèi)星信號(hào)的接收。只修改接收機(jī)固件(firmware)或采用軟件接收機(jī)架構(gòu)被認(rèn)為是解決這類問題的有效措施。

2. 時(shí)間同步

時(shí)間同步是基于測(cè)時(shí)測(cè)距的導(dǎo)航定位系統(tǒng)的基礎(chǔ)。與GNSS軌道衛(wèi)星不同的是，偽衛(wèi)星裝載的時(shí)鐘的質(zhì)量比較低，這樣的時(shí)鐘沒有足夠的精度以使偽衛(wèi)星之間的時(shí)間保持同步。在全部采用偽衛(wèi)星定位的應(yīng)用中，時(shí)鐘同步則顯得更為重要。開發(fā)一個(gè)在各種環(huán)境下的時(shí)鐘同步方案是一件十分值得期待的工作。如果時(shí)鐘同步誤差能夠控制在載波相位的誤差級(jí)別，那么單差分整數(shù)相位模糊可以得到有效解析，使用單接收機(jī)時(shí)有望達(dá)到厘米級(jí)的定位精度。

對(duì)于偽衛(wèi)星與GNSS系統(tǒng)之間的時(shí)間同步，可以采取衛(wèi)星授時(shí)的模式，如果采用載波相位和精密單點(diǎn)定位(PPP)可以獲得更高的時(shí)間同步精度。對(duì)于偽衛(wèi)星之間的時(shí)間同步，可以采取共視法(CV)或雙向測(cè)距比對(duì)的方法。當(dāng)偽衛(wèi)星坐標(biāo)位置已知時(shí)，可以采取類似Locata的TimeLoc技術(shù)[41]，通過單向高精度測(cè)距扣掉偽衛(wèi)星間直線距離的方式，實(shí)現(xiàn)偽衛(wèi)星之間的高精度時(shí)間同步。

3. 遠(yuǎn)近效應(yīng)

由于偽衛(wèi)星的信號(hào)功率比GNSS信號(hào)功率大很多，會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)兩種情況：當(dāng)接收機(jī)天線與偽衛(wèi)星相當(dāng)近時(shí)，偽衛(wèi)星信號(hào)可能被認(rèn)為是一種干擾；反過來，當(dāng)接收機(jī)天線與偽衛(wèi)星距離特別遠(yuǎn)時(shí)，偽衛(wèi)星信號(hào)則太弱，難以被捕獲跟蹤。文獻(xiàn)[42]將其稱為遠(yuǎn)近效應(yīng)問題(near-far effect)，當(dāng)用戶機(jī)在偽衛(wèi)星鄰近的區(qū)域內(nèi)活動(dòng)時(shí)可能會(huì)使得其接收到的偽衛(wèi)星強(qiáng)度呈現(xiàn)出高動(dòng)態(tài)變化。

為解決遠(yuǎn)近效應(yīng)問題，許多研究人員提出了各式各樣的解決方案。Parkinson在文獻(xiàn)[43]中提出了3個(gè)解決措施，包括對(duì)偽衛(wèi)星信號(hào)施加一個(gè)固定的周期脈沖、使用比GPS編碼更長(zhǎng)的編碼序列等。文獻(xiàn)[44]中提出的解決遠(yuǎn)近效應(yīng)的方案是針對(duì)GLONASS衛(wèi)星系統(tǒng)的，其方法類似于上面的第2個(gè)方案。文獻(xiàn)[45]中提出的連續(xù)干擾消除方案也是針對(duì)遠(yuǎn)近效應(yīng)問題的。這種方法是基于信號(hào)處理技術(shù)的，無需修改接收機(jī)硬件。相關(guān)的理論分析表明該方法中結(jié)合相位和碼可以很好地處理遠(yuǎn)近效應(yīng)問題[46]。而文獻(xiàn)[47]中則指出，使用具有適當(dāng)?shù)奶炀€輻射場(chǎng)型的特殊天線也可以解決遠(yuǎn)近效應(yīng)問題。最近，也有一些學(xué)者提出了能有效消除遠(yuǎn)近效應(yīng)的方法，如雙向傳輸法[48]。

4. 誤差修正

在偽衛(wèi)星應(yīng)用特別是室內(nèi)定位應(yīng)用中，多徑效應(yīng)和非視距傳播是一個(gè)引起普遍關(guān)注的問題。在靜態(tài)定位中，多徑效應(yīng)引起的偏差似乎停留在一個(gè)常量狀態(tài)。但在動(dòng)態(tài)模式下，這些可能的偏差則變得隨機(jī)化，使得問題難以處理。解決這個(gè)問題有若干種方法，如使用適當(dāng)?shù)陌l(fā)射和接收天線，穩(wěn)定跟蹤技術(shù)及多傳感器融合。最新的超寬帶技術(shù)(UWB)能夠有效地緩解多徑效應(yīng)，在室內(nèi)定位應(yīng)用中很有潛力。

偽衛(wèi)星信號(hào)在傳播的過程中會(huì)受到大氣層的影響。偽衛(wèi)星布設(shè)的高度一般比較低，通常僅需考慮對(duì)流層對(duì)偽衛(wèi)星信號(hào)的影響。偽衛(wèi)星延遲修正模型主要有兩種：一種是將大氣折射率描述為氣象參數(shù)的函數(shù)；另一種是自適應(yīng)對(duì)流層延遲算法，將對(duì)流層延遲作為定位解算中的一個(gè)附加未知參數(shù)。此外，對(duì)真實(shí)環(huán)境下的無線信號(hào)測(cè)距進(jìn)行建模是一項(xiàng)富于挑戰(zhàn)性的工作，如在室內(nèi)傳播的信號(hào)受到墻壁阻隔時(shí)，存在許多可能的誤差。對(duì)誤差進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，以提出適當(dāng)?shù)男盘?hào)傳播模型是比較困難的。

5. 信號(hào)體制設(shè)計(jì)

為了解決偽衛(wèi)星與GNSS系統(tǒng)的兼容與操作，以及遠(yuǎn)近效應(yīng)、非視距傳播和多徑效應(yīng)傳播誤差等問題，從信號(hào)體制設(shè)計(jì)上進(jìn)行突破是優(yōu)先考慮的方案。文獻(xiàn)[43—44]中提出的解決偽衛(wèi)星遠(yuǎn)近效應(yīng)的措施，采用TDMA周期脈沖就是一種信號(hào)體制設(shè)計(jì)上的改進(jìn)。為了解決偽衛(wèi)星室內(nèi)定位中面臨的非視距誤差等問題，文獻(xiàn)[49—51]對(duì)TDMA、CDMA、FDMA、OFDMA及其組合應(yīng)用的各種信號(hào)體制進(jìn)行了分析對(duì)比和總結(jié)，提出了基于OFDMA的方案。為了解決偽衛(wèi)星應(yīng)用中的遠(yuǎn)近效應(yīng)、多址干擾等兼容互操作問題，文獻(xiàn)[52]從信號(hào)體制設(shè)計(jì)角度進(jìn)行了全面分析和總結(jié)。

三、偽衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)架構(gòu)和組網(wǎng)同步

偽衛(wèi)星的物理實(shí)現(xiàn)和組網(wǎng)模式是基于廣義偽衛(wèi)星的GNSS增強(qiáng)系統(tǒng)工作的基礎(chǔ)。在上述偽衛(wèi)星工作模式和關(guān)鍵技術(shù)基礎(chǔ)上，下面歸納提煉出廣義偽衛(wèi)星的兩種實(shí)現(xiàn)架構(gòu)和組網(wǎng)同步模式。

1. 偽衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)架構(gòu)

根據(jù)偽衛(wèi)星的信號(hào)生成方式，可以分為轉(zhuǎn)發(fā)式偽衛(wèi)星和再生式偽衛(wèi)星兩大類；相應(yīng)的，偽衛(wèi)星的實(shí)現(xiàn)架構(gòu)也可以分為兩大類。

一類是轉(zhuǎn)發(fā)式偽衛(wèi)星，起到導(dǎo)航衛(wèi)星信號(hào)的中繼器和放大器的作用，通過模擬或數(shù)字的方式，在射頻或中頻實(shí)現(xiàn)對(duì)GNSS信號(hào)的放大，提升GNSS信號(hào)的功率，如圖5所示。

圖5　轉(zhuǎn)發(fā)式偽衛(wèi)星架構(gòu)

另一類是再生式偽衛(wèi)星，通過接收GNSS信號(hào)實(shí)現(xiàn)偽衛(wèi)星與GNSS系統(tǒng)的高精度時(shí)間同步和位置確定，如圖6所示。在此基礎(chǔ)上，重新生成新的偽衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)。偽衛(wèi)星信號(hào)的頻點(diǎn)帶寬、調(diào)制方式、擴(kuò)頻碼等信號(hào)體制與GNSS信號(hào)可能不同。此外，再生式偽衛(wèi)星可能具備通信模塊，能夠播放高精度星歷并能將收集的數(shù)據(jù)上報(bào)。

圖6　再生式偽衛(wèi)星架構(gòu)

根據(jù)是否進(jìn)行電文解調(diào)、是否具備通信模塊，再生式偽衛(wèi)星又可以細(xì)分為4種模式。再生式偽衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)了接收與發(fā)射合二為一，可以增強(qiáng)GNSS信號(hào)功率、提升載噪比，也可以通過信號(hào)體制的變化將GNSS時(shí)空基準(zhǔn)延伸到水下等傳統(tǒng)GNSS信號(hào)無法覆蓋的場(chǎng)合。偽衛(wèi)星的通信模塊還能發(fā)播高精度星歷信息，并能實(shí)現(xiàn)信息的回傳和上報(bào)。

2. 偽衛(wèi)星組網(wǎng)同步模式

對(duì)于通過測(cè)量時(shí)差實(shí)現(xiàn)測(cè)距的系統(tǒng)而言，時(shí)間同步是系統(tǒng)正常工作的前提條件，而同步精度直接影響最終定位精度。對(duì)于偽衛(wèi)星組網(wǎng)來說，首先要考慮的也是偽衛(wèi)星之間的同步模式，以及它們與GNSS系統(tǒng)之間的時(shí)間同步。

根據(jù)偽衛(wèi)星的兩大類工作模式，可以得到兩類組網(wǎng)模式：偽衛(wèi)星獨(dú)立組網(wǎng)模式和偽衛(wèi)星同步GNSS組網(wǎng)模式。

在沒有GNSS信號(hào)時(shí)，偽衛(wèi)星處于獨(dú)立組網(wǎng)模式，有一個(gè)主偽衛(wèi)星作為整網(wǎng)的時(shí)間基準(zhǔn)，其他輔偽衛(wèi)星通過時(shí)間同步鏈路與主偽衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)高精度時(shí)間同步。用戶機(jī)可以通過主、輔偽衛(wèi)星的信號(hào)時(shí)延測(cè)量實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航定位和授時(shí)，如圖7所示。

圖7　偽衛(wèi)星獨(dú)立組網(wǎng)模式

有GNSS信號(hào)時(shí)，偽衛(wèi)星處于輔助GNSS組網(wǎng)模式。主偽衛(wèi)星同步到GNSS系統(tǒng)之后，作為整網(wǎng)的時(shí)間基準(zhǔn)，其他輔偽衛(wèi)星通過時(shí)間同步鏈路與主偽衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)高精度時(shí)間同步。用戶機(jī)通過接收GNSS、偽衛(wèi)星的信號(hào)時(shí)延測(cè)量實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航定位和授時(shí)，如圖8所示。

圖8　偽衛(wèi)星同步GNSS組網(wǎng)模式

偽衛(wèi)星同步GNSS模式下，用戶機(jī)如果同時(shí)接收GNSS和偽衛(wèi)星信號(hào)，則通常需要兼容型用戶機(jī)。當(dāng)然，用戶機(jī)也可能只接收偽衛(wèi)星信號(hào)實(shí)現(xiàn)定位和授時(shí)，如水下GNSS定位系統(tǒng)。

四、結(jié)束語

GNSS系統(tǒng)具有覆蓋廣、全天候、高精度等優(yōu)點(diǎn)，但是隨著人們對(duì)PNT服務(wù)質(zhì)量需求的提升，GNSS系統(tǒng)也暴露了許多不足。本文針對(duì)GNSS系統(tǒng)可用性、完好性、安全性和精確性全面提升的需求，提出了廣義偽衛(wèi)星的概念，在系統(tǒng)梳理偽衛(wèi)星的兩類應(yīng)用模式基礎(chǔ)上，提出了基于廣義偽衛(wèi)星的GNSS增強(qiáng)系統(tǒng)框架。在梳理歸納偽衛(wèi)星應(yīng)用中面臨的關(guān)鍵技術(shù)基礎(chǔ)上，提出了兩種偽衛(wèi)星的組網(wǎng)模式：獨(dú)立組網(wǎng)模式和同步GNSS組網(wǎng)模式；提出了兩大類偽衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)架構(gòu)：轉(zhuǎn)發(fā)式和再生式。上述研究成果為偽衛(wèi)星的應(yīng)用奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

本文提出的廣義偽衛(wèi)星的概念還可以延伸到協(xié)作導(dǎo)航領(lǐng)域[53-54]。在協(xié)作導(dǎo)航中，任何位置和時(shí)間精確的用戶也可以作為導(dǎo)航臺(tái)，可以實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航信號(hào)的多次中繼和分布式使用，可以預(yù)見將來的PNT體系將是以GNSS為主，各種偽衛(wèi)星增強(qiáng)為輔，共同實(shí)現(xiàn)PNT服務(wù)的可用性、安全性、完好性和精確性的提升。

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中圖分類號(hào)：P228

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：0494-0911(2016)02-0001-07

作者簡(jiǎn)介：朱祥維(1980—)，男，副研究員，主要研究方向?yàn)樾l(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)與時(shí)間同步技術(shù)。E-mail:zhuxiangwei@nudt.edu.cn

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金(61403413)

收稿日期：2015-11-02

引文格式： 朱祥維,徐博,李井源,等. 基于廣義偽衛(wèi)星的新一代GNSS增強(qiáng)系統(tǒng)[J].測(cè)繪通報(bào)，2016(2)：1-7.DOI:10.13474/j.cnki.11-2246.2016.0037.