高 宏，鄧志鑫，王立兵，時(shí)荔蕙

(1．中國人民解放軍63961部隊(duì)，北京 100012; 2．衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)與裝備技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 石家莊 050081)

空基導(dǎo)航區(qū)域增強(qiáng)系統(tǒng)覆蓋范圍分析

高 宏1，鄧志鑫2，王立兵1，時(shí)荔蕙1

(1．中國人民解放軍63961部隊(duì)，北京 100012; 2．衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)與裝備技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 石家莊 050081)

針對現(xiàn)有衛(wèi)星導(dǎo)航信號抗干擾手段存在的不足，分析提出了衛(wèi)星導(dǎo)航信號區(qū)域增強(qiáng)是提高GNSS接收機(jī)在復(fù)雜干擾環(huán)境下抗干擾能力的有效手段，對衛(wèi)星導(dǎo)航區(qū)域增強(qiáng)系統(tǒng)的覆蓋范圍進(jìn)行了深入的分析和研究，得到系統(tǒng)四星典型布局覆蓋范圍與偽衛(wèi)星高度之間的關(guān)系，提出了采取主偽衛(wèi)星體制和小區(qū)域級聯(lián)體制提升覆蓋范圍的方法，能夠在不明顯增加系統(tǒng)復(fù)雜度的條件下大幅度地提升區(qū)域增強(qiáng)系統(tǒng)的覆蓋范圍。

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng);干擾威脅;衛(wèi)星導(dǎo)航信號區(qū)域增強(qiáng)

0 引言

衛(wèi)星導(dǎo)航依靠其高精度、全天候的優(yōu)勢已成為現(xiàn)代戰(zhàn)場中不可或缺的要素［1］，但衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)受其信號電平過低等因素影響，戰(zhàn)場環(huán)境下其在精確性、可靠性、可用性和抗干擾性等方面存在不足［2］，尤其存在嚴(yán)重惡意干擾的環(huán)境下，導(dǎo)航性能急劇惡化甚至不能滿足定位需求［3］。

針對衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)抗干擾能力差的問題，主要解決措施有:① 利用多陣元抗干擾天線提高抗干擾性能;② 與慣性組合增強(qiáng)抗干擾性能［4］;③ 利用偽衛(wèi)星技術(shù)提高抗干擾性能。

多陣元抗干擾天線是提升衛(wèi)星導(dǎo)航定位設(shè)備在壓制式干擾環(huán)境下的定位能力的重要手段，但是存在體積大、重量重和成本高等問題，且對干擾源的個(gè)數(shù)和干擾與信號的夾角非常敏感，4陣元抗干擾天線只能抗3路干擾信號，應(yīng)用平臺(tái)與環(huán)境受限。衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)與慣性導(dǎo)航系統(tǒng)組合，將提升高動(dòng)態(tài)、強(qiáng)干擾環(huán)境下接收機(jī)性能，但是對于無慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的平臺(tái)將無法提升衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)的抗干擾能力［5］。

空基衛(wèi)星導(dǎo)航信號區(qū)域增強(qiáng)系統(tǒng)利用地面車輛或空中無人機(jī)作為偽衛(wèi)星平臺(tái)［6］，播發(fā)區(qū)域?qū)Ш皆鰪?qiáng)信號，由于偽衛(wèi)星平臺(tái)距離接收機(jī)較近，導(dǎo)航信號空間衰減?。?］，到達(dá)接收機(jī)接收天線口面的信號功率比傳統(tǒng)衛(wèi)星信號強(qiáng) 40 dB左右，將極大地提高GNSS接收機(jī)的抗壓制干擾能力，在典型情況下抗干擾性能優(yōu)于多陣元抗干擾天線，且抗干擾能力對干擾源個(gè)數(shù)不敏感，只與干擾總功率有關(guān)［8］。因此，衛(wèi)星導(dǎo)航信號區(qū)域增強(qiáng)是提高接收機(jī)在復(fù)雜干擾環(huán)境下抗干擾能力的有效手段。

本文從用戶使用角度分析了衛(wèi)星導(dǎo)航區(qū)域增強(qiáng)系統(tǒng)的覆蓋范圍，為區(qū)域?qū)Ш皆鰪?qiáng)系統(tǒng)的建設(shè)和應(yīng)用提供參考依據(jù)。

1 小區(qū)域最優(yōu)星座構(gòu)型服務(wù)范圍分析

在區(qū)域?qū)Ш皆鰪?qiáng)應(yīng)用中，首先需要解決的問題之一就是偽衛(wèi)星的位置布局，良好的布局將能夠最大限度地提升系統(tǒng)的覆蓋范圍，并降低幾何精度因子。通常，偽衛(wèi)星布局應(yīng)顧及以下2方面的要求:①確保偽衛(wèi)星有效工作區(qū)的相互交疊;② 具有良好的幾何布局結(jié)構(gòu)。用戶連續(xù)定位解算至少需要4顆可見星，因此需要首先分析4顆可見星條件下的最優(yōu)星座布局和其覆蓋范圍。

4顆可見星條件下的星座構(gòu)型設(shè)計(jì)以用戶能夠達(dá)到最小的GDOP值為原則，為了實(shí)現(xiàn)中心區(qū)域的GDOP最小，通過STK仿真得到4星最優(yōu)星座布局如圖1所示，圖1給出了接收機(jī)遮蔽角為10°、頂星為20 km、3顆輔星高度為40 km時(shí)，在對中心半徑約107．9 km的區(qū)域?qū)崿F(xiàn)無縫覆蓋的條件下，地面GDOP的仿真結(jié)果，由圖1可知，在服務(wù)區(qū)上空安排1顆頂星和3顆邊緣輔星可滿足中心區(qū)域的最優(yōu)GDOP值要求，可以看到中心約20～30 km范圍內(nèi)可達(dá)到良好的GDOP分布，在邊沿區(qū)域GDOP值將逐漸降低。

圖1 頂星－輔星4星GDOP覆蓋特點(diǎn)

下面分析在4星最優(yōu)布局條件下，偽衛(wèi)星高度與小區(qū)域覆蓋范圍之間的關(guān)系。圖2給出了典型4星布局(1顆頂星+3顆輔星)條件下的覆蓋范圍示意圖，陰影區(qū)域即為典型布局單元的覆蓋范圍。假設(shè)地面觀測偽衛(wèi)星時(shí)的遮蔽角為5°，則以目前系統(tǒng)體系架構(gòu)，地面服務(wù)區(qū)域大小與偽衛(wèi)星高度之間的關(guān)系如表 1所示，此時(shí)服務(wù)區(qū)的面積為 0．704 77a2，a為三角形的邊長。由表1可知，隨著空基偽衛(wèi)星平臺(tái)飛行高度增加，其覆蓋范圍顯著提升，但是當(dāng)空基偽衛(wèi)星平臺(tái)的高度超過20 km后，進(jìn)一步提升空基平臺(tái)高度對覆蓋范圍提升的影響逐步減弱，同時(shí)，過高的平臺(tái)高度將導(dǎo)致系統(tǒng)成本顯著提升，并大大增加了信號傳播誤差對系統(tǒng)精度的影響。

圖2 理想情況下的區(qū)域?qū)Ш礁采w范圍(陰影區(qū)域)

表1 空基偽衛(wèi)星高度與地面服務(wù)區(qū)域直徑之間的關(guān)系

上面分析了理想星座構(gòu)型下的服務(wù)范圍，如果星座構(gòu)型不理想，則有效服務(wù)區(qū)域會(huì)變小，但是可以通過增加偽衛(wèi)星數(shù)目的方法來解決這一問題［9］。

2 廣域服務(wù)方案設(shè)計(jì)

除了空基偽衛(wèi)星平臺(tái)的高度和偽衛(wèi)星數(shù)量以外，決定偽衛(wèi)星系統(tǒng)覆蓋范圍的另一主要因素為偽衛(wèi)星的組網(wǎng)，因?yàn)樗袀涡l(wèi)星必須與地面中心站存在視距鏈路，以實(shí)現(xiàn)空基偽衛(wèi)星的管控與時(shí)間同步。偽衛(wèi)星與中心站由于遮蔽角問題超過視距范圍后中心站與偽衛(wèi)星已經(jīng)無法實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步，這樣就無法保證用戶的服務(wù)精度，因此偽衛(wèi)星系統(tǒng)的覆蓋范圍主要受同一個(gè)參考時(shí)間節(jié)點(diǎn)的可視性決定。

如果想進(jìn)一步擴(kuò)大服務(wù)區(qū)域，可以采取2種方案:主偽衛(wèi)星工作體制和小區(qū)域級聯(lián)工作體制。

2．1 主偽衛(wèi)星工作體制

依據(jù)上面分析，限制偽衛(wèi)星系統(tǒng)服務(wù)區(qū)域的主要因素是時(shí)間同步鏈路的可視性問題，為了解決這一問題，可以將雙向時(shí)間同步與系統(tǒng)控制的中心節(jié)點(diǎn)由地面轉(zhuǎn)移到某一顆偽衛(wèi)星上，該偽衛(wèi)星稱作主偽衛(wèi)星。該技術(shù)體制采用主偽衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)所有視距鏈路的時(shí)間同步，由于主偽衛(wèi)星在高空，因此其視距鏈路更遠(yuǎn)，這樣天空中可以分布更多、更遠(yuǎn)的偽衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)一體化的時(shí)間同步，地面的服務(wù)區(qū)域也就可以相應(yīng)的增加。

中心站放置在地面和空中的最大視距鏈路示意如圖3所示。

圖3 中心站放置在地面和空中的最大視距鏈路示意

假設(shè)2顆偽衛(wèi)星連線與地表之間的最近距離為1 km，則不同偽衛(wèi)星高度情況下的地表服務(wù)區(qū)域如表2所示。由表2可知，主偽衛(wèi)星體制下服務(wù)區(qū)域相對于傳統(tǒng)體制而言大大增加，可以滿足大區(qū)域范圍內(nèi)的偽衛(wèi)星增強(qiáng)需求。

表2 主偽衛(wèi)星體制下偽衛(wèi)星高度與地面服務(wù)區(qū)域直徑間的關(guān)系

該方案的優(yōu)點(diǎn)在于系統(tǒng)的成本沒有明顯增加，但服務(wù)范圍卻大大增加;其缺點(diǎn)在于增加了偽衛(wèi)星的設(shè)備復(fù)雜度，因此又提出了一種小區(qū)域級聯(lián)工作體制。

2．2 小區(qū)域級聯(lián)工作體制

以4顆偽衛(wèi)星+1個(gè)地面中心站形成一個(gè)偽衛(wèi)星增強(qiáng)服務(wù)小區(qū)，該小區(qū)內(nèi)由地面中心站對所有偽衛(wèi)星進(jìn)行時(shí)間同步。如果多個(gè)小區(qū)進(jìn)行級聯(lián)，主要需解決小區(qū)和小區(qū)之間的時(shí)間同步問題，運(yùn)用站間衛(wèi)星雙向時(shí)間同步技術(shù)或者通過預(yù)置的光纖網(wǎng)絡(luò)即可實(shí)現(xiàn)2個(gè)小區(qū)的高精度時(shí)間同步。

系統(tǒng)工作原理如圖4所示。將多個(gè)小區(qū)進(jìn)行級聯(lián)即可實(shí)現(xiàn)廣域衛(wèi)星導(dǎo)航增強(qiáng)服務(wù)。此時(shí)多個(gè)地面中心站中應(yīng)有一個(gè)主中心站，其他為分中心站，所有分中心站的時(shí)間向主中心站看齊，將所有分中心站與主中心站之間的時(shí)間差疊加到分中心站所控制的所有偽衛(wèi)星雙向時(shí)間同步鐘差中，即可使廣域范圍內(nèi)所有偽衛(wèi)星保持相同的時(shí)間基準(zhǔn)，從而對用戶而言實(shí)現(xiàn)廣域連續(xù)導(dǎo)航增強(qiáng)服務(wù)。

圖4 小區(qū)域級聯(lián)工作體制示意

級聯(lián)工作體制情況下的系統(tǒng)服務(wù)區(qū)域示意如圖5所示，其中3個(gè)4星典型小區(qū)域通過級聯(lián)圍成了較大的廣域服務(wù)區(qū)，該區(qū)域中不在小區(qū)域范圍內(nèi)的用戶可通過接收來自不同小區(qū)域的偽衛(wèi)星來實(shí)現(xiàn)自身定位。

圖5 級聯(lián)工作體制系統(tǒng)服務(wù)區(qū)域示意

3 結(jié)束語

偽衛(wèi)星增強(qiáng)系統(tǒng)是保證復(fù)雜電磁環(huán)境下制導(dǎo)航權(quán)的重要手段［10］，能夠極大地提升覆蓋區(qū)域內(nèi)導(dǎo)航定位設(shè)備的抗干擾和反欺騙［11］應(yīng)用能力，并且偽衛(wèi)星裝載于空基平臺(tái)能夠有效保證系統(tǒng)的快速部署［12］。首先對小區(qū)域典型布局條件下的覆蓋范圍進(jìn)行分析，然后提出了2種提升系統(tǒng)覆蓋范圍的方法，所提方法簡便易行，且行之有效，能夠在不顯著提升系統(tǒng)復(fù)雜度的條件下提升系統(tǒng)覆蓋范圍，滿足大區(qū)域?qū)Ш皆鰪?qiáng)應(yīng)用需求。

［1］ 劉 榮，王立平，陳 楊．GPS接收機(jī)抗干擾性能仿真研究［J］．無線電通信技術(shù)，2014，40(1):58－60．

［2］ 楊 亮．通信系統(tǒng)中空時(shí)二維抗干擾方法研究［J］．無線電通信技術(shù)，2013，39(6):74－77．

［3］ 秦明峰，惠沈盈，范廣偉．一種多路并行盲搜索的空時(shí)二維抗干擾算法［J］．無線電工程，2016，46(5):29－32．

［4］ 王明建，李建軍，李 釗，等．改進(jìn)自適應(yīng)UKF在組合導(dǎo)航系統(tǒng)中的應(yīng)用研究［J］．無線電工程，2016，46 (6):76－78．

［5］ 周泓伯，孫 旭，葉紅軍．組合導(dǎo)航裝備性能評估技術(shù)研究［J］．無線電工程，2015，45(11):40－43．

［6］ 王暉輝．偽衛(wèi)星增強(qiáng)GPS定位技術(shù)及現(xiàn)狀分析［J］．測繪科學(xué)，2009(5):89－93．

［7］ 許國軍，王 丹，程 遠(yuǎn)，等．偽衛(wèi)星增強(qiáng)GPS可用性的仿真研究［J］．艦船科學(xué)技術(shù)，2016，32(6):132－135．

［8］ 張政治，楊勝斌，朱志誠．基于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的偽衛(wèi)星增強(qiáng)技術(shù)初探［J］．全球定位系統(tǒng)，2013，38(5): 65－68．

［9］ 李 強(qiáng)，王 昊．導(dǎo)航抗干擾接收機(jī)中通道誤差的影響及校準(zhǔn)方法［J］．無線電通信技術(shù)，2016，42(2):77－79．

［10］吳 強(qiáng)．利用偽衛(wèi)星提高衛(wèi)星信號抗干擾能力研究［J］．艦船電子工程，2011(9):59－62．

［11］李雅寧，蔚保國，甘興利．衛(wèi)星導(dǎo)航接收端反電子欺騙技術(shù)比較研究［J］．無線電工程，2016，46(3):49－53．

［12］周坤芳，佟海鵬，朱 強(qiáng)．偽衛(wèi)星增強(qiáng)衛(wèi)星定位精度與抗干擾能力研究［J］．艦船電子工程，2014(10):49－52．

Coverage Analysis of Air-based Regional Augmentation System for BD Satellite Navigation Signal

GAO Hong1，DENG Zhi-xin2，WANG Li-bing1，SHI Li-hui1

(1．Unit 63961，PLA，Beijing 100012，China; 2．State Key Laboratory of Satellite Navigation System and Equipment Technology，Shijiazhuang Hebei 050081，China)

Considering the disadvantages of the existing satellite navigation signal anti-jamming means，GNSS satellite navigation signal regional enhancement is proposed as an effective means to improve the anti-jamming capability of GNSS receivers in complex interference environment．The system’s coverage is analyzed and studied．The relationship between the typical four-satellite coverage and the height of pseudolite is obtained，and the coverage improving method by implementing main-pseudolite system and small regional connecting system is presented，which can greatly improve the coverage of regional enhancement system without obviously increasing the complexity of the system．

satellite navigation system;jamming threat;regional augmentation for satellite navigation signal

N911

A

1003－3106(2017)02－0045－03

10．3969/j．issn．1003－3106．2017．02．11

高 宏，鄧志鑫，王立兵，等．空基導(dǎo)航區(qū)域增強(qiáng)系統(tǒng)覆蓋范圍分析［J］．無線電工程，2017，47(2):45－47，56．

2016-11-02

十三五國家重點(diǎn)研究發(fā)展計(jì)劃基金資助項(xiàng)目(2016YFB0502402)。

高 宏男，(1979—)，工程師。主要研究方向:衛(wèi)星導(dǎo)航、大地測量。

鄧志鑫男，(1982—)，高級工程師。主要研究方向:衛(wèi)星導(dǎo)航抗干擾技術(shù)。

doi:10．3969/j．issn．1003－3106．2017．02．14