黃進(jìn)波

（廣州海格通信集團(tuán)股份有限公司，廣東 廣州 510656）

一種基于北斗的偽衛(wèi)星設(shè)計(jì)方案

黃進(jìn)波

（廣州海格通信集團(tuán)股份有限公司，廣東 廣州 510656）

文章針對(duì)導(dǎo)航衛(wèi)星數(shù)目不足的環(huán)境下北斗導(dǎo)航定位設(shè)備的可用性問(wèn)題，提出通過(guò)建立偽衛(wèi)星調(diào)整星座構(gòu)成來(lái)解決問(wèn)題的一種思路，對(duì)偽衛(wèi)星系統(tǒng)定位原理，及其主要問(wèn)題和解決方案進(jìn)行討論和分析。

偽衛(wèi)星；增強(qiáng)信號(hào)；時(shí)間同步；遠(yuǎn)近效應(yīng)

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是為全球用戶提供全天候、全天時(shí)、高精度的定位、導(dǎo)航和授時(shí)服務(wù)的重要空間基礎(chǔ)設(shè)施，在很多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，成為一種重要的定位通信手段。但是北斗系統(tǒng)的高精度、可靠性和完好性等諸多優(yōu)越性能都依賴于跟蹤的可視衛(wèi)星的數(shù)量及衛(wèi)星的幾何分布情況，在室內(nèi)、洞穴等極端環(huán)境中無(wú)法接收到衛(wèi)星信號(hào)，滿足不了定位要求，偽衛(wèi)星是解決這些問(wèn)題的一條有效途徑，利用偽衛(wèi)星代替北斗衛(wèi)星進(jìn)行導(dǎo)航信號(hào)的廣播，從而實(shí)現(xiàn)區(qū)域的正常有效定位。

1 偽衛(wèi)星系統(tǒng)定位原理

偽衛(wèi)星定位系統(tǒng)是一個(gè)模擬北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的區(qū)域定位系統(tǒng)，基本理論和研究方法都來(lái)自于北斗系統(tǒng)。偽衛(wèi)星主要的作用是提供一個(gè)額外的測(cè)距源，增大衛(wèi)星的覆蓋面積，改善導(dǎo)航的星座配置，在某顆衛(wèi)星工作不健康或由于其他原因造成幾何配置不良的時(shí)候，仍能夠獲得優(yōu)良的導(dǎo)航性能。此外，即使衛(wèi)星沒(méi)有失效，而偽衛(wèi)星提供的額外的測(cè)距也可以對(duì)北斗進(jìn)行增強(qiáng)。在衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中配置偽衛(wèi)星主要有3個(gè)方面的作用：提高精度、改善完好性和可用性來(lái)增強(qiáng)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。偽衛(wèi)星系統(tǒng)主要由3個(gè)部分組成：地面監(jiān)控站、偽衛(wèi)星和接收機(jī)，其系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 偽衛(wèi)星系統(tǒng)架構(gòu)

1.1 地面監(jiān)測(cè)站

地面監(jiān)測(cè)站的主要功能是對(duì)偽衛(wèi)星進(jìn)行時(shí)間同步、生成與播發(fā)北斗差分信息，確保偽衛(wèi)星的輸出導(dǎo)航信號(hào)的準(zhǔn)確性，保障接收機(jī)定位效果。為了保證系統(tǒng)時(shí)間精度，地面監(jiān)測(cè)站建立在一個(gè)經(jīng)過(guò)精確標(biāo)校的坐標(biāo)固定點(diǎn)上。

地面監(jiān)測(cè)站包含基帶處理單元和無(wú)線通信單元，基帶處理單元實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星信號(hào)的捕獲跟蹤、電文解析、偽距測(cè)量和PVT解算等，利用已知精確坐標(biāo)、溫度氣壓等氣象信息、偽距測(cè)量信息和電文信息，可以計(jì)算偽距差分修正參數(shù)，融合生成差分基準(zhǔn)信息，同時(shí)結(jié)合PVT解算和已知精確坐標(biāo)，計(jì)算本地時(shí)間與衛(wèi)星系統(tǒng)時(shí)間的差異，對(duì)本地時(shí)間模塊進(jìn)行調(diào)整，然后將精準(zhǔn)的時(shí)間信息與北斗差分信息通過(guò)無(wú)線通信單元播發(fā)給偽衛(wèi)星。

1.2 偽衛(wèi)星

偽衛(wèi)星主要實(shí)現(xiàn)信號(hào)的生成和播發(fā)，其載體可以是空中無(wú)人機(jī)或者可直視接收機(jī)的固定點(diǎn)。偽衛(wèi)星的功能由信號(hào)產(chǎn)生模塊、北斗天線和通信模塊組成，其主要功能組成如圖2所示。信號(hào)產(chǎn)生模塊將偽衛(wèi)星的位置和時(shí)間信息進(jìn)行格式編碼并生成導(dǎo)航電文，再經(jīng)過(guò)射頻電路實(shí)現(xiàn)與北斗載波和自定義偽隨機(jī)碼序列進(jìn)行調(diào)制擴(kuò)頻，然后通過(guò)功放由北斗天線向接收機(jī)定向播發(fā)。通信模塊用于實(shí)現(xiàn)與地面監(jiān)控站的時(shí)間同步信息，確保偽衛(wèi)星時(shí)間與衛(wèi)星時(shí)間一致。

圖2 偽衛(wèi)星主要功能組成

為滿足偽衛(wèi)星系統(tǒng)獨(dú)立定位和輔助北斗定位以及差分增強(qiáng)功能，偽衛(wèi)星的電文至少需要包含時(shí)間、偽衛(wèi)星位置和北斗差分信息。

接收機(jī)根據(jù)衛(wèi)星播發(fā)的信號(hào)進(jìn)行導(dǎo)航定位解算，其定位的基本原理類似于三球交匯法，能夠高精度定位的前提是能夠高精度地計(jì)算出衛(wèi)星位置、高精度地測(cè)量出偽距。衛(wèi)星位置是根據(jù)導(dǎo)航電文中的軌道根數(shù)及其修正參數(shù)計(jì)算得出的，由于在軌道運(yùn)行的衛(wèi)星所受到的擾動(dòng)很小，其運(yùn)行穩(wěn)定，軌跡可預(yù)測(cè)性高，因此北斗衛(wèi)星的星歷數(shù)據(jù)1小時(shí)才更新一次，可滿足定位精度要求。而偽衛(wèi)星由于位置相對(duì)固定，因此在傳播導(dǎo)航電文時(shí)，需要實(shí)時(shí)將其位置信息和時(shí)間信息進(jìn)行播發(fā)，同時(shí)將通信模塊中接收到來(lái)自地面監(jiān)測(cè)站的差分信息進(jìn)行播發(fā)，既補(bǔ)充了接收機(jī)為了滿足定位所要求的4顆衛(wèi)星的需求，也滿足了為提高定位精度而所需的差分信息。

1.3 接收機(jī)

為了不增加接收機(jī)的硬件資源，控制成本，主要是需要在其軟件基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，即增加對(duì)偽衛(wèi)星信號(hào)的捕獲跟蹤、電文解調(diào)和偽距測(cè)算。這樣接收機(jī)不僅可以接收正常衛(wèi)星信號(hào)的導(dǎo)航電文，也可以接收偽衛(wèi)星的測(cè)距電文。

偽衛(wèi)星兼容衛(wèi)星接收機(jī)和偽衛(wèi)星下的導(dǎo)航信號(hào)，其中衛(wèi)星接收機(jī)部分與通用接收機(jī)設(shè)計(jì)一樣，但是在計(jì)算偽距時(shí)，需要將地面監(jiān)控站播發(fā)的差分信息進(jìn)行補(bǔ)充，提高測(cè)距精度。

偽衛(wèi)星接收機(jī)部分基本與衛(wèi)星接收機(jī)一樣，偽衛(wèi)星信號(hào)采用碼分多址技術(shù)，每顆偽衛(wèi)星采用不同的PRN偽碼進(jìn)行區(qū)分。偽導(dǎo)航信號(hào)經(jīng)過(guò)空間損耗至接收機(jī)天線，信號(hào)在接收信道中經(jīng)過(guò)帶通濾波器、低噪聲放大器和下變頻，至AD轉(zhuǎn)換器采樣生成數(shù)字信號(hào)，在基帶信號(hào)處理單元中對(duì)采樣后的偽衛(wèi)星信號(hào)完成偽碼的搜索和捕獲，通過(guò)牽引載波和偽碼環(huán)路，完成對(duì)載波的捕獲與跟蹤，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的解擴(kuò)，完成數(shù)據(jù)的位同步、幀同步和導(dǎo)航電文。

最后通過(guò)三球交匯原理，接收機(jī)在接收到衛(wèi)星信號(hào)和補(bǔ)充的偽衛(wèi)星信號(hào)后，進(jìn)行PVT解算，得到精確位置和時(shí)間信息。

2 主要技術(shù)問(wèn)題及其解決思路

2.1 增強(qiáng)信號(hào)設(shè)計(jì)

本方案用直接測(cè)距偽衛(wèi)星來(lái)設(shè)計(jì)其播發(fā)的信號(hào)，即偽衛(wèi)星是陸地偽衛(wèi)星，在應(yīng)用時(shí)進(jìn)行固定標(biāo)校，信號(hào)采用與北斗衛(wèi)星信號(hào)一樣的方式產(chǎn)生碼相位、載波相位和數(shù)據(jù)，電文格式也基本類似，載波也與衛(wèi)星載波一致，主要不同的是CDMA編碼方案中測(cè)距碼序列不一樣，同時(shí)在導(dǎo)航電文中偽衛(wèi)星的位置使用地理學(xué)參數(shù)，而不是用衛(wèi)星使用的軌道參數(shù)來(lái)表示。

接收機(jī)只是簡(jiǎn)單地將偽衛(wèi)星信號(hào)作為一個(gè)額外的衛(wèi)星信號(hào)，也就是將偽衛(wèi)星看作衛(wèi)星一樣作為測(cè)距源。接收機(jī)對(duì)偽衛(wèi)星和衛(wèi)星信號(hào)采用相同的測(cè)偽距方法和算法，并從偽衛(wèi)星的導(dǎo)航電文中獲取其位置信息，然后將其參與PVT解算。

2.2 時(shí)間同步技術(shù)

在基于偽衛(wèi)星技術(shù)的北斗系統(tǒng)中，對(duì)用戶的位置進(jìn)行確定主要是通過(guò)測(cè)距來(lái)實(shí)現(xiàn)的，測(cè)距的基礎(chǔ)是電波時(shí)延的測(cè)量，而電波時(shí)延測(cè)量的基礎(chǔ)則是統(tǒng)一的時(shí)間基準(zhǔn)。因此，在建立偽衛(wèi)星定位系統(tǒng)的時(shí)候，時(shí)頻系統(tǒng)也應(yīng)該要建立起來(lái)，可以通過(guò)授時(shí)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步。

對(duì)于偽衛(wèi)星之間的時(shí)間同步，可以采取共視法或雙向測(cè)距比對(duì)的方法。首先對(duì)地面監(jiān)測(cè)站進(jìn)行精確授時(shí)，地面監(jiān)測(cè)站采用載波相位和精密單點(diǎn)定位（Precise Point Positioning，PPP）以此獲得更高的時(shí)間同步精度，然后通過(guò)L波段通信鏈路對(duì)偽衛(wèi)星不斷發(fā)送時(shí)間信息，偽衛(wèi)星通過(guò)通信模塊接收到來(lái)自地面監(jiān)測(cè)站發(fā)過(guò)來(lái)的時(shí)間信息后，再扣除自己和地面監(jiān)測(cè)站之間的傳輸時(shí)間（地面監(jiān)測(cè)站和偽衛(wèi)星偽固定已知位置），便可計(jì)算出偽衛(wèi)星的精確時(shí)間。

2.3 遠(yuǎn)近效應(yīng)

相對(duì)于北斗衛(wèi)星，偽衛(wèi)星距離接收機(jī)要近得多，在接收機(jī)與偽衛(wèi)星相對(duì)距離發(fā)生較大變化時(shí)，在近距離區(qū)域的偽衛(wèi)星信號(hào)過(guò)強(qiáng)會(huì)干擾北斗信號(hào)的接收，甚至?xí)枞邮諜C(jī)；而在距離較遠(yuǎn)的區(qū)域，偽衛(wèi)星信號(hào)變?nèi)?，可能?dǎo)致無(wú)法被接收機(jī)接收。因此在一定區(qū)域內(nèi)保持偽衛(wèi)星和衛(wèi)星的相對(duì)平衡，使兩者的信號(hào)均能被接收機(jī)捕獲跟蹤，是偽衛(wèi)星在應(yīng)用中的需繼續(xù)解決的關(guān)鍵問(wèn)題。

本方案采用不同于北斗信號(hào)所使用的測(cè)距碼，能夠很大程度地降低偽衛(wèi)星與北斗衛(wèi)星間的相互干擾。除了考慮用于導(dǎo)航定位的測(cè)距碼的選擇基本原則，即具有良好的自相關(guān)、互相關(guān)特性和功率譜密度以外，用于偽衛(wèi)星定位系統(tǒng)的測(cè)距碼還需考慮與原有的系統(tǒng)所采用的碼族間的互相關(guān)特性。此外在原有擴(kuò)頻碼的基礎(chǔ)上改變其某些參數(shù)，例如碼率、順序等，均可視為實(shí)現(xiàn)新的擴(kuò)頻碼的一種手段。

3 結(jié)語(yǔ)

隨著北斗定位技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓廣，北斗導(dǎo)航系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中容易受到外界干擾影響定位的問(wèn)題，阻礙了北斗行業(yè)的發(fā)展，導(dǎo)致其在很多重要場(chǎng)合的應(yīng)用受到限制。而利用偽衛(wèi)星技術(shù)，實(shí)現(xiàn)偽衛(wèi)星區(qū)域增強(qiáng)獨(dú)立定位技術(shù)的應(yīng)用，有效地解決了該問(wèn)題。雖然目前還有許多關(guān)鍵技術(shù)需要解決和優(yōu)化，但偽衛(wèi)星技術(shù)自身的優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)必將是產(chǎn)業(yè)中不可或缺的一部分，偽衛(wèi)星的應(yīng)用將會(huì)有更廣闊的前景，可以更好地促進(jìn)我國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展。

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[3]王丹.偽衛(wèi)星動(dòng)態(tài)定位方法及其增強(qiáng)GPS技術(shù)的研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2009.

[4]楊文文.偽衛(wèi)星技術(shù)在北斗系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2009.

A pseudo-satellite design scheme based on Beidou

Huang Jinbo
（Guangzhou Haige Communications Group Incorporated Company, Guangzhou 510656, China）

Aiming at the availability issues of Beidou navigation and positioning equipment under the environment of insuf fi cient number of navigation satellites, this paper proposes a way to solve the problem by establishing a pseudo-satellite adjustment constellation. The principle of pseudo-satellite system positioning, its main problems and solutions have been discussed and analyzed.

pseudo-satellite; enhanced signal; time synchronization; near-far effect

黃進(jìn)波（1979— ），男，湖北仙桃，本科；研究方向：定位導(dǎo)航，位置服務(wù)。