鄧洪有

（四川九洲電器集團有限責任公司，四川綿陽，621000）

0 前言

確定平臺自身位置信息是確保作業(yè)安全以及進行高效有序管理與調度的基礎和前提。隨著我國海洋戰(zhàn)略的實施，近海捕撈、近?？碧?、近海搜救、近海航行、近海防務等近?；顒尤找嬖黾樱\物流發(fā)展迅速，船舶進出港口日漸頻繁，這對近海及港口區(qū)域艦船、飛行器的定位提出了更高的要求，要求定位系統(tǒng)具備較高的定位精度、能夠覆蓋所有的艦船及飛行器、具備一定的抗干擾能力、具備較高的完好性與可用性等。

近海及港口區(qū)域定位根據作業(yè)任務的不同可以有多種不多的定位方法，如光學交匯定位、無線電測距定位、衛(wèi)星定位、水聲定位以及組合定位等。目前的技術手段雖然能夠在一定程度上解決定位問題，但在工程實現方面仍然存在定位精度不高以及應用受局限等問題，且更多的是依賴全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）進行工作。不過即使是目前發(fā)展最為成熟的GPS系統(tǒng)，在定位與導航過程中，也存在一定的局限性與風險[1]，包括太陽活動影響、干擾與欺騙、易受破壞等因素。對于一些應用領域來說，GPS系統(tǒng)在定位精度、可用性、完好性方面還無法滿足一些用戶的使用需求，如沿海港口及其附近的精確導航，要求達到米級的導航精度和較高的完好性指標，覆蓋的區(qū)域又遠遠大于局域范圍，同時可提供較高的可用性和自主知識產權。北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)是我國自主開發(fā)和獨立運行的全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)[2]，雖然擁有自主權，但也面臨著與GPS系統(tǒng)類似的問題。因此我們?yōu)榻＜案劭趨^(qū)域作業(yè)平臺定位時，不能過于依賴基于衛(wèi)星導航系統(tǒng)的解決方案，還需要有其他相對獨立的輔助技術手段來實現定位。

正是由于現有技術還存在著不穩(wěn)定和不可靠因素，本文將基于偽衛(wèi)星技術，為近海及港口區(qū)域作業(yè)的艦船、直升機、私人飛機、游艇等提供一種輔助的定位措施，無需過多的增加硬件設備，僅花費較小的代價便可實現。

1 系統(tǒng)方案

偽衛(wèi)星其功能和原理與導航衛(wèi)星類似，能發(fā)出與導航衛(wèi)星相同格式的電文，也叫陸基衛(wèi)星或陸基發(fā)射機[3]，包括天線、接收機和發(fā)射機。普通衛(wèi)星接收機僅通過稍微修改軟件即可接收它的信號，并得到用于導航計算的偽距或載波相位測量。偽衛(wèi)星不僅能替代導航星，且能夠提升整個系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性和精度，甚至能將應用拓展到室內、地下等無法接收導航衛(wèi)星信號的地方。在導航和定位的各個領域，偽衛(wèi)星已經得到了充分發(fā)展和應用。美國已將這種技術應用于伊拉克戰(zhàn)爭中，確保了己方部隊在受干擾的戰(zhàn)場環(huán)境中具有精確的導航能力。

■1.1 系統(tǒng)組成與工作原理

該系統(tǒng)（如圖1所示）是一個模擬北斗定位系統(tǒng)而設計的區(qū)域定位系統(tǒng)[4]，在岸上、鉆井平臺上選取若干個（數目≥4）固定位置配裝北斗偽衛(wèi)星模擬北斗系統(tǒng)中的衛(wèi)星作為信號源，并標定好這些固定位置的精確位置信息，采用獨立的時間標準和坐標系，在近海及港口區(qū)域作業(yè)的所有艦船、直升機、私人飛機、游艇等平臺上配裝北斗偽衛(wèi)星接收機，利用偽衛(wèi)星接收機接收信號并提取偽距等相關信息，實現區(qū)域定位并提高此區(qū)域內的定位精度。

圖1 系統(tǒng)組成框圖

系統(tǒng)工作原理如圖2所示，系統(tǒng)工作時主控站首先通過通訊網絡配置偽衛(wèi)星的測距碼（PRN碼）和導航電文（D碼），并控制偽衛(wèi)星同步發(fā)送碼信號，參考接收機高精度地測量偽衛(wèi)星同步誤差并將誤差信息反饋給主控站，主控站據此調整偽衛(wèi)星信號發(fā)送時間，北斗偽衛(wèi)星接收機接收北斗偽衛(wèi)星信號并進行偽距測量、導航電文解算及定位。

■1.2 北斗偽衛(wèi)星接收機

與通用北斗接收機一樣，北斗偽衛(wèi)星接收機用于偽距測量、導航電文解算及定位，由天線、射頻接收、信號處理、電源和數據處理機組成。因為偽衛(wèi)星位置固定，導航電文與普通北斗導航電文不盡相同，不需要提供衛(wèi)星軌道參數和攝動參數、電離層的延遲改正、所有衛(wèi)星的星歷等數據，在導航解算上與通用北斗接收機略微不同，可以通過軟件升級在通用北斗接收機上實現偽衛(wèi)星信號與北斗信號的兼容。北斗偽衛(wèi)星接收機結構框圖如圖3所示。

圖2 系統(tǒng)工作原理框圖

2 關鍵技術

■2.1 偽衛(wèi)星幾何布局設計

衛(wèi)星定位的精度不僅與偽距測量的質量有關，與參與定位解算的衛(wèi)星數量及其空間布局密切相關[5]。首先，因為用戶與偽衛(wèi)星之間的距離很小，所以偽衛(wèi)星系統(tǒng)的幾何布局對系統(tǒng)性能的影響更大；其次，偽衛(wèi)星部署比較靈活，可以優(yōu)化幾何布局從而提高整個定位系統(tǒng)的性能。

■2.2 遠近效應

使用過程中用戶接收機跟偽衛(wèi)星的相對位置變化范圍很大，接收到的偽衛(wèi)星信號功率變化會很大，可能收到的偽衛(wèi)星信號比真實衛(wèi)星信號大很多，形成了對真實衛(wèi)星信號接收的干擾，可從軟件和硬件兩方面解決遠近效應問題。

■2.3 時鐘同步

由于偽衛(wèi)星制造成本的限制，時間基準通常使用廉價的晶振時鐘，無法直接與BD-2的時鐘進行同步，必須消除這一誤差才能進行同步觀測定位。

■2.4 多路徑效應

偽衛(wèi)星的位置布設、信號強度、工作環(huán)境使得它比BD-2信號的多路徑誤差更強和更為復雜，從而也更加難以消除，這是偽衛(wèi)星數據處理階段要考慮的重要問題。

3 應用優(yōu)勢

圖3 北斗偽衛(wèi)星接收機結構框圖

本文提出的基于北斗偽衛(wèi)星的近海及港口區(qū)域定位系統(tǒng)，作為北斗導航系統(tǒng)的輔助手段，通過合理部署偽衛(wèi)星，預先精確測定偽衛(wèi)星的位置消除星歷誤差，沒有電離層誤差同時對流層誤差也很小，從而提高了系統(tǒng)的定位精度[6]；因為偽衛(wèi)星和衛(wèi)星是兩個相對獨立的系統(tǒng)，由不同的系統(tǒng)控制運行，因此兩個定位系統(tǒng)同時失效的可能性就極小，大大提高了系統(tǒng)的完好性；通過將偽衛(wèi)星放置于那些衛(wèi)星信號可能會受到遮擋的區(qū)域，改善可用性；偽衛(wèi)星距用戶的距離比真正的導航衛(wèi)星距用戶距離小得多，因此信號衰減小，信號強度比導航衛(wèi)星強得多，抗干擾能力自然明顯提高。同時，結合信號加密技術，可以提高區(qū)域導航定位的保密性。

4 結束語

本文針對現有定位手段過于依賴GNSS的問題，提出了一種新型的近海及港口區(qū)域定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)基于北斗偽衛(wèi)星技術進行設計與實現。在岸上、鉆井平臺上選取若干個（數目≥4）固定位置安裝北斗偽衛(wèi)星，采用獨立的時間標準和坐標系，利用北斗偽衛(wèi)星接收機進行定位解算。近海及港口區(qū)域作業(yè)的艦船、直升機、私人飛機、游艇等平臺對通用北斗接收機進行軟件升級就能夠利用該系統(tǒng)進行定位，具有很高的精度、可用性、可靠性與抗干擾能力，滿足近海及港口區(qū)域平臺自身定位的需求。