偽衛(wèi)星定位技術最新進展與應用

空間微波技術重點實驗室 王曉海

一、引言

偽衛(wèi)星（Pseudolites）是一種基于地面的、能傳播類似GPS信號的發(fā)生器，其最簡單的形式是GPS信號產(chǎn)生器和發(fā)射裝置。目前，偽衛(wèi)星已被發(fā)展成為增強GPS應用的信號源，它不僅能夠增強室外衛(wèi)星的幾何強度，而且在某些情況下甚至可以替代GPS衛(wèi)星星座。它實質(zhì)上是一個小功率信號發(fā)射機，通過產(chǎn)生所需的準衛(wèi)星信號來增強特定區(qū)域的衛(wèi)星信號強度，使定位精度大大提高。

雖然偽衛(wèi)星定位技術在理論和應用研究方面存在著一定的難題有待解決，但其應用前景相當廣闊，已經(jīng)成為衛(wèi)星導航領域一個新的研究熱點，得到了國際學術界的廣泛重視。

二、偽衛(wèi)星定位基本原理

偽衛(wèi)星定位系統(tǒng)是一個模擬GPS定位系統(tǒng)的區(qū)域定位系統(tǒng)，基本理論和研究方法都源于GPS。可用4顆以上的偽衛(wèi)星作為信號源來模擬GPS系統(tǒng)中的衛(wèi)星，采用獨立的坐標系和時間標準，可利用通用GPS接收機接收信號并提取偽距等相關信息，能夠給區(qū)域范圍內(nèi)定位并提高此區(qū)域內(nèi)的定位精度。

根據(jù)一種最基本的偽衛(wèi)星定位系統(tǒng)的設計，采用4顆偽衛(wèi)星組成偽衛(wèi)星網(wǎng)絡，發(fā)射類似于GPS的信號，并用參考接收機和主控站完成系統(tǒng)的同步控制，系統(tǒng)內(nèi)的用戶接收機接收偽衛(wèi)星信號，最終解算出接收機在信號區(qū)域中的位置。

偽衛(wèi)星定位系統(tǒng)主要由以下部分構成：

（1）GPS偽衛(wèi)星：以至少4顆偽衛(wèi)星作為信號源，發(fā)射標準的Ll單頻信號，由主控站控制基本的時鐘同步功能和D碼的輸入。

（2）主控站：作為偽衛(wèi)星系統(tǒng)的控制中心，偽衛(wèi)星系統(tǒng)的主控站完成GPS系統(tǒng)中監(jiān)測站、控制站和注入站三站合一的功能，負責控制信息的注入、D碼的注入等。

（3）參考接收機：系統(tǒng)的反饋部分，用來接收偽衛(wèi)星的信號，獲取每顆偽衛(wèi)星的狀態(tài)，并將信息傳送給主控站。

（4）用戶接收機：偽距測量、導航電文解算及定位。

系統(tǒng)工作時，主控站首先配置偽衛(wèi)星的C／A碼序列號，并通知偽衛(wèi)星同步發(fā)送GPS L1信號，將D碼信號傳送給偽衛(wèi)星系統(tǒng)，在接收時高精度參考接收機可以測量偽衛(wèi)星同步誤差并將信息反饋給主控站，主控站同時調(diào)整偽衛(wèi)星C／A碼發(fā)送時間，使用用戶接收機進行偽距測量、導航電文解算及定位。

三、偽衛(wèi)星工作應用模式

1. 偽衛(wèi)星增強GPS模式

偽衛(wèi)星增強GPS模式適用于可見GPS衛(wèi)星數(shù)較少而又想獲得較高精度的觀測數(shù)據(jù)的情況（圖1）?？梢允孪雀鶕?jù)測區(qū)的地形以及GPS衛(wèi)星星歷對偽衛(wèi)星裝置的幾何分布進行設計，當偽衛(wèi)星裝置分布較好時，它們與天上的GPS衛(wèi)星將結合形成較優(yōu)的整體圖形結構，這將大大降低精度衰減因子（DOP值）。在合適的位置設立基準站，并在基準站與工作的流動站之間建立數(shù)據(jù)鏈，就可以按照傳統(tǒng)的差分工作模式對流動站在GPS衛(wèi)星信號嚴重遮擋的情況下進行定位。

由于工作環(huán)境的復雜性，有時并不總能保證可以在工作區(qū)域建立固定的參考站，如果改用偽衛(wèi)星收發(fā)器就可以省去在流動站的工作區(qū)域內(nèi)建立基準站。只需要在工作區(qū)域外圍較高處建立一系列的偽衛(wèi)星收發(fā)器裝置以覆蓋整個工作區(qū)域即可。

2. 偽衛(wèi)星組合導航模式

偽衛(wèi)星能夠像GPS一樣與慣性導航系統(tǒng)INS等其他傳感器結合，組成GPS，INS，偽衛(wèi)星組合定位系統(tǒng)。INS是自主定位的導航系統(tǒng)，可以獨立于其他系統(tǒng)工作，但是INS的缺點是在單獨使用時誤差會隨時間累積。GPS可以很好地校正INS系統(tǒng)誤差，但GPS在某些惡劣環(huán)境中會失效，導致GPS和INS的組合系統(tǒng)降低精度，增補偽衛(wèi)星進入系統(tǒng)能很好解決此問題。

DP-ER系統(tǒng)應設有備份保護功能。當發(fā)生故障，系統(tǒng)無法進行保護功能或保護功能執(zhí)行后仍不能解除故障時，此時應利用備份保護功能，隔離故障系統(tǒng)或組件。在備份保護系統(tǒng)執(zhí)行后，新的冗余組件滿足系統(tǒng)冗余設計要求。設總的發(fā)電機數(shù)為n臺，假定1臺備用發(fā)電機發(fā)生故障無法啟動，這意味著可用的備用發(fā)電機數(shù)將少1臺為n-1，此時剩余的可用備用發(fā)電機仍應滿足系統(tǒng)的供電要求，即n-1原則。

3. 偽衛(wèi)星獨立定位模式

由于偽衛(wèi)星能夠發(fā)射類似于GPS導航星的信號，所以在一些導航星完全不可見的情況下，可以用足夠數(shù)量的偽衛(wèi)星組成導航星座，進行獨立的導航定位。在一些特殊情況環(huán)境，可以應用完全基于偽衛(wèi)星的導航定位系統(tǒng)來代替GPS星座，如圖2。

與GPS相比，完全獨立的偽衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)的應用具有許多優(yōu)點：

⊙在基于偽衛(wèi)星技術的室內(nèi)，偽衛(wèi)星信號發(fā)生器可設置在地面的任意位置。

⊙為獲得最佳的定位效果，偽衛(wèi)星的幾何分布可預先進行設計。

⊙在變形監(jiān)測方面，可根據(jù)不同需要設計不同的系統(tǒng)方案，如為監(jiān)測地面沉降，整個監(jiān)測系統(tǒng)只需要布設兩臺接收機和兩顆偽衛(wèi)星，并且由于對平面變形監(jiān)測沒有要求，所以，一個雙差載波相位觀測值就能獲得高程變形信息。

⊙偽衛(wèi)星設備的潛在成本較低，在系統(tǒng)設計方面可考慮更多的偽衛(wèi)星數(shù)目。

圖2 偽衛(wèi)星獨立定位模式示意圖

⊙偽衛(wèi)星播發(fā)的頻率可根據(jù)特殊應用需要而靈活選擇。

4. 偽衛(wèi)星逆向定位模式

基于偽衛(wèi)星的逆向定位系統(tǒng)是通過固定接收機，讓偽衛(wèi)星移動來達到用戶定位的目的，如圖3所示。該定位模式由4臺以上的接收機，1臺偽衛(wèi)星參考站和1臺偽衛(wèi)星用戶或移動站組成。與GPS相對定位的原理類似，在偽衛(wèi)星與接收機之間構成雙差觀測量，可最大限度地消除系統(tǒng)性誤差，如偽衛(wèi)星發(fā)射機和接收機的鐘差等。偽衛(wèi)星逆向定位模式要求預先精確確定各接收機和偽衛(wèi)星參考站的位置，然后通過這些已知點測定偽衛(wèi)星用戶的坐標。

四、偽衛(wèi)星國外發(fā)展情況

早在GPS系統(tǒng)研制初期，美國GPS聯(lián)合計劃辦公室就用地面GPS偽衛(wèi)星（Pseudolite PL）進行系統(tǒng)試驗。在亞里桑那尤馬，偽衛(wèi)星被用于增強GPS，以便測試用戶設備。最早提出的是一種直接測距的偽衛(wèi)星，用戶可接收到與GPS幾乎一樣的偽距、載波相位和電文數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)處理方法與GPS相同，差別是它放置在地面。增加偽衛(wèi)星，可使衛(wèi)星數(shù)量得到增加，提高了導航的可用性，特別是對于故障檢測和排除，作用更加明顯。另外，偽衛(wèi)星也改善了衛(wèi)星星座的幾何結構，特別是垂直方向。由于偽衛(wèi)星放置在地面，使VDOP值明顯變小。但偽衛(wèi)星必須與GPS時間系統(tǒng)保持一致，需要配備高穩(wěn)定性的鐘，一般用原子鐘，因而較為昂貴。

1984年，美國首次提出將GPS偽衛(wèi)星用于民用航空。1986年海事無線電技術委員會（RTCM）提出更明確的偽衛(wèi)星信號結構。偽衛(wèi)星在包括火星探測、航道精確測定等許多方面得到越來越廣泛的應用。

上世紀90年代初，斯坦福大學開發(fā)出了能夠發(fā)射L1頻率和C／A碼的低成本GPS偽衛(wèi)星CAT-III自動降落系統(tǒng)。這些設備能夠在L1頻率上發(fā)射GPS Gold Code 1～37。此外，為了對抗伊拉克對美軍GPS的干擾，美國在伊拉克秘密部署了可以壓制GPS干擾機的新型信號增強技術——“Pseudolites”偽衛(wèi)星信號增強技術。

美國軍方在“全球鷹”或“捕食者”無人機上安裝了一種名為“Pseudolites”的偽衛(wèi)星發(fā)射機，這種偽衛(wèi)星可以在伊拉克上空創(chuàng)造一個微型GPS星座?！癙seudolites”偽衛(wèi)星從太空捕獲微弱的GPS信號，并將信號放大后在較近的距離內(nèi)中繼給炸彈、導彈或地面部隊。與太空中的衛(wèi)星一樣，提供一個導航解需要4顆“Pseudolites”偽衛(wèi)星。美國國防高級研究項目局曾在2000年4月進行了一系列試驗，這些試驗使美國軍方相信，“Pseudolitcs”偽衛(wèi)星功率強大，足以克服干擾問題。

美國的空間防御先驅(qū)計劃使用由斯坦福電訊公司研制的偽衛(wèi)星地面發(fā)射機增強GPS，用于美國國防部的測距應用計劃。美國為了提高GPS抗干擾能力，正在研究把偽衛(wèi)星作為一種GPS系統(tǒng)的增強。在GPS受到敵方干擾時，采用大功率地面?zhèn)涡l(wèi)星來彌補該系統(tǒng)的不足。目前，美軍掌握了陸基GPS偽衛(wèi)星技術，并在積極研制和試驗空中偽衛(wèi)星系統(tǒng)。

2001年，韓國的Navicom公司則發(fā)布了自己的偽衛(wèi)星產(chǎn)品NGSlT。而芬蘭的Space Systems公司也開發(fā)了自己的用于室內(nèi)跟蹤和導航的偽衛(wèi)星技術。

現(xiàn)在的偽衛(wèi)星系統(tǒng)在功能和實用性上較早期的產(chǎn)品已經(jīng)有了很大的改進。比如Novaraiant公司的最新推出的Terralite XPS系統(tǒng)，通過廣播一種獨有的“XPS”偽衛(wèi)星信號解決了礦山應用中的GPS衛(wèi)星可用性問題。澳大利亞的CSIRO Telecommununications與Industrial Physics正在開發(fā)一種使用ISM波段頻率的高精度定位系統(tǒng)（PLS）。Zimmerman等人還建議偽衛(wèi)星采用5個頻率（2個在900MHz ISM波段上，2個在2.4GHz ISM波段上，還有1個則是GPS L1頻率上），這種多頻率偽衛(wèi)星系統(tǒng)可以解決整數(shù)載波相位模糊度的問題。隨著GPS現(xiàn)代化計劃地進行，美國空軍Hollomman基地發(fā)展了一種新的反向GPS距離（IGR）來支持GPS現(xiàn)代化星座的軍用和民用信號的驗證。

五、偽衛(wèi)星主要關鍵技術

1.遠近效應

偽衛(wèi)星比導航衛(wèi)星近得多，與用戶相對距離的變化范圍很大，接收機接收到的偽衛(wèi)星信號功率會隨它們之間距離的變化而變化。當距離較近時，信號功率會比較大，從而堵塞接收機，使其不能跟蹤衛(wèi)星信號；當距離較遠時，信號功率又太弱，接收機不能跟蹤。這種效應稱為遠近效應問題。

解決偽衛(wèi)星遠近效應問題的方案主要有下列三種：一是利用CDMA碼分多址技術；二是利用TDMA時分多址技術；三是利用FDMA頻率偏置技術。目前最有應用前景的就是時分多址技術：即用占空比低的短脈沖來傳送偽衛(wèi)星信號。當偽衛(wèi)星發(fā)射占空比為10%時，其信號能夠被輕易接收，且接收機的導航衛(wèi)星平均信號功率損耗不大于1dB。在脈沖間隙，剩下的90%的時間，接收機收到的全部是不被干擾的衛(wèi)星信號。在這種條件下，絕大部分接收機能同時跟蹤衛(wèi)星信號和偽衛(wèi)星信號，具有巨大的吸引力。除了上述措施外，用戶接收機可以采用分布式天線來分別接收衛(wèi)星和偽衛(wèi)星信號，同時優(yōu)化天線的增益圖，使盡量少的偽衛(wèi)星信號泄露到衛(wèi)星信號通道中。在飛行器運動軌跡已知的情況下，還可以采用天線方向圖法。

2.多路徑問題

由于與傳統(tǒng)GPS測量相比，偽衛(wèi)星裝置的高度角非常低，所以多路徑效應也會非常明顯，嚴重影響測量數(shù)據(jù)質(zhì)量。多路徑信號不僅來源于地面反射而且也來源于偽衛(wèi)星信號發(fā)射器自身，但是由于偽衛(wèi)星一般處于低仰角位置，因此受到地面物體的影響會更大些，尤其是在室內(nèi)，偽衛(wèi)星信號會受到墻壁之類物體的強反射。如果偽衛(wèi)星與接收機都處于靜態(tài)時，由于偽衛(wèi)星、基站、流動站之間相對位置保持不變，所以多路徑誤差接近一個常量，可被看作是未知的恒定參數(shù)，因此不能像傳統(tǒng)GPS定位中那樣通過長時間觀測方式來削弱多路徑效應的影響，但是可以通過事先校準的方式在開始觀測前就將多路徑誤差確定下來，然后在以后的靜態(tài)測量數(shù)據(jù)處理中將其作為誤差改正加入計算即可。但在動態(tài)測量中，多路徑誤差卻很難避免和改正，其影響將顯著增加觀測誤差。因此，削弱及消除多路徑效應成為解決偽衛(wèi)星應用的主要關鍵技術。

目前已有四種解決多路徑效應的辦法：一是改進天線抗多路徑干擾；二是數(shù)據(jù)濾波與自適應處理抗多路徑影響；三是時空組合抗多路徑影響；四是通過選星抗多路徑影響。其他還可能需要從硬件設計（包括接收機、接收機天線以及偽衛(wèi)星信號發(fā)射器天線），以及軟件抑多路徑技術等多方面進行完善提高。

3.大氣延遲

與GPS信號傳播相類似，偽衛(wèi)星信號要經(jīng)過地球表面的大氣層，最后到達用戶接收天線。在傳播過程中，大氣層對信號傳播會產(chǎn)生影響。GPS信號在傳播過程中由于受電離層和對流層的影響而帶來誤差，而對于偽衛(wèi)星，由于其所處的位置高度一般較低，位于地球表面附近，所以通常僅考慮對流層對偽衛(wèi)星信號的影響。

電磁波遭受對流層折射的影響，并且與電磁波傳播途徑上的溫度、濕度和氣壓有關。對流層較干燥的部分占據(jù)整個對流層效應的90%，很大程度上可以模擬出來。而較濕潤的部分會隨著時間和位置作相應的變化，對衛(wèi)星信號有不同的影響，模擬較為困難。目前，GPS信號的對流層延遲采用標準大氣模型估計，校正效果較好，并主要取決于GPS衛(wèi)星的高度角。而對于偽衛(wèi)星的情形，由于其高度上的一點差異可能導致高度角幾度的差異，而且，大部分的水蒸氣都集中在高度不超過4公里的高空，來自于低仰角的偽衛(wèi)星信號，在以較長的路徑穿過對流層時會受到更為嚴重的影響。顯然，標準的對流層模型不能用來補償偽衛(wèi)星對流層延遲的影響，有必要針對偽衛(wèi)星情況建立對流層延遲模型。

4.定位誤差

與GPS測量中的衛(wèi)星軌道誤差相對應，偽衛(wèi)星位置偏差有其獨特性。在GPS相對定位中，衛(wèi)星軌道誤差對基線長度的影響與基線長度和用戶至衛(wèi)星間的距離成正比。由于GPS到用戶接收機的距離相對較遠，對于短基線定位而言，其軌道誤差可以忽略。但是作為地面衛(wèi)星定位系統(tǒng)的偽衛(wèi)星與GPS的位置不同，GPS是高速運動的，偽衛(wèi)星是靜止不變的，偽衛(wèi)星位置偏差將會是一個恒量。在某些應用中，如變形監(jiān)測，可以對這個恒定（或者說幾乎不變）的偏差進行估計，并通過適當?shù)乃惴右韵?。即使對于動態(tài)應用，也可以利用GPS、全站儀或其他傳統(tǒng)測量技術預先精密確定偽衛(wèi)星的位置。

5.低仰角問題

偽衛(wèi)星的使用可能會降低VDOP值，進而影響高度的精確性。但在實際應用中需要注意低仰角問題。一般的GPS接收天線在低仰角方向的增益都會有衰減現(xiàn)象，進而影響偽衛(wèi)星接收品質(zhì)。對于這個問題，可以采樣兩組接收天線分別接收GPS與偽衛(wèi)星信號。

6.時鐘同步

與GPS衛(wèi)星不同，偽衛(wèi)星通常裝備的是低端時鐘，在采樣的時間里與參考站和用戶接收機的標準時間信號不能精確同步。而在定位模型里，系統(tǒng)中所有的偽衛(wèi)星必須保持同步，所以無論是使用偽衛(wèi)星輔助導航衛(wèi)星進行定位或者若干偽衛(wèi)星組成星座獨立定位，都必須解決時鐘同步問題。時鐘的同步是定位的基礎，良好的時鐘同步性能使得各偽衛(wèi)星站擁有相同的起始脈沖發(fā)射時刻，增強定位精度。目前已經(jīng)有些解決同步問題的技術手段與方法，但是最需要的是能夠針對不同環(huán)境都適用的同步策略。

六、結束語

偽衛(wèi)星對于衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)來說是一種非常有效的增強手段，它不但能夠增加衛(wèi)星導航系統(tǒng)在復雜環(huán)境下的覆蓋范固，而且能夠提高整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性以及測量精度。并且偽衛(wèi)星還可以構建單獨的定位系統(tǒng)，進行獨立定位。偽衛(wèi)星是一項正在快速發(fā)展的新技術，它不僅可以應用于飛機自動著陸等民用方面，而且可以應用于高速軍用飛行器的精確定位等軍用方面，另外還可以應用于深空測控中月球或火星探測的地面機器人精確定位等，這些領域的研究在國外已有很多實例。隨著技術的發(fā)展，我國也陸續(xù)展開了一些相關技術的深入研究，今后，會進行越來越多的偽衛(wèi)星相關技術或應用研究，促進偽衛(wèi)星技術的迅速發(fā)展。