偽衛(wèi)星增強衛(wèi)星定位精度與抗干擾能力研究*

周坤芳 佟海鵬 朱 強

(海軍陸戰(zhàn)學(xué)院 廣州 510430)

偽衛(wèi)星增強衛(wèi)星定位精度與抗干擾能力研究*

周坤芳 佟海鵬 朱 強

(海軍陸戰(zhàn)學(xué)院 廣州 510430)

受信號遮擋或干擾影響,衛(wèi)星導(dǎo)航在一些場所應(yīng)用受限,而偽衛(wèi)星作為一種簡便易行效果顯著的增強手段,在一定程度上可彌補其不足。通過對偽衛(wèi)星增強衛(wèi)星定位原理研究,從幾何精度因子、接收機干信比著手,分析偽衛(wèi)星增強衛(wèi)星定位、抗干擾效果及偽衛(wèi)星增強應(yīng)用中注意的幾個問題。仿真說明,只要通過合理布設(shè)偽衛(wèi)星,可以有效改善衛(wèi)星導(dǎo)航定位圖形結(jié)構(gòu),提高導(dǎo)航定位精度和抗干擾能力。

偽衛(wèi)星; 定位原理; 幾何精度因子; 抗干擾能力

Class Number P228

1 引言

衛(wèi)星導(dǎo)航定位的精度和可靠性依賴于可見星數(shù)量和幾何分布,在峽谷、城市高樓地區(qū)等觀測環(huán)境較差的區(qū)域,信號受到遮擋而影響定位[1];同時受衛(wèi)星載荷影響,衛(wèi)星發(fā)射功率不能很大,使得落地衛(wèi)星信號功率較小,導(dǎo)航信號易受干擾而影響定位[2]。偽衛(wèi)星作為布設(shè)于地面或空中發(fā)射某種定位信號的發(fā)射器,可以有效改善用戶定位精度,提高抗干擾能力,滿足用戶需要。

2 偽衛(wèi)星增強定位原理

在可視范圍內(nèi),偽衛(wèi)星通常被當(dāng)作附加的導(dǎo)航衛(wèi)星使用,它能夠有效地改善衛(wèi)星導(dǎo)航定位圖形結(jié)構(gòu)。偽衛(wèi)星技術(shù)應(yīng)用于衛(wèi)星導(dǎo)航定位時,要考慮衛(wèi)星信號與偽衛(wèi)星信號功率大小的差別以及與之相關(guān)的遠(yuǎn)近效應(yīng)問題,通常偽衛(wèi)星信號采用不同的設(shè)計。其中偽衛(wèi)星系統(tǒng)常用的信號調(diào)制方式為用一定的占空率,以脈沖的方式發(fā)送偽衛(wèi)星信號,信號的載頻和擴頻碼與衛(wèi)星信號保持一致[3]。

2.1 偽衛(wèi)星定位觀測模型

偽衛(wèi)星增強衛(wèi)星定位中偽距定位方程[4～5]:

(1)

2.2 偽衛(wèi)星增強定位原理

以GPS為例分析偽衛(wèi)星增強衛(wèi)星導(dǎo)航定位原理,GPS偽距觀測模型[5]:

(2)

假設(shè)偽衛(wèi)星個數(shù)為i(i=1,2…),GPS衛(wèi)星個數(shù)為j(j=1,2…),則偽衛(wèi)星增強GPS組合定位方程:

Apg(ti)δZ=Lpg(ti)

(3)

δZ=[δXr(ti)δYr(ti)δZr(ti) -cdtr]T

設(shè)偽衛(wèi)星數(shù)i和GPS衛(wèi)星數(shù)j之和為k(k=2,3…),當(dāng)k=4時,可解算出唯一一組接收機坐標(biāo);當(dāng)k>4時,根據(jù)最小二乘原理,進行迭代計算求出接收機坐標(biāo)。

3 偽衛(wèi)星增強改善幾何精度因子(GDOP)值

由于遮蔽或干擾等原因引起一定視角范圍內(nèi)的可見星無法用于定位觀測,以至于可見星不足,會造成較差的星座幾何分布,甚至接收機無法進行定位解算;即使接收機可以勉強進行定位解算,若星座的幾何分布很差,將導(dǎo)致不良的幾何精度因子,使得獲得的定位數(shù)據(jù)難以符合精度要求。

3.1 幾何精度因子(GDOP)

從衛(wèi)星定位原理可知,GPS用戶衛(wèi)星誤差包括兩大類:GPS信號測距誤差和GPS定位星座幾何結(jié)構(gòu),其中后者稱為幾何精度因子(GDOP),它對測距誤差起著放大作用[6]。

(4)

式中:σx,σy,σz,σt為定位誤差各分量的方差。

顯然,GDOP值越小,GPS定位星座和用戶構(gòu)成的幾何圖形越好,它對用戶位置測定精度的損失就越小。

3.2 偽衛(wèi)星增強改善GDOP值

如圖1所示,假設(shè)遮蔽或干擾等原因,在圖中的陰影區(qū)域內(nèi)定位時,接收機只能觀測到北部上空的四顆GPS衛(wèi)星,雖然勉強能進行定位解算,但幾何精度因子較大,定位誤差很大,如圖2所示。

圖1 偽衛(wèi)星增強衛(wèi)星定位示意圖

圖2 偽衛(wèi)星增強前后GDOP值

在如圖1所示位置分別增設(shè)仰角為5°的1號、2號和3號偽衛(wèi)星,對沿陰影區(qū)域自北向南中軸線上接收機的GDOP值進行仿真計算,按不增設(shè)偽衛(wèi)星時接收機GDOP值、只增設(shè)1號偽衛(wèi)星時接收機GDOP值、增設(shè)1號和2號偽衛(wèi)星時接收機GDOP值以及同時增設(shè)三顆偽衛(wèi)星時接收機GDOP值,如圖2所示。

從圖2可知,在增設(shè)一顆偽衛(wèi)星后,接收機的GDOP值迅速地減小了一半左右,當(dāng)再增設(shè)2號和3號偽衛(wèi)星后,已在很大程度上改善了系統(tǒng)的幾何布局,系統(tǒng)的GDOP值減小到了較為理想的范圍之內(nèi)。

顯然在觀測衛(wèi)星受到遮蔽或干擾導(dǎo)致可用星不足的情況下,增設(shè)偽衛(wèi)星可以有效改善衛(wèi)星星座布局,減小幾何精度因子,提高衛(wèi)星導(dǎo)航定位精度。

4 偽衛(wèi)星提高抗干擾能力

干擾對接收機影響通常采用載波功率與噪聲密度比(C/N0)來表征接收機所接受的信號質(zhì)量,實際使用以干信比(J/S)門限作為失鎖判別準(zhǔn)則。

4.1 干擾—信號功率比(J/S)

當(dāng)接收機被干擾而失鎖時,接收機就失去了利用信號定位能力,實際使用時可用干信比(J/S)門限作為失鎖判別準(zhǔn)則[7～8]。

(5)

若到達接收機干信比超出了J/S門限時,接收機跟蹤環(huán)路因失鎖而失去定位解算能力。因此,通過對接收機J/S計算,可判斷接收機抗干擾能力。對于載波環(huán)濾波器噪聲帶寬約為18Hz的GPS接收機來說,其跟蹤門限[C/N0]eq=24.6dB-Hz,由式(4)計算寬窄帶干擾信號時接收機門限電平(J/S),對于L1C/A碼,接收機干信比(J/S)門限約38.9dB和35.9dB。

4.2 偽衛(wèi)星提高抗干擾能力

GPS信號到達地面接收功率L1C/A碼為-159.6dB,偽衛(wèi)星發(fā)射功率為100W,接收機距離偽衛(wèi)星300km,接收到信號功率Srj為-126dB,L1載頻波長λ=0.19m,假設(shè)GPS L1頻段導(dǎo)航信號受到壓制干擾,而且Grj=0dB,Gj=0dB,Lf=0dB,則沒有偽衛(wèi)星增強時接收機干信比(J/S)與干擾功率ERPj和干擾距離d的關(guān)系如圖3所示,偽衛(wèi)星增強時接收機干信比(J/S)與干擾功率ERPj和干擾距離d的關(guān)系如圖4所示。

圖3 無偽衛(wèi)星增強時L1載頻C/A碼干信比、干擾功率及干擾距離關(guān)系圖

圖4 偽衛(wèi)星增強時L1載頻C/A碼干信比、干擾功率及干擾距離關(guān)系圖

由圖3和圖4可知,當(dāng)應(yīng)用偽衛(wèi)星發(fā)射增強定位信號時,相同距離上接收機接收到的干信比明顯大大低于無偽衛(wèi)星增強時接收到的干信比,從而使接收機在一定范圍內(nèi)接收到的干信比小于門限值[J/S]V成為可能。干擾使接收機失鎖,要么增大干擾機的發(fā)射功率,要么縮短干擾機與接收機的距離,這就使得在實踐中對接收機進行干擾面臨很大的困難。因此,偽衛(wèi)星增強可以提高導(dǎo)航抗干擾能力。

5 偽衛(wèi)星增強應(yīng)用中注意的幾個問題

從定位原理上來說,偽衛(wèi)星增強衛(wèi)星導(dǎo)航類似GPS系統(tǒng),但在實際增強應(yīng)用過程中,需要注意幾個問題[9～10]。

5.1 時間同步

時間尺度精確測量和傳遞是衛(wèi)星導(dǎo)航定位的核心,在偽衛(wèi)星增強定位過程中,必須要合理解決時間同步問題。當(dāng)前應(yīng)用廣泛、精度較高的授時技術(shù)為GPS授時法。

5.2 偽衛(wèi)星自身定位

地基偽衛(wèi)星增強衛(wèi)星導(dǎo)航定位,基站坐標(biāo)能夠精確確定,但地球曲率和地面障礙物的影響,使得地基偽衛(wèi)星作用距離有限。而空中偽衛(wèi)星覆蓋范圍廣,具有較好的幾何布局,但偽衛(wèi)星自身定位問題成為影響整個定位系統(tǒng)性能的重要問題之一,目前空中偽衛(wèi)星自身定位實現(xiàn)的一個重要途徑是通過逆向定位方法。

5.3 合理布設(shè)偽衛(wèi)星

當(dāng)需要增設(shè)多顆偽衛(wèi)星時,要合理布設(shè)偽衛(wèi)星位置,避免動態(tài)條件下接收機運動到某一位置時,在較小的范圍內(nèi)與一顆以上的偽衛(wèi)星距離太近。實際操作時,只需要根據(jù)遠(yuǎn)近邊界的比值,適當(dāng)調(diào)整偽衛(wèi)星的信號功率,并合理地將增設(shè)的多顆偽衛(wèi)星分散布設(shè),使得接收機在工作區(qū)域之內(nèi),滿足正常工作的需要。

6 結(jié)語

偽衛(wèi)星作為效果顯著的衛(wèi)星導(dǎo)航增強手段,通過合理設(shè)置偽衛(wèi)星的位置,可以有效改善衛(wèi)星導(dǎo)航定位圖形結(jié)構(gòu),提高導(dǎo)航定位精度和抗干擾能力,但在實際應(yīng)用中還有一些技術(shù)有待于深入研究。

[1] 趙巖,高社生,馮鵬程.臨近空間偽衛(wèi)星抗風(fēng)場干擾自主導(dǎo)航[J].中國慣性技術(shù)學(xué)報,2013,21(3):359-364.

[2] 李躍.導(dǎo)航與定位[M].北京:國防工業(yè)出版社,2008:7.

[3] 王暉輝.偽衛(wèi)星增強GPS技術(shù)及應(yīng)用研究[D].上海:上海交通大學(xué),2009:2.

[4] 史峰,姚連璧.偽衛(wèi)星定位技術(shù)及其應(yīng)用[J].地礦測繪,2006,22(3):5-7.

[5] 劉基余.GPS衛(wèi)星導(dǎo)航定位原理與方法[M].北京:科學(xué)出版社,2007:4.

[6] 楊曉東,趙琳.艦艇導(dǎo)航概論[M].北京:科學(xué)出版社,2007:8.

[7] 周坤芳,吳晞,孔鍵.緊耦合GPS/INS組合特性及其關(guān)鍵技術(shù)[J].中國慣性技術(shù)學(xué)報,2009,17(1):42-45.

[8] 吳強,周坤芳.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,2011,31(9):70-72.

[9] 呼瑋,楊建軍,何蘋.基于臨近空間飛艇定位的偽衛(wèi)星布局研究[J].無線電工程,2009,39(10):23-27.

[10] 王瑋,劉宗玉.偽衛(wèi)星空中基站的定位算法研究[J].宇航計測技術(shù),2010,30(1):15-19.

Position Precision and Anti-jamming Ability of Pseudolite-Augmented Satellite

ZHOU Kunfang TONG Haipeng ZHU Qiang

(Naval Academy of Arms Command, Guangzhou 510430)

As its signals are blocked or interfered, satellite navigation is limited in some locations, which can in a way be supplemented by pseudolites as an easy and effective means of augmentation. Through the study of the principles of pseudolite-augmented satellite positioning technology and starting with the GDOP and receiver jam-to-signal ratio, the effectiveness of pseudolite-augmented satellite positioning and several issues for attention in the application of pseudolite augmenting are analyzed. The simulation shows that as long as the pseudolites are well arranged, they can effectively improve the graphics fabric of the satellite positioning as well as its positioning precision and anti-jamming ability.

pseudolite, positioning principle, geometric dilution of precision(GDOP), anti-jamming ability

2014年4月1日,

2014年5月19日

周坤芳,男,教授:研究方向:導(dǎo)航定位技術(shù)。

P228

10.3969/j.issn1672-9730.2014.10.015