空基導航區域增強系統覆蓋范圍分析

高 宏，鄧志鑫，王立兵，時荔蕙

(1．中國人民解放軍63961部隊，北京 100012; 2．衛星導航系統與裝備技術國家重點實驗室，河北 石家莊 050081)

空基導航區域增強系統覆蓋范圍分析

高 宏1，鄧志鑫2，王立兵1，時荔蕙1

(1．中國人民解放軍63961部隊，北京 100012; 2．衛星導航系統與裝備技術國家重點實驗室，河北 石家莊 050081)

針對現有衛星導航信號抗干擾手段存在的不足，分析提出了衛星導航信號區域增強是提高GNSS接收機在復雜干擾環境下抗干擾能力的有效手段，對衛星導航區域增強系統的覆蓋范圍進行了深入的分析和研究，得到系統四星典型布局覆蓋范圍與偽衛星高度之間的關系，提出了采取主偽衛星體制和小區域級聯體制提升覆蓋范圍的方法，能夠在不明顯增加系統復雜度的條件下大幅度地提升區域增強系統的覆蓋范圍。

衛星導航系統;干擾威脅;衛星導航信號區域增強

0 引言

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

針對衛星導航定位系統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 與慣性組合增強抗干擾性能［4］;③ 利用偽衛星技術提高抗干擾性能。

多陣元抗干擾天線是提升衛星導航定位設備在壓制式干擾環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，且對干擾源的個數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，應用平臺與環境受限。衛星導航接收機與慣性導航系統組合，將提升高動態、強干擾環境下接收機性能，但是對于無慣性導航系統的平臺將無法提升衛星導航接收機的抗干擾能力［5］。

空基衛星導航信號區域增強系統利用地面車輛或空中無人機作為偽衛星平臺［6］，播發區域導航增強信號，由于偽衛星平臺距離接收機較近，導航信號空間衰減小［7］，到達接收機接收天線口面的信號功率比傳統衛星信號強 40 dB左右，將極大地提高GNSS接收機的抗壓制干擾能力，在典型情況下抗干擾性能優于多陣元抗干擾天線，且抗干擾能力對干擾源個數不敏感，只與干擾總功率有關［8］。因此，衛星導航信號區域增強是提高接收機在復雜干擾環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星導航區域增強系統的覆蓋范圍，為區域導航增強系統的建設和應用提供參考依據。

1 小區域最優星座構型服務范圍分析

在區域導航增強應用中，首先需要解決的問題之一就是偽衛星的位置布局，良好的布局將能夠最大限度地提升系統的覆蓋范圍，并降低幾何精度因子。通常，偽衛星布局應顧及以下2方面的要求:①確保偽衛星有效工作區的相互交疊;② 具有良好的幾何布局結構。用戶連續定位解算至少需要4顆可見星，因此需要首先分析4顆可見星條件下的最優星座布局和其覆蓋范圍。

4顆可見星條件下的星座構型設計以用戶能夠達到最小的GDOP值為原則，為了實現中心區域的GDOP最小，通過STK仿真得到4星最優星座布局如圖1所示，圖1給出了接收機遮蔽角為10°、頂星為20 km、3顆輔星高度為40 km時，在對中心半徑約107．9 km的區域實現無縫覆蓋的條件下，地面GDOP的仿真結果，由圖1可知，在服務區上空安排1顆頂星和3顆邊緣輔星可滿足中心區域的最優GDOP值要求，可以看到中心約20～30 km范圍內可達到良好的GDOP分布，在邊沿區域GDOP值將逐漸降低。

圖1 頂星－輔星4星GDOP覆蓋特點

下面分析在4星最優布局條件下，偽衛星高度與小區域覆蓋范圍之間的關系。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，陰影區域即為典型布局單元的覆蓋范圍。假設地面觀測偽衛星時的遮蔽角為5°，則以目前系統體系架構，地面服務區域大小與偽衛星高度之間的關系如表 1所示，此時服務區的面積為 0．704 77a2，a為三角形的邊長。由表1可知，隨著空基偽衛星平臺飛行高度增加，其覆蓋范圍顯著提升，但是當空基偽衛星平臺的高度超過20 km后，進一步提升空基平臺高度對覆蓋范圍提升的影響逐步減弱，同時，過高的平臺高度將導致系統成本顯著提升，并大大增加了信號傳播誤差對系統精度的影響。

圖2 理想情況下的區域導航覆蓋范圍(陰影區域)

表1 空基偽衛星高度與地面服務區域直徑之間的關系

上面分析了理想星座構型下的服務范圍，如果星座構型不理想，則有效服務區域會變小，但是可以通過增加偽衛星數目的方法來解決這一問題［9］。

2 廣域服務方案設計

除了空基偽衛星平臺的高度和偽衛星數量以外，決定偽衛星系統覆蓋范圍的另一主要因素為偽衛星的組網，因為所有偽衛星必須與地面中心站存在視距鏈路，以實現空基偽衛星的管控與時間同步。偽衛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星已經無法實現時間同步，這樣就無法保證用戶的服務精度，因此偽衛星系統的覆蓋范圍主要受同一個參考時間節點的可視性決定。

如果想進一步擴大服務區域，可以采取2種方案:主偽衛星工作體制和小區域級聯工作體制。

2．1 主偽衛星工作體制

依據上面分析，限制偽衛星系統服務區域的主要因素是時間同步鏈路的可視性問題，為了解決這一問題，可以將雙向時間同步與系統控制的中心節點由地面轉移到某一顆偽衛星上，該偽衛星稱作主偽衛星。該技術體制采用主偽衛星實現所有視距鏈路的時間同步，由于主偽衛星在高空，因此其視距鏈路更遠，這樣天空中可以分布更多、更遠的偽衛星實現一體化的時間同步，地面的服務區域也就可以相應的增加。

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2顆偽衛星連線與地表之間的最近距離為1 km，則不同偽衛星高度情況下的地表服務區域如表2所示。由表2可知，主偽衛星體制下服務區域相對于傳統體制而言大大增加，可以滿足大區域范圍內的偽衛星增強需求。

表2 主偽衛星體制下偽衛星高度與地面服務區域直徑間的關系

該方案的優點在于系統的成本沒有明顯增加，但服務范圍卻大大增加;其缺點在于增加了偽衛星的設備復雜度，因此又提出了一種小區域級聯工作體制。

2．2 小區域級聯工作體制

以4顆偽衛星+1個地面中心站形成一個偽衛星增強服務小區，該小區內由地面中心站對所有偽衛星進行時間同步。如果多個小區進行級聯，主要需解決小區和小區之間的時間同步問題，運用站間衛星雙向時間同步技術或者通過預置的光纖網絡即可實現2個小區的高精度時間同步。

系統工作原理如圖4所示。將多個小區進行級聯即可實現廣域衛星導航增強服務。此時多個地面中心站中應有一個主中心站，其他為分中心站，所有分中心站的時間向主中心站看齊，將所有分中心站與主中心站之間的時間差疊加到分中心站所控制的所有偽衛星雙向時間同步鐘差中，即可使廣域范圍內所有偽衛星保持相同的時間基準，從而對用戶而言實現廣域連續導航增強服務。

圖4 小區域級聯工作體制示意

級聯工作體制情況下的系統服務區域示意如圖5所示，其中3個4星典型小區域通過級聯圍成了較大的廣域服務區，該區域中不在小區域范圍內的用戶可通過接收來自不同小區域的偽衛星來實現自身定位。

圖5 級聯工作體制系統服務區域示意

3 結束語

偽衛星增強系統是保證復雜電磁環境下制導航權的重要手段［10］，能夠極大地提升覆蓋區域內導航定位設備的抗干擾和反欺騙［11］應用能力，并且偽衛星裝載于空基平臺能夠有效保證系統的快速部署［12］。首先對小區域典型布局條件下的覆蓋范圍進行分析，然后提出了2種提升系統覆蓋范圍的方法，所提方法簡便易行，且行之有效，能夠在不顯著提升系統復雜度的條件下提升系統覆蓋范圍，滿足大區域導航增強應用需求。

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

［2］ 楊 亮．通信系統中空時二維抗干擾方法研究［J］．無線電通信技術，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．改進自適應UKF在組合導航系統中的應用研究［J］．無線電工程，2016，46 (6):76－78．

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

［6］ 王暉輝．偽衛星增強GPS定位技術及現狀分析［J］．測繪科學，2009(5):89－93．

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

［8］ 張政治，楊勝斌，朱志誠．基于北斗衛星導航系統的偽衛星增強技術初探［J］．全球定位系統，2013，38(5): 65－68．

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

［10］吳 強．利用偽衛星提高衛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．衛星導航接收端反電子欺騙技術比較研究［J］．無線電工程，2016，46(3):49－53．

［12］周坤芳，佟海鵬，朱 強．偽衛星增強衛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．空基導航區域增強系統覆蓋范圍分析［J］．無線電工程，2017，47(2):45－47，56．

2016-11-02

十三五國家重點研究發展計劃基金資助項目(2016YFB0502402)。

高 宏男，(1979—)，工程師。主要研究方向:衛星導航、大地測量。

鄧志鑫男，(1982—)，高級工程師。主要研究方向:衛星導航抗干擾技術。

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