一種基于北斗的偽衛星設計方案

黃進波

（廣州海格通信集團股份有限公司，廣東 廣州 510656）

一種基于北斗的偽衛星設計方案

黃進波

（廣州海格通信集團股份有限公司，廣東 廣州 510656）

文章針對導航衛星數目不足的環境下北斗導航定位設備的可用性問題，提出通過建立偽衛星調整星座構成來解決問題的一種思路，對偽衛星系統定位原理，及其主要問題和解決方案進行討論和分析。

偽衛星；增強信號；時間同步；遠近效應

北斗衛星導航系統是為全球用戶提供全天候、全天時、高精度的定位、導航和授時服務的重要空間基礎設施，在很多領域得到了廣泛的應用，成為一種重要的定位通信手段。但是北斗系統的高精度、可靠性和完好性等諸多優越性能都依賴于跟蹤的可視衛星的數量及衛星的幾何分布情況，在室內、洞穴等極端環境中無法接收到衛星信號，滿足不了定位要求，偽衛星是解決這些問題的一條有效途徑，利用偽衛星代替北斗衛星進行導航信號的廣播，從而實現區域的正常有效定位。

1 偽衛星系統定位原理

偽衛星定位系統是一個模擬北斗衛星導航系統的區域定位系統，基本理論和研究方法都來自于北斗系統。偽衛星主要的作用是提供一個額外的測距源，增大衛星的覆蓋面積，改善導航的星座配置，在某顆衛星工作不健康或由于其他原因造成幾何配置不良的時候，仍能夠獲得優良的導航性能。此外，即使衛星沒有失效，而偽衛星提供的額外的測距也可以對北斗進行增強。在衛星導航系統中配置偽衛星主要有3個方面的作用：提高精度、改善完好性和可用性來增強衛星導航系統。偽衛星系統主要由3個部分組成：地面監控站、偽衛星和接收機，其系統架構如圖1所示。

圖1 偽衛星系統架構

1.1 地面監測站

地面監測站的主要功能是對偽衛星進行時間同步、生成與播發北斗差分信息，確保偽衛星的輸出導航信號的準確性，保障接收機定位效果。為了保證系統時間精度，地面監測站建立在一個經過精確標校的坐標固定點上。

地面監測站包含基帶處理單元和無線通信單元，基帶處理單元實現衛星信號的捕獲跟蹤、電文解析、偽距測量和PVT解算等，利用已知精確坐標、溫度氣壓等氣象信息、偽距測量信息和電文信息，可以計算偽距差分修正參數，融合生成差分基準信息，同時結合PVT解算和已知精確坐標，計算本地時間與衛星系統時間的差異，對本地時間模塊進行調整，然后將精準的時間信息與北斗差分信息通過無線通信單元播發給偽衛星。

1.2 偽衛星

偽衛星主要實現信號的生成和播發，其載體可以是空中無人機或者可直視接收機的固定點。偽衛星的功能由信號產生模塊、北斗天線和通信模塊組成，其主要功能組成如圖2所示。信號產生模塊將偽衛星的位置和時間信息進行格式編碼并生成導航電文，再經過射頻電路實現與北斗載波和自定義偽隨機碼序列進行調制擴頻，然后通過功放由北斗天線向接收機定向播發。通信模塊用于實現與地面監控站的時間同步信息，確保偽衛星時間與衛星時間一致。

圖2 偽衛星主要功能組成

為滿足偽衛星系統獨立定位和輔助北斗定位以及差分增強功能，偽衛星的電文至少需要包含時間、偽衛星位置和北斗差分信息。

接收機根據衛星播發的信號進行導航定位解算，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算出衛星位置、高精度地測量出偽距。衛星位置是根據導航電文中的軌道根數及其修正參數計算得出的，由于在軌道運行的衛星所受到的擾動很小，其運行穩定，軌跡可預測性高，因此北斗衛星的星歷數據1小時才更新一次，可滿足定位精度要求。而偽衛星由于位置相對固定，因此在傳播導航電文時，需要實時將其位置信息和時間信息進行播發，同時將通信模塊中接收到來自地面監測站的差分信息進行播發，既補充了接收機為了滿足定位所要求的4顆衛星的需求，也滿足了為提高定位精度而所需的差分信息。

1.3 接收機

為了不增加接收機的硬件資源，控制成本，主要是需要在其軟件基礎上進行改進，即增加對偽衛星信號的捕獲跟蹤、電文解調和偽距測算。這樣接收機不僅可以接收正常衛星信號的導航電文，也可以接收偽衛星的測距電文。

偽衛星兼容衛星接收機和偽衛星下的導航信號，其中衛星接收機部分與通用接收機設計一樣，但是在計算偽距時，需要將地面監控站播發的差分信息進行補充，提高測距精度。

偽衛星接收機部分基本與衛星接收機一樣，偽衛星信號采用碼分多址技術，每顆偽衛星采用不同的PRN偽碼進行區分。偽導航信號經過空間損耗至接收機天線，信號在接收信道中經過帶通濾波器、低噪聲放大器和下變頻，至AD轉換器采樣生成數字信號，在基帶信號處理單元中對采樣后的偽衛星信號完成偽碼的搜索和捕獲，通過牽引載波和偽碼環路，完成對載波的捕獲與跟蹤，實現信號的解擴，完成數據的位同步、幀同步和導航電文。

最后通過三球交匯原理，接收機在接收到衛星信號和補充的偽衛星信號后，進行PVT解算，得到精確位置和時間信息。

2 主要技術問題及其解決思路

2.1 增強信號設計

本方案用直接測距偽衛星來設計其播發的信號，即偽衛星是陸地偽衛星，在應用時進行固定標校，信號采用與北斗衛星信號一樣的方式產生碼相位、載波相位和數據，電文格式也基本類似，載波也與衛星載波一致，主要不同的是CDMA編碼方案中測距碼序列不一樣，同時在導航電文中偽衛星的位置使用地理學參數，而不是用衛星使用的軌道參數來表示。

接收機只是簡單地將偽衛星信號作為一個額外的衛星信號，也就是將偽衛星看作衛星一樣作為測距源。接收機對偽衛星和衛星信號采用相同的測偽距方法和算法，并從偽衛星的導航電文中獲取其位置信息，然后將其參與PVT解算。

2.2 時間同步技術

在基于偽衛星技術的北斗系統中，對用戶的位置進行確定主要是通過測距來實現的，測距的基礎是電波時延的測量，而電波時延測量的基礎則是統一的時間基準。因此，在建立偽衛星定位系統的時候，時頻系統也應該要建立起來，可以通過授時技術來實現時間同步。

對于偽衛星之間的時間同步，可以采取共視法或雙向測距比對的方法。首先對地面監測站進行精確授時，地面監測站采用載波相位和精密單點定位（Precise Point Positioning，PPP）以此獲得更高的時間同步精度，然后通過L波段通信鏈路對偽衛星不斷發送時間信息，偽衛星通過通信模塊接收到來自地面監測站發過來的時間信息后，再扣除自己和地面監測站之間的傳輸時間（地面監測站和偽衛星偽固定已知位置），便可計算出偽衛星的精確時間。

2.3 遠近效應

相對于北斗衛星，偽衛星距離接收機要近得多，在接收機與偽衛星相對距離發生較大變化時，在近距離區域的偽衛星信號過強會干擾北斗信號的接收，甚至會阻塞接收機；而在距離較遠的區域，偽衛星信號變弱，可能導致無法被接收機接收。因此在一定區域內保持偽衛星和衛星的相對平衡，使兩者的信號均能被接收機捕獲跟蹤，是偽衛星在應用中的需繼續解決的關鍵問題。

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

3 結語

隨著北斗定位技術的不斷發展和應用領域的不斷拓廣，北斗導航系統在運行過程中容易受到外界干擾影響定位的問題，阻礙了北斗行業的發展，導致其在很多重要場合的應用受到限制。而利用偽衛星技術，實現偽衛星區域增強獨立定位技術的應用，有效地解決了該問題。雖然目前還有許多關鍵技術需要解決和優化，但偽衛星技術自身的優勢和特點必將是產業中不可或缺的一部分，偽衛星的應用將會有更廣闊的前景，可以更好地促進我國衛星導航系統的發展。

[1]金軍.偽衛星技術在北斗系統中的應用研究[J].工程技術（文摘版），2016（10）：100.

[2]常曉磊，胡緒健，蘭偉.淺談偽衛星技術在北斗導航系統中的應用[J].中國科技博覽，2012（11）：159.

[3]王丹.偽衛星動態定位方法及其增強GPS技術的研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學，2009.

[4]楊文文.偽衛星技術在北斗系統中的應用研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學，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

黃進波（1979— ），男，湖北仙桃，本科；研究方向：定位導航，位置服務。