基于北斗偽衛星的近海及港口區域定位系統

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。隨著我國海洋戰略的實施，近海捕撈、近海勘探、近海搜救、近海航行、近海防務等近海活動日益增加，水運物流發展迅速，船舶進出港口日漸頻繁，這對近海及港口區域艦船、飛行器的定位提出了更高的要求，要求定位系統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。

近海及港口區域定位根據作業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星系統（GNSS）進行工作。不過即使是目前發展最為成熟的GPS系統，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。北斗衛星導航系統是我國自主開發和獨立運行的全球導航衛星系統[2]，雖然擁有自主權，但也面臨著與GPS系統類似的問題。因此我們為近海及港口區域作業平臺定位時，不能過于依賴基于衛星導航系統的解決方案，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定和不可靠因素，本文將基于偽衛星技術，為近海及港口區域作業的艦船、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 系統方案

偽衛星其功能和原理與導航衛星類似，能發出與導航衛星相同格式的電文，也叫陸基衛星或陸基發射機[3]，包括天線、接收機和發射機。普通衛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。偽衛星不僅能替代導航星，且能夠提升整個系統的可靠性、穩定性和精度，甚至能將應用拓展到室內、地下等無法接收導航衛星信號的地方。在導航和定位的各個領域，偽衛星已經得到了充分發展和應用。美國已將這種技術應用于伊拉克戰爭中，確保了己方部隊在受干擾的戰場環境中具有精確的導航能力。

■1.1 系統組成與工作原理

該系統（如圖1所示）是一個模擬北斗定位系統而設計的區域定位系統[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星模擬北斗系統中的衛星作為信號源，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，在近海及港口區域作業的所有艦船、直升機、私人飛機、游艇等平臺上配裝北斗偽衛星接收機，利用偽衛星接收機接收信號并提取偽距等相關信息，實現區域定位并提高此區域內的定位精度。

圖1 系統組成框圖

系統工作原理如圖2所示，系統工作時主控站首先通過通訊網絡配置偽衛星的測距碼（PRN碼）和導航電文（D碼），并控制偽衛星同步發送碼信號，參考接收機高精度地測量偽衛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星信號發送時間，北斗偽衛星接收機接收北斗偽衛星信號并進行偽距測量、導航電文解算及定位。

■1.2 北斗偽衛星接收機

與通用北斗接收機一樣，北斗偽衛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，不需要提供衛星軌道參數和攝動參數、電離層的延遲改正、所有衛星的星歷等數據，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星信號與北斗信號的兼容。北斗偽衛星接收機結構框圖如圖3所示。

圖2 系統工作原理框圖

2 關鍵技術

■2.1 偽衛星幾何布局設計

衛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星數量及其空間布局密切相關[5]。首先，因為用戶與偽衛星之間的距離很小，所以偽衛星系統的幾何布局對系統性能的影響更大；其次，偽衛星部署比較靈活，可以優化幾何布局從而提高整個定位系統的性能。

■2.2 遠近效應

使用過程中用戶接收機跟偽衛星的相對位置變化范圍很大，接收到的偽衛星信號功率變化會很大，可能收到的偽衛星信號比真實衛星信號大很多，形成了對真實衛星信號接收的干擾，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

偽衛星的位置布設、信號強度、工作環境使得它比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，這是偽衛星數據處理階段要考慮的重要問題。

3 應用優勢

圖3 北斗偽衛星接收機結構框圖

本文提出的基于北斗偽衛星的近海及港口區域定位系統，作為北斗導航系統的輔助手段，通過合理部署偽衛星，預先精確測定偽衛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，從而提高了系統的定位精度[6]；因為偽衛星和衛星是兩個相對獨立的系統，由不同的系統控制運行，因此兩個定位系統同時失效的可能性就極小，大大提高了系統的完好性；通過將偽衛星放置于那些衛星信號可能會受到遮擋的區域，改善可用性；偽衛星距用戶的距離比真正的導航衛星距用戶距離小得多，因此信號衰減小，信號強度比導航衛星強得多，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域定位系統，該系統基于北斗偽衛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星，采用獨立的時間標準和坐標系，利用北斗偽衛星接收機進行定位解算。近海及港口區域作業的艦船、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，滿足近海及港口區域平臺自身定位的需求。