淺析移動通信技術之偽衛星時間同步法

陳健熊

（中國民用航空飛行學院，四川 廣漢 618307）

0 引言

目前，全球共有四大衛星導航系統，分別為美國全球定位系統（GPS）、俄羅斯格洛納斯衛星導航系統（GLONASS）、歐盟伽利略導航系統（Galileo）、中國北斗衛星導航系統（BeiDou），北斗導航系統的構建使中國成為世界上第三個擁有自主衛星導航系統的國家。2020年7月31日，習近平總書記宣布北斗三號全球衛星導航系統正式建成開通，標志著北斗衛星導航系統形成全球覆蓋能力。近年來，北斗導航系統進入高速市場發展階段，國家也將在民用領域和軍事領域大力發展北斗導航衛星。但是北斗衛星導航系統依舊存在一些局限，例如，在地形復雜、遮擋區域，定位精度將會大幅降低。因此，發展地基增強系統和可脫離天基衛星獨立定位的偽衛星系統有著重要的戰略意義，而各系統中定位收發機的時間同步性能是決定整個系統定位精度的關鍵技術。

1 技術現狀與分析

全球衛星導航系統（GNSS）是世界上應用最廣的三維定位技術，為用戶提供定位、速度和授時（PVT）服務。相較于其他導航系統而言，GNSS有著難以替代的全球覆蓋性、高精度性等優質性能。雖然GNSS的優點極其突出，但也有其固有的局限性，例如，地面信號強度不高，受環境因素干擾較大，衛星信號在高樓群間、室內等遮擋區域嚴重衰減甚至丟失。這些問題無法滿足用戶的高性能需求，也一定程度上限制了GNSS在軍事和民用領域的應用。

為彌補GNSS固有的不足，一直以來國內外專家都致力于探究不同模式的導航技術。應用較為廣泛的包括：發展衛星導航增強系統、研究新的信號體制及抗干擾技術、設計高靈敏度接收機等。這些導航技術利用了差分校正、完備性監測、加強信號跟蹤等技術手段，在一定程度上增強了GNSS的性 能，但并未解決制約GNSS性能的關鍵問題，即，當衛星信號接收機處于地形遮擋條件下無法直視衛星時，GNSS的定位導航性能將會銳減。綜上所述，提高GNSS信號不可用區域導航性能的根本途徑在于為用戶提供額外的可用導航信號。

為此，澳大利亞Locata公司研制了一款名為Locata的地基導航系統。該系統既可與GNSS系統達成協同工作，又能夠完全獨立進行組網使用，不受內部或是外部環境的限制，實現厘米級的實時定位。Locata系統是通過同步信號收發器（LocataLites）自主組網構建而成，將LocataLites布置到固定坐標后，不同的LocataLites之間互相接收和發送內部時間同步信號，完成LocataNet自主組網，并通過TimeLoc技術達到網內納秒級時間同步。要實現LocataNet 組網，至少需要3臺LocataLites：其中2臺作為定位單元設備（Positioning-Unit Device），1臺作為參考發射機（Reference Transmitter）。用戶使用的移動接收機將通過跟蹤、接收網內LocataLites發射的類似GPS的定位信號或廣域增強系統（WAAS）轉發的GPS信號，在本地同時計算測距碼和基于載波的單點定位解來完成GNSS+ Locata協同定位或Locata獨立定位。

為了使用戶能夠利用載波相位實現獨立的單點定位，LocataLites之間必須是時間同步的，并且需要很高的同步水平。Locata系統采用了TimeLoc技術來實現設備間的時間同步，試驗表明其同步精度達到幾至十幾納秒。

綜上所述，Locata系統的創新性研發為天地一體化無縫定位導航體系提供了新思路，也為我國發展建設地基導航系統提供了更多選擇和參考。

2 時間同步法TimeLoc簡述

Locata系統具有高精度的定位性能，能夠達到厘米級單點定位效果。由于電磁波在空中的傳播速度是光速，根據距離公式可知，1 ns的時間誤差會造成約30 cm的定位誤差，因此，網內的LocataLites必須保持納秒級的時間同步。TimeLoc技術的應用解決了上述提到的困境，該項技術通過選取Locata網絡中一臺LocataLite作為 參考發 射 機，其余LocataLites作為定位單元設備，參考發射機發射參考定位信號至各定位單元設備，定位單元設備接收到參考發射機信號后產生從定位信號，并自動測量和調整接收到的參考定位信號和自身從定位信號的頻差、相差等，最后完成LocataLites統一到相同時基，達到時間同步。下面以一臺參考發射機和定位單元設備為例，簡述時間同步過程：

（1）參考發射機發射包括載波分量、偽隨機碼分量和導航數據分量的參考定位信號，定位單元設備重置重啟。

（2）定位單元設備 捕獲參考定位信號，并解調出導航數據（參考發射機位置、發射信號粗略時間）。

（3）定位單元設備完成與參考發射機的粗略時間對齊。

（4）定位單元設備生成同樣包括載波分量、偽隨機碼分量和導航數據分量的從定位信號，并發射。

（5）參考發射機捕獲從定位信號并解調出導航數據（定位單元設備位置、發射信號粗略時間）。

（6）參考發射機通過測量整周載波相位值作差（ICP）或通過頻率跟蹤系統（FTS）完成參考定位信號從定位信號的頻率鎖定。

（7）通過科斯塔斯環（Costas Loop）和載波相位定位測量法完成180°相位模糊度和傳播時間相位偏差校正，達到參考定位信號從定位信號的相位鎖定。

（8）至此兩臺LocataLites完成時間同步，并為用戶移動接收機發送時間同步后的定位信號，該信號與LocataLites具有相同時基，精度在納米級。

圖1 TimeLoc時間同步示意圖

3 國內面臨的問題

國內對偽衛星技術研究起步于21世紀初，主要集中在偽衛星硬件設計實現、偽衛星增強技術、偽衛星組網配置、偽衛星抗干擾技術等研究。早期偽衛星系統信號收發器成本較高，導致偽衛星技術出現后較長時間都未得到推廣應用。主要有以下幾個方面制約偽衛星系統發展：偽衛星信號結構和功率等特性和GNSS信號大體相同，現今絕大多數偽衛星載波頻率為GPS頻段（L1 1575.42 MHz或L2 1227.6 MHz），如何規避天基衛星信號干擾、克服“遠近效應”，成為系統設計研究的重中之重；此外，需通過差分定位技術等方式解決偽衛星系統組網時間同步問題，而差分處理則要求基站和用戶接收機之間構建無線通信鏈路，這將大大增加系統復雜程度和設計成本。

為降低偽衛星系統研發成本，促進偽衛星系統作為GNSS的補充，成為我國綜合定位導航授時體系建設的重要一環，我國還需對以下關鍵技術進行突破：一是低成本的高精度時間同步技術；二是性能優良的抗遠近效應和抗多徑效應技術。因此，深入研究偽衛星的時間同步技術將為我國構建綜合PNT體系打下堅實基礎。

4 結束語

GNSS系統自身存在信號強度不高、依賴衛星幾何分布等固有缺陷，無法滿足用戶在衛星不可見區域定位需求以及如飛機進近、變形監測等現代精密應用。本文介紹的地基偽衛星系統及其高精度時間同步方法有著應用范圍靈活、成本低、精度高、信號強等優點，可以作為GNSS系統的后備和補充，實現和完成上述生產生活需求。這些都是基于移動通信技術發展而來的，隨著信息化時代進程高速推進，移動通信技術將會不斷向前發展，同樣會有更多更好更實用的通信技術來改變人類的生活，改變這個時代。