侯勇　趙凱印

摘要：介紹了全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)及其偽衛(wèi)星在近些年的部署情況和應(yīng)用，對偽衛(wèi)星的遠近效應(yīng)進行了深入的研究。用頻分多址、碼分多址、時分多址結(jié)合偽衛(wèi)星的特點來解決其遠近效應(yīng)問題。得出實際應(yīng)用中，在多顆偽衛(wèi)星的復(fù)雜應(yīng)用場合，最好的解決方案應(yīng)該是時域、頻域和碼域的技術(shù)組合。

關(guān)鍵詞：偽衛(wèi)星；遠近效應(yīng)；全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2014）01-0216-03

全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是一個覆蓋全球的網(wǎng)絡(luò)，為用戶提供無間歇、無地域差別的導(dǎo)航、定位和授時服務(wù)，為個人和其他物品提供高精度的位置、速度和時間信息，可以在此基礎(chǔ)上開發(fā)更為豐富的服務(wù)社會基礎(chǔ)建設(shè)、經(jīng)濟和軍事等的應(yīng)用。目前，中國自主開發(fā)的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)正在逐步按計劃完成發(fā)射組網(wǎng)，截至2013年10月25日，在軌的北斗導(dǎo)航衛(wèi)星已有16顆，并且在2012年底組網(wǎng)完成，提供覆蓋亞太地區(qū)的無源定位、授時、導(dǎo)航和短報文通信服務(wù)能力。

偽衛(wèi)星提供一個額外的信號發(fā)射源，這樣可以增大衛(wèi)星的覆蓋面積，改善導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)的星座配置，可以應(yīng)對導(dǎo)航衛(wèi)星故障或彌補本身系統(tǒng)的幾何結(jié)構(gòu)缺陷，為用戶提供更好的導(dǎo)航服務(wù)。此外，即使軌道衛(wèi)星沒有失效，偽衛(wèi)星提供的額外的測距碼信號也可以對衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)進行增強。近幾年對全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的性能提出了更高的要求，高精度增強系統(tǒng)和米級甚至厘米級的定位需求越來越多，如智能網(wǎng)絡(luò)、智能傳感器等智能產(chǎn)業(yè)，室內(nèi)精確定位、機場飛機著陸等方面。但真正推廣和商用仍有關(guān)鍵問題急需解決。

1 偽衛(wèi)星遠近效應(yīng)的產(chǎn)生

偽衛(wèi)星高精度增強系統(tǒng)在布網(wǎng)建設(shè)中，遠近問題是由系統(tǒng)的特殊性產(chǎn)生的無法回避的關(guān)鍵問題之一。軌道衛(wèi)星的運行軌道一般距離地表20000km到35000km，因此當位于地表的用戶接收機處于運動狀態(tài)或者有比較大的位移時，地表的用戶接收機到軌道衛(wèi)星的實際距離其實變化很小，幾乎可以忽略，同時地表的用戶接收機接收來自軌道衛(wèi)星的信號強度也不會發(fā)生太大變化。但是，處于近地空間或者地基偽衛(wèi)星與用戶接收機距離和軌道衛(wèi)星相比，距離要小的多，因此對用戶接收機的運動和位移比較敏感，用戶接收機接收的偽衛(wèi)星的信號強度變化比較大，導(dǎo)致用戶接收機收到的偽衛(wèi)星信號高過軌道衛(wèi)星的信號強度太多，使用戶接收機很難同時捕獲跟蹤軌道衛(wèi)星和偽衛(wèi)星的信號，即遠近問題。如圖1所示。

此處用北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)為例，單顆軌道衛(wèi)星發(fā)射測距碼信號的功率一般為15W，信號從位于20000km至35000km高空的軌道衛(wèi)星發(fā)射出去，穿透電離層受到延遲影響，然后到達用戶接收機，信號從發(fā)射到接收的過程中，受到了非常大的衰減。根據(jù)2012年12月27號北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)管理辦公室公布的關(guān)于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的空間信號接口控制文件定義，當衛(wèi)星仰角大于5度，在地球表面附近的接收機右旋圓極化天線為0dB增益時，衛(wèi)星發(fā)射的導(dǎo)航信號到達接收機天線輸出端的I支路的最小保證電平為-163dBW，用毫瓦表示，即為-133dBm。

從上述分析可知，軌道衛(wèi)星發(fā)射的導(dǎo)航信號經(jīng)過電離層延遲和傳播衰減，使信號極易受到其它信號的干擾。由于偽衛(wèi)星距離用戶接收機相對于軌道衛(wèi)星來說近的多，尤其是地基偽衛(wèi)星，距離接收機更近，信號太強則會對接收機產(chǎn)生干擾，甚至淹沒來自高空的軌道衛(wèi)星信號，用戶接收機無法同時捕獲跟蹤軌道衛(wèi)星和偽衛(wèi)星；如果用戶接收機移動到距離偽衛(wèi)星的范圍比較遠，偽衛(wèi)星的信號也會由于距離和地表的障礙物的影響導(dǎo)致信號太弱而不能有效的捕獲和跟蹤。由此就產(chǎn)生了偽衛(wèi)星技術(shù)中的遠近效應(yīng)問題，對于遠近效應(yīng)問題最好的解決方案就是偽衛(wèi)星發(fā)射器的位置一定要選擇得當，既不會因為距離太近干擾到軌道衛(wèi)星信號又不會因為距離太遠導(dǎo)致接收機無法跟蹤偽衛(wèi)星信號，要保證在最大范圍內(nèi)提供足夠強的偽衛(wèi)星信號，使用戶接收機能夠同時跟蹤軌道衛(wèi)星和偽衛(wèi)星信號。

當把用戶接收機置于上圖所示的偽衛(wèi)星近區(qū)內(nèi)，太強的偽衛(wèi)星信號會強烈干擾衰減嚴重的軌道衛(wèi)星信號；當用戶接收機移動到偽衛(wèi)星的遠區(qū)時，用戶接收機將很難捕獲并分離出偽衛(wèi)星信號。只有當用戶接收機移動到偽衛(wèi)星合適的工作區(qū)域，用戶接收機才能同時捕獲到軌道衛(wèi)星信號和偽衛(wèi)星信號。如果同時存在多顆偽衛(wèi)星，在考慮偽衛(wèi)星信號與軌道衛(wèi)星信號干擾的同時，還要兼顧到多顆偽衛(wèi)星之間近區(qū)、遠區(qū)及工作區(qū)域的交叉重合問題。

可以通過以下方法來估算偽衛(wèi)星工作區(qū)域的近區(qū)和遠區(qū)的界限。當偽衛(wèi)星信號功率等于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)空間信號接口控制文件中規(guī)定的用戶接收信號最小保證電平-163dBW時，偽衛(wèi)星的發(fā)射功率決定了偽衛(wèi)星距遠邊界的距離。當然，絕對功率電平?jīng)Q定不了遠邊界和近邊界的范圍直徑的大小，而是由用戶接收機對偽衛(wèi)星信號的互相關(guān)干擾的跟蹤裕量所決定的。

如果用戶接收機接收到的偽衛(wèi)星信號為-168.4dBW，已知可以接收-163dBW的信號，那么在軌道衛(wèi)星和偽衛(wèi)星的測距碼之間就會發(fā)生互相關(guān)，由下式（1）表示：

[Prec=Pdes+20log（d0d）] （1）

上式中[Prec]：表示用戶接收機實際使用過程中接收到的來自偽衛(wèi)星信號功率；

[Pdes]：用戶接收機工程制造時的標準功率，通常為-163dBW；

[d0d]：用戶接收機在工程制造時的標準功率下所能跟蹤的范圍半徑[d0]與實際使用過程中偽衛(wèi)星的范圍半徑[d]的比值。

遠邊界和近邊界范圍半徑的比經(jīng)上式和實際的技術(shù)標準計算可得理論上約為12，只有用戶接收機在這個范圍半徑的工作區(qū)域移動時，才不會產(chǎn)生軌道衛(wèi)星信號和偽衛(wèi)星信號相互干擾，才能同時被捕獲跟蹤到。

2 偽衛(wèi)星遠近效應(yīng)的解決方案

從偽衛(wèi)星的整個系統(tǒng)來講，可以考慮從硬件和軟件這兩方面解決遠近效應(yīng)問題。硬件包括偽衛(wèi)星的基帶設(shè)計、射頻設(shè)計、載波頻率、信號發(fā)射方式等；軟件包括用戶接收機端的數(shù)據(jù)處理軟件及數(shù)字信號處理方式、偽衛(wèi)星與接收機的位置布設(shè)等方面。通常是從偽衛(wèi)星端來解決遠近效應(yīng)問題。

2.1碼分多址（CDMA）

碼分多址（CDMA）技術(shù)是由擴頻通信技術(shù)發(fā)展起來的，即將原始信息的帶寬大大擴展，采用一個帶寬遠大于信號帶寬的高速偽隨機碼序列去調(diào)制具備一定信號帶寬的要傳送的信息數(shù)據(jù)，然后再次把信號調(diào)制到載波上，然后把信號發(fā)射。用戶接收機解調(diào)時使用的偽隨機碼要和偽衛(wèi)星發(fā)射時調(diào)制的偽隨機碼一致，最后把解調(diào)后的信號下變頻，最后得到想要的測距碼和導(dǎo)航電文信息。通過碼分多址技術(shù)的應(yīng)用，多顆軌道衛(wèi)星及偽衛(wèi)星各自分配具有一定特性的正交地址碼，然后分別進行信號調(diào)制和發(fā)射，運用了各個信號地址碼型之間的不同和正交性來實現(xiàn)其信號的分離，因此各個信號可以在同一頻帶上可以像各自都有其信道一樣來傳輸信號。

偽衛(wèi)星的碼分多址技術(shù)中的地址碼使用的新Gold碼和軌道衛(wèi)星測距碼所采用的Gold碼不同，假設(shè)使用新的偽隨機碼分離達到60dB的動態(tài)范圍，則至少提高25MHZ以上的碼元碼率。因此用戶接收機的接收信號的兼容性變差，使接收機的成本明顯提高。

2.2頻分多址（FDMA）

在頻分多址技術(shù)中，把不同的頻率分配給不同地址的用戶，各信道在時間上可同時使用，即偽衛(wèi)星和軌道衛(wèi)星分別調(diào)制到不同的載波上，然后使用濾波器選取需要的載波信號并阻塞掉不需要的其他信號。下面的幾種頻分多址方案雖然可以不同程度改善遠近效應(yīng)問題，但都有各自的局限性。

2.2.1帶外發(fā)射

軌道衛(wèi)星的的標稱載波頻率已確定，偽衛(wèi)星可以使用任何符合國家規(guī)定的頻率來調(diào)制信號并發(fā)射出去。采用這種方法的偽衛(wèi)星發(fā)射頻率與軌道衛(wèi)星的頻率不同，普通的用戶接收機中的濾波器就會過濾并阻塞偽衛(wèi)星信號。因此，如果選用帶外發(fā)射來接收偽衛(wèi)星信號，為了可以在不同的載波頻率上同時捕獲和跟蹤偽衛(wèi)星和軌道衛(wèi)星信號，需要在普通的用戶接收機上增加一個射頻模塊。這將增加用戶接收機設(shè)計制造的投入成本和導(dǎo)航算法的復(fù)雜性，降低用戶接收機的通用性。這個方案的優(yōu)勢是經(jīng)過增加射頻模塊的用戶接收機通常很容易捕獲和跟蹤軌道衛(wèi)星標稱載波以外的信號。

2.2.2跳頻

采用跳頻技術(shù)，偽衛(wèi)星發(fā)射可以在較高和較低兩個零點跳躍的窄帶信號，會極大的減少對軌道衛(wèi)星信號的干擾。由于這個方案中時間平頻率和衛(wèi)星載波相一致，比較適合同步偽衛(wèi)星。并且采用不同的跳頻方式還可以同時發(fā)射多個偽衛(wèi)星信號。

盡管這種形式的信號互相關(guān)特性比較不錯，但因為絕大多數(shù)用戶接收機的動態(tài)范圍都很有限，導(dǎo)致仍然會阻塞絕大多數(shù)的用戶接收機。當偽衛(wèi)星信號功率高于用戶接收機所固有的動態(tài)范圍時，此時相當于用戶接收機處于偽衛(wèi)星的近區(qū)范圍之中，故與用戶接收機互相關(guān)無關(guān)的軌道衛(wèi)星信號將會變的很微弱。在未來一段時間內(nèi)，由于制造成本的限制導(dǎo)致這種情況是無法改變的。

2.3時分多址（TDMA）

時分多址技術(shù)是把時間劃分出互不影響的時間片（幀），偽衛(wèi)星再在每個時間片上劃分出來的時隙即信道上來發(fā)送調(diào)制過的載波信號。因此時分多址技術(shù)對定時和同步有比較高的要求，用戶接收機需要在偽衛(wèi)星發(fā)射的時隙進行信號的同步接收，可以分別在各時隙中接收到軌道衛(wèi)星和偽衛(wèi)星的信號而不會導(dǎo)致各時隙的信號交叉干擾。

對于普通用戶接收機來說，任何脈沖偽衛(wèi)星信號相對于軌道衛(wèi)星來說都是干擾信號，其干擾與發(fā)射時間成正比，這就是脈沖偽衛(wèi)星信號的占空比。當然，脈沖偽衛(wèi)星信號占空比越低，對用戶接收機的干擾就越小。在時分多址的信號結(jié)構(gòu)工作模式下，理論上可以采用較低占空比的短脈沖來發(fā)射偽衛(wèi)星信號，來盡可能的降低對用戶接收機的干擾，但隨之而來的問題是低占空比的偽衛(wèi)星信號比較微弱，捕獲起來更困難。在時分多址技術(shù)中采用脈沖偽衛(wèi)星發(fā)射信號時，假設(shè)偽衛(wèi)星僅在10%的時間內(nèi)發(fā)射調(diào)制過的載波信號，那么用戶接收機將會在其它90%的時間內(nèi)只收到調(diào)制過的軌道衛(wèi)星信號。如果采用這種解決方案，則現(xiàn)有的普通用戶接收機幾乎都可以同時捕獲到軌道衛(wèi)星信號和偽衛(wèi)星信號。

3 總結(jié)

采用時分多址的信號結(jié)構(gòu)方式相比來說是比較優(yōu)勢的。使用脈沖偽衛(wèi)星在10%的時間內(nèi)發(fā)射信號，即使用戶接收機處于偽衛(wèi)星近區(qū)的范圍之內(nèi)，此時也很難對所捕獲跟蹤的軌道衛(wèi)星信號形成干擾。實際上采用這種簡單的脈沖模式，用戶接收機只能截獲到虛假信號，而很少能夠截獲真實信號。綜合以上碼分多址、頻分多址、時分多址中的幾種解決方案，各有其利弊和適用范圍，因此在多顆偽衛(wèi)星組成的系統(tǒng)中，統(tǒng)籌布網(wǎng)建設(shè)、實際環(huán)境和經(jīng)濟條件以及適用性的考慮，應(yīng)從上述解決方案中選擇最適合的或者組合的方案。

參考文獻：

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