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(duì)偽衛(wèi)星的遠(yuǎn)近效應(yīng)進(jìn)行了深入的研究。用頻分多址、碼分多址、時(shí)分多址結(jié)合偽衛(wèi)星的特點(diǎn)來解決其遠(yuǎn)近效應(yīng)問題。得出實(shí)際應(yīng)用中，在多顆偽衛(wèi)星的復(fù)雜應(yīng)用場(chǎng)合，最好的解決方案應(yīng)該是時(shí)域、頻域和碼域的技術(shù)組合。

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

中圖分類號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2014）01-0216-03

全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是一個(gè)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(shí)服務(wù)，為個(gè)人和其他物品提供高精度的位置、速度和時(shí)間信息，可以在此基礎(chǔ)上開發(fā)更為豐富的服務(wù)社會(huì)基礎(chǔ)建設(shè)、經(jīng)濟(jì)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(jì)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(shí)、導(dǎo)航和短報(bào)文通信服務(wù)能力。

偽衛(wèi)星提供一個(gè)額外的信號(hào)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(duì)導(dǎo)航衛(wèi)星故障或彌補(bǔ)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(cè)距碼信號(hào)也可以對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行增強(qiáng)。近幾年對(duì)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(qiáng)系統(tǒng)和米級(jí)甚至厘米級(jí)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(jī)場(chǎng)飛機(jī)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(yuǎn)近效應(yīng)的產(chǎn)生

偽衛(wèi)星高精度增強(qiáng)系統(tǒng)在布網(wǎng)建設(shè)中，遠(yuǎn)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(yùn)行軌道一般距離地表20000km到35000km，因此當(dāng)位于地表的用戶接收機(jī)處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)或者有比較大的位移時(shí)，地表的用戶接收機(jī)到軌道衛(wèi)星的實(shí)際距離其實(shí)變化很小，幾乎可以忽略，同時(shí)地表的用戶接收機(jī)接收來自軌道衛(wèi)星的信號(hào)強(qiáng)度也不會(huì)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(jī)距離和軌道衛(wèi)星相比，距離要小的多，因此對(duì)用戶接收機(jī)的運(yùn)動(dòng)和位移比較敏感，用戶接收機(jī)接收的偽衛(wèi)星的信號(hào)強(qiáng)度變化比較大，導(dǎo)致用戶接收機(jī)收到的偽衛(wèi)星信號(hào)高過軌道衛(wèi)星的信號(hào)強(qiáng)度太多，使用戶接收機(jī)很難同時(shí)捕獲跟蹤軌道衛(wèi)星和偽衛(wèi)星的信號(hào)，即遠(yuǎn)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(cè)距碼信號(hào)的功率一般為15W，信號(hào)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(dá)用戶接收機(jī)，信號(hào)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(hào)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(hào)接口控制文件定義，當(dāng)衛(wèi)星仰角大于5度，在地球表面附近的接收機(jī)右旋圓極化天線為0dB增益時(shí)，衛(wèi)星發(fā)射的導(dǎo)航信號(hào)到達(dá)接收機(jī)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(hào)經(jīng)過電離層延遲和傳播衰減，使信號(hào)極易受到其它信號(hào)的干擾。由于偽衛(wèi)星距離用戶接收機(jī)相對(duì)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(jī)更近，信號(hào)太強(qiáng)則會(huì)對(duì)接收機(jī)產(chǎn)生干擾，甚至淹沒來自高空的軌道衛(wèi)星信號(hào)，用戶接收機(jī)無法同時(shí)捕獲跟蹤軌道衛(wèi)星和偽衛(wèi)星；如果用戶接收機(jī)移動(dòng)到距離偽衛(wèi)星的范圍比較遠(yuǎn)，偽衛(wèi)星的信號(hào)也會(huì)由于距離和地表的障礙物的影響導(dǎo)致信號(hào)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(yuǎn)近效應(yīng)問題，對(duì)于遠(yuǎn)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(dāng)，既不會(huì)因?yàn)榫嚯x太近干擾到軌道衛(wèi)星信號(hào)又不會(huì)因?yàn)榫嚯x太遠(yuǎn)導(dǎo)致接收機(jī)無法跟蹤偽衛(wèi)星信號(hào)，要保證在最大范圍內(nèi)提供足夠強(qiáng)的偽衛(wèi)星信號(hào)，使用戶接收機(jī)能夠同時(shí)跟蹤軌道衛(wèi)星和偽衛(wèi)星信號(hào)。

當(dāng)把用戶接收機(jī)置于上圖所示的偽衛(wèi)星近區(qū)內(nèi)，太強(qiáng)的偽衛(wèi)星信號(hào)會(huì)強(qiáng)烈干擾衰減嚴(yán)重的軌道衛(wèi)星信號(hào)；當(dāng)用戶接收機(jī)移動(dòng)到偽衛(wèi)星的遠(yuǎn)區(qū)時(shí)，用戶接收機(jī)將很難捕獲并分離出偽衛(wèi)星信號(hào)。只有當(dāng)用戶接收機(jī)移動(dòng)到偽衛(wèi)星合適的工作區(qū)域，用戶接收機(jī)才能同時(shí)捕獲到軌道衛(wèi)星信號(hào)和偽衛(wèi)星信號(hào)。如果同時(shí)存在多顆偽衛(wèi)星，在考慮偽衛(wèi)星信號(hào)與軌道衛(wèi)星信號(hào)干擾的同時(shí)，還要兼顧到多顆偽衛(wèi)星之間近區(qū)、遠(yuǎn)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(yuǎn)區(qū)的界限。當(dāng)偽衛(wèi)星信號(hào)功率等于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)空間信號(hào)接口控制文件中規(guī)定的用戶接收信號(hào)最小保證電平-163dBW時(shí)，偽衛(wèi)星的發(fā)射功率決定了偽衛(wèi)星距遠(yuǎn)邊界的距離。當(dāng)然，絕對(duì)功率電平?jīng)Q定不了遠(yuǎn)邊界和近邊界的范圍直徑的大小，而是由用戶接收機(jī)對(duì)偽衛(wèi)星信號(hào)的互相關(guān)干擾的跟蹤裕量所決定的。

如果用戶接收機(jī)接收到的偽衛(wèi)星信號(hào)為-168.4dBW，已知可以接收-163dBW的信號(hào)，那么在軌道衛(wèi)星和偽衛(wèi)星的測(cè)距碼之間就會(huì)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(jī)實(shí)際使用過程中接收到的來自偽衛(wèi)星信號(hào)功率；

[Pdes]：用戶接收機(jī)工程制造時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)功率，通常為-163dBW；

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

遠(yuǎn)邊界和近邊界范圍半徑的比經(jīng)上式和實(shí)際的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算可得理論上約為12，只有用戶接收機(jī)在這個(gè)范圍半徑的工作區(qū)域移動(dòng)時(shí)，才不會(huì)產(chǎn)生軌道衛(wèi)星信號(hào)和偽衛(wèi)星信號(hào)相互干擾，才能同時(shí)被捕獲跟蹤到。

2 偽衛(wèi)星遠(yuǎn)近效應(yīng)的解決方案

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

2.1碼分多址（CDMA）

碼分多址（CDMA）技術(shù)是由擴(kuò)頻通信技術(shù)發(fā)展起來的，即將原始信息的帶寬大大擴(kuò)展，采用一個(gè)帶寬遠(yuǎn)大于信號(hào)帶寬的高速偽隨機(jī)碼序列去調(diào)制具備一定信號(hào)帶寬的要傳送的信息數(shù)據(jù)，然后再次把信號(hào)調(diào)制到載波上，然后把信號(hào)發(fā)射。用戶接收機(jī)解調(diào)時(shí)使用的偽隨機(jī)碼要和偽衛(wèi)星發(fā)射時(shí)調(diào)制的偽隨機(jī)碼一致，最后把解調(diào)后的信號(hào)下變頻，最后得到想要的測(cè)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(jìn)行信號(hào)調(diào)制和發(fā)射，運(yùn)用了各個(gè)信號(hào)地址碼型之間的不同和正交性來實(shí)現(xiàn)其信號(hào)的分離，因此各個(gè)信號(hào)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(hào)。

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(cè)距碼所采用的Gold碼不同，假設(shè)使用新的偽隨機(jī)碼分離達(dá)到60dB的動(dòng)態(tài)范圍，則至少提高25MHZ以上的碼元碼率。因此用戶接收機(jī)的接收信號(hào)的兼容性變差，使接收機(jī)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(shí)間上可同時(shí)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(hào)并阻塞掉不需要的其他信號(hào)。下面的幾種頻分多址方案雖然可以不同程度改善遠(yuǎn)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(biāo)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(hào)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(jī)中的濾波器就會(huì)過濾并阻塞偽衛(wèi)星信號(hào)。因此，如果選用帶外發(fā)射來接收偽衛(wèi)星信號(hào)，為了可以在不同的載波頻率上同時(shí)捕獲和跟蹤偽衛(wèi)星和軌道衛(wèi)星信號(hào)，需要在普通的用戶接收機(jī)上增加一個(gè)射頻模塊。這將增加用戶接收機(jī)設(shè)計(jì)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(jī)的通用性。這個(gè)方案的優(yōu)勢(shì)是經(jīng)過增加射頻模塊的用戶接收機(jī)通常很容易捕獲和跟蹤軌道衛(wèi)星標(biāo)稱載波以外的信號(hào)。

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(gè)零點(diǎn)跳躍的窄帶信號(hào)，會(huì)極大的減少對(duì)軌道衛(wèi)星信號(hào)的干擾。由于這個(gè)方案中時(shí)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(shí)發(fā)射多個(gè)偽衛(wèi)星信號(hào)。

盡管這種形式的信號(hào)互相關(guān)特性比較不錯(cuò)，但因?yàn)榻^大多數(shù)用戶接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍都很有限，導(dǎo)致仍然會(huì)阻塞絕大多數(shù)的用戶接收機(jī)。當(dāng)偽衛(wèi)星信號(hào)功率高于用戶接收機(jī)所固有的動(dòng)態(tài)范圍時(shí)，此時(shí)相當(dāng)于用戶接收機(jī)處于偽衛(wèi)星的近區(qū)范圍之中，故與用戶接收機(jī)互相關(guān)無關(guān)的軌道衛(wèi)星信號(hào)將會(huì)變的很微弱。在未來一段時(shí)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(shí)分多址（TDMA）

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

對(duì)于普通用戶接收機(jī)來說，任何脈沖偽衛(wèi)星信號(hào)相對(duì)于軌道衛(wèi)星來說都是干擾信號(hào)，其干擾與發(fā)射時(shí)間成正比，這就是脈沖偽衛(wèi)星信號(hào)的占空比。當(dāng)然，脈沖偽衛(wèi)星信號(hào)占空比越低，對(duì)用戶接收機(jī)的干擾就越小。在時(shí)分多址的信號(hào)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(hào)，來盡可能的降低對(duì)用戶接收機(jī)的干擾，但隨之而來的問題是低占空比的偽衛(wèi)星信號(hào)比較微弱，捕獲起來更困難。在時(shí)分多址技術(shù)中采用脈沖偽衛(wèi)星發(fā)射信號(hào)時(shí)，假設(shè)偽衛(wèi)星僅在10%的時(shí)間內(nèi)發(fā)射調(diào)制過的載波信號(hào)，那么用戶接收機(jī)將會(huì)在其它90%的時(shí)間內(nèi)只收到調(diào)制過的軌道衛(wèi)星信號(hào)。如果采用這種解決方案，則現(xiàn)有的普通用戶接收機(jī)幾乎都可以同時(shí)捕獲到軌道衛(wèi)星信號(hào)和偽衛(wèi)星信號(hào)。

3 總結(jié)

采用時(shí)分多址的信號(hào)結(jié)構(gòu)方式相比來說是比較優(yōu)勢(shì)的。使用脈沖偽衛(wèi)星在10%的時(shí)間內(nèi)發(fā)射信號(hào)，即使用戶接收機(jī)處于偽衛(wèi)星近區(qū)的范圍之內(nèi)，此時(shí)也很難對(duì)所捕獲跟蹤的軌道衛(wèi)星信號(hào)形成干擾。實(shí)際上采用這種簡(jiǎn)單的脈沖模式，用戶接收機(jī)只能截獲到虛假信號(hào)，而很少能夠截獲真實(shí)信號(hào)。綜合以上碼分多址、頻分多址、時(shí)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(shí)際環(huán)境和經(jīng)濟(jì)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。

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