鄧洪有

（四川九洲電器集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川綿陽(yáng)，621000）

0 前言

確定平臺(tái)自身位置信息是確保作業(yè)安全以及進(jìn)行高效有序管理與調(diào)度的基礎(chǔ)和前提。隨著我國(guó)海洋戰(zhàn)略的實(shí)施，近海捕撈、近?？碧?、近海搜救、近海航行、近海防務(wù)等近海活動(dòng)日益增加，水運(yùn)物流發(fā)展迅速，船舶進(jìn)出港口日漸頻繁，這對(duì)近海及港口區(qū)域艦船、飛行器的定位提出了更高的要求，要求定位系統(tǒng)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(qū)域定位根據(jù)作業(yè)任務(wù)的不同可以有多種不多的定位方法，如光學(xué)交匯定位、無(wú)線電測(cè)距定位、衛(wèi)星定位、水聲定位以及組合定位等。目前的技術(shù)手段雖然能夠在一定程度上解決定位問(wèn)題，但在工程實(shí)現(xiàn)方面仍然存在定位精度不高以及應(yīng)用受局限等問(wèn)題，且更多的是依賴全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）進(jìn)行工作。不過(guò)即使是目前發(fā)展最為成熟的GPS系統(tǒng)，在定位與導(dǎo)航過(guò)程中，也存在一定的局限性與風(fēng)險(xiǎn)[1]，包括太陽(yáng)活動(dòng)影響、干擾與欺騙、易受破壞等因素。對(duì)于一些應(yīng)用領(lǐng)域來(lái)說(shuō)，GPS系統(tǒng)在定位精度、可用性、完好性方面還無(wú)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(dǎo)航，要求達(dá)到米級(jí)的導(dǎo)航精度和較高的完好性指標(biāo)，覆蓋的區(qū)域又遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于局域范圍，同時(shí)可提供較高的可用性和自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是我國(guó)自主開發(fā)和獨(dú)立運(yùn)行的全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)[2]，雖然擁有自主權(quán)，但也面臨著與GPS系統(tǒng)類似的問(wèn)題。因此我們?yōu)榻＜案劭趨^(qū)域作業(yè)平臺(tái)定位時(shí)，不能過(guò)于依賴基于衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的解決方案，還需要有其他相對(duì)獨(dú)立的輔助技術(shù)手段來(lái)實(shí)現(xiàn)定位。

正是由于現(xiàn)有技術(shù)還存在著不穩(wěn)定和不可靠因素，本文將基于偽衛(wèi)星技術(shù)，為近海及港口區(qū)域作業(yè)的艦船、直升機(jī)、私人飛機(jī)、游艇等提供一種輔助的定位措施，無(wú)需過(guò)多的增加硬件設(shè)備，僅花費(fèi)較小的代價(jià)便可實(shí)現(xiàn)。

1 系統(tǒng)方案

偽衛(wèi)星其功能和原理與導(dǎo)航衛(wèi)星類似，能發(fā)出與導(dǎo)航衛(wèi)星相同格式的電文，也叫陸基衛(wèi)星或陸基發(fā)射機(jī)[3]，包括天線、接收機(jī)和發(fā)射機(jī)。普通衛(wèi)星接收機(jī)僅通過(guò)稍微修改軟件即可接收它的信號(hào)，并得到用于導(dǎo)航計(jì)算的偽距或載波相位測(cè)量。偽衛(wèi)星不僅能替代導(dǎo)航星，且能夠提升整個(gè)系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性和精度，甚至能將應(yīng)用拓展到室內(nèi)、地下等無(wú)法接收導(dǎo)航衛(wèi)星信號(hào)的地方。在導(dǎo)航和定位的各個(gè)領(lǐng)域，偽衛(wèi)星已經(jīng)得到了充分發(fā)展和應(yīng)用。美國(guó)已將這種技術(shù)應(yīng)用于伊拉克戰(zhàn)爭(zhēng)中，確保了己方部隊(duì)在受干擾的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境中具有精確的導(dǎo)航能力。

■1.1 系統(tǒng)組成與工作原理

該系統(tǒng)（如圖1所示）是一個(gè)模擬北斗定位系統(tǒng)而設(shè)計(jì)的區(qū)域定位系統(tǒng)[4]，在岸上、鉆井平臺(tái)上選取若干個(gè)（數(shù)目≥4）固定位置配裝北斗偽衛(wèi)星模擬北斗系統(tǒng)中的衛(wèi)星作為信號(hào)源，并標(biāo)定好這些固定位置的精確位置信息，采用獨(dú)立的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)和坐標(biāo)系，在近海及港口區(qū)域作業(yè)的所有艦船、直升機(jī)、私人飛機(jī)、游艇等平臺(tái)上配裝北斗偽衛(wèi)星接收機(jī)，利用偽衛(wèi)星接收機(jī)接收信號(hào)并提取偽距等相關(guān)信息，實(shí)現(xiàn)區(qū)域定位并提高此區(qū)域內(nèi)的定位精度。

圖1 系統(tǒng)組成框圖

系統(tǒng)工作原理如圖2所示，系統(tǒng)工作時(shí)主控站首先通過(guò)通訊網(wǎng)絡(luò)配置偽衛(wèi)星的測(cè)距碼（PRN碼）和導(dǎo)航電文（D碼），并控制偽衛(wèi)星同步發(fā)送碼信號(hào)，參考接收機(jī)高精度地測(cè)量偽衛(wèi)星同步誤差并將誤差信息反饋給主控站，主控站據(jù)此調(diào)整偽衛(wèi)星信號(hào)發(fā)送時(shí)間，北斗偽衛(wèi)星接收機(jī)接收北斗偽衛(wèi)星信號(hào)并進(jìn)行偽距測(cè)量、導(dǎo)航電文解算及定位。

■1.2 北斗偽衛(wèi)星接收機(jī)

與通用北斗接收機(jī)一樣，北斗偽衛(wèi)星接收機(jī)用于偽距測(cè)量、導(dǎo)航電文解算及定位，由天線、射頻接收、信號(hào)處理、電源和數(shù)據(jù)處理機(jī)組成。因?yàn)閭涡l(wèi)星位置固定，導(dǎo)航電文與普通北斗導(dǎo)航電文不盡相同，不需要提供衛(wèi)星軌道參數(shù)和攝動(dòng)參數(shù)、電離層的延遲改正、所有衛(wèi)星的星歷等數(shù)據(jù)，在導(dǎo)航解算上與通用北斗接收機(jī)略微不同，可以通過(guò)軟件升級(jí)在通用北斗接收機(jī)上實(shí)現(xiàn)偽衛(wèi)星信號(hào)與北斗信號(hào)的兼容。北斗偽衛(wèi)星接收機(jī)結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

圖2 系統(tǒng)工作原理框圖

2 關(guān)鍵技術(shù)

■2.1 偽衛(wèi)星幾何布局設(shè)計(jì)

衛(wèi)星定位的精度不僅與偽距測(cè)量的質(zhì)量有關(guān)，與參與定位解算的衛(wèi)星數(shù)量及其空間布局密切相關(guān)[5]。首先，因?yàn)橛脩襞c偽衛(wèi)星之間的距離很小，所以偽衛(wèi)星系統(tǒng)的幾何布局對(duì)系統(tǒng)性能的影響更大；其次，偽衛(wèi)星部署比較靈活，可以優(yōu)化幾何布局從而提高整個(gè)定位系統(tǒng)的性能。

■2.2 遠(yuǎn)近效應(yīng)

使用過(guò)程中用戶接收機(jī)跟偽衛(wèi)星的相對(duì)位置變化范圍很大，接收到的偽衛(wèi)星信號(hào)功率變化會(huì)很大，可能收到的偽衛(wèi)星信號(hào)比真實(shí)衛(wèi)星信號(hào)大很多，形成了對(duì)真實(shí)衛(wèi)星信號(hào)接收的干擾，可從軟件和硬件兩方面解決遠(yuǎn)近效應(yīng)問(wèn)題。

■2.3 時(shí)鐘同步

由于偽衛(wèi)星制造成本的限制，時(shí)間基準(zhǔn)通常使用廉價(jià)的晶振時(shí)鐘，無(wú)法直接與BD-2的時(shí)鐘進(jìn)行同步，必須消除這一誤差才能進(jìn)行同步觀測(cè)定位。

■2.4 多路徑效應(yīng)

偽衛(wèi)星的位置布設(shè)、信號(hào)強(qiáng)度、工作環(huán)境使得它比BD-2信號(hào)的多路徑誤差更強(qiáng)和更為復(fù)雜，從而也更加難以消除，這是偽衛(wèi)星數(shù)據(jù)處理階段要考慮的重要問(wèn)題。

3 應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

圖3 北斗偽衛(wèi)星接收機(jī)結(jié)構(gòu)框圖

本文提出的基于北斗偽衛(wèi)星的近海及港口區(qū)域定位系統(tǒng)，作為北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的輔助手段，通過(guò)合理部署偽衛(wèi)星，預(yù)先精確測(cè)定偽衛(wèi)星的位置消除星歷誤差，沒(méi)有電離層誤差同時(shí)對(duì)流層誤差也很小，從而提高了系統(tǒng)的定位精度[6]；因?yàn)閭涡l(wèi)星和衛(wèi)星是兩個(gè)相對(duì)獨(dú)立的系統(tǒng)，由不同的系統(tǒng)控制運(yùn)行，因此兩個(gè)定位系統(tǒng)同時(shí)失效的可能性就極小，大大提高了系統(tǒng)的完好性；通過(guò)將偽衛(wèi)星放置于那些衛(wèi)星信號(hào)可能會(huì)受到遮擋的區(qū)域，改善可用性；偽衛(wèi)星距用戶的距離比真正的導(dǎo)航衛(wèi)星距用戶距離小得多，因此信號(hào)衰減小，信號(hào)強(qiáng)度比導(dǎo)航衛(wèi)星強(qiáng)得多，抗干擾能力自然明顯提高。同時(shí)，結(jié)合信號(hào)加密技術(shù)，可以提高區(qū)域?qū)Ш蕉ㄎ坏谋Ｃ苄浴?/p>

4 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)現(xiàn)有定位手段過(guò)于依賴GNSS的問(wèn)題，提出了一種新型的近海及港口區(qū)域定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)基于北斗偽衛(wèi)星技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。在岸上、鉆井平臺(tái)上選取若干個(gè)（數(shù)目≥4）固定位置安裝北斗偽衛(wèi)星，采用獨(dú)立的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)和坐標(biāo)系，利用北斗偽衛(wèi)星接收機(jī)進(jìn)行定位解算。近海及港口區(qū)域作業(yè)的艦船、直升機(jī)、私人飛機(jī)、游艇等平臺(tái)對(duì)通用北斗接收機(jī)進(jìn)行軟件升級(jí)就能夠利用該系統(tǒng)進(jìn)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(qū)域平臺(tái)自身定位的需求。