耿建平1 唐先红2
（1.桂林电子科技大学电子工程学院 广西 桂林； 2.桂林电子科技大学数学与计算科学学院 广西 桂林 541004） 摘 要：第二代北斗卫星导航系统是与GPS、GLONASS和GALILEO并列的全球卫星导航系统。在某些区域，由于某种原因接收机接收不到卫星导航信号，或者由于卫星星座的几何图形不佳，使导航精度、可靠性和完好性得不到完好保障。第二代北斗卫星导航系统同样也会面临类似的问题。伪卫星即在位置精确测定的地面点或空中平台上建立的类似导航卫星的固定基准站。本文在借鉴GPS伪卫星技术的基础上，提出了使用伪卫星技术来增强第二代北斗卫星导航系统的思路。以第二代北斗卫星导航系统为例，探讨了使用伪卫星增强第二代北斗卫星导航系统的定位原理，并对对伪卫星定位中的关键技术进行了初步讨论，分析了“远-近效应”形成的原因和相应的解决措施。
一、引言
目前，全球导航卫星系统（GNSS）有美国的GPS、俄罗斯的GLONASS、中国的北斗、欧盟的Galileo。北斗是我国独立自主设计、建设的卫星导航系统，也是联合国有关机构认定的全球卫星导航定位四大核心供应商之一。按照“先区域，后全球”的建设思路，中国在2003年正式开通北斗卫星导航定位试验系统，即北斗一代，中国北斗成为继美国GPS、俄罗斯GLONASS之后，能够独立提供服务的三大卫星导航系统之一。北斗一代导航系统是覆盖中国本土的区域性导航系统。北斗二代，是中国正在建设中的全球卫星地位系统，不是北斗一代的简单延伸，更类似于GPS和Galileo。
在某些区域和应用场合，由于某种原因接收不到卫星导航信号，或者由于卫星星座几何图形不佳，使卫星导航精度、可靠性和完好性得不到完好保障。
虽然差分GPS可以在某种程度上改善导航定位系统的性能，但是，不管差分GPS如何提高导航精度、可靠性和完好性，也不能克服掉由于卫星星座几何图形不佳而造成的缺陷。
第二代北斗卫星导航系统同样也会面临类似的问题。
二、伪卫星概念
伪卫星的英文单词是“pseudolites”，它是由两个单词“pseudo”和“satellites”组合而成的，即假的卫星，因为伪卫星不是位于太空中的（卫星一般是位于太空中的）。
伪卫星最初设计是用于实验GPS的用户设备。伪卫星的概念在1976年就提出来了，当时使用一些地基发射机来模拟GPS卫星组成GPS星座，对GPS用户设备（GPS接收机）进行试验。这些地基发射机就是伪卫星。这里伪卫星发射的信号与GPS卫星信号完全一样，但后来的伪卫星应用中，伪卫星的信号并不是与GPS卫星信号完全一样，即发射的是类GPS信号。一般把发射GPS信号或类GPS信号的伪卫星成为GPS伪卫星。
最初的伪卫星概念指地基发射机，但从广义上讲，任何可以增强卫星导航定位系统的装置都可以成为伪卫星。如把空基发射机、天基发射机也成为伪卫星，甚至可以把一些辅助定位用的传感器也叫做伪卫星，如气压高度计等。
三、伪卫星作用
美国的Beser、Parkinson和 Klein最早提出伪卫星可以用于GPS，并对伪卫星用于定位和导航进行了讨论。指出伪卫星可以提高GPS的可用性，并可以应用在一些如航空导航等重要场合。
伪卫星提供一个额外的测距源，这样可以增大卫星的覆盖面积，改善导航的星座配置，结果即使某颗卫星工作不健康或由于其它原因造成几何配置不良，仍能够获得优良的导航性能。此外，即使卫星没有失效，伪卫星提供的额外的测距也可以对GPS进行增强。
卫星导航系统中配置伪卫星主要有三个方面的作用：提高精度、改善完好性和可用性来增强卫星导航系统。
3.1 提高精度
对于一个卫星导航系统来说，应该有一个最佳的卫星星座布局。GDOP(几何精度衰减因子)表示仅仅由于卫星相对位置而引起的计算的位置精度的下降影响因子。用户的伪距测量误差与用户定位精度的关系是通过GDOP来描述的。GDOP的不同分量表示不同方向上的精度下降因子。好的GDOP通常意味着卫星分布比较分散，且具有非常低的仰角，但是低的仰角会引起比较高的对流层和电离层延迟和多经效应。
以GPS为例，在搞纬度地区，GPS卫星几何形状不好，这说明GDOP不是很好。众所周知，使用目前的GPD卫星星座进行定位的垂直方向的精度比水平方向精度差2-3倍。计算标明，在高纬度地区，南北方向的精度会下降到与高度相同的精度。
通过在某些地方适当地放置伪卫星，那么伪卫星提供的测距信号可以增强卫星定位系统的几何形状，从而提高系统的精度。
伪卫星对于飞机应用的另一个好处是能明显地改善垂直位置精度。从飞行的飞机上看，卫星总是位于飞机所处的水平面之上，而伪卫星位于下面，伪卫星的信号来自负仰角。因此，如果导航计算时增加一个伪卫星信号，那么将减小VDOP，从而提高垂直位置精度。
伪卫星是固定在地上的，其位置可以预先精确测定，因此没有星历误差；而且由于不经过电离层，也没有电离层误差。此外，如果伪卫星距离比较近，对流层误差也很小，可以忽略不计。
3.2 改善完好性
伪卫星提供的额外测距信号非常有用。每个额外的伪卫星信号都可以使用户在缺少一个卫星信号的情况下仍能进行基本的导航、故障检测和故障隔离。否则，如果没有伪卫星型号，想要完成上述功能就不能缺少这个卫星信号。在正常星座不能提供最够连续性的区域，这种能力也是很有价值的，在一个或更多个卫星信号失效时就更有价值。因为卫星和伪卫星是两个完全分离的系统，由不同的系统控制运行，因此卫星和伪卫星同时失效的可能性就极小。
接收机通过使用自主完好性监测（RAIM）来监测系统的完好性。在RAIM算法中，额外的伪距可使接收机铜鼓偶监测最小平方根残差检测到许多导航误差。
3.3 改善可用性
由于卫星数量受到限制，因此在某些地方卫星的轨道不便于导航。额外的导航信号可以增强卫星星座，可以改善未经辅助的卫星导航系统的可用性和精度。通过发射其它导航卫星来提供这些额外的导航信号是困难的。但如果导航服务区域小，那么添加伪卫星倒是很容易办得到。因为伪卫星的位置是可以选择的，因此伪卫星可以放在那些卫星信号可能会受到遮挡的区域，如在城市的高楼大厦中、隧道里。
在单独使用卫星导航系统时，可用性和完好性都不够高。以GPS为例，GPS星座预定的可用性是98%，这对主要的导航系统来说是不够的。更何况，接收机自主完好性监测的可用性明显低于98%。但是，在用户设备中把GPS和伪卫星结合起来，可现住地改善位置解的可用性和完好性，并提高接收机自主故障检测和隔离能力。当然，在GPS的覆盖能力较差的地区和时刻，这种提高尤为明显。 四、伪卫星辅助的卫星导航定位
GPS的大量应用促进了伪卫星技术的飞速发展。国外对GPS中伪卫星的运用研究的比较多。按照伪卫星的构成和工作原理，可以按照如下的几种方式来使用伪卫星辅助卫星导航定位。
4.1 直接测距伪卫星
直接测距伪卫星完全是陆基卫星，采用与卫星信号一样的定时方法产生码相位、载波相位和数据，电文格式也基本类似。唯一不同的是在导航电文中伪卫星的位置必须使用地理学参数，而不是卫星使用的轨道参数来表示。接收机只是简单地将伪卫星信号作为一个额外的卫星信号一样，也就是将伪卫星看作卫星一样作为测距源。接收机对伪卫星和卫星信号采用相同的测伪距方法和算法。直接测距伪卫星自己生成导航电文和测距信号。
直接测距伪卫星要求伪卫星的时钟精度应该与卫星时钟精度可比拟。实际中，这意味着伪卫星必须采用稳定度较高的原子钟，使得伪卫星信号与卫星信号保持发射同步。
4.2 移动伪卫星
通常，卫星定位是由一个接收机接收由多个卫星或伪卫星发射的信号来确定接收机的位置。但也可以将发射机和接收机的角色反过来，使用一组接收机来确定发射机（伪卫星）的位置。这种方法叫做移动伪卫星。
确定移动伪卫星的位置同样需要至少四个接收机。这些接收机跟踪卫星信号，同时也跟踪移动伪卫星的信号。这些接收机通过接收卫星信号确定出自己的位置，然后将自身的位置和移动伪卫星的伪距测量值传送给中央计算机，中央计算机将接收到的信号进行处理，就可以得到移动伪卫星的瞬时位置。移动伪卫星信号的绝对定时并不重要，只使用在固定位置接收到的伪距间的差值来对移动伪卫星进行导航；也可以使用与正常的导航类似的算法，将移动伪卫星的时钟偏差作为未知数求出来。因此，移动伪卫星不需要精密时钟。
4.3 数据链路伪卫星
由于各种因素的影响，接收机测量到的卫星信号包含许多误差，其中大部分误差是空间相关的。在方圆几百公里的范围内，可以使用差分技术将卫星信号空间相关误差减小到可以忽略的水平。
由于差分参考站要将差分校正信息发送给用户接收机，因此需要一条数据链路来发送这些信息。一种比较有吸引力的办法是使用伪卫星，这种伪卫星是作为数据链路使用的，因此叫做数据伪卫星。
伪卫星可以与卫星发送导航数据相同的方式将任何数据发送给用户接收机。作为单独用来发射数据的数据链路伪卫星不需要绝对的定时信息，只使用普通晶振就可以了。
4.4 同步伪卫星
伪卫星可以不用重新生成导航电文和测距信号，只是转发从卫星接收的卫星信号。这时伪卫星从地面上的一个已知点将卫星信号发射给用户。如果伪卫星的发射信号同步到接收到的卫星信号，则叫做同步伪卫星。用户接收机从伪卫星发射的信号中减去直接来自卫星的信号来计算伪距测量值，通过想减，使卫星信号中与空间相关的误差能够尽可能少地消除。
在一些不需要高精度和高完好性的应用场合，同步伪卫星的内部时延可以预先校准。对于精确的导航，预先校准的时延值可能还不够，而是必须通过导航算法计算出真实的时延值。这种情况下，同步伪卫星至少必须反射四个卫星信号。
五、伪卫星信号与星座配置
5.1 伪卫星信号
1986年，海事无线电技术委员会（RTCM）对于伪卫星进行了定义。伪卫星可以接收GPS卫星信号，计算伪距和伪距变化率的校正量，并将这些校正量以50bps的速率在L波段上发射。此外，伪卫星发射的信号应该是累GPS的，并且不干扰GPS和其它设备。RTCM委员会SC-104为伪卫星历书指定了第8类型的导航电文，包括位置、码型和伪卫星的健康信息。
理论上，伪卫星可以在与GPS频率不同的频率上发射测距信号。大多数伪卫星在GPS L1或L2频率上发射类GPS信号。
5.2 伪卫星星座配置
卫星与伪卫星信号可以有多种不同的组合。以同步伪卫星为例，考虑三个伪卫星发射一个卫星信号至一个用户接收机的情况。这种情况下，最有几何配置（DOP最小）是同步伪卫星形成一个等边三角形。卫星位于三角形中心点上空无限远处，用户接收机位于由这两个点（中心点和卫星）构成的直线上的某处。
六、伪卫星关键问题
单独使用伪卫星的定位系统也是可能的，当GPS卫星信号不可用时，如在地下和室内，可以用来取代GPS卫星星座。
6.1 “远-近”效应
伪卫星中最显著的问题是“远-近”效应。因为伪卫星是放置在地面上或空中的，比卫星近很多，而且接收机接收到的伪卫星信号电平很高。若不采取一些预防措施，伪卫星只是简单地跟卫星一样发射连续信号，那么强的伪卫星信号将淹没卫星信号，接收机将失去对卫星信号的跟踪，而开始跟踪伪卫星信号，这就是所谓的“远-近”效应，是伪卫星设计中的主要制约因素。
6.2 “远-近”效应解决方法
在过去的几十年里，对于GPS伪卫星，人们已经做了很多的努力解决“远-近”效应。如轨迹约束、天线方向图、使用分立天线、跳频、新的扩频码、频率偏移、提高接收的动态范围、脉冲发射等。海事无线电技术（RTCM-104）委员会建议使用脉冲发射的伪卫星，也就是将伪卫星信号以周期性的短的强脉冲信号发射。RTCM-104委员会建议使用10%的占空比。尽管占空比只有约10%，但脉冲要足够强，以便于跟踪。伪卫星发射机在脉冲间隔时间内关闭，以允许接收机能够无干扰地跟踪卫星信号。
伪卫星只在发射时才会干扰卫星信号。如果伪卫星只在10%的时间里发射，那么干扰也只是在这10%的时间里。在余下的90%的时间里，接收机仍然能够有效地接收和跟踪卫星信号。在这种情况下，大多数接收机都能够同时跟踪卫星信号和伪卫星信号。但这种简单的脉冲模式会产生虚假的信号，大多数接收机会将其误认为是有效信号而不再搜寻真实信号。事实上，如果采用这种简单的脉冲模式，接收机很少能截获到真实信号，只能截获到虚假信号。
RTCM-104委员会定义了一种模式，在整个C/A码历元内定义了11个时隙，在每个历元内其中的一个时隙上按照固定的顺序发射一个脉冲，每200给历元重复一次。这种模式具有很好的抗虚假特性。这些脉冲绝对不会与接收机接收的GPS位模式同时出现。
七、结论
由于北斗二代卫星导航系统从工作原理上与GPS一样，因此GPS伪卫星技术完全可以应用到北斗二代卫星导航系统中，提高我国的北斗二代卫星导航系统的导航性能。
参 考 文 献
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