伪卫星的远近效应研究

侯勇　赵凯印

摘要：介绍了全球卫星导航系统及其伪卫星在近些年的部署情况和应用，对伪卫星的远近效应进行了深入的研究。用频分多址、码分多址、时分多址结合伪卫星的特点来解决其远近效应问题。得出实际应用中，在多颗伪卫星的复杂应用场合，最好的解决方案应该是时域、频域和码域的技术组合。

关键词：伪卫星；远近效应；全球导航卫星系统

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2014）01-0216-03

全球卫星导航系统是一个覆盖全球的网络，为用户提供无间歇、无地域差别的导航、定位和授时服务，为个人和其他物品提供高精度的位置、速度和时间信息，可以在此基础上开发更为丰富的服务社会基础建设、经济和军事等的应用。目前，中国自主开发的北斗卫星导航系统正在逐步按计划完成发射组网，截至2013年10月25日，在轨的北斗导航卫星已有16颗，并且在2012年底组网完成，提供覆盖亚太地区的无源定位、授时、导航和短报文通信服务能力。

伪卫星提供一个额外的信号发射源，这样可以增大卫星的覆盖面积，改善导航卫星系统的星座配置，可以应对导航卫星故障或弥补本身系统的几何结构缺陷，为用户提供更好的导航服务。此外，即使轨道卫星没有失效，伪卫星提供的额外的测距码信号也可以对卫星导航系统进行增强。近几年对全球卫星导航系统的性能提出了更高的要求，高精度增强系统和米级甚至厘米级的定位需求越来越多，如智能网络、智能传感器等智能产业，室内精确定位、机场飞机着陆等方面。但真正推广和商用仍有关键问题急需解决。

1 伪卫星远近效应的产生

伪卫星高精度增强系统在布网建设中，远近问题是由系统的特殊性产生的无法回避的关键问题之一。轨道卫星的运行轨道一般距离地表20000km到35000km，因此当位于地表的用户接收机处于运动状态或者有比较大的位移时，地表的用户接收机到轨道卫星的实际距离其实变化很小，几乎可以忽略，同时地表的用户接收机接收来自轨道卫星的信号强度也不会发生太大变化。但是，处于近地空间或者地基伪卫星与用户接收机距离和轨道卫星相比，距离要小的多，因此对用户接收机的运动和位移比较敏感，用户接收机接收的伪卫星的信号强度变化比较大，导致用户接收机收到的伪卫星信号高过轨道卫星的信号强度太多，使用户接收机很难同时捕获跟踪轨道卫星和伪卫星的信号，即远近问题。如图1所示。

此处用北斗卫星导航系统为例，单颗轨道卫星发射测距码信号的功率一般为15W，信号从位于20000km至35000km高空的轨道卫星发射出去，穿透电离层受到延迟影响，然后到达用户接收机，信号从发射到接收的过程中，受到了非常大的衰减。根据2012年12月27号北斗卫星导航系统管理办公室公布的关于北斗卫星导航系统的空间信号接口控制文件定义，当卫星仰角大于5度，在地球表面附近的接收机右旋圆极化天线为0dB增益时，卫星发射的导航信号到达接收机天线输出端的I支路的最小保证电平为-163dBW，用毫瓦表示，即为-133dBm。

从上述分析可知，轨道卫星发射的导航信号经过电离层延迟和传播衰减，使信号极易受到其它信号的干扰。由于伪卫星距离用户接收机相对于轨道卫星来说近的多，尤其是地基伪卫星，距离接收机更近，信号太强则会对接收机产生干扰，甚至淹没来自高空的轨道卫星信号，用户接收机无法同时捕获跟踪轨道卫星和伪卫星；如果用户接收机移动到距离伪卫星的范围比较远，伪卫星的信号也会由于距离和地表的障碍物的影响导致信号太弱而不能有效的捕获和跟踪。由此就产生了伪卫星技术中的远近效应问题，对于远近效应问题最好的解决方案就是伪卫星发射器的位置一定要选择得当，既不会因为距离太近干扰到轨道卫星信号又不会因为距离太远导致接收机无法跟踪伪卫星信号，要保证在最大范围内提供足够强的伪卫星信号，使用户接收机能够同时跟踪轨道卫星和伪卫星信号。

当把用户接收机置于上图所示的伪卫星近区内，太强的伪卫星信号会强烈干扰衰减严重的轨道卫星信号；当用户接收机移动到伪卫星的远区时，用户接收机将很难捕获并分离出伪卫星信号。只有当用户接收机移动到伪卫星合适的工作区域，用户接收机才能同时捕获到轨道卫星信号和伪卫星信号。如果同时存在多颗伪卫星，在考虑伪卫星信号与轨道卫星信号干扰的同时，还要兼顾到多颗伪卫星之间近区、远区及工作区域的交叉重合问题。

可以通过以下方法来估算伪卫星工作区域的近区和远区的界限。当伪卫星信号功率等于北斗卫星导航系统空间信号接口控制文件中规定的用户接收信号最小保证电平-163dBW时，伪卫星的发射功率决定了伪卫星距远边界的距离。当然，绝对功率电平决定不了远边界和近边界的范围直径的大小，而是由用户接收机对伪卫星信号的互相关干扰的跟踪裕量所决定的。

如果用户接收机接收到的伪卫星信号为-168.4dBW，已知可以接收-163dBW的信号，那么在轨道卫星和伪卫星的测距码之间就会发生互相关，由下式（1）表示：

[Prec=Pdes+20log（d0d）] （1）

上式中[Prec]：表示用户接收机实际使用过程中接收到的来自伪卫星信号功率；

[Pdes]：用户接收机工程制造时的标准功率，通常为-163dBW；

[d0d]：用户接收机在工程制造时的标准功率下所能跟踪的范围半径[d0]与实际使用过程中伪卫星的范围半径[d]的比值。

远边界和近边界范围半径的比经上式和实际的技术标准计算可得理论上约为12，只有用户接收机在这个范围半径的工作区域移动时，才不会产生轨道卫星信号和伪卫星信号相互干扰，才能同时被捕获跟踪到。

2 伪卫星远近效应的解决方案

从伪卫星的整个系统来讲，可以考虑从硬件和软件这两方面解决远近效应问题。硬件包括伪卫星的基带设计、射频设计、载波频率、信号发射方式等；软件包括用户接收机端的数据处理软件及数字信号处理方式、伪卫星与接收机的位置布设等方面。通常是从伪卫星端来解决远近效应問题。

2.1码分多址（CDMA）

码分多址（CDMA）技术是由扩频通信技术发展起来的，即将原始信息的带宽大大扩展，采用一个带宽远大于信号带宽的高速伪随机码序列去调制具备一定信号带宽的要传送的信息数据，然后再次把信号调制到载波上，然后把信号发射。用户接收机解调时使用的伪随机码要和伪卫星发射时调制的伪随机码一致，最后把解调后的信号下变频，最后得到想要的测距码和导航电文信息。通过码分多址技术的应用，多颗轨道卫星及伪卫星各自分配具有一定特性的正交地址码，然后分别进行信号调制和发射，运用了各个信号地址码型之间的不同和正交性来实现其信号的分离，因此各个信号可以在同一频带上可以像各自都有其信道一样来传输信号。

伪卫星的码分多址技术中的地址码使用的新Gold码和轨道卫星测距码所采用的Gold码不同，假设使用新的伪随机码分离达到60dB的动态范围，则至少提高25MHZ以上的码元码率。因此用户接收机的接收信号的兼容性变差，使接收机的成本明显提高。

2.2频分多址（FDMA）

在频分多址技术中，把不同的频率分配给不同地址的用户，各信道在时间上可同时使用，即伪卫星和轨道卫星分别调制到不同的载波上，然后使用滤波器选取需要的载波信号并阻塞掉不需要的其他信号。下面的几种频分多址方案虽然可以不同程度改善远近效应问题，但都有各自的局限性。

2.2.1带外发射

轨道卫星的的标称载波频率已确定，伪卫星可以使用任何符合国家规定的频率来调制信号并发射出去。采用这种方法的伪卫星发射频率与轨道卫星的频率不同，普通的用户接收机中的滤波器就会过滤并阻塞伪卫星信号。因此，如果选用带外发射来接收伪卫星信号，为了可以在不同的载波频率上同时捕获和跟踪伪卫星和轨道卫星信号，需要在普通的用户接收机上增加一个射频模块。这将增加用户接收机设计制造的投入成本和导航算法的复杂性，降低用户接收机的通用性。这个方案的优势是经过增加射频模块的用户接收机通常很容易捕获和跟踪轨道卫星标称载波以外的信号。

2.2.2跳频

采用跳频技术，伪卫星发射可以在较高和较低两个零点跳跃的窄带信号，会极大的减少对轨道卫星信号的干扰。由于这个方案中时间平频率和卫星载波相一致，比较适合同步伪卫星。并且采用不同的跳频方式还可以同时发射多个伪卫星信号。

尽管这种形式的信号互相关特性比较不错，但因为绝大多数用户接收机的动态范围都很有限，导致仍然会阻塞绝大多数的用户接收机。当伪卫星信号功率高于用户接收机所固有的动态范围时，此时相当于用户接收机处于伪卫星的近区范围之中，故与用户接收机互相关无关的轨道卫星信号将会变的很微弱。在未来一段时间内，由于制造成本的限制导致这种情况是无法改变的。

2.3时分多址（TDMA）

时分多址技术是把时间划分出互不影响的时间片（帧），伪卫星再在每个时间片上划分出来的时隙即信道上来发送调制过的载波信号。因此时分多址技术对定时和同步有比较高的要求，用户接收机需要在伪卫星发射的时隙进行信号的同步接收，可以分别在各时隙中接收到轨道卫星和伪卫星的信号而不会导致各时隙的信号交叉干扰。

对于普通用户接收机来说，任何脉冲伪卫星信号相对于轨道卫星来说都是干扰信号，其干擾与发射时间成正比，这就是脉冲伪卫星信号的占空比。当然，脉冲伪卫星信号占空比越低，对用户接收机的干扰就越小。在时分多址的信号结构工作模式下，理论上可以采用较低占空比的短脉冲来发射伪卫星信号，来尽可能的降低对用户接收机的干扰，但随之而来的问题是低占空比的伪卫星信号比较微弱，捕获起来更困难。在时分多址技术中采用脉冲伪卫星发射信号时，假设伪卫星仅在10%的时间内发射调制过的载波信号，那么用户接收机将会在其它90%的时间内只收到调制过的轨道卫星信号。如果采用这种解决方案，则现有的普通用户接收机几乎都可以同时捕获到轨道卫星信号和伪卫星信号。

3 总结

采用时分多址的信号结构方式相比来说是比较优势的。使用脉冲伪卫星在10%的时间内发射信号，即使用户接收机处于伪卫星近区的范围之内，此时也很难对所捕获跟踪的轨道卫星信号形成干扰。实际上采用这种简单的脉冲模式，用户接收机只能截获到虚假信号，而很少能够截获真实信号。综合以上码分多址、频分多址、时分多址中的几种解决方案，各有其利弊和适用范围，因此在多颗伪卫星组成的系统中，统筹布网建设、实际环境和经济条件以及适用性的考虑，应从上述解决方案中选择最适合的或者组合的方案。

参考文献：

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