伪卫星增强卫星定位精度与抗干扰能力研究*

周坤芳 佟海鹏 朱 强

(海军陆战学院 广州 510430)

伪卫星增强卫星定位精度与抗干扰能力研究*

周坤芳 佟海鹏 朱 强

(海军陆战学院 广州 510430)

受信号遮挡或干扰影响,卫星导航在一些场所应用受限,而伪卫星作为一种简便易行效果显著的增强手段,在一定程度上可弥补其不足。通过对伪卫星增强卫星定位原理研究,从几何精度因子、接收机干信比着手,分析伪卫星增强卫星定位、抗干扰效果及伪卫星增强应用中注意的几个问题。仿真说明,只要通过合理布设伪卫星,可以有效改善卫星导航定位图形结构,提高导航定位精度和抗干扰能力。

伪卫星; 定位原理; 几何精度因子; 抗干扰能力

Class Number P228

1 引言

卫星导航定位的精度和可靠性依赖于可见星数量和几何分布,在峡谷、城市高楼地区等观测环境较差的区域,信号受到遮挡而影响定位[1];同时受卫星载荷影响,卫星发射功率不能很大,使得落地卫星信号功率较小,导航信号易受干扰而影响定位[2]。伪卫星作为布设于地面或空中发射某种定位信号的发射器,可以有效改善用户定位精度,提高抗干扰能力,满足用户需要。

2 伪卫星增强定位原理

在可视范围内,伪卫星通常被当作附加的导航卫星使用,它能够有效地改善卫星导航定位图形结构。伪卫星技术应用于卫星导航定位时,要考虑卫星信号与伪卫星信号功率大小的差别以及与之相关的远近效应问题,通常伪卫星信号采用不同的设计。其中伪卫星系统常用的信号调制方式为用一定的占空率,以脉冲的方式发送伪卫星信号,信号的载频和扩频码与卫星信号保持一致[3]。

2.1 伪卫星定位观测模型

伪卫星增强卫星定位中伪距定位方程[4～5]:

(1)

2.2 伪卫星增强定位原理

以GPS为例分析伪卫星增强卫星导航定位原理,GPS伪距观测模型[5]:

(2)

假设伪卫星个数为i(i=1,2…),GPS卫星个数为j(j=1,2…),则伪卫星增强GPS组合定位方程:

Apg(ti)δZ=Lpg(ti)

(3)

δZ=[δXr(ti)δYr(ti)δZr(ti) -cdtr]T

设伪卫星数i和GPS卫星数j之和为k(k=2,3…),当k=4时,可解算出唯一一组接收机坐标;当k>4时,根据最小二乘原理,进行迭代计算求出接收机坐标。

3 伪卫星增强改善几何精度因子(GDOP)值

由于遮蔽或干扰等原因引起一定视角范围内的可见星无法用于定位观测,以至于可见星不足,会造成较差的星座几何分布,甚至接收机无法进行定位解算;即使接收机可以勉强进行定位解算,若星座的几何分布很差,将导致不良的几何精度因子,使得获得的定位数据难以符合精度要求。

3.1 几何精度因子(GDOP)

从卫星定位原理可知,GPS用户卫星误差包括两大类:GPS信号测距误差和GPS定位星座几何结构,其中后者称为几何精度因子(GDOP),它对测距误差起着放大作用[6]。

(4)

式中:σx,σy,σz,σt为定位误差各分量的方差。

显然,GDOP值越小,GPS定位星座和用户构成的几何图形越好,它对用户位置测定精度的损失就越小。

3.2 伪卫星增强改善GDOP值

如图1所示,假设遮蔽或干扰等原因,在图中的阴影区域内定位时,接收机只能观测到北部上空的四颗GPS卫星,虽然勉强能进行定位解算,但几何精度因子较大,定位误差很大,如图2所示。

图1 伪卫星增强卫星定位示意图

图2 伪卫星增强前后GDOP值

在如图1所示位置分别增设仰角为5°的1号、2号和3号伪卫星,对沿阴影区域自北向南中轴线上接收机的GDOP值进行仿真计算,按不增设伪卫星时接收机GDOP值、只增设1号伪卫星时接收机GDOP值、增设1号和2号伪卫星时接收机GDOP值以及同时增设三颗伪卫星时接收机GDOP值,如图2所示。

从图2可知,在增设一颗伪卫星后,接收机的GDOP值迅速地减小了一半左右,当再增设2号和3号伪卫星后,已在很大程度上改善了系统的几何布局,系统的GDOP值减小到了较为理想的范围之内。

显然在观测卫星受到遮蔽或干扰导致可用星不足的情况下,增设伪卫星可以有效改善卫星星座布局,减小几何精度因子,提高卫星导航定位精度。

4 伪卫星提高抗干扰能力

干扰对接收机影响通常采用载波功率与噪声密度比(C/N0)来表征接收机所接受的信号质量,实际使用以干信比(J/S)门限作为失锁判别准则。

4.1 干扰—信号功率比(J/S)

当接收机被干扰而失锁时,接收机就失去了利用信号定位能力,实际使用时可用干信比(J/S)门限作为失锁判别准则[7～8]。

(5)

若到达接收机干信比超出了J/S门限时,接收机跟踪环路因失锁而失去定位解算能力。因此,通过对接收机J/S计算,可判断接收机抗干扰能力。对于载波环滤波器噪声带宽约为18Hz的GPS接收机来说,其跟踪门限[C/N0]eq=24.6dB-Hz,由式(4)计算宽窄带干扰信号时接收机门限电平(J/S),对于L1C/A码,接收机干信比(J/S)门限约38.9dB和35.9dB。

4.2 伪卫星提高抗干扰能力

GPS信号到达地面接收功率L1C/A码为-159.6dB,伪卫星发射功率为100W,接收机距离伪卫星300km,接收到信号功率Srj为-126dB,L1载频波长λ=0.19m,假设GPS L1频段导航信号受到压制干扰,而且Grj=0dB,Gj=0dB,Lf=0dB,则没有伪卫星增强时接收机干信比(J/S)与干扰功率ERPj和干扰距离d的关系如图3所示,伪卫星增强时接收机干信比(J/S)与干扰功率ERPj和干扰距离d的关系如图4所示。

图3 无伪卫星增强时L1载频C/A码干信比、干扰功率及干扰距离关系图

图4 伪卫星增强时L1载频C/A码干信比、干扰功率及干扰距离关系图

由图3和图4可知,当应用伪卫星发射增强定位信号时,相同距离上接收机接收到的干信比明显大大低于无伪卫星增强时接收到的干信比,从而使接收机在一定范围内接收到的干信比小于门限值[J/S]V成为可能。干扰使接收机失锁,要么增大干扰机的发射功率,要么缩短干扰机与接收机的距离,这就使得在实践中对接收机进行干扰面临很大的困难。因此,伪卫星增强可以提高导航抗干扰能力。

5 伪卫星增强应用中注意的几个问题

从定位原理上来说,伪卫星增强卫星导航类似GPS系统,但在实际增强应用过程中,需要注意几个问题[9～10]。

5.1 时间同步

时间尺度精确测量和传递是卫星导航定位的核心,在伪卫星增强定位过程中,必须要合理解决时间同步问题。当前应用广泛、精度较高的授时技术为GPS授时法。

5.2 伪卫星自身定位

地基伪卫星增强卫星导航定位,基站坐标能够精确确定,但地球曲率和地面障碍物的影响,使得地基伪卫星作用距离有限。而空中伪卫星覆盖范围广,具有较好的几何布局,但伪卫星自身定位问题成为影响整个定位系统性能的重要问题之一,目前空中伪卫星自身定位实现的一个重要途径是通过逆向定位方法。

5.3 合理布设伪卫星

当需要增设多颗伪卫星时,要合理布设伪卫星位置,避免动态条件下接收机运动到某一位置时,在较小的范围内与一颗以上的伪卫星距离太近。实际操作时,只需要根据远近边界的比值,适当调整伪卫星的信号功率,并合理地将增设的多颗伪卫星分散布设,使得接收机在工作区域之内,满足正常工作的需要。

6 结语

伪卫星作为效果显著的卫星导航增强手段,通过合理设置伪卫星的位置,可以有效改善卫星导航定位图形结构,提高导航定位精度和抗干扰能力,但在实际应用中还有一些技术有待于深入研究。

[1] 赵岩,高社生,冯鹏程.临近空间伪卫星抗风场干扰自主导航[J].中国惯性技术学报,2013,21(3):359-364.

[2] 李跃.导航与定位[M].北京:国防工业出版社,2008:7.

[3] 王晖辉.伪卫星增强GPS技术及应用研究[D].上海:上海交通大学,2009:2.

[4] 史峰,姚连璧.伪卫星定位技术及其应用[J].地矿测绘,2006,22(3):5-7.

[5] 刘基余.GPS卫星导航定位原理与方法[M].北京:科学出版社,2007:4.

[6] 杨晓东,赵琳.舰艇导航概论[M].北京:科学出版社,2007:8.

[7] 周坤芳,吴晞,孔键.紧耦合GPS/INS组合特性及其关键技术[J].中国惯性技术学报,2009,17(1):42-45.

[8] 吴强,周坤芳.利用伪卫星提高卫星信号抗干扰能力研究[J].舰船电子工程,2011,31(9):70-72.

[9] 呼玮,杨建军,何苹.基于临近空间飞艇定位的伪卫星布局研究[J].无线电工程,2009,39(10):23-27.

[10] 王玮,刘宗玉.伪卫星空中基站的定位算法研究[J].宇航计测技术,2010,30(1):15-19.

Position Precision and Anti-jamming Ability of Pseudolite-Augmented Satellite

ZHOU Kunfang TONG Haipeng ZHU Qiang

(Naval Academy of Arms Command, Guangzhou 510430)

As its signals are blocked or interfered, satellite navigation is limited in some locations, which can in a way be supplemented by pseudolites as an easy and effective means of augmentation. Through the study of the principles of pseudolite-augmented satellite positioning technology and starting with the GDOP and receiver jam-to-signal ratio, the effectiveness of pseudolite-augmented satellite positioning and several issues for attention in the application of pseudolite augmenting are analyzed. The simulation shows that as long as the pseudolites are well arranged, they can effectively improve the graphics fabric of the satellite positioning as well as its positioning precision and anti-jamming ability.

pseudolite, positioning principle, geometric dilution of precision(GDOP), anti-jamming ability

2014年4月1日,

2014年5月19日

周坤芳,男,教授:研究方向:导航定位技术。

P228

10.3969/j.issn1672-9730.2014.10.015