伪卫星应用中远近效应及其抑制技术分析

马鹏程,唐小妹,朱祥维,欧钢

(国防科学技术大学 电子科学与工程学院,长沙 410073)



伪卫星应用中远近效应及其抑制技术分析

马鹏程,唐小妹,朱祥维,欧钢

(国防科学技术大学 电子科学与工程学院,长沙 410073)

针对伪卫星地基导航增强系统中存在的远近效应问题,给出了该系统应用中的信号模型,从理论上说明了远近效应出现的原因以及抑制技术的展开方向;根据抑制技术展开的位置不同,从信号接收层和信号发射层两个方面,总结了当前的伪卫星远近效应抑制技术,对比分析了它们的机理以及特点。提供了伪卫星应用中远近效应抑制技术的备选方案,可以作为实际工程应用中的技术参考。

伪卫星;导航;远近效应

0 引 言

全球导航卫星系统(GNSS)已经在军事和日常生活的各个领域发挥了重大作用,但是在导航卫星可见性较差的区域或者星座几何分布非理想时,GNSS性能会受严重影响[1],难以实现实时高精度定位导航。

伪卫星是安装在地表区域能发射类似于GNSS信号的“卫星”,可以有效地提高GNSS的定位精度、改善其完好性和可用性。多个伪卫星可以组成一个独立的定位系统,甚至可以完全摆脱对GNSS的依赖。但是在伪卫星应用过程中存在一些亟待解决的问题,比如远近效应、多径效应、对流层时延等[2],这些问题在一定程度上制约了伪卫星在实际中的应用和发展。

远近效应是伪卫星地基导航增强系统中最显著的问题之一,它指的是接收机接收到的近处伪卫信号比较强,而接收到的导航卫星信号或者远处伪卫星信号比较弱,强信号对弱信号的接收造成了干扰。因此需要对伪卫星的远近效应做深入的研究,结合具体需求寻找最优的抑制方案。

目前伪卫星远近效应抑制技术主要从两方面展开:一是当伪卫星采用GNSS信号体制时,远近效应抑制技术主要从信号接收层展开;二是从伪卫星信号发射层出发,设计远近效应抑制效果更优的

新型伪卫星信号体制。本文从伪卫星采用GNSS信号体制出发,给出了接收机天线处的信号模型,并从理论上给出了远近效应出现的原因以及抑制技术的具体开展方向;介绍了GNSS信号体制下信号接收层远近效应抑制技术,然后对新型伪卫星信号体制下信号发射层远近效应抑制技术进行分析,为伪卫星在实际中的应用奠定技术基础。

1 伪卫星系统中的信号模型

1.1 接收机天线处信号模型

当接收机距离一颗或几颗伪卫星比较近,距离其他几颗伪卫星比较远时,这时候就会产生远近效应,此场景如图1所示。

图1 伪卫星远近效应场景示意图

当伪卫星采用GNSS信号体制时,忽略多径效应等影响,此时接收机天线处接收到的信号s(t)可以表示为

s(t)=ss(t)+sn(t)+sf(t)+w(t)

(1)

式中: 第一项ss(t)表示N颗导航卫星信号; 第二项sn(t)表示M颗近处伪卫星信号; 第三项sf(t)表示K颗远处伪卫星信号; 第四项w(t)表示信号噪声; n,m,k分别表示不同发射源的信号编号。为了表述方便省略上标编号,D(t)表示导航电文; τ表示接收信号时延; c(t)表示信号扩频伪码; fc表示信号标称载波频率; fd表示多普勒频移; φ表示信号的载波相位; P(t)表示接收机天线处的信号功率,它可以表示为

P(t)= PT(t)+GT(t)+GR(t)+

(2)

式中: PT(t)表示信号发射功率; GT(t)表示信号发射增益; GR(t)表示信号接收增益; λ表示信号波长; d表示信源与接收机的距离; LA表示信号传播时的大气损耗。

1.2 接收机信号处理及远近效应原因分析

∑w·c(1),

(3)

式中,R(τ)表示归一化相关函数,其值可以表示为

(4)

式中: Fs表示信号离散化处理时的采样频率; fe表示本地复制载波与信号之间的频率差异; φe表示两载波的相位差异,Tcoh表示相干积分时间。

通过式(3)可以看出,相干积分值与诸多因素有关。在等号右边,只有第一项是期望值,其他四项均为干扰值。在只有导航卫星信号的应用场景中,由于接收到的信号幅值基本一致,期望信号的自相关幅值会远大于后面干扰项的幅值,所以能够检测到期望信号。但是在伪卫星应用场景中,接收到的信号幅值动态范围较大,就会造成期望信号幅值与其自相关幅值的乘积小于干扰信号幅值与互相关幅值的乘积,这就形成了远近效应。同时也可以看到,相关积分值与信号间的多普勒频差、相位差异有关,也需要结合具体应用场景进行分析,在此不再赘述。

1.3 小结

根据前面的理论分析,远近效应抑制技术可以通过改变式(1)～式(4)当中的各个不同参数,从信号接收层和信号发射层分别降低近处伪卫星信号功率参数过大带来的远近效应问题。比如从信号接收层来说,可以改变不同来向的信号增益、在信号层面相关处理结果、本地重构相关性能更好的本地伪码,甚至是根据测得的时延算出伪距和定位结果后对接收机环路进行辅助等;从信号发射层来说,可以改变信号发射功率、导航电文、伪码、载波频率,甚至是信号发射时间的控制等,主要远近效应抑制技术如图2所示。

图2 主要的远近效应抑制技术

2 信号接收层远近效应抑制技术

在第一颗全球定位系统(GPS)试验卫星发射之前,1976年在美国Yuma测试场就开始使用放置在地面上的伪卫星对GPS概念进行试验[3]。当伪卫星发射的信号与GNSS信号体制一致时,远近效应抑制技术主要从信号接收层展开。信号接收层主要指的是接收机端,按照信号流的方向可以从天线阵、信号处理、信息处理辅助等三个方面进行远近效应抑制,如图3所示。

图3 信号接收层远近效应抑制技术

2.1 接收机天线阵远近效应抑制技术

在接收机天线处抑制远近效应的主要方法是采用抗干扰天线阵,在近处伪卫星强信号方向形成零陷,降低近处伪卫星强信号对导航卫星弱信号或者远处伪卫星弱信号的干扰。文献[4]提供了一种双射频通道抗远近效应技术,这种方案把抗干扰自适应调零天线与低增益普通天线相结合,根据接收机距离伪卫星的远近设置了不同的工作模式。但是,天线阵所带来的多个射频前端会存在温漂问题,而且很容易把伪卫星信号直接抑制掉,降低了伪卫星信号的可用性。

2.2 接收机信号处理远近效应抑制技术

在接收机信号处理算法层面进行远近效应抑制的研究非常活跃,因为这种方式成本低而且效果明显。从接收机信号处理层面来说,远近效应出现的根本原因是接收到的近处伪卫星强信号对导航卫星弱信号或者远处伪卫星弱信号造成的互相关干扰,强信号与期望弱信号的互相关峰淹没了期望弱信号的自相关峰,导致无法检测到弱信号。进一步说,互相关干扰是由于伪码非理想正交特性造成的。

通过检测并消除互相关干扰来抑制远近效应,目前有以下几种解决方法。

2.2.1 互相关峰检测

文献[5]提出了多门限检测法和多峰检测法,这两种方法在本质上是一致的,均是检测捕获到的相关峰是否由互相关引起。如果接收机判定正在捕获或跟踪一个互相关峰,这两种方法都是简单放弃利用这一弱信号测量值,所以降低了导航卫星弱信号可用性。

2.2.2 串行与并行时域干扰抵消

文献[6]提出了串行干扰抵消算法,通过从输入信号中逐个减去重构的伪卫星强信号,获得期望的弱信号之后再进行捕获。在伪码已知的前提下,重构伪卫星强信号时需要估计信号的幅度、载波频率、码相位、载波相位等,但是这种方法存在处理时延,尤其是多个伪卫星强信号同时存在的情况下,需要逐次串行重构和消除强信号。

并行干扰抵消[7]是对串行干扰抵消的改进,该方法能够一次并行减去所有强信号。当信号强度一致时,并行干扰抵消更加适用,但是强信号的信号强度不一致时,并行干扰抵消性能不如串行干扰抵消算法。

2.2.3 相关域抵消

串行干扰抵消和并行干扰抵消都是在时域对近处伪卫星强信号进行消除从而获得弱信号,而在相关域也可以直接对强弱信号的互相关进行相减消除,从而获得弱信号的自相关[8]。但是这种方法不能获得时域上的期望弱信号,对后续的信号跟踪带来不便。

2.2.4 子空间投影法

子空间投影法主要有斜投影和正交投影两种应用形式。

文献[9]提出的斜投影法,从理论上通过构建与近处伪卫星强信号平行、与导航卫星弱信号或者远处伪卫星弱信号相关的投影算子作用到输入信号上,作用后的信号不再受强信号干扰。这种方法需要估计近处伪卫星强信号幅度、载波频率、载波相位、码相位等参数,计算投影算子时矩阵运算量较大。

文献[10]提出的相减正交子空间投影法,基于强弱信号的正交性,将接收信号投影到强信号矢量上,然后将接收信号与投影得到的强信号进行相减得到弱信号与噪声的混合信号。这种方法不需要估计近处伪卫星强信号幅度参数和相位参数。投影算子的获得仍需进行矩阵求逆。

为了避免复杂的矩阵求逆运算,文献[11]提出了使用内积运算的子空间投影法,其原理与相减投影法一致,避免了矩阵求逆运算。但是这会导致每次只能处理一个强信号。

文献[12]提出的子空间投影法,其思路是构建一种新码,使之与强信号的伪码完全正交,与弱信号的伪随机码高度相关。接收机通过复制这种新码与接收信号进行相关运算,通过抑制强信号与弱信号的互相关来克服远近效应。虽然这种方法最多只能应对三颗伪卫星强信号存在的情况,但是只要改变算法的约束条件就可以增加应对伪卫星强信号的数目。

2.3 接收机信息处理辅助远近效应抑制技术

在信息处理层抑制远近效应,一种可行的方法是采用矢量跟踪环路[13],利用导航解算的结果对跟踪环路进行辅助。应用矢量跟踪环路能够同时稳健地跟踪远场和近场的信号,但是文献中都只是在室内实验室特定条件下做了实验,还需更多的研究其抑制强信号的机理和进行室外验证。而且,采用矢量跟踪算法复杂度较高,文献中的实验均基于软件接收机。

2.4 小结

伪卫星信号接收层远近效应抑制技术对比如表1所示。表中的主要相关参数均为式(1)～式(4)中省略时间标志的参数,表示此抑制技术主要是针对哪些参数进行的。其中c表示本地伪码,τ表示信号时延(伪距)。

综上所述,构建与强伪卫星信号正交、与弱信号相关的本地伪码,无需估计强信号参数就可以抑制近处伪卫星强信号对导航信号或者远处伪卫星弱信号的干扰,而且不需要增加额外的天线阵,具有相对较好的抑制性能。

从信号接收层解决远近效应是被动的,抑制技术受GNSS信号体制的约束。为了更好地解决远近效应问题,从信号发射层改变伪卫星发射信号方式或参数是研究的另一个方向。

表1 信号接收层远近效应抑制技术对比

3 信号发射层远近效应抑制技术

信号发射层远近效应抑制技术,主要从以下三个方面展开:伪卫星信号发射技术、伪卫星信号体制设计和信号功率控制技术。

3.1 伪卫星信号发射技术

伪卫星可以改变传统的连续发射单一导航信号的模式,采用脉冲发射或者双重发射等技术,使之具有更良好的远近效应抑制性能。

3.1.1 脉冲伪卫星信号发射技术

为了降低对导航卫星弱信号或者远处伪卫星弱信号的干扰,可以在一个伪码历元内采用较小的占空比来发射伪卫星信号。尽管脉冲信号占空比较低,但是信号强度可以足够强,以便于接收机接收伪卫星信号。

简单的脉冲信号发射模式容易产生虚假信号。RTCM和RTCA曾针对海事和航空应用分别发布过两种伪卫星脉冲信号标准[14],它们能够有效避免虚假信号的产生。目前脉冲信号在伪卫星当中应用最为广泛,而且已经在市场上有成熟的产品,比如Locata系统。2011年Locata公司就与美国军方展开了合作,以其优越的性能得到了广泛的认可[15]。关于脉冲信号设计可以参考文献[16]。由于脉冲信号使载波相位不再连续,因此会对接收机定位精度产生一定的影响,尤其是在需要载波相位进行高精度定位的应用场景中。

3.1.2 双重信号发射技术

文献[17]提供的一种双重信号发射技术(DTT)也能够有效抑制近处伪卫星强信号。DTT在伪卫星天线处同时发射即时信号和对即时信号时延半个伪码周期且载波相位翻转π的信号。此时,伪卫星发射的信号模型可以用下式表示。

D(p)(t)c(p)(t-Tc0.5)sin·

(2πf(p)(t)t+φ(p)+π)

(5)

式中,Tc0.5表示半个伪码周期,其余各符号含义与式(1)一致。在接收机端,根据伪码相关的周期性,时延的半个伪码周期的信号用来消除伪卫星信号干扰。接收机码跟踪环路结构如图4所示。

图4 DTT接收机码跟踪环路结构

图4中,时延码生成器用于生成时延半个伪码周期的伪码。此方法对于静态多径场景下的低动态用户具有良好的性能。此种方案的载波相位是连续的,可以应用在依赖载波相位进行高精度定位的场景中。然而此方案在接收机捕获的过程中存在两个自相关峰,需要进一步研究解决。

3.2 伪卫星信号参数设计

通过修改式(1)式中信号模型的参数,比如载波频率、伪码参数、导航电文等,也可以生成有效抑制远近效应的新型伪卫星信号体制。

3.2.1 新型载波频率

在载波频率方面,可以选择频率偏移、跳频、带外发射等方法。

频率偏移指的是以导航信号频谱的一个零点作为伪卫星信号的载波频率中心点,但是导航基带信号具有一定的带宽所以这种方式存在频谱混叠,会引起互相干扰;跳频指的是在导航信号频谱各个零点处交替跳跃发射伪卫星信号,但是要跟踪这种格式的信号需要接收机相关芯片进行重大修改;带外发射指的是使用远离传统导航信号频带的频率作为载波频率,这种方式需要单独的射频通道来接收伪卫星信号。比如Locata系统采用的载波频率就是远离GNSS频带的工业科学及医疗(ISM)频带,此频带在2.4 GHz处。

2006年,文献[18]提出了正交频分复用(OFDMA)信号体制的伪卫星并在室内环境下进行了仿真,仿真定位结果可达到厘米级精度。

3.2.2 新型扩频伪码

在扩频码方面,就是要选用与现有导航卫星信号扩频码之间互相关最小的伪码,使伪卫星强信号与弱信号的互相关作用最小,以此来抑制远近效应。能够可以有效降低互相关作用的伪码可以是更长的码、多历元扩频码、更快的码、多相码以及模拟码等[14]。

3.2.3 无导航电文调制

如果接收机提前精确已知伪卫星的位置,则接收机只需要测得自己与伪卫星的距离即可。文献[19]提供了一种无电文调制的伪卫星信号体制,在这种信号体制下可以降低伪卫星信号发射功率,然后充分加长相干积分时间,就可以增强弱信号的积分增益,而不用担心受电文跳变的影响。但是这种方式只能应用于伪卫星位置固定且接收机对伪卫星的位置精确已知的前提下。

3.3 信号功率控制技术

在信号功率控制方面,使接收机的使用区域处于合适的信号功率范围内也是一种特殊的解决远近效应的方法。比如机场着陆场景下,伪卫星的放置位置需要精心设计,保证飞机在着陆过程中接收机一直处于伪卫星信号的工作区域内,接收机能够正常地同时接收处理导航卫星信号和伪卫星信号。

文献[20]提出了一种伪卫星端基于功率控制的远近效应抑制技术,其信号体制是基于脉冲信号体制。与传统脉冲信号体制不同的是,此种功率控制技术在一个伪码历元内发射多个相邻的脉冲信号,而且脉冲信号幅度逐次降低。这种方法有效地扩大了伪卫星信号的覆盖范围。其信号发射功率变化如图5所示。但是这种方式扩展了脉冲信号的占空比,容易阻塞接收机。

图5 逐次降低脉冲幅度信号发射技术

3.4 小结

伪卫星信号发射层远近效应抑制技术对比如表2所示。表中的针对信号参数均为式(1)中省略伪卫星编号和时间标志的信号参数。

表2 信号发射层远近效应抑制技术对比

4 结束语

伪卫星地基增强技术可以有效提高GNSS的性能,能够满足人们对于导航高精度、高可靠性的需求,但是伪卫星应用过程中存在远近效应问题。本文从伪卫星信号接收层和信号发射层两个方面,详细总结分析了目前主要的伪卫星远近效应抑制技术,指出了一些技术应用的局限性,为卫星导航系统尤其是北斗卫星导航系统伪卫星地基增强应用提供相应的技术参考。

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Analysis of the Near-far Effect and Mitigation Techniques in the Pseudolite Applications

MA Pengcheng,TANG Xiaomei,ZHU Xiangwei,OU Gang

(CollegeofElectronicScienceandEngineering,NationalUniversityofDefenseTechnology,Changsha410073,China)

Aiming at the near-far effect in the pseudolite terrestrial augmentation system, the signal models in it are presented in this paper. The reasons for the near-far effect and the probable solutions are also analyzed in theory. This paper will provide a review of the recent research in the field of near-far effect mitigation techniques and analyze their mechanism and characters from the signal receiving layer to the signal transmitting layer. This investigation will provide a reference for the pseudolite augmentation techniques.

Pseudolite; navigation; near-far effect

10.13442/j.gnss.1008-9268.2016.05.006

2016-06-18

TN967.1

A

1008-9268(2016)05-0028-07

马鹏程 (1992-),男,硕士生,主要从事卫星导航信号处理、伪卫星远近效应抑制技术等研究工作。

唐小妹 (1982-),女,博士,副研究员,主要从事卫星导航系统、导航应用、导航信号体制等领域的教学科研及工程研制工作。

朱祥维 (1980-),男,博士,副研究员,硕士生导师,主要从事卫星导航定位系统体制设计、全数字接收机、高精度零值测量等研究工作。

欧钢 (1969-),男,博士,教授,博士生导师,主要从事卫星导航定位、导航信号处理、导航信息处理及工程技术实现等研究工作。

联系人： 马鹏程 E-mail: mapengcheng1001@163.com