空基导航区域增强系统覆盖范围分析

高 宏，邓志鑫，王立兵，时荔蕙

(1．中国人民解放军63961部队，北京 100012; 2．卫星导航系统与装备技术国家重点实验室，河北 石家庄 050081)

空基导航区域增强系统覆盖范围分析

高 宏1，邓志鑫2，王立兵1，时荔蕙1

(1．中国人民解放军63961部队，北京 100012; 2．卫星导航系统与装备技术国家重点实验室，河北 石家庄 050081)

针对现有卫星导航信号抗干扰手段存在的不足，分析提出了卫星导航信号区域增强是提高GNSS接收机在复杂干扰环境下抗干扰能力的有效手段，对卫星导航区域增强系统的覆盖范围进行了深入的分析和研究，得到系统四星典型布局覆盖范围与伪卫星高度之间的关系，提出了采取主伪卫星体制和小区域级联体制提升覆盖范围的方法，能够在不明显增加系统复杂度的条件下大幅度地提升区域增强系统的覆盖范围。

卫星导航系统;干扰威胁;卫星导航信号区域增强

0 引言

卫星导航依靠其高精度、全天候的优势已成为现代战场中不可或缺的要素［1］，但卫星导航系统受其信号电平过低等因素影响，战场环境下其在精确性、可靠性、可用性和抗干扰性等方面存在不足［2］，尤其存在严重恶意干扰的环境下，导航性能急剧恶化甚至不能满足定位需求［3］。

针对卫星导航定位系统抗干扰能力差的问题，主要解决措施有:① 利用多阵元抗干扰天线提高抗干扰性能;② 与惯性组合增强抗干扰性能［4］;③ 利用伪卫星技术提高抗干扰性能。

多阵元抗干扰天线是提升卫星导航定位设备在压制式干扰环境下的定位能力的重要手段，但是存在体积大、重量重和成本高等问题，且对干扰源的个数和干扰与信号的夹角非常敏感，4阵元抗干扰天线只能抗3路干扰信号，应用平台与环境受限。卫星导航接收机与惯性导航系统组合，将提升高动态、强干扰环境下接收机性能，但是对于无惯性导航系统的平台将无法提升卫星导航接收机的抗干扰能力［5］。

空基卫星导航信号区域增强系统利用地面车辆或空中无人机作为伪卫星平台［6］，播发区域导航增强信号，由于伪卫星平台距离接收机较近，导航信号空间衰减小［7］，到达接收机接收天线口面的信号功率比传统卫星信号强 40 dB左右，将极大地提高GNSS接收机的抗压制干扰能力，在典型情况下抗干扰性能优于多阵元抗干扰天线，且抗干扰能力对干扰源个数不敏感，只与干扰总功率有关［8］。因此，卫星导航信号区域增强是提高接收机在复杂干扰环境下抗干扰能力的有效手段。

本文从用户使用角度分析了卫星导航区域增强系统的覆盖范围，为区域导航增强系统的建设和应用提供参考依据。

1 小区域最优星座构型服务范围分析

在区域导航增强应用中，首先需要解决的问题之一就是伪卫星的位置布局，良好的布局将能够最大限度地提升系统的覆盖范围，并降低几何精度因子。通常，伪卫星布局应顾及以下2方面的要求:①确保伪卫星有效工作区的相互交叠;② 具有良好的几何布局结构。用户连续定位解算至少需要4颗可见星，因此需要首先分析4颗可见星条件下的最优星座布局和其覆盖范围。

4颗可见星条件下的星座构型设计以用户能够达到最小的GDOP值为原则，为了实现中心区域的GDOP最小，通过STK仿真得到4星最优星座布局如图1所示，图1给出了接收机遮蔽角为10°、顶星为20 km、3颗辅星高度为40 km时，在对中心半径约107．9 km的区域实现无缝覆盖的条件下，地面GDOP的仿真结果，由图1可知，在服务区上空安排1颗顶星和3颗边缘辅星可满足中心区域的最优GDOP值要求，可以看到中心约20～30 km范围内可达到良好的GDOP分布，在边沿区域GDOP值将逐渐降低。

图1 顶星－辅星4星GDOP覆盖特点

下面分析在4星最优布局条件下，伪卫星高度与小区域覆盖范围之间的关系。图2给出了典型4星布局(1颗顶星+3颗辅星)条件下的覆盖范围示意图，阴影区域即为典型布局单元的覆盖范围。假设地面观测伪卫星时的遮蔽角为5°，则以目前系统体系架构，地面服务区域大小与伪卫星高度之间的关系如表 1所示，此时服务区的面积为 0．704 77a2，a为三角形的边长。由表1可知，随着空基伪卫星平台飞行高度增加，其覆盖范围显著提升，但是当空基伪卫星平台的高度超过20 km后，进一步提升空基平台高度对覆盖范围提升的影响逐步减弱，同时，过高的平台高度将导致系统成本显著提升，并大大增加了信号传播误差对系统精度的影响。

图2 理想情况下的区域导航覆盖范围(阴影区域)

表1 空基伪卫星高度与地面服务区域直径之间的关系

上面分析了理想星座构型下的服务范围，如果星座构型不理想，则有效服务区域会变小，但是可以通过增加伪卫星数目的方法来解决这一问题［9］。

2 广域服务方案设计

除了空基伪卫星平台的高度和伪卫星数量以外，决定伪卫星系统覆盖范围的另一主要因素为伪卫星的组网，因为所有伪卫星必须与地面中心站存在视距链路，以实现空基伪卫星的管控与时间同步。伪卫星与中心站由于遮蔽角问题超过视距范围后中心站与伪卫星已经无法实现时间同步，这样就无法保证用户的服务精度，因此伪卫星系统的覆盖范围主要受同一个参考时间节点的可视性决定。

如果想进一步扩大服务区域，可以采取2种方案:主伪卫星工作体制和小区域级联工作体制。

2．1 主伪卫星工作体制

依据上面分析，限制伪卫星系统服务区域的主要因素是时间同步链路的可视性问题，为了解决这一问题，可以将双向时间同步与系统控制的中心节点由地面转移到某一颗伪卫星上，该伪卫星称作主伪卫星。该技术体制采用主伪卫星实现所有视距链路的时间同步，由于主伪卫星在高空，因此其视距链路更远，这样天空中可以分布更多、更远的伪卫星实现一体化的时间同步，地面的服务区域也就可以相应的增加。

中心站放置在地面和空中的最大视距链路示意如图3所示。

图3 中心站放置在地面和空中的最大视距链路示意

假设2颗伪卫星连线与地表之间的最近距离为1 km，则不同伪卫星高度情况下的地表服务区域如表2所示。由表2可知，主伪卫星体制下服务区域相对于传统体制而言大大增加，可以满足大区域范围内的伪卫星增强需求。

表2 主伪卫星体制下伪卫星高度与地面服务区域直径间的关系

该方案的优点在于系统的成本没有明显增加，但服务范围却大大增加;其缺点在于增加了伪卫星的设备复杂度，因此又提出了一种小区域级联工作体制。

2．2 小区域级联工作体制

以4颗伪卫星+1个地面中心站形成一个伪卫星增强服务小区，该小区内由地面中心站对所有伪卫星进行时间同步。如果多个小区进行级联，主要需解决小区和小区之间的时间同步问题，运用站间卫星双向时间同步技术或者通过预置的光纤网络即可实现2个小区的高精度时间同步。

系统工作原理如图4所示。将多个小区进行级联即可实现广域卫星导航增强服务。此时多个地面中心站中应有一个主中心站，其他为分中心站，所有分中心站的时间向主中心站看齐，将所有分中心站与主中心站之间的时间差叠加到分中心站所控制的所有伪卫星双向时间同步钟差中，即可使广域范围内所有伪卫星保持相同的时间基准，从而对用户而言实现广域连续导航增强服务。

图4 小区域级联工作体制示意

级联工作体制情况下的系统服务区域示意如图5所示，其中3个4星典型小区域通过级联围成了较大的广域服务区，该区域中不在小区域范围内的用户可通过接收来自不同小区域的伪卫星来实现自身定位。

图5 级联工作体制系统服务区域示意

3 结束语

伪卫星增强系统是保证复杂电磁环境下制导航权的重要手段［10］，能够极大地提升覆盖区域内导航定位设备的抗干扰和反欺骗［11］应用能力，并且伪卫星装载于空基平台能够有效保证系统的快速部署［12］。首先对小区域典型布局条件下的覆盖范围进行分析，然后提出了2种提升系统覆盖范围的方法，所提方法简便易行，且行之有效，能够在不显著提升系统复杂度的条件下提升系统覆盖范围，满足大区域导航增强应用需求。

［1］ 刘 荣，王立平，陈 杨．GPS接收机抗干扰性能仿真研究［J］．无线电通信技术，2014，40(1):58－60．

［2］ 杨 亮．通信系统中空时二维抗干扰方法研究［J］．无线电通信技术，2013，39(6):74－77．

［3］ 秦明峰，惠沈盈，范广伟．一种多路并行盲搜索的空时二维抗干扰算法［J］．无线电工程，2016，46(5):29－32．

［4］ 王明建，李建军，李 钊，等．改进自适应UKF在组合导航系统中的应用研究［J］．无线电工程，2016，46 (6):76－78．

［5］ 周泓伯，孙 旭，叶红军．组合导航装备性能评估技术研究［J］．无线电工程，2015，45(11):40－43．

［6］ 王晖辉．伪卫星增强GPS定位技术及现状分析［J］．测绘科学，2009(5):89－93．

［7］ 许国军，王 丹，程 远，等．伪卫星增强GPS可用性的仿真研究［J］．舰船科学技术，2016，32(6):132－135．

［8］ 张政治，杨胜斌，朱志诚．基于北斗卫星导航系统的伪卫星增强技术初探［J］．全球定位系统，2013，38(5): 65－68．

［9］ 李 强，王 昊．导航抗干扰接收机中通道误差的影响及校准方法［J］．无线电通信技术，2016，42(2):77－79．

［10］吴 强．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(9):59－62．

［11］李雅宁，蔚保国，甘兴利．卫星导航接收端反电子欺骗技术比较研究［J］．无线电工程，2016，46(3):49－53．

［12］周坤芳，佟海鹏，朱 强．伪卫星增强卫星定位精度与抗干扰能力研究［J］．舰船电子工程，2014(10):49－52．

Coverage Analysis of Air-based Regional Augmentation System for BD Satellite Navigation Signal

GAO Hong1，DENG Zhi-xin2，WANG Li-bing1，SHI Li-hui1

(1．Unit 63961，PLA，Beijing 100012，China; 2．State Key Laboratory of Satellite Navigation System and Equipment Technology，Shijiazhuang Hebei 050081，China)

Considering the disadvantages of the existing satellite navigation signal anti-jamming means，GNSS satellite navigation signal regional enhancement is proposed as an effective means to improve the anti-jamming capability of GNSS receivers in complex interference environment．The system’s coverage is analyzed and studied．The relationship between the typical four-satellite coverage and the height of pseudolite is obtained，and the coverage improving method by implementing main-pseudolite system and small regional connecting system is presented，which can greatly improve the coverage of regional enhancement system without obviously increasing the complexity of the system．

satellite navigation system;jamming threat;regional augmentation for satellite navigation signal

N911

A

1003－3106(2017)02－0045－03

10．3969/j．issn．1003－3106．2017．02．11

高 宏，邓志鑫，王立兵，等．空基导航区域增强系统覆盖范围分析［J］．无线电工程，2017，47(2):45－47，56．

2016-11-02

十三五国家重点研究发展计划基金资助项目(2016YFB0502402)。

高 宏男，(1979—)，工程师。主要研究方向:卫星导航、大地测量。

邓志鑫男，(1982—)，高级工程师。主要研究方向:卫星导航抗干扰技术。

doi:10．3969/j．issn．1003－3106．2017．02．14