基于北斗伪卫星的近海及港口区域定位系统

邓洪有

（四川九洲电器集团有限责任公司，四川绵阳，621000）

0 前言

确定平台自身位置信息是确保作业安全以及进行高效有序管理与调度的基础和前提。随着我国海洋战略的实施，近海捕捞、近海勘探、近海搜救、近海航行、近海防务等近海活动日益增加，水运物流发展迅速，船舶进出港口日渐频繁，这对近海及港口区域舰船、飞行器的定位提出了更高的要求，要求定位系统具备较高的定位精度、能够覆盖所有的舰船及飞行器、具备一定的抗干扰能力、具备较高的完好性与可用性等。

近海及港口区域定位根据作业任务的不同可以有多种不多的定位方法，如光学交汇定位、无线电测距定位、卫星定位、水声定位以及组合定位等。目前的技术手段虽然能够在一定程度上解决定位问题，但在工程实现方面仍然存在定位精度不高以及应用受局限等问题，且更多的是依赖全球导航卫星系统（GNSS）进行工作。不过即使是目前发展最为成熟的GPS系统，在定位与导航过程中，也存在一定的局限性与风险[1]，包括太阳活动影响、干扰与欺骗、易受破坏等因素。对于一些应用领域来说，GPS系统在定位精度、可用性、完好性方面还无法满足一些用户的使用需求，如沿海港口及其附近的精确导航，要求达到米级的导航精度和较高的完好性指标，覆盖的区域又远远大于局域范围，同时可提供较高的可用性和自主知识产权。北斗卫星导航系统是我国自主开发和独立运行的全球导航卫星系统[2]，虽然拥有自主权，但也面临着与GPS系统类似的问题。因此我们为近海及港口区域作业平台定位时，不能过于依赖基于卫星导航系统的解决方案，还需要有其他相对独立的辅助技术手段来实现定位。

正是由于现有技术还存在着不稳定和不可靠因素，本文将基于伪卫星技术，为近海及港口区域作业的舰船、直升机、私人飞机、游艇等提供一种辅助的定位措施，无需过多的增加硬件设备，仅花费较小的代价便可实现。

1 系统方案

伪卫星其功能和原理与导航卫星类似，能发出与导航卫星相同格式的电文，也叫陆基卫星或陆基发射机[3]，包括天线、接收机和发射机。普通卫星接收机仅通过稍微修改软件即可接收它的信号，并得到用于导航计算的伪距或载波相位测量。伪卫星不仅能替代导航星，且能够提升整个系统的可靠性、稳定性和精度，甚至能将应用拓展到室内、地下等无法接收导航卫星信号的地方。在导航和定位的各个领域，伪卫星已经得到了充分发展和应用。美国已将这种技术应用于伊拉克战争中，确保了己方部队在受干扰的战场环境中具有精确的导航能力。

■1.1 系统组成与工作原理

该系统（如图1所示）是一个模拟北斗定位系统而设计的区域定位系统[4]，在岸上、钻井平台上选取若干个（数目≥4）固定位置配装北斗伪卫星模拟北斗系统中的卫星作为信号源，并标定好这些固定位置的精确位置信息，采用独立的时间标准和坐标系，在近海及港口区域作业的所有舰船、直升机、私人飞机、游艇等平台上配装北斗伪卫星接收机，利用伪卫星接收机接收信号并提取伪距等相关信息，实现区域定位并提高此区域内的定位精度。

图1 系统组成框图

系统工作原理如图2所示，系统工作时主控站首先通过通讯网络配置伪卫星的测距码（PRN码）和导航电文（D码），并控制伪卫星同步发送码信号，参考接收机高精度地测量伪卫星同步误差并将误差信息反馈给主控站，主控站据此调整伪卫星信号发送时间，北斗伪卫星接收机接收北斗伪卫星信号并进行伪距测量、导航电文解算及定位。

■1.2 北斗伪卫星接收机

与通用北斗接收机一样，北斗伪卫星接收机用于伪距测量、导航电文解算及定位，由天线、射频接收、信号处理、电源和数据处理机组成。因为伪卫星位置固定，导航电文与普通北斗导航电文不尽相同，不需要提供卫星轨道参数和摄动参数、电离层的延迟改正、所有卫星的星历等数据，在导航解算上与通用北斗接收机略微不同，可以通过软件升级在通用北斗接收机上实现伪卫星信号与北斗信号的兼容。北斗伪卫星接收机结构框图如图3所示。

图2 系统工作原理框图

2 关键技术

■2.1 伪卫星几何布局设计

卫星定位的精度不仅与伪距测量的质量有关，与参与定位解算的卫星数量及其空间布局密切相关[5]。首先，因为用户与伪卫星之间的距离很小，所以伪卫星系统的几何布局对系统性能的影响更大；其次，伪卫星部署比较灵活，可以优化几何布局从而提高整个定位系统的性能。

■2.2 远近效应

使用过程中用户接收机跟伪卫星的相对位置变化范围很大，接收到的伪卫星信号功率变化会很大，可能收到的伪卫星信号比真实卫星信号大很多，形成了对真实卫星信号接收的干扰，可从软件和硬件两方面解决远近效应问题。

■2.3 时钟同步

由于伪卫星制造成本的限制，时间基准通常使用廉价的晶振时钟，无法直接与BD-2的时钟进行同步，必须消除这一误差才能进行同步观测定位。

■2.4 多路径效应

伪卫星的位置布设、信号强度、工作环境使得它比BD-2信号的多路径误差更强和更为复杂，从而也更加难以消除，这是伪卫星数据处理阶段要考虑的重要问题。

3 应用优势

图3 北斗伪卫星接收机结构框图

本文提出的基于北斗伪卫星的近海及港口区域定位系统，作为北斗导航系统的辅助手段，通过合理部署伪卫星，预先精确测定伪卫星的位置消除星历误差，没有电离层误差同时对流层误差也很小，从而提高了系统的定位精度[6]；因为伪卫星和卫星是两个相对独立的系统，由不同的系统控制运行，因此两个定位系统同时失效的可能性就极小，大大提高了系统的完好性；通过将伪卫星放置于那些卫星信号可能会受到遮挡的区域，改善可用性；伪卫星距用户的距离比真正的导航卫星距用户距离小得多，因此信号衰减小，信号强度比导航卫星强得多，抗干扰能力自然明显提高。同时，结合信号加密技术，可以提高区域导航定位的保密性。

4 结束语

本文针对现有定位手段过于依赖GNSS的问题，提出了一种新型的近海及港口区域定位系统，该系统基于北斗伪卫星技术进行设计与实现。在岸上、钻井平台上选取若干个（数目≥4）固定位置安装北斗伪卫星，采用独立的时间标准和坐标系，利用北斗伪卫星接收机进行定位解算。近海及港口区域作业的舰船、直升机、私人飞机、游艇等平台对通用北斗接收机进行软件升级就能够利用该系统进行定位，具有很高的精度、可用性、可靠性与抗干扰能力，满足近海及港口区域平台自身定位的需求。