浅析移动通信技术之伪卫星时间同步法

陈健熊

（中国民用航空飞行学院，四川 广汉 618307）

0 引言

目前，全球共有四大卫星导航系统，分别为美国全球定位系统（GPS）、俄罗斯格洛纳斯卫星导航系统（GLONASS）、欧盟伽利略导航系统（Galileo）、中国北斗卫星导航系统（BeiDou），北斗导航系统的构建使中国成为世界上第三个拥有自主卫星导航系统的国家。2020年7月31日，习近平总书记宣布北斗三号全球卫星导航系统正式建成开通，标志着北斗卫星导航系统形成全球覆盖能力。近年来，北斗导航系统进入高速市场发展阶段，国家也将在民用领域和军事领域大力发展北斗导航卫星。但是北斗卫星导航系统依旧存在一些局限，例如，在地形复杂、遮挡区域，定位精度将会大幅降低。因此，发展地基增强系统和可脱离天基卫星独立定位的伪卫星系统有着重要的战略意义，而各系统中定位收发机的时间同步性能是决定整个系统定位精度的关键技术。

1 技术现状与分析

全球卫星导航系统（GNSS）是世界上应用最广的三维定位技术，为用户提供定位、速度和授时（PVT）服务。相较于其他导航系统而言，GNSS有着难以替代的全球覆盖性、高精度性等优质性能。虽然GNSS的优点极其突出，但也有其固有的局限性，例如，地面信号强度不高，受环境因素干扰较大，卫星信号在高楼群间、室内等遮挡区域严重衰减甚至丢失。这些问题无法满足用户的高性能需求，也一定程度上限制了GNSS在军事和民用领域的应用。

为弥补GNSS固有的不足，一直以来国内外专家都致力于探究不同模式的导航技术。应用较为广泛的包括：发展卫星导航增强系统、研究新的信号体制及抗干扰技术、设计高灵敏度接收机等。这些导航技术利用了差分校正、完备性监测、加强信号跟踪等技术手段，在一定程度上增强了GNSS的性 能，但并未解决制约GNSS性能的关键问题，即，当卫星信号接收机处于地形遮挡条件下无法直视卫星时，GNSS的定位导航性能将会锐减。综上所述，提高GNSS信号不可用区域导航性能的根本途径在于为用户提供额外的可用导航信号。

为此，澳大利亚Locata公司研制了一款名为Locata的地基导航系统。该系统既可与GNSS系统达成协同工作，又能够完全独立进行组网使用，不受内部或是外部环境的限制，实现厘米级的实时定位。Locata系统是通过同步信号收发器（LocataLites）自主组网构建而成，将LocataLites布置到固定坐标后，不同的LocataLites之间互相接收和发送内部时间同步信号，完成LocataNet自主组网，并通过TimeLoc技术达到网内纳秒级时间同步。要实现LocataNet 组网，至少需要3台LocataLites：其中2台作为定位单元设备（Positioning-Unit Device），1台作为参考发射机（Reference Transmitter）。用户使用的移动接收机将通过跟踪、接收网内LocataLites发射的类似GPS的定位信号或广域增强系统（WAAS）转发的GPS信号，在本地同时计算测距码和基于载波的单点定位解来完成GNSS+ Locata协同定位或Locata独立定位。

为了使用户能够利用载波相位实现独立的单点定位，LocataLites之间必须是时间同步的，并且需要很高的同步水平。Locata系统采用了TimeLoc技术来实现设备间的时间同步，试验表明其同步精度达到几至十几纳秒。

综上所述，Locata系统的创新性研发为天地一体化无缝定位导航体系提供了新思路，也为我国发展建设地基导航系统提供了更多选择和参考。

2 时间同步法TimeLoc简述

Locata系统具有高精度的定位性能，能够达到厘米级单点定位效果。由于电磁波在空中的传播速度是光速，根据距离公式可知，1 ns的时间误差会造成约30 cm的定位误差，因此，网内的LocataLites必须保持纳秒级的时间同步。TimeLoc技术的应用解决了上述提到的困境，该项技术通过选取Locata网络中一台LocataLite作为 参考发 射 机，其余LocataLites作为定位单元设备，参考发射机发射参考定位信号至各定位单元设备，定位单元设备接收到参考发射机信号后产生从定位信号，并自动测量和调整接收到的参考定位信号和自身从定位信号的频差、相差等，最后完成LocataLites统一到相同时基，达到时间同步。下面以一台参考发射机和定位单元设备为例，简述时间同步过程：

（1）参考发射机发射包括载波分量、伪随机码分量和导航数据分量的参考定位信号，定位单元设备重置重启。

（2）定位单元设备 捕获参考定位信号，并解调出导航数据（参考发射机位置、发射信号粗略时间）。

（3）定位单元设备完成与参考发射机的粗略时间对齐。

（4）定位单元设备生成同样包括载波分量、伪随机码分量和导航数据分量的从定位信号，并发射。

（5）参考发射机捕获从定位信号并解调出导航数据（定位单元设备位置、发射信号粗略时间）。

（6）参考发射机通过测量整周载波相位值作差（ICP）或通过频率跟踪系统（FTS）完成参考定位信号从定位信号的频率锁定。

（7）通过科斯塔斯环（Costas Loop）和载波相位定位测量法完成180°相位模糊度和传播时间相位偏差校正，达到参考定位信号从定位信号的相位锁定。

（8）至此两台LocataLites完成时间同步，并为用户移动接收机发送时间同步后的定位信号，该信号与LocataLites具有相同时基，精度在纳米级。

图1 TimeLoc时间同步示意图

3 国内面临的问题

国内对伪卫星技术研究起步于21世纪初，主要集中在伪卫星硬件设计实现、伪卫星增强技术、伪卫星组网配置、伪卫星抗干扰技术等研究。早期伪卫星系统信号收发器成本较高，导致伪卫星技术出现后较长时间都未得到推广应用。主要有以下几个方面制约伪卫星系统发展：伪卫星信号结构和功率等特性和GNSS信号大体相同，现今绝大多数伪卫星载波频率为GPS频段（L1 1575.42 MHz或L2 1227.6 MHz），如何规避天基卫星信号干扰、克服“远近效应”，成为系统设计研究的重中之重；此外，需通过差分定位技术等方式解决伪卫星系统组网时间同步问题，而差分处理则要求基站和用户接收机之间构建无线通信链路，这将大大增加系统复杂程度和设计成本。

为降低伪卫星系统研发成本，促进伪卫星系统作为GNSS的补充，成为我国综合定位导航授时体系建设的重要一环，我国还需对以下关键技术进行突破：一是低成本的高精度时间同步技术；二是性能优良的抗远近效应和抗多径效应技术。因此，深入研究伪卫星的时间同步技术将为我国构建综合PNT体系打下坚实基础。

4 结束语

GNSS系统自身存在信号强度不高、依赖卫星几何分布等固有缺陷，无法满足用户在卫星不可见区域定位需求以及如飞机进近、变形监测等现代精密应用。本文介绍的地基伪卫星系统及其高精度时间同步方法有着应用范围灵活、成本低、精度高、信号强等优点，可以作为GNSS系统的后备和补充，实现和完成上述生产生活需求。这些都是基于移动通信技术发展而来的，随着信息化时代进程高速推进，移动通信技术将会不断向前发展，同样会有更多更好更实用的通信技术来改变人类的生活，改变这个时代。