伪卫星远近效应分析与研究

2010-06-14叶红军

无线电工程 2010年6期

叶红军

(河北卫星导航技术与装备工程技术研究中心,河北石家庄050081)

0 引言

伪卫星即地基发射站,其发射类似于导航卫星的伪卫星导航信号,用该信号来增强和提高卫星定位系统的定位精度、完好性和有效性,甚至在室内、地下等无法接收到导航卫星信号的场合下能完全替代导航卫星实现独立定位。随着近年来伪卫星技术及导航用户设备的发展,伪卫星可广泛应用于增强卫星导航系统的可行性、可靠性、完整性和精确性,如飞机着陆、都市环境下的地面交通导航、变形监测和外星体探测等方面。但其在应用中有许多需要研究的问题。

1 伪卫星远近效应问题概述

当伪卫星用于辅助轨道卫星定位时,远近问题就成了需要解决的显著问题之一。由于轨道卫星距离用户接收机的距离很远,所以当用户接收机位置变化时,轨道卫星与用户之间的几何距离可以近似认为不变,接收到的信号强度也不会发生显著变化。而伪卫星距离接收机较近,接收机收到的信号强度会随着用户位置变化而剧烈变化,并且有时比接收到的轨道卫星的信号强度要高出许多。这将导致接收机不能很好地接收二者的信号,从而产生所谓的“远近问题”。远-近问题区域如图1所示。

图1 “远-近”问题区域

伪卫星发射功率PT如式(1),它是接收机功率电平PR、与几何距离d有关的自由空间损耗以及天线增益Ga的关系式为:

可以看出式(1)右侧第2项会由于接收机到伪卫星距离的不同出现很大的动态性。假设距伪卫星的最小距离为50m左右,最大距离约为50 km,则信号功率范围大概为60 dB,伪卫星接收机必须能接受这一范围。

由于远近效应的影响,伪卫星信号不仅对该区域范围内的接收机不能同时准确接收卫星信号和伪卫星信号,而且会影响进入伪卫星作用范围内的普通卫星导航接收机。这样,伪卫星就成为一种干扰机。因此,有效解决伪卫星的远近效应是伪卫星技术发展的一个关键问题。

2 伪卫星远近效应解决方案介绍

当前所存在的几种常用的解决伪卫星远近效应的方案,包括调谐功率电平、修改硬件设施、修改伪卫星信号格式及其涉及的多址技术。具体来说包括以下几种多址方式:

2.1 CDMA码分多址技术

对GPS系统来说,利用不同C/A码进行码间互相关,只能分离 25 dB。如果用伪随机码来分离60 dB,则必须使此码率比C/A码率提高若干倍,以降低伪卫星信号的噪声电平。根据不同的假定和试验,此码速率必须达到25～50 MHz,并具有类似的带宽。提高码元速率可以解决信号干扰问题,但将无法实现和GPS信号的兼容,将显著增加接收机成本,在硬件开发上也存在着困难。因此,单纯利用CDMA技术来解决远近效应似乎是不现实的。

2.2 FDMA频率偏移技术

频率偏移包括在导航信号频段内偏移和偏移到频段外2种方法,因为导航信号采用的是扩频调制方式,调制信号占用相当宽的频谱。但是其中有些频点却是不发射能量的空洞频点,这些空洞频点在载波的两侧都有,并以位传输率或码传输率为系数。接收机内相应的解调器只注意信号中有能量的部分,忽视空洞频点。建议在卫星信号的空洞频点上传输伪卫星信号,可以认为在卫星信号空洞频点上的伪卫星信号将被接收机忽略,从而减少或消除远近效应问题。

在导航频段外发射,伪卫星可以被设计成在导航频段外任何频率发射信号。如果伪卫星的发射信号偏离导航卫星频段足够远,那么它的信号将被接收机的带通滤波器衰减,从而避免了与卫星信号的相互干扰。如果伪卫星信号偏离GPS标称值1575.42 MHz约10～20 MHz,那么可以与GPS卫星码之间产生25 dB的隔离。当偏离20MHz时,可产生60 dB的隔离。显然,这一技术是具有吸引力的。干扰衰减与频率分离的关系如表1所示。

表1 干扰电平与频率偏移的关系

但由于伪卫星和卫星信号是通过不同通道进入接收机的,需要仔细控制两通道间的相对时延,以避免组合误差。需要在接收机中改善滤波器和内部校准技术,从而会增加接收机的成本。

2.3 TDMA时分多址技术

TDMA,也就是用低占空比的短脉冲来传送伪卫星信号。如果伪卫星发射占空比为10%,且足够强到可被接收机轻易接收,则它的干扰仅为10%,接收机的卫星信号平均功率损耗不大于1 dB。在脉冲间隙,剩下90%的时间,接收机接收到的全部是不被干扰的卫星信号。在这种情况下,绝大部分接收机能同时跟踪卫星信号和伪卫星信号。这种情况下伪卫星和用户设备造价都很低,因此具有巨大的吸引力。