地基伪卫星多址干扰对测距的影响及改善方法

王振岭,何成龙

(中国电子科技集团公司第五十四研究所,河北 石家庄 050081)

地基伪卫星多址干扰对测距的影响及改善方法

王振岭,何成龙

(中国电子科技集团公司第五十四研究所,河北 石家庄 050081)

摘要：地基伪卫星是一类发送类似卫星导航信号的地基无线电导航增强设备,在独立组网工作模式下具有基于无源扩频测距信号实现局域高精度定位的能力。在接收机同时接收多颗伪卫星信号时,伪卫星信号间的多址干扰可导致伪卫星测距误差增大,进而影响定位精度。针对这一影响,分析了多址干扰对测距性能的影响及其特点,提出基于时分-码分多址(TD-CDMA)和串行干扰抵消(SIC)改善伪卫星多址干扰的方法,并对其性能及特点进行了分析、仿真和对比。仿真结果表明:基于TD-CDMA和SIC的方法可降低信号间的多址干扰,提高地基伪卫星测距精度。

关键词：地基伪卫星;多址干扰;串行干扰抵消;TD-CDMA

doi:10.13442/j.gnss.1008-9268.2015.02.003

中图分类号：TP391.4

文献标志码：： A

文章编号：： 1008-9268(2015)02-0012-05

收稿日期：2015-03-05

作者简介

Abstract:Terrestrially-based pseudolites is a onshore radio navigation system which has the similar signal to satellite navigation system. The independent pseudolites navigation network has the ability of local high-accuracy positioning by passive spread spectrum ranging signal. The MAI (Multiple Access Interference) of received pseudolites' signals might increase ranging error and then reduce positioning accuracy. A method of SIC (Serial Interference Cancellation) and TD-CDMA (Time division-Code division multiple access) for solving the problem was showed after analysis of MAI character, then showed the analysis, simulation and comparison of the methods. The simulation results showed that the method could reduce the MAI influence on ranging.

0引言

地基伪卫星是建立于地面上的一种能发送类似空间卫星导航信号的设备。相对于卫星导航系统，地基伪卫星可实现更优的信号几何分布,且不受由于信源移动产生的多普勒和轨迹误差影响,相对具有更低的信号传播路径误差,因此，更易依靠直接测距实现高精度定位。为达到高精度定位性能,除提高伪卫星间的钟差和优化传播路径模型外,需要进一步缩减多径、噪声及其他干扰带来的测距影响[1-4]。

出于硬件兼容的考虑,地基伪卫星多采用码分多址体制的测距信号。信号间多址干扰是影响伪卫星测距精度的因素之一,特别是在远近效应下会产生较大测距影响,为实现高精度定位,需降低多址干扰带来的测距影响[5-9]。

1多址干扰对地基伪卫星测距影响

1.1　多址干扰对测距的影响

由于地基伪卫星固定,对于静态接收机,传播环境造成的多普勒产生频率变化可忽略不计,接收多个地基伪卫星信号下的频率一致;由于反射造成的左旋极化干扰信号不被接收,则接收机接收信号可表示为

(1)

式中: sr(t)为期望信号; n(t)为白噪声信号; si(t)为接收的干扰测距信号,包括其他伪卫星信号及多径信号,表示为

si(t)=pidiPi(τi)ejθi，

(2)

式中: pi为干扰信号相对于期望信号的功率大小; di及Pi为干扰信号的相对电文和伪码数据; τi为信号相对时延;θi为相对相位大小。

对期望信号的相关输出为

(3)

对测距误差δt的影响包括两个因素,一个是由n(t)引起的期望近似为0的随机误差抖动;另一个为干扰相关导致的偏离。若接收机超前滞后相关器间隔为2 d,则当干扰信号满足

d)cos(θi).

(4)

则叠加在期望信号相关输出上的相关干扰会造成对测距误差δt的影响。对于地基伪卫星,由于信源间相对位置不变,在静态或低动态定位条件下信号间的相对时延τ近似不变,短时产生恒定的测距偏移影响,使测距误差期望E(δt)≠0.

联系人： 王振岭E-mail:wangzlcti@163.com

1.2　单路干扰信号的影响

考虑单路干扰信号的影响。在期望信号的主峰斜率为±kr,在主峰内存在叠加的斜率为ku的干扰相关,若干扰相关右端相对于期望信号相关中心延迟为Δτ,伪码码宽为T,则在区间

上可导致最大的测距误差,为

(5)

则两个测距信号间存在的最大测距误差为

(6)

在对干扰信号进行相关时,由于互相关形式相同,且两信号的归一相关峰斜率kr近似相同,则造成的最大测距误差为

(7)

可得到,在确定的鉴相器间距下单路干扰信号影响程度与信号间功率比和码相关形式高度相关。

本质上,与接收功率高度相关的多址干扰是地基伪卫星远近效应问题的一部分。相对于空间卫星,接收机与地基伪卫星的距离变化程度高得多,可能接收具有高功率比的两个或多个信号,此时弱信号对高功率信号的多址干扰相对于白噪声引起的干扰可忽略不计,而高功率信号对弱功率信号的多址干扰相对大得多,成为测距误差的主要影响因素。

1.3　多路干扰信号的影响

在多路干扰信号影响下出现的测距误差表现得更为复杂,这是由于不仅有可能在期望信号的相关峰内多路信号干扰峰的叠加满足条件

d)cos(θi).

(8)

使得测距误差δt=0.另一方面,则有可能多个干扰峰叠加出现高干扰峰以致出现较大测距误差,甚至由于多个强干扰信号在期望信号相关峰外出现高增益的叠加干扰峰使

(9)

导致接收机失锁或错锁,带来更大的测距误差。

2地基伪卫星多址干扰的改善

根据影响伪卫星多址干扰的影响因素,改善多址干扰的方法包括设计采用相关性能更优的伪码、基于应用环境采用特定形式的天线、伪卫星布设和功率调控等,通过多种手段的权衡解决多址干扰等远近效应。在此提出一种基于TD-CDMA和SIC的方法。

2.1　TD-CDMA

在一个小区内的各地基伪卫星分配给一个确定的信号发射时序,并且满足相互不重叠。若接收两个邻近时隙的伪卫星信号及其多径信号距离差不超过a,保护间隙为σt,相对钟差εt,时隙为TTD,则伪卫星信号间的最大影响时间比例为

(10)

受限于民用接收机的硬件水平,地基伪卫星的信号带宽不高于10.23MHz,码长不低于1 023,则有TTD>0.1ms.一般应用下a不高于10km,且εt≪TTD,则有ξ<33%,测距误差影响降低4.8dB,若接收机具有脉冲消隐能力,测距误差降低程度更大。

地基伪卫星的TD-CDMA体制可采用伪随机时隙序列使各时隙间的重叠情况随机化,即单次由于时隙重叠造成的测距误差为δti,使得接收机可基于平均的方式降低测距误差,即

(11)

需要注意的是,地基伪卫星采用TD-CDMA调制受信号基本体制及测距方式的限制,如时隙至少为1个伪码周期,需要与空间信号满足兼容等;且在TD-CDMA调制下各伪卫星信号的测距具有相对时延,在高动态下需采用伪距估计修正等方法提高定位精度。

2.2　SIC

图1　SIC处理流程

(12)

在完成通道n的参数估计后进行收敛判决后返回至通道1进行再次估计和收敛,若估计参数变化低于判断阈值或反馈估计到达迭代周期上限,则输出最终估计的各路信号参数。

迭代周期上限的设定与接收机动态相关。对于高动态定位,为避免由于不可预估的运动产生估计参数不收敛及较大定位延迟,在缺少如惯导等其他传感器辅助下,迭代周期上限不宜选取较大值;而对于静态定位,迭代周期上限则可以选择较高的值以允许估计参数充分收敛。此外,由于高功率信号受多址干扰影响低,参数的估计误差相对小,对其它通道的多址干扰影响大,按功率高低选择通道处理顺序,可降低收敛时间及提高收敛稳定性。

3仿真与分析

3.1　TD-CDMA地基伪卫星测距仿真

设子网内有5个伪卫星节点,其中4个以1颗高度50 m的伪卫星为中心对称分布在5 km×5 km的方形区域内。各伪卫星采用无保护间隙的伪随机时隙序列,时隙为单伪码周期,各伪卫星基于编号1～5的Gold码,载波频率1 575.42 MHz,采用BPSK(10)调制。

3.1.1小区内测距误差

在4 km×4 km的区域内基于连续信号下多址干扰产生的测距误差如图2所示。在中心区域内,期望信号的接收功率相对高,多址干扰基本不产生影响,约为2 cm;随着与干扰伪卫星距离的增加,干扰信号对测距影响逐渐增大,在中心1.5 km区域约为0.6 m,至接近于干扰伪卫星测距误差快速增长至米级并至捕获失败。

在采用时分调制的方式下,多址干扰产生的测距误差分布如图3所示。由于时分调制下测距误差受到信号重叠比例的约束,使得大部分区域的影响降到毫米级;在靠近干扰伪卫星时,由于时隙重叠增长及干扰信号功率的增加,测距误差快速增长,但由于重叠区域仍在5%以下,测距误差在4 cm以下。

图2　连续信号测距误差分布

图3　时分信号测距误差分布

3.1.2小区间测距误差

邻近伪卫星小区间存在能接收到分属两小区伪卫星的信号的区域,在时分调制下信号的发送时隙可能与另一小区的信号重叠。若将前文中的5颗星视为小区间重叠区域,在基于伪随机时隙序列下,对中心伪卫星的测距影响如图4所示。

图4　重叠区域的测距误差分布

相对于图3,由于时分调制使干扰信号的影响离散化,允许接收机采用平均的方法降低干扰影响,测距误差降低了1/4左右。图5所示为边沿区域内一点低噪声下的测距误差。

图5　边沿某点的测距误差及平均值

3.2　SIC接收处理测距仿真

由于伪码的相关增益一般在20 dB以上,当干扰信号与期望信号的功率比高时码间干扰的影响才会体现,在时分调制下,出现这一影响的主要区域为重叠区域。在伪卫星覆盖的大部分区域内码间干扰的影响低于热噪声影响,因此SIC适用于靠近干扰伪卫星的区域,即存在强干扰信号的环境。

对横纵坐标为[ 5 km,5 km]的区域进行仿真,得到在静态SIC接收处理下的测距误差对比如图6所示。

图6　基于SIC方法的测距误差

与时分方法性能不同的是,SIC在临近伪卫星区域内具有良好的测距性能,而在中心区域内测距误差较大。这是由于在中心区域内信号功率相似,由于多址造成对信号的功率幅值和载波相位估计不稳,进而导致干扰消除中不能完全将干扰消除;而对于临近伪卫星的区域,强干扰信号是造成多址影响的主要因素,但强信号可获得更优的功率和相位测量精度,可实现良好的消除效果。

4结束语

针对地基伪卫星多址干扰对测距影响的特点提出了基于TD-CDMA和串行干扰抵消改善测距精度的方法,分析表明：时分方法可在伪卫星网络中心区域获得良好测距精度,而SIC可提高临近伪卫星区域的测距精度,在保证时间同步和高精度载波测量精度的条件下,通过两种方法的混合可提高伪卫星测距网络的整体性能。

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王振岭(1975-),男,高级工程师,主要研究方向为卫星导航系统及应用技术。

何成龙(1987-),男,博士,主要研究方向为伪卫星导航与导航战技术。

Influence of MAI on Terrestrially-Based Pseudolites

Ranging and Improving Method

WANG Zhenling,HE Chenglong

(The54thReserchInstituteofCETC,Shijiazhuang050081,China)

Key words: Terrestrially-based pseudolites; MAI; SIC; TD-CDMA