一种基于北斗的伪卫星设计方案

黄进波

（广州海格通信集团股份有限公司，广东 广州 510656）

一种基于北斗的伪卫星设计方案

黄进波

（广州海格通信集团股份有限公司，广东 广州 510656）

文章针对导航卫星数目不足的环境下北斗导航定位设备的可用性问题，提出通过建立伪卫星调整星座构成来解决问题的一种思路，对伪卫星系统定位原理，及其主要问题和解决方案进行讨论和分析。

伪卫星；增强信号；时间同步；远近效应

北斗卫星导航系统是为全球用户提供全天候、全天时、高精度的定位、导航和授时服务的重要空间基础设施，在很多领域得到了广泛的应用，成为一种重要的定位通信手段。但是北斗系统的高精度、可靠性和完好性等诸多优越性能都依赖于跟踪的可视卫星的数量及卫星的几何分布情况，在室内、洞穴等极端环境中无法接收到卫星信号，满足不了定位要求，伪卫星是解决这些问题的一条有效途径，利用伪卫星代替北斗卫星进行导航信号的广播，从而实现区域的正常有效定位。

1 伪卫星系统定位原理

伪卫星定位系统是一个模拟北斗卫星导航系统的区域定位系统，基本理论和研究方法都来自于北斗系统。伪卫星主要的作用是提供一个额外的测距源，增大卫星的覆盖面积，改善导航的星座配置，在某颗卫星工作不健康或由于其他原因造成几何配置不良的时候，仍能够获得优良的导航性能。此外，即使卫星没有失效，而伪卫星提供的额外的测距也可以对北斗进行增强。在卫星导航系统中配置伪卫星主要有3个方面的作用：提高精度、改善完好性和可用性来增强卫星导航系统。伪卫星系统主要由3个部分组成：地面监控站、伪卫星和接收机，其系统架构如图1所示。

图1 伪卫星系统架构

1.1 地面监测站

地面监测站的主要功能是对伪卫星进行时间同步、生成与播发北斗差分信息，确保伪卫星的输出导航信号的准确性，保障接收机定位效果。为了保证系统时间精度，地面监测站建立在一个经过精确标校的坐标固定点上。

地面监测站包含基带处理单元和无线通信单元，基带处理单元实现卫星信号的捕获跟踪、电文解析、伪距测量和PVT解算等，利用已知精确坐标、温度气压等气象信息、伪距测量信息和电文信息，可以计算伪距差分修正参数，融合生成差分基准信息，同时结合PVT解算和已知精确坐标，计算本地时间与卫星系统时间的差异，对本地时间模块进行调整，然后将精准的时间信息与北斗差分信息通过无线通信单元播发给伪卫星。

1.2 伪卫星

伪卫星主要实现信号的生成和播发，其载体可以是空中无人机或者可直视接收机的固定点。伪卫星的功能由信号产生模块、北斗天线和通信模块组成，其主要功能组成如图2所示。信号产生模块将伪卫星的位置和时间信息进行格式编码并生成导航电文，再经过射频电路实现与北斗载波和自定义伪随机码序列进行调制扩频，然后通过功放由北斗天线向接收机定向播发。通信模块用于实现与地面监控站的时间同步信息，确保伪卫星时间与卫星时间一致。

图2 伪卫星主要功能组成

为满足伪卫星系统独立定位和辅助北斗定位以及差分增强功能，伪卫星的电文至少需要包含时间、伪卫星位置和北斗差分信息。

接收机根据卫星播发的信号进行导航定位解算，其定位的基本原理类似于三球交汇法，能够高精度定位的前提是能够高精度地计算出卫星位置、高精度地测量出伪距。卫星位置是根据导航电文中的轨道根数及其修正参数计算得出的，由于在轨道运行的卫星所受到的扰动很小，其运行稳定，轨迹可预测性高，因此北斗卫星的星历数据1小时才更新一次，可满足定位精度要求。而伪卫星由于位置相对固定，因此在传播导航电文时，需要实时将其位置信息和时间信息进行播发，同时将通信模块中接收到来自地面监测站的差分信息进行播发，既补充了接收机为了满足定位所要求的4颗卫星的需求，也满足了为提高定位精度而所需的差分信息。

1.3 接收机

为了不增加接收机的硬件资源，控制成本，主要是需要在其软件基础上进行改进，即增加对伪卫星信号的捕获跟踪、电文解调和伪距测算。这样接收机不仅可以接收正常卫星信号的导航电文，也可以接收伪卫星的测距电文。

伪卫星兼容卫星接收机和伪卫星下的导航信号，其中卫星接收机部分与通用接收机设计一样，但是在计算伪距时，需要将地面监控站播发的差分信息进行补充，提高测距精度。

伪卫星接收机部分基本与卫星接收机一样，伪卫星信号采用码分多址技术，每颗伪卫星采用不同的PRN伪码进行区分。伪导航信号经过空间损耗至接收机天线，信号在接收信道中经过带通滤波器、低噪声放大器和下变频，至AD转换器采样生成数字信号，在基带信号处理单元中对采样后的伪卫星信号完成伪码的搜索和捕获，通过牵引载波和伪码环路，完成对载波的捕获与跟踪，实现信号的解扩，完成数据的位同步、帧同步和导航电文。

最后通过三球交汇原理，接收机在接收到卫星信号和补充的伪卫星信号后，进行PVT解算，得到精确位置和时间信息。

2 主要技术问题及其解决思路

2.1 增强信号设计

本方案用直接测距伪卫星来设计其播发的信号，即伪卫星是陆地伪卫星，在应用时进行固定标校，信号采用与北斗卫星信号一样的方式产生码相位、载波相位和数据，电文格式也基本类似，载波也与卫星载波一致，主要不同的是CDMA编码方案中测距码序列不一样，同时在导航电文中伪卫星的位置使用地理学参数，而不是用卫星使用的轨道参数来表示。

接收机只是简单地将伪卫星信号作为一个额外的卫星信号，也就是将伪卫星看作卫星一样作为测距源。接收机对伪卫星和卫星信号采用相同的测伪距方法和算法，并从伪卫星的导航电文中获取其位置信息，然后将其参与PVT解算。

2.2 时间同步技术

在基于伪卫星技术的北斗系统中，对用户的位置进行确定主要是通过测距来实现的，测距的基础是电波时延的测量，而电波时延测量的基础则是统一的时间基准。因此，在建立伪卫星定位系统的时候，时频系统也应该要建立起来，可以通过授时技术来实现时间同步。

对于伪卫星之间的时间同步，可以采取共视法或双向测距比对的方法。首先对地面监测站进行精确授时，地面监测站采用载波相位和精密单点定位（Precise Point Positioning，PPP）以此获得更高的时间同步精度，然后通过L波段通信链路对伪卫星不断发送时间信息，伪卫星通过通信模块接收到来自地面监测站发过来的时间信息后，再扣除自己和地面监测站之间的传输时间（地面监测站和伪卫星伪固定已知位置），便可计算出伪卫星的精确时间。

2.3 远近效应

相对于北斗卫星，伪卫星距离接收机要近得多，在接收机与伪卫星相对距离发生较大变化时，在近距离区域的伪卫星信号过强会干扰北斗信号的接收，甚至会阻塞接收机；而在距离较远的区域，伪卫星信号变弱，可能导致无法被接收机接收。因此在一定区域内保持伪卫星和卫星的相对平衡，使两者的信号均能被接收机捕获跟踪，是伪卫星在应用中的需继续解决的关键问题。

本方案采用不同于北斗信号所使用的测距码，能够很大程度地降低伪卫星与北斗卫星间的相互干扰。除了考虑用于导航定位的测距码的选择基本原则，即具有良好的自相关、互相关特性和功率谱密度以外，用于伪卫星定位系统的测距码还需考虑与原有的系统所采用的码族间的互相关特性。此外在原有扩频码的基础上改变其某些参数，例如码率、顺序等，均可视为实现新的扩频码的一种手段。

3 结语

随着北斗定位技术的不断发展和应用领域的不断拓广，北斗导航系统在运行过程中容易受到外界干扰影响定位的问题，阻碍了北斗行业的发展，导致其在很多重要场合的应用受到限制。而利用伪卫星技术，实现伪卫星区域增强独立定位技术的应用，有效地解决了该问题。虽然目前还有许多关键技术需要解决和优化，但伪卫星技术自身的优势和特点必将是产业中不可或缺的一部分，伪卫星的应用将会有更广阔的前景，可以更好地促进我国卫星导航系统的发展。

[1]金军.伪卫星技术在北斗系统中的应用研究[J].工程技术（文摘版），2016（10）：100.

[2]常晓磊，胡绪健，兰伟.浅谈伪卫星技术在北斗导航系统中的应用[J].中国科技博览，2012（11）：159.

[3]王丹.伪卫星动态定位方法及其增强GPS技术的研究[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学，2009.

[4]杨文文.伪卫星技术在北斗系统中的应用研究[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学，2009.

A pseudo-satellite design scheme based on Beidou

Huang Jinbo
（Guangzhou Haige Communications Group Incorporated Company, Guangzhou 510656, China）

Aiming at the availability issues of Beidou navigation and positioning equipment under the environment of insuf fi cient number of navigation satellites, this paper proposes a way to solve the problem by establishing a pseudo-satellite adjustment constellation. The principle of pseudo-satellite system positioning, its main problems and solutions have been discussed and analyzed.

pseudo-satellite; enhanced signal; time synchronization; near-far effect

黄进波（1979— ），男，湖北仙桃，本科；研究方向：定位导航，位置服务。