偽衛(wèi)星方案設計

1、第3章偽衛(wèi)星方案設計本章將討論偽衛(wèi)星相關的硬件設計問題。簡單的說，偽衛(wèi)星就是一臺無線電 發(fā)射機。每個發(fā)射機產(chǎn)生一個固定頻率的載波， 將導航定位信息調制到載波上并 進行放大，最后通過天線發(fā)射出去，以便用戶的遠距離接收。3.1偽衛(wèi)星系統(tǒng)設計本節(jié)將介紹三種偽衛(wèi)星的設計方案及功能，它們分別是簡單型偽衛(wèi)星、脈沖 型偽衛(wèi)星和收發(fā)型偽衛(wèi)星。3.1.1簡單型偽衛(wèi)星所謂“簡單型偽衛(wèi)星”，就是指擁有最基本的功能只產(chǎn)生符合一定規(guī)范標準 的發(fā)射信號的偽衛(wèi)星。同時簡單型偽衛(wèi)星的信號也可以進行數(shù)據(jù)調制并向附近的用戶傳送，成為DataLink站。此時的偽衛(wèi)星并不需要精準的時鐘，因為傳送的數(shù)據(jù)并沒有使用到偽衛(wèi)星本身的計時器圖

2、3.1簡單型偽衛(wèi)星原理框圖天線圖3.1是簡單型偽衛(wèi)星的原理框圖。載波頻率由壓控振蕩器產(chǎn)生，通過調節(jié)輸入電壓值可控制振蕩頻率。鎖相環(huán)將壓控振蕩器輸出頻率進行分頻， 然后和晶 體振蕩器產(chǎn)生的信號進行比較，通過環(huán)路濾波器來調節(jié)壓控振蕩器的輸入電壓， 直到這兩個信號在頻率和相位上達到匹配。這樣就將壓控振蕩器的頻率調節(jié)在要 求的載波頻率上。通常，環(huán)路濾波器的帶寬在12kHz左右。這個帶寬的相位噪聲由晶體振蕩 器來進行控制。晶體振蕩器產(chǎn)生的參考頻率驅動碼發(fā)生器產(chǎn)生偽隨機碼序列，碼發(fā)生器電路可以通過芯片來實現(xiàn)。通過雙平衡混頻器將偽隨機碼調制到載波頻率 上產(chǎn)生偽衛(wèi)星信號并由天線發(fā)射出去。3.1.2脈沖型偽衛(wèi)星

3、圖3.2脈沖型偽衛(wèi)星原理框圖當偽衛(wèi)星用于輔助軌道衛(wèi)星定位時，遠近問題就成了需要解決的顯著問題之 一。由于軌道衛(wèi)星距離用戶接收機的距離很遠，所以當用戶接收機位置變化時， 軌道衛(wèi)星與用戶之間的幾何距離可以近似認為不變， 接收到的信號強度也不會發(fā) 生顯著變化。而偽衛(wèi)星則不然，它距離接收機較近，接收機收到的信號強度會隨 著用戶位置變化而劇烈變化，并且有時比接收到的軌道衛(wèi)星的信號強度要高出許 多。這就導致接收機不能很好的接收兩者的信號從而產(chǎn)生所謂的“遠近問題”。目前，對于遠近問題己經(jīng)進行了很多相關的研究， 可以通過采用一種加長的 新的偽隨機碼序列來改善遠近問題。而脈沖偽衛(wèi)星設計是一種基于硬件設計方案 的

4、改善偽衛(wèi)星與軌道衛(wèi)星之間的遠近問題的一種方法。偽衛(wèi)星的信號僅在傳送時 才會對軌道衛(wèi)星信號的接收產(chǎn)生影響，假如偽衛(wèi)星信號發(fā)射時間僅占定位信號接 收的十分之一，那么它對軌道衛(wèi)星信號的影響的時間也就只有十分之一。這樣用戶接收機就有百分之九十的時間可以接收到軌道衛(wèi)星的信號，從而能夠同時跟蹤 偽衛(wèi)星和軌道衛(wèi)星的信號，而不會因為偽衛(wèi)星信號過強而對軌道衛(wèi)星信號產(chǎn)生抑 制。圖3.2是脈沖偽衛(wèi)星的原理框圖。可以看出，它是在簡單型偽衛(wèi)星的基礎上 加以改進而得到的。微處理器和簡單偽衛(wèi)星產(chǎn)生的信號保持同步，實現(xiàn)了脈沖格 式，并產(chǎn)生數(shù)據(jù)調制。3.1.3收發(fā)型偽衛(wèi)星簡單型偽衛(wèi)星和脈沖型偽衛(wèi)星雖然能夠發(fā)送符合一定標準格式的

5、信號，但是由于其自身內部沒有精確的時鐘，所以很難保證和軌道衛(wèi)星以及各偽衛(wèi)星之間的 同步問題。即使含有和軌道衛(wèi)星一樣穩(wěn)定的發(fā)射時鐘，在進行差分定位的時候仍 需要額外的參考站和數(shù)據(jù)鏈路來校正時鐘偏滯， 并且精確的時鐘的使用會使偽衛(wèi) 星的造價昂貴而不利于實際應用。收發(fā)型偽衛(wèi)星很好的解決了這一問題。收發(fā)型偽衛(wèi)星就是將接收器和發(fā)射器合為一體的偽衛(wèi)星。收發(fā)型偽衛(wèi)星有多 種實現(xiàn)方案，早期的一種方案就是在僅僅改變偽衛(wèi)星接收器接收到的信號的中心 頻率后再發(fā)射出去來實現(xiàn)的，如圖 3.3所示。本振頻率圖3.3收發(fā)型偽衛(wèi)星早期方案這種方案不需要解調和調制，實現(xiàn)起來比較簡單，但是由于存在多個不同的 載波頻率，接收機的構

6、造將會變的更加復雜。若將發(fā)射信號用不同的碼調制在與 接收信號相同的載波頻率上，就可以簡化用戶接收機。收發(fā)型偽衛(wèi)星分為兩種不同的類型：一種是保持發(fā)射信號與接收器接收的信 號的同步；另一種就是將發(fā)射信號與接收信號的差分結果傳送出去。兩種類型都 可以使用一個或兩個天線，這主要取決于接收器的射頻輸入端的個數(shù)。我們將能夠實現(xiàn)接收信號與發(fā)射信號同步的收發(fā)型偽衛(wèi)星稱為同步偽衛(wèi)星。同步偽衛(wèi)星的設計為同步問題的解決提供了一種比較經(jīng)濟的選擇，因為它僅使用了接收機級別的計時器。同步偽衛(wèi)星發(fā)射的信號和接收信號載波頻率相同，只是偽隨機碼不同而已。圖3.4給出了同步偽衛(wèi)星的功能示意圖，簡要的說明了信號 的傳送過程，如此傳

7、送的接收信號與發(fā)射信號相位同步。天線由于發(fā)射信號電平和接收電平之間差別較大， 為了避免偽衛(wèi)星內部的接收器 被發(fā)射信號堵塞，可以采用脈沖偽衛(wèi)星解決遠近問題時的處理方法，同步偽衛(wèi)星 發(fā)射器發(fā)射信號為短脈沖，接收器在脈沖之間進行接收。此時的同步偽衛(wèi)星就像 一面位于地面的電子反射鏡，能夠發(fā)射和軌道衛(wèi)星一致的復制信號，用戶接收機 可以利用接收到的定位信息進行差分定位。同步偽衛(wèi)星原理框圖如圖 3.5所示。天線發(fā)斛功啟鍛誼羸地發(fā)生囂中頻載波 發(fā)生熔PR碼 境生踐眾歸壞路 控制f圖3.5同步偽衛(wèi)星原理框圖同步偽衛(wèi)星的接收信號可以是來自導航衛(wèi)星的信號也可以是其它偽衛(wèi)星的發(fā)射信號。接收器把接收到的信號與本振混頻將

8、輸入信號頻率降低到合適的中頻頻率上，本振信號、碼信號和載波信號在接收器中被剝離， 偽衛(wèi)星發(fā)射器硬件將來自不同通道的載波和偽隨機碼重組并調制到載波上，這樣就產(chǎn)生了具有新的偽隨機碼序列的發(fā)射信號，并和接收信號保持著同步。但是，混頻后發(fā)射出去的信 號會出現(xiàn)一個鏡像信號，因此在具體的電路設計中應加入濾波器將鏡像信號濾除 掉。3.2偽衛(wèi)星關鍵技術3.2.1遠近效應 3.2.1.1遠近效應概念由于偽衛(wèi)星與用戶的相對位置變化范圍很大， 因此接收機接收到的偽衛(wèi)星信 號功率會隨它們直接的距離變化而變化。由兩萬多公里高空傳來的GPS衛(wèi)星信號到達地面時己經(jīng)相當微弱，非常容易被干擾。當偽衛(wèi)星距離接收機較時，會堵 塞接

9、收機，使其不能跟蹤衛(wèi)星信號；而當偽衛(wèi)星距離接收機較遠時，接收到的偽 衛(wèi)星的信號功率會比較弱，以至于接收機不能跟蹤到偽衛(wèi)星信號， 這一矛盾就是 偽衛(wèi)星定位中的遠近效應問題。圖3.6遠近場效應示意圖接收機在“遠”區(qū)內，偽衛(wèi)星信號將過于微弱，接收機接收不到其信號；在“近”區(qū)以內，偽衛(wèi)星則阻塞了 GPS接收機，使得接收機無法跟蹤到 GPS衛(wèi)星 的信號。遠近場的距離比例大約是 3200:1。只有在工作區(qū)內，偽衛(wèi)星和 GPS衛(wèi) 星信號才能正常定位。遠近效應的示意圖如圖3.6所示。對于多個偽衛(wèi)星的情況， 問題將更為復雜。不僅要考慮偽衛(wèi)星和 GPS之間的干擾，更要考慮到多個偽衛(wèi) 星的工作區(qū)重疊。GPS衛(wèi)星以約

10、15瓦特的功率發(fā)送信號，經(jīng)過 2萬多公里到達地面之后其功 率己顯著損耗。而偽衛(wèi)星的工作半徑較小，通常在 50km以下。因此在相同信號 結構下，偽衛(wèi)星的發(fā)射功率也是一個重要的問題。 其設置不當會惡化遠近效應問 題，甚至會造成接收機無法正常工作。 它必須能保證在較大的適應范圍內， 既能 夠保證一定的功率，又避免信號阻塞。解決遠近效應問題的關鍵是，所設計的偽衛(wèi)星發(fā)射器應能保證在最大范圍內 提供足夠強的偽衛(wèi)星信號，又不干擾GPS的衛(wèi)星信號，從而使接收機正常工作。 如果遠近效應不能合理解決，不僅使基于衛(wèi)星定位的偽衛(wèi)星定位系統(tǒng)無法立足， 甚至會影響衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)的正常使用。321.2解決遠近場效應的方法

11、解決遠近效應問題應當從“硬件”和“軟件”這兩個方面入手。“硬件”方面包括偽衛(wèi)星發(fā)射器硬件結構、編碼、頻率、信號發(fā)射方式以及發(fā)射天線等；而 所謂“軟件”，則包括了偽衛(wèi)星和用戶接收設備的位置布設、用戶接收機的處理 軟件等諸多方面。為保證用戶接收機不需要作改動，很多學者就從修改偽衛(wèi)星信 號格式方面解決遠近效應問題作了大量研究，并提出了三種技術方法：3.2.1.2.1碼多分址技術（CDMA）碼分多址是基于擴頻技術的一種實際應用。CDMA系統(tǒng)在使用時不僅使所 有用戶在信道上同時都能發(fā)送信號， 而且每個用戶都采用擴頻調制，即將要發(fā)的 信號，與一種類似噪聲的偽隨機序列 PRN碼相乘，使發(fā)送信號在頻帶很寬的信

12、 道上傳送。為了解調信號，接收機中必須用完全相同的PRN序列，與接收到的信號進行相關性解擴。只有兩個 PRN碼完全匹配，才能在兩個函數(shù)相關時產(chǎn)生 最大值。對其它不匹配的PRN碼序列，互相關運算結果的數(shù)值很小。在這里， 每個偽衛(wèi)星能分配一個PRN碼，因此即使各個偽衛(wèi)星在傳送時有相互干擾，所 有偽衛(wèi)星的信號也可以同時存在。這種多址聯(lián)接方案稱為碼分多址。在選擇地址碼時應折衷考慮各種要求，雖然隨機噪聲是一種理想的地址信號， 它的正交性好，有很好的相關特性，有強的抗干擾能力，也容易產(chǎn)生，但接收端 要實現(xiàn)捕獲和跟蹤是很困難的，要產(chǎn)生完全一樣的本地隨機噪聲也不可能。因此, 在實際應用中，人們廣泛采用了偽隨機

13、噪聲序列。擴頻碼自相關時得到的峰值， 和它對所有其他用戶PRN碼互相關時得出的總噪聲的比值，確定了載波噪聲比。 因此，在選擇偽隨機碼時，必須選擇那些互相關函數(shù)很低的偽隨機碼。3.1.222頻分多址技術（FDMA）頻分多址指偽衛(wèi)星以偏離 L1標稱頻率（1575.42MHZ）約1020MHZ的頻率來發(fā)射信號，從而產(chǎn)生出與 GPS信號約60dB的隔離度。FDMA的主要優(yōu)點 是：技術成熟、設備簡單、不需要網(wǎng)同步、工作可靠、可與地面頻分制線路接口、 工作于大容量線路時效率較高，特別適用于站少而量大的場合。但它有一些不可 忽視的缺點：轉發(fā)器要同時放大多個載波，容易形成互調干擾，為了減少互調產(chǎn) 物，轉發(fā)器要

14、降低功率運用，因而降低了衛(wèi)星通容量；各上行功率電平要求基本 一致，否則出現(xiàn)強信號抑制弱信號現(xiàn)象，因此不易兼容；由于需要保護頻帶，故 頻帶利用率不充分。應用這一方案將對接收機的影響很小，但是由于偽衛(wèi)星和GPS衛(wèi)星信號是通過不同通道進入接收機的，接收偽衛(wèi)星信號時要有一個獨立的射頻調諧器，因 此要求接收機擁有兩個以上的射頻調諧器。另外，兩個通道接收的信號相對時延會由于時間和溫度的原因產(chǎn)生漂移， 產(chǎn)生組合誤差。這需要大范圍的修改硬件使 得濾波器通過所有所需的頻率，于是在接收機中需改善濾波器和內部校準技術， 增加了接收機的成本。3.1.2.2.3時分多址技術（TDMA）時分多址技術使用一種低占空率的短脈

15、沖來傳送偽衛(wèi)星信號。當偽衛(wèi)星每秒發(fā)送11個90.91us的脈沖時，偽衛(wèi)星發(fā)射占空比為 10%，就足夠強到能被輕易 接受，而他的干擾僅為10%，接收機的衛(wèi)星平均信號功率損耗不大于 1 dB。所有偽衛(wèi)星都在相同時間內發(fā)射脈沖，脈沖對脈沖，數(shù)據(jù)bit對數(shù)據(jù)bit的位置，都是每200ms重復一次，并且與GPS時間同步。在脈沖間隙，剩下的 90%的時 間，接收機收到全部是不被干擾的 GPS衛(wèi)星信號。這樣，偽衛(wèi)星信號只會在很 短的時間內干擾GPS信號，絕大部分接收機能同時跟蹤衛(wèi)星信號和偽衛(wèi)星信號。TDMA的主要優(yōu)點是：（1）這種通信方式是屬于“間歇”通信形式，而不 同于一般的連續(xù)通信。（2） TDMA方式

16、是一種無交調多址連接方式，因此這種 方式在任何時刻可以工作在飽和狀態(tài)。因而能充分利用衛(wèi)星功率和轉發(fā)器帶寬、 無交調、不會出現(xiàn)強信號對弱信號的抑制現(xiàn)象，組網(wǎng)通信中大、小站可以兼容。（3）TDMA通信是一種數(shù)字通信。它具有數(shù)字通信的許多優(yōu)點：例如，便于保 密；易于實現(xiàn)按需分配使用信道；對各種業(yè)務適應性強且靈活；信息傳遞能力比 FDMA方式強。使用TDMA的主要缺點是，偽衛(wèi)星信號能夠對不按偽衛(wèi)星環(huán)境 下設計的接收機進行脈沖干擾。這一方案中偽衛(wèi)星和用戶設備造價都很低，具有 巨大的吸引力。綜上所述，這三種方案各自具有其優(yōu)缺點，在使用中應根據(jù)具體情況進行選 擇。但其中TDMA無論從技術難度還是造價上都是偽

17、衛(wèi)星工作的優(yōu)選方案。322偽衛(wèi)星星歷目前，還沒有一種完全有效的實用方法。 主要有兩種可行方案，一種方法是 只對現(xiàn)有的導航衛(wèi)星歷書子幀結構作少許改動。這樣偽衛(wèi)星播發(fā)歷書數(shù)據(jù)就與目 前的導航衛(wèi)星數(shù)據(jù)非常相似。另一種方法，在信號通道上，提供獨一無二的一組 偽衛(wèi)星歷書數(shù)據(jù)。每一個偽衛(wèi)星可播發(fā)與星歷導航信號相同的PRN碼用于歷書數(shù)據(jù)，并且在時間上有固定時間的延遲。一旦接收機跟蹤偽衛(wèi)星并且已經(jīng)確定出 了時間，那么以此固定時間為基礎，就能捕獲延遲的歷書通道，并且也能對此歷 書通道進行跟蹤，以便為其它附近的偽衛(wèi)星提供歷書數(shù)據(jù)。3.2.3時間同步實現(xiàn)時間同步的方法有直接時間同步法和間接時間同步法。323.1直接

18、時間同步法直接時間同步法是將偽衛(wèi)星主站發(fā)射機的發(fā)射觸發(fā)脈沖以RF信號的形式直接發(fā)送出去或經(jīng)過各種數(shù)據(jù)鏈如無線電、電纜、光纜等直接傳送到偽衛(wèi)星從站， 然后進行信號解調，將中頻信號變?yōu)榛鶐盘?，再將解調后的信號來同步各偽衛(wèi) 星從站接收機的時鐘以實現(xiàn)時間同步，其提取過程如圖 3.7所示。這種方法同步 性性能較好，但無線數(shù)據(jù)鏈路易受干擾而導致降低校正精度降低。圖3.7同步脈沖提取過程示意圖323.2間接時間同步法間接時間同步法是不同的偽衛(wèi)星站分別從其它信息中提取時間信息，以實現(xiàn)系統(tǒng)的時間同步的方法。3.3.3.2.1原子鐘法給每顆偽衛(wèi)星配置一個原子鐘，再由原子鐘分別為各顆偽衛(wèi)星提供時間、頻 率和相位的

19、基準信號，但這種方法會大大提高偽衛(wèi)星的成本。3.3.3.2.2 GPS衛(wèi)星授時解決偽衛(wèi)星時鐘同步的另外一種方法是在偽衛(wèi)星上同時安置一個GPS接收機，以GPS接收機輸出的時鐘信號作為偽衛(wèi)星的時間基準來修正偽衛(wèi)星時鐘， 進而消除偽衛(wèi)星的時鐘誤差（即GPS衛(wèi)星授時的方法）。GPS衛(wèi)星授時原理圖如 圖3.8所示。圖3.8 GPS衛(wèi)星授時原理圖而此時需要知道在完成精確時間的傳遞過程，需要對傳播時延作精確修正, 偽衛(wèi)星主站的精確地理位置。 計算方法如下：在偽衛(wèi)星主站上，偽衛(wèi)星測得的 第j顆GPS衛(wèi)星的偽距為:少jC(dtj -dT.J dJ dh djtrop其中：呂一偽衛(wèi)星在時元t測得的偽衛(wèi)星至第j顆G

20、PS衛(wèi)星的偽距;:?jt 偽衛(wèi)星在時元t至第j顆衛(wèi)星的真實距離；dtj 第j顆GPS衛(wèi)星時鐘相對于GPS時系的偏差；dT .偽衛(wèi)星時鐘相對于GPS時系的偏差；dj GPS衛(wèi)星星歷誤差在偽衛(wèi)星站引起的距離偏差；djion 電離層時延在偽衛(wèi)星站引起的距離偏差；d jtrop 對流層時延在偽衛(wèi)星站引起的距離偏差；C 電磁波傳播速度。根據(jù)偽衛(wèi)星主站的三維坐標已知值和衛(wèi)星星歷， 可以精確地計算出真實jt, 則可得偽距校正值為：叫二砒-唸=-C（dt -dT-dP： 咖-d右。p在上式中，dtj （第j顆GPS衛(wèi)星時鐘相對于GPS時系的偏差）可根據(jù)衛(wèi)星 導航電文給出的星鐘系數(shù) A求得，故可將其視為已知值，

21、以此來校正衛(wèi)星時鐘 偏差。dj, djion，djtrop可根據(jù)衛(wèi)星導航電文中的星歷數(shù)據(jù)得出，即為已 知值，而譏又可精確算出。因此可以通過上式算出dT .（偽衛(wèi)星時鐘相對于GPS 時系的偏差），以此來校正偽衛(wèi)星時鐘，使其和衛(wèi)星保持同步。參考文獻1王丹偽衛(wèi)星動態(tài)定位方法及其增強GPS技術的研究D哈爾濱工程大學,2009.2康國棟偽衛(wèi)星定位系統(tǒng)研究D.西北工業(yè)大學，2006.沁園春北國風光， 千里冰封， 萬里雪飄。 望長城內外，惟余莽莽；大河上 下，頓失滔滔。山舞銀蛇，原馳蠟象，欲與天公試 比高。須晴日，看紅裝素裹，分外妖嬈。 江山如此多嬌，引無數(shù)英雄競折腰。 惜秦皇漢武，略輸文采；唐宗宋 祖，稍遜風騷。一代天驕，成吉思汗，只識彎弓射 大雕。俱往矣，數(shù)風流人物，還看今朝。 口克出師表兩漢：諸葛亮先帝創(chuàng)業(yè)未半而中道崩殂， 今天下三分，益州疲弊，此誠危急存亡之秋也。然侍衛(wèi)之臣 不懈于內，忠志之士