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摘 要：在近几年来，伪卫星技术的应用集中在独立组网区域定位，以及辅助强化卫星导航系统方面，证实了伪卫星技术在区域定位中的应用可行性。为了能够在特定环境下得到连续、可靠、高精度的区域定位服务，便要基于对北斗导航卫星的使用，增强伪卫星技术在区域定位中投用的实效性。鉴于此，本文围绕区域定位工作的实际情况，概述了基于北斗导航卫星的伪卫星系统的信号结构、系统构成、工作模式，从四个角度出发，详细分析了该技术在区域定位中的应用。

关键词：北斗导航卫星；伪卫星技术；区域定位；应用；工作模式

引言：伪卫星是一类具有发射和天基导航信号相似定位信号功能的发生器，可以在无人机、无人车操作下进行区域定位工作。普通的北斗接收机只需在硬件上增加北斗伪卫星信号频率通道，在软件上稍作改动，便能接收到伪卫星信号，说明北斗导航卫星和伪卫星之间具有优良的兼容性，适用于较多种类区域定位的场合。

1基于北斗导航卫星的伪卫星技术概述

1.1伪卫星技术的信号结构

全球导航卫星系统和伪卫星系统均为基于码分多址的扩频通信系统，运用直接序列扩频信号。基于北斗导航卫星的伪卫星信号体制参照北斗导航卫星加以改进和设计，且伪卫星的信号发射机能够和现有运行的北斗导航卫星在信号上存在差异性，通用北斗导航卫星接收机可无需改动直接接收伪卫星信号的原始观测量信息，最终达到区域定位的目的。伪卫星的B1I信号扩频调制码使用了CB1I码，本质上是伪随机噪声码，为了同当前现有的北斗导航卫星加以区别，在伪卫星技术应用上，要让伪随机噪声码回避北斗卫星应用的卫星号，使用北斗系统备用的伪随机噪声码分配至伪卫星即可[1]。

1.2伪卫星系统的构成

基于北斗导航卫星的伪卫星区域定位系统，是一种独立的无线定位系统，具有高速、准确定位的功能，一个完整的伪卫星系统需要包含基站、接收机、监控中心、时基系统4个部分。所有伪卫星的基站和监控中心之间形成一体，共同成为伪卫星星座；接收机则位于伪卫星星座的覆盖区域内，运用接收到的伪卫星信号进行定位、导航等；时基系统则经过使用光纤同步、全球导航卫星系统授时等方法，使伪卫星星座时间基准加以高度同步。

1.3伪卫星系统的工作模式

该系统具有2种工作模式，即独立组网和联合定位。前者为利用伪卫星系统，单独实现全球导航卫星系统的区域定位服务，后者则是同现有的全球导航卫星系统组成联合定位系统，用于增加用户接收到的卫星数量，帮助全球导航卫星系统达成高精度、可靠连续性定位服务的目标。

1.4伪卫星技术原理

该技术主要是利用差分GPS定位的方式来进行基准站的观测，通过对其准确的坐标数据计算，能做好卫星伪距的明确，同时能够将此数据进行实时发送。当用户通过接收机来进行相关信号的接收时，能够有效实现观测与优化。通过卫星伪距能够有效做好定位工作，从而能够对用户接收机的精确位置进行了解。通过此种改正操作可以在很大程度上抵消公共误差，比如，能够抵消星历误差、对流层误差等内容，这样能够提升定位精度，可以从原来的100m精确到3-5m之间。差分GPS系统中的监测站具有十分重要的作用，能够对GPS信号加以接收，这样能够根据接收的信号去明确测距误差的大小，并且将此误差数据传递给用户，用户可以通过该数据来测得伪距，这样能够使得最后的定位更加精准。用户可以通过相关设备实现几百公里内的定位，利用基准站接受的两种信号来进行对比，从而可以实现导航电文的提供，实现精准而又快速定位。

2基于北斗导航卫星的伪卫星技术在区域定位中的应用分析

2.1伪距的测量

应用卫星系统到达时间的测距原理，可用于计算接收机的位置参数，先得到来自接收机的伪卫星导航信号从发出至接收的传输时间，将该时间参数和光速做积后，便可得到接收机和各个伪卫星间的伪距，再利用定位方程获得自身的位置，说明伪卫星技术在区域定位中应用时，关键问题在于求解各个伪卫星到接收机间的伪距。接收机无法直接从导航信号中获得信号发射时间，而需要从导航信号内获取码相位参数而间接得到信号发射时间。伪卫星发射的导航信号使用了基于码分多址的直接序列扩频调制法，该方法能够为接收机提供定位导航需要的测距信号等各类信息，而测距信号则是部分伪随机码经过二进制相移键控调制在伪卫星载波信号上的产物，所有伪随机码具有类随机二进制序列的特点，拥有较好的互相关、自相关性。由于伪距测量涉及了伪随机码的相位，伪随机码还可被称为“测距码”[2]。

2.2伪距的定位

为了得到接收机三维位置和用户时钟的钟差，可以先不考虑伪卫星存在的钟差而使用差分的方式加以消除。通过对定位算法的分析后可知，伪距定位的实质是通过对伪距测量值的计算，从导航信号中的数据码内得到伪卫星的位置，各伪距测量的参数则经由对接收机的测量而获得，即对接收机三维位置、接收机钟差加以考虑后实现伪距定位的目标，还证实了伪卫星技术在区域定位中的应用，需要至少布置4颗伪卫星。该区域定位的理论基础为三角学，先计算出各个伪卫星到接收机之间的伪距，再运用三角关系获得接收机的三维位置参数。

2.3区域定位中的重要影响因素

与全球导航卫星系统相同，伪卫星的导航信号主要在较为复杂的无线环境中加以传播，容易造成在伪距求解中出现误差的问题，对区域定位产生一定的影响，但由于伪卫星的位置较为固定，不具备全球导航卫星系统卫星高速运行的特点，且系统覆盖范围不如全球导航卫星系统，说明在伪卫星技术于区域定位中应用之时，可以不必考虑到相对论、对流层、电离层效应对区域定位精度带来的影响。影响区域定位的重要因素主要包括以下3个方面。①接收机噪声：接收机噪声不单纯指接收机天线、内部各类电子元件在运行中产生的热噪声，还包括导航模拟信号量转化为数字信号时存在的量化误差，以及定位算法误差、伪随机码互相关带来的误差等。接收机噪声的本质是一类随机信号，难以确定接收机噪声的具体值、正负性特点等，在区域定位中主要将接收机噪声涵盖在导航信号产生干扰误差项目中加以考虑。接收机噪声对于伪距产生的误差通常小于0.5m，而对载波相位带来的影响性误差只为若干毫米，需要使用减小载波相位等方法，为高精度区域定位的实现提供便捷。②多径效应：导航信号是一类电磁波，在遇到地球表面、建筑物墙壁等波长比导航信号更大的物体之时，可被该类物体反射，而多径效应产生的一项重要原因便在于信号反射。在接收机天线接收到除了直线传播的导航信号外，还可接收到该导航信号通过地球、建筑物墙壁表面后的一次或多次反射以后的信号，且所有反射信号在传播中再次经历了一次或多次反射，该现象即为多径效应。在直射信号经过多次反射后的相位变化量为0时，反射与直射信号同相，则接收机天线接收到的信号功率增强，此时的多径效应对于系统可产生正面影响，但在大多数情况下该值不为0，使得多径信号增加了伪卫星系统的区域定位和测量误差。③远近效应：在伪卫星系统中，远近效应是指在接收机运动到某个伪卫星附近时，因伪卫星信号功率过高的缘故，阻碍了其他远离较远伪卫星信号的捕获，容易造成丢失弱信号或捕获错误信号的问题，使得伪卫星区域定位误差的扩大。为了可以顺利从导航信号中提取伪随机码而得到有价值的数据信息，则伪随机码应当为有规则且具有复现功能的伪随机码，使得伪随机码的互相关性不如随机码，即不同伪卫星的伪随机码互相关联结果不是0。图1为远近效应的示意图，由图可知，伪卫星A同接收机天线之间的距离a小于伪卫星B同接收机天线之间的距离b，则接收机天线接收到的来自伪卫星A的信号将强于来自伪卫星B的信号，存在伪卫星A的伪随机码同接收机复现的伪卫星B伪随机码的互相关值，超过伪卫星B导航信号同接收机复现的伪卫星B伪随机码自相关值的可能性，接收机此时将认为伪卫星B不存在而造成伪卫星B信号的丢失。在系统内只存在4颗工作伪卫星的情况下，若丢失了1颗伪卫星的信号容易无法达到三维定位的目的[3]。

2.4区域定位系统的实现

实现基于北斗导航卫星的伪卫星区域定位系统的关键，在于对区域定位模块和DSP程序的设计。在设计区域定位模块之时，应该优先考虑到卫星导航接收机的结构，即天线和射频部分、信号处理部分、信息处理部分，天线可接收来源于空间的卫星导航信号，在低噪放后送至射频模块，获得模拟中频信号送往信息处理的部分，而信息处理部分则由AD转换器负责信号的模数转换，处理基带数字信号，使数据得到解调和解扩。而高动态快速捕获模块可达到多颗卫星信号的粗略捕获目的，再将结构传输至对应信号的处理通道，在载波、码跟踪构成2个闭合环路的控制下，便可以达成稳定跟踪信号的目标。跟踪稳定后的信号经由位与帧的同步，以及译码、解交织的处理后，获得原始导航点位，存储至电文的缓存区内供信息处理部分应用。除此之外，信息处理部分将负责2方面工作，即按照捕获和跟踪策略，帮助信号处理部分完成信号捕获与跟踪的任务，在必要时处理码环与载波环路滤波，还应当在实现提取电文与观测量的条件下计算位置、时间、速度，维护串口收发队列，按照有关标准协议对外输入和输出。为此，基于北斗导航卫星的伪卫星区域定位系统可选择FPGA硬件和DSP软件组合编程的方式加以实现，前者具备数字下变频、跟踪、捕获、伪卫星同步等功能，后者具备捕获策略配置、北斗导航卫星位与帧同步、北斗导航卫星和接收机位置解算、北斗导航卫星与伪卫星电文解析、标准协议输出等功能，在各硬件、软件相互配合的基础上，实现区域定位的主要功能。设计DSP程序方面，应该优先设计好程序初始化部分，主要为DSP硬件底层驱动的初始化、通用输入输出引脚的初始化、定时器的初始化、串口的初始化、其他全局变量初始化，以及接收机接收到复位指令以后，FPGA与DSP工作参数的初始化等。在中断处理部分中，该部分的主要职责是处理中断时间，可根据功能的差异性划分为串口中断、定时器中断、观测量中断、环路中断。其中，串口中断主要负责接收串口数据，在串口初始化中将设置串口接收为中断模式；定时器中断负责处理需要定时完成的工作，程序内开启DSP硬件定时器后，设置定时间隔和开始技术，在达到定时后触发定时器中断；观测量中断主要从FPGA读取有关数据，计算出伪距、多普勒观测量、载波相位等参数；环路中断则是通过软件进行环路跟踪相关的计算，辅助FPGA开展环路跟踪工作等[4]。图2为DSP程序主工作流程示意图。

2.5北斗导航卫星信号干扰的解决

为了能够避免出现信号干扰的问题，应该做好伪卫星的信号结构设计工作。若是用户与伪卫星之间的距离为50km，那么伪卫星与北斗卫星之间所具有的信号强度是相同的。若是用户与伪卫星之间的距离为50m，那么伪卫星信号更强。那么在伪卫星的信号结构设计工作中，就需要对远近效应进行解决。应该在最大的范围内为用户提供最强的伪卫星信号，从而能够在伪卫星距离用户比较近时，不会对北斗卫星信号产生干扰，那么就要求接收机所具有的动态范围会高于60dB。为了能够达到此种要求，可以通过三种方法去进行选择。第一，可以通过码分多址技术进行应用，可以使用不一样的C/A码的码间相关来进行25dB的分离操作，然后剩下35dB。若是使用伪随机码去进行分离，那么要求码率要高于C/A码率多倍，才能够满足要求，有效实现噪音电平的降低。要求码率处于25-50MHz之间，同时可以拥有比较相似的带宽。通过提升码率可以有效避免出现信号干扰的问题，但是会在一定程度上提高成本，对硬件也具有比较高的要求。第二，可以应用频率偏值技术来进行应用。如果伪卫星信号所具有的的偏离标称值为1575.42MHz，能哟徐爱哦实现25dB的隔离。两种卫星信号可以通过不一样的方式进入到接收机之中，需要做好不同通道的时延操作，从而可以避免互相影响。此种技术虽然能够避免信号之间的干扰，但是也会提高经济成本。第三，可以通过时分信号技术来进行运用。在该技术的影响下，能够确保伪卫星信号的短脉冲占空率比较低，对北斗信号造成的干扰时间比较短，能够在一定程度上减少信号之间的干扰。

结束语：

综上所述，基于北斗导航卫星的伪卫星技术具有较强的实用性，能够布设在任意存在定位测量需求的区域内，且拥有较强的抗干扰性能。因此，相关技术人员要加强对该技术的持续研究，优化系统设计的各个层面，把握伪距测量和定位的要点，为实现高精度区域定位的目标做出更多努力。

参考文献：

[1]徐沛宁，曹晓春，张静，李振海，李奇，张蓓.北斗伪卫星在隧道内应用性能提升研究[J].公路，2023，68（01）：279-284.

[2]姚春波，李坤，赵峰.基于滑窗捕获的伪卫星系统抗远近效应方法研究[J].移动通信，2021，45（06）：95-98+124.

[3]杜凯，陈振杰，蔚保国，祝瑞辉，贾浩男，康习勇.基于伪卫星与微惯导组合的室内定位终端设计[J].无线电工程，2020，50（08）：631-636.

[4]于耕，张斌浩，禄韶勇，赵龙，任武君.伪卫星辅助下的北斗GBAS完好性增强技术研究[J].测绘通报，2017（09）：1-5.