（通信与信息系统专业论文）伪卫星增强卫星定位系统的研究.pdf

摘要 全球卫星定位系统( 如g p s 、g l o n a s s 系统等) 以导航为目的的技术已十 分成熟，但在某些方面和某些特殊区域卫星定位导航技术仍受到不同程度的限制 以至导航精度得不到保证。因此近年来兴起的伪卫星定位技术为增强卫星定位系 统提供了一个新的研究方向。 本论文结合g p s 伪卫星目前在陆海空作战领域的广泛应用和其今后发展的 巨大前景，对伪卫星技术理论进行系统研究。鉴于伪卫星到用户距离比导航卫星 近得多，故抗干扰能力大大增强，因此在完善卫星导航技术的同时，本文提出伪 卫星差分技术以增强定位系统。根据差分g p s 原理，分别从影响定位精度的三 个方面：时间同步、远近效应、几何精度衰减因子予以讨论。分析其在卫星定位 系统中的影响以及几个待解决的问题，并拟定解决方案。最终仿真结果表明方案 有效可行，并且证明采用伪卫星来增强卫星定位系统，可以提高整个系统的可用 性、可靠性、稳定性以及测量精度。 关键字：伪卫星，时间同步，远近效应，精度衰减因子( d o p ) a b s t r a c t t h eg l o b a ls a t e l l i t ep o s i t i o ns y s t e m ( s u c ha sg p s ，g l o n a s s ) h a sb e e ne x t r e m e l y m a t u r eb yt h en a v i g a t i o nt e c h n o l o g y ，b u ts o m e t i m e ss a t e l l i t en a v i g a t i o ni ss t i l lg e t t i n g al i m i ti ns o m ea s p e c t sa n ds o m es p e c i a ld i s t r i c t s ，s oi tc o u l dn o tg e ta g o o d n a v i g a t i o na c c u r a c y t h e r e f o r ei nr e c e n ty e a r s ，t h ep s e u d o - s a t e l l i t ep o s i t i o nt e c h n i q u e p r o v i d e san e w r e s e a r c hd i r e c t i o nf o ri m p r o v i n gs a t e l l i t ep o s i t i o ns y s t e m i nt h et h e s i s ，i ti sc o m b i n e dw i t hg p sp s e u d o l i t e sw i d e l ya p p l i c a t i o ni nw h o l e f i e l da n dh u g ef o r e g r o u n di nf u t u r e ，d oar e s e a r c hf o rt h et h e o r yo fp s e u d o l i t e t e c h n i q u e p s e u d o l i t eg r e a t e ra n t i - j a m m i n ga b i l i t yb e c a u s et h e ya r em u c hc l o s e rt o u s e rr e c e i v e r st h a nn a v i g a t i o ns a t e l l i t ea l e t h e r e f o r e ，w h i s tt h es a t e l l i t en a v i g a t i o n t e c h n o l o g yi si m p r o v e db ya l lp o s s i b l em e a n s ，i ti sp r o p o s e dt h a tu s i n gp s e u d o l i t e d i f f e r e n t i a lt e c h n i q u et oi m p r o v i n gp o s i t i o ns y s t e m a c c o r d i n gt ot h ep r i n c i p l eo f d g p s ，s e p a r a t e l yd i s c u s s e st h ep r o b l e mi nt h r e ea s p e c t sw h i c hi si n f l u e n c e dp o s i t i o n a c c u r a c y ，t h a ti st i m es y n c h r o n i z a t i o n ，n e a r - f a re f f e c t ，g e o m e t r i cd i l u t i o no fp r e c i s i o n ( d o p ) a n a l y z e di t se f f e c t si nn a v i g a t i o ns y s t e ma n ds e v e r a ln e e d e dq u e s t i o n s ，t h e n d r a w i n gu pt h es o l u t i o n s t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w t h a tt h es o l u t i o ni sv a l i d i t ya n d f e a s i b i l i t y ，a sw e l la su s i n gp s e u d o l i t et oi m p r o v i n gs a t e l l i t ep o s i t i o ns y s t e m ，c o u l d e n h a n c i n gu s a b i l i t y ，r e l i a b i l i t y ，s t a b i l i t ya n dm e a s u r ea c c u r a c yo f w h o l es y s t e m k e yw o r d s ：p s e u d o - s a t e l l i t e ，t i m es y n c h r o n i z a t i o n ，n e a r f a re f f e c t ， d i l u t i o no fp r e c i s i o n ( d o p ) l i 西北工业大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 随着通信技术、计算机技术、信息论及航天与空间技术的迅猛发展，促使 导航定位技术、无线电导航设备及导航系统日新月异。卫星导航定位系统提供 了全球、全天候、高精度、快速响应的连续导航定位服务越来越受到人们的 青睐。目前，卫星导航定位技术已基本取代了无线电导航、天文测量、传统大 地测量技术，成为人类活动中普通采用的导航定位技术。 卫星导航定位技术对人类文明的影响，可以与古代指南针的发明及近代的 国内技术如电话、电视的发明相比拟，卫星导航定位技术在的应用遍及海洋、 陆地、空中及空间各个领域，且在现代军事上具有巨大的应用价值，已成为跨 学科、跨行业、用途广、效率高的综合性、国际性高新技术产业。 卫星导航定位系统是一个庞大而且复杂的系统。在一定的空问轨道上配置 一定数量的卫星，就可实现从地面、近地空间并延至外层空间的全球性连续导 航服务，且不受气象条件、昼夜和地形地物的影响。 目前，卫星导航定位技术已基本取代了无线电导航、天文测量和传统大地 测量技术，并推动了全新的导航定位领域，成为人类活动中普遍采用的导航定 位技术，并在精度、实时性和全天候等方面对这一领域产生了革命性的影响1 1 2 i 。 1 1 目前现有的卫星导航定位技术 1 美国全球定位系统( g p s ) g p s 计划自1 9 7 3 年起步，1 9 7 8 年首次发射卫星，至1 9 9 3 年1 2 月完成2 4 颗中高度圆轨道( m e o ) 卫星组网，历时】5 年、耗资1 2 0 亿美元。至今，已 前后发展了3 代卫星。目前，在轨工作卫星2 8 颗，其中，还成功发射3 颗新型 的g p s 一2 r 卫星，并还将发射1 6 9 颗。计划从2 0 0 3 年开始部署3 3 颗g p s - - 2 r 卫星。此外，也已开始全改进型g p s 一3 的概念性研究，以适应2 0 3 0 年未来的 系统级要求。该系统由美国国防部运作。 g p s 是一个全球性、全天候、全天时、高精度的导航定位和时叫传递系统。 空间部分由2 4 颗卫星组成，运行高度2 0 2 3 0 k m ，它们位于6 个倾角为5 5 ”的轨 道平雨i 内，周期近1 2 小时。1 1 星用2 个l 波段频率发射单向测距信号，区刖小 i 艇北j 渡大学硕士学位论文 第一章绪论 同卫鼠采用码分多址。它燃个军民两用系统，提供两个等级的服务。即为军事 用户提供l 1 ( 频率1 5 7 5 4 2m h z ) 、l 2 ( 频率1 2 2 7 。6m h z ) 5 双频p 码测距。g p s 酌定位精度为至少本乎耩发2 2 m 、垂直精度2 7 7 m 和授辩精度1 0 0 n s 。为其它 蠲户撵袋萃频a a 弼溅基霹选择可瑗瞧( s a ) 及天为子撬熬瓠准定位霰务 ( s p s ) ，位置精度降低到1 0 0 m ，授时精度降低到3 4 0 n s 。 2 俄罗斯全球导航卫星系统( g l o n a s s ) 饿罗斯用2 0 年时间发射了g l o n a s s 魄7 6 颗卫星。1 9 9 6 年l 胃完成由2 4 颞g n a s s 中毫疫瑟鞔逶至鬟( 醚e 0 热1 颡签臻里星豹缀秘，糕资3 0 多 亿美元，该系统由戳罗新豳防部控制。g l o n a s s 空闻部分也由2 4 颥卫星组成， 卫星精度1 9 1 3 0 k m ，位于3 个倾角为6 4 8 0 的轨道平面内。这一高度除避免和 g p s 同一高程以防止两个羼座相互影响外，戴周期1 l 小时1 5 分，8 天内卫星 运行1 7 圈回归，3 个轨道蕊内的所有卫星都狸间一条多圈衔接的羼下点轨迹上 颞澎逡霉亍，这毒剥予溃除趣球重力要零霹星纛内各里星兹影响蓑雾，竣稳定星 座内部鞠对布局关系。 g l o n a s s 卫星的载波上也调制了两种伪随机噪声码：s 码和p 码。俄罗 斯对g l o n a s s 系统采用了军民合用、不加密的开放政策。g l o n a s s 系统单 点定俄糙度水平方向为1 6 m ，垂直方向为2 5 m 。 爨藏，在辘遘有l l 颗麓霹雳( 其中包耩瑟熬鲍g l o n a s s - - m ) ，不戆独立 爨阏，只麓与g p s 联合使耀。 3 欧洲“伽利略”系统计划( g a l i l e o ) 欧洲在经过几年的酝酿研究之后，1 9 9 9 年初正式推出g a l i l e o 导航卫星系统 计划，想计划实施一再搁浅。该计划提出两种方察，一秘是纯中蕊废地球鞔遂 ( m e o ) 方案，它蜜3 0 鬏m e o 至星缍藏，童星赢凄为2 4 1 2 6 k m ，翌璧位子3 个倾角为5 4 0 的轨道平萄内。另一种为2 4 颗m e o + 8 颗地球静止轨道( g e o ) 卫星混合星座方案。m e o 星座由2 4 颗中商度圆轨道卫星组成，轨道高度 2 3 2 2 2 k m 卫星位于3 个倾角为5 7 0 的轨道平瑚内。g e o 为8 颗覆箍全球范围的 地球静止轨道卫星。欧洲g a l i l e o 计划目标要求系统自身是具有全球范围加强的 全球系统。位黉精度娶蕊这到冗寒或更毫，并要求提供多静黎麴壤缀务，浚嗣 于争夺全球导舷市场。 从这一目标出发，再考虑到欧洲不少国家地处高纬度地区，用户对g e o 卫 单可见仰角偏低，欧洲更倾向于采用纯m e o 方案，要求部分m e o 卫星取代原 曲北工业大学硕卜学位论文 第一章绪论 由g e o 卫星完成的区域差分和加强任务。该计划在2 0 0 1 年4 月5 丌欧盟交通 部长会议获得批准。预计该系统2 0 0 8 年建成，主要投资将由欧盟、欧空局提供， 并从欧洲工业界和私人投资商集资。g a l i l e o 系统独立于g p s ，频段分开，f 旦将 和g p s 系统兼容和相互操作。 4 “北斗”导航系统 ( 1 ) “北斗一代”导航系统 双星导航定位系统( 北斗一号) 是我圈的第一代卫星导航定位系统，该系 统是一个具有全天侯、高精度、快速实时特点的区域性导航定位系统，兼有简 短数字报文通信与授时功能，是独立自主解决我军快速定位问题的有效手段。 其基本任务是主要用来为在我国大陆、台湾、南沙及其它岛礁、中国海、日本 海、太平洋部分海域及周边部分地区的我各军兵种中低动态及静态用户提供快 速定位、简短数字报文通信和授时服务。初步满足未来高技术条件下局部战争 中我军对导航定位的基本需求。 “北斗”导航系统在国际电信联盟( r r u ) 登记的频段为卫星无线电定位 业务( r d s s ) 频段，一k 行为l 频段( 频率1 6 1 0 1 6 2 6 5 m h z ) ，下行为s 频段 ( 频率2 4 8 3 5 2 5 0 0 m h z ) ：登记的卫星位置为赤道丽8 0 。e 、1 4 0 。e 和1 1 0 5 。e ( 最后一个为备份星星位) 。中国首先实现r d s s 系统这项卫星导航定位创新工 程。该工程投资少，它将导航定位、双向数据通信和精密授时结合在一起，系 统自身包含广域差分标校以提高定位精度。当用户提出申请或按预定间隔时间 进行定位时，不仅用户知道自己的测定位置，而且其调度指挥或其他有关单位 也可得知用户所在位置。 系统只在中心站设一个时间基准，由中心站经2 个经度上相距6 0 。的g e o 卫星对用户双向测距、由1 个配有电子高程图的地面中心站定位、另有几十个 分布于全国的参考标校站和大量用户机。 ( 2 ) “北斗二代”导航系统 第二代卫星导航系统与第一代卫星导航系统在体制上的差别主要是：北斗 二代的用户机可免发上行信号，不再依靠中心站电子高程图处理或由用户提供 高程信息，而直接接收卫星单程测距信号自己定位，系统的用户容量不受限制， 并可提高用户位置隐蔽性。 最后发射的那颗北斗一代备用星上面安装了激光反射镜，用于精确定位， 这就是_ 代系统的基准星。事实上，二代北斗导航的计划是4 静止星( 5 8 7 5 e ， 8 0 e ，1 】0 5 e ，1 4 0 e ) + 9 中轨足( 2 0 0 0 0 k m ) + 1 2 高轨道星( 3 6 0 0 0 k m ) 。下 西北1 业大学硕士学位论文 第一章绪论 行频段( 1 1 6 4 1 2 1 5 m h z ) ( 1 2 6 01 3 0 0 m h z ) ，上行( 1 3 0 0 1 3 5 0 m h z ) 。 “北斗”的研制成功奠定了中国自主卫星导航定位系统的地位。它是一个 成功的、实用的、投资很少的初级起步系统。因此，我们必须在发展“北斗一 号”的基础上，借鉴国外g p s 、g l o n a s s 的成功经验，开发我国二代卫星导 航系统。我们有理由相信，在不久的将来，具备全球性、先进性、军民两用、 抗干扰性、抗摧毁性等特征的中国c o m p a s s 系统将会变成现实，更加完善的 我国卫星导航定位系统也必将建立【l 。 1 2 各导航定位技术之间的比较与分析 g l o n a s s 的定位技术与g p s 相同，即以精确的定时和卫星量程计算为基 准来进行。所需的精确定时由每颗卫星上的多个原子钟来提供。g l o n a s s 系 统与美国的g p s 系统相比，不同之处在于g l o n a s s 系统采用频分多址( f d m a ) 方式，根据载波频率来区分不同卫星，而g p s 系统采用的是码分多址( c d m a ) 方式，根据调制码来区分卫星。每颗g l o n a s s 卫星发播的两种载波的频率分 别为l 1 - - - - 1 6 0 2 + 0 5 6 2 5 k ( m h z ) 和l 2 = 1 2 4 6 + o 4 3 7 5 k ( m h z ) ，其中k = l 2 4 为每颗 卫星的频率编号。而所有g p s 卫星的载波的频率是相同，均为l 1 = 1 5 7 5 4 2 m h z 和l 2 = 1 2 2 7 6 m h z 。 “伽利略”与g p s 相比，有较大的不同和优越性。例如，“伽利略”系统 的卫星数量多、轨道位置高、轨道面少；“伽利略”更多用于民用，可为地丽用 户提供3 种信号：免费使用的信号、加密且需交费使用的信号、加密且需满足 更高要求的信号。其精度依次提高，最高精度比g p s 高1 0 倍，即使是免费使 用的信号精度也达到6 米。如果说g p s 只能找到街道，“伽利略”则可找到车 库门。所以，“伽利略”的用户可根据需要进行选择，且定位精度优于g p s 。其 实，“伽利略”与g p s 最大的区别是其服务定为确保的，这给用户一个踏实感。 “北斗”导航系统需要中心站提供数字高程图数据和用户机发上行信号， 从而使系统用户容量、导航定位维数、隐蔽性等方面受到限制，在信号体制上 不能与国际上的g p s 系统、g l o n a s s 系统及将来的g a l i l e o 系统兼容。因此， 中国还需要在第一代导航卫星系统成功的基础上发展第二代导航卫星系统，以 满足今后国家对卫星导航应用和长远经济发展的需求。 虽然g p s 系统在陆海空作战领域得到r 广泛的应用：地面l 可以借助g p s 接收机帮助地面部队定位、行军作战；飞机和舰艇卜- 可以利_ i jg p s 接收机为e 机和舰艇导航、定位、求援；导弹部队可以利用g p s 接收机实玑商精度制导等 4 婀北t 业人学硕士学位论文 第一章绪论 等。到目前为止，g p s 系统己在海湾战争、科索沃战争、阿富汗战争中得到了 实战演练，并发挥了巨大威力。 卫星导航定位系统空间定位的精度、有效性和可靠性在很大程度上取决于 g p s 接收机所跟踪的导航星的数量及几何分布。在一些较为苛刻的条件下，如 高层建筑物较多的城市或者野外的矿井深处，可见导航星的数目和几何位置可 能不能满足可靠定位的要求；或者在地下隧道和建筑物内部，g p s 信号甚至可 能完全“丢失”【删。 并且g p s 也易受干扰，因为系统用户需要接收卫星发射的信号才能完成导 航定位，而卫星与接收机距离很远，而其干扰源与接收机的距离相对近得多， 无需用多大功率就可淹没g p s 接收机上的g p s 信号。俄罗斯已研制出了可对 g p s 接收机实施有效干扰的g p s 干扰机。据报道，在第二次海湾战争中，伊 拉克就使用了俄罗斯生产的g p s 干扰机，从而使美国的巡航导弹不同程度地偏 离了方向。 因此可以说干扰性成为g p s 定位系统以及其它各种卫星导航系统的一个致 命弱点。以目前g p s 卫星的配置方案，一旦有一颗卫星发生故障，或者由于某 种原因接收不到g p s 信号，几何配置不当的缺陷将会更加突出( 本文将在第四 章作具体分析) 。由于这种对于干扰极敏感的脆弱性严重影响了g p s 性能的发 挥，所以如何提高g p s 抗干扰能力已经成为当前些国家军方及众多民用机构 亟待解决的难题。 为了对可用性要求更高的航空用户保证g p s 在一些特定地区为特殊用途时 的精确性和可靠性，提出了伪卫星的概念，即在该地区建立类似于g p s 卫星的 固定基准站，行使g p s 卫星的功能。 1 3 伪卫星技术 1 3 1 伪卫星概念的提出 从本质上看，伪卫星仅仅是差分g p s 应用的特殊方案。 差分g p s 定位，就是在基准站上进行g p s 观测。它实际上是一种误差补 偿的方法，利用己知的基准站精密牮标计算出基准站到卫星的伪距改诈数，并 将这一改正数实时发送出去。用户接收机在进行g p s 观测的同时，也接收基准 站的伪距改讵数，对其伪距观测量进行改正。此后利用改f 过的伪距进行定位 汁算，求解出精确的用户接收机的位置。由于这种改f 能将公共误筹抵消，例 西北j ：业大学硕士学位论文 第一章绪论 如_ 卫鼹时钟偏差、星历误熬、电离层误差、对订铤层误差等，从而键高了定位精 度，使实时定位精度从1 0 0 m 提高到了5 - 3 m 以上。 传绫的差分g p s 缀艘包括一个位置已船的疆定蓝测站，它安瓣接收g p s 馈号著确定整测萋垂误差，怒筑误差终为改委数疆供给奉遣孺户，蠲户剩胡照改 讵自己测得的伪距，使计葬出的位置精度更高。这样，采用适当的设备就能使 监测站附近几百公里范围内的定位精度提高别5 m 。 但是，不管差分g p s 如何提高导航精度和宛善性，也不能党服由于卫星星 座凡秘图形不佳两造成黪姣陷。一旦有卫星发生敞障，或者由予某蕈申原因接收 不到g p s 售号，蔻傍嚣甏不警靛缺貉镄会存褒。 为保证卫星定位在一臻特定地区为特殊辩i 途对的精确性和可嚣性，伪卫星 技术成燃而生p 1 。 1 3 2 伪卫星的特点及性熊 掰谓伪里量就是地基发射站，其发射类议予g p s 的信号，穗该信号来增强和 提高凰羼定位系统的定位精度、完备性和有效性。伪卫星发射的信号类似于g p s 信号，鼎有测距的功能；伪卫星能够提升整个系统的可用性、稳定性、可靠性以 及测登精度，甚至在室内、蛾下等无法接收n c v s 卫星信号的场台下能完全替代 g p s 翌霆。谚至星与g p s 翌藏艇魄，其位置不发生变豫，。且其位嚣激知，这谨夔 话，蕊蒸本方程与g p s 静方程相同，这稳当予京g p s 卫星星摩串增舰了一颓位嚣 不动的卫星。 翔户所选择的四颗卫飘的几何分布对定位精度影响很大，在出观坏的几何 配置或某个卫星故障时，伪卫星既可代替空中的一颗g p s 卫缀，叉改善了 g d o p ，据裹g p s 鲍导靛精度。遘一步人们又聚差分技术移镑卫鬃技术结合在 一起，鞠魏卫星差分技术0 d t ) 。秘里墨差分g p s 寿秀释璃髓，一方蘧它同真 正的导航星一样向用户发射和空中其它导航擞嗣频谱的g p s 信号，弱一方面它 又类似麓分g p s 参考接收机一样，接收其它g p s 卫星的信号，将解算的结果 与自己精确位置相比较得出补偿误差，并将它传送给用户，以修难用户自己的 定位鲦粱。如图1 - 1 所示。 6 鲥j ：业大学硕士学位论文第一章绪论 鞠 - lf hl ! 星差分技术藤溪图 裰摄国际和美国无线激蟹理豹筑定，1 5 5 9 1 6 1 0 m i - i z 频段鞠予簸空寻簸弱 无线电卫星导航。g p s 采用了其中的1 5 7 5 4 2 m h z 频率，伪卫星t 恕使用这一频 率。所以，g p s 用户的设备可同时接收g p s 和伪卫星信号，而不必添置差分 g p s 錾准站信号接收设备。 农g p s 时闻中，伪卫羼信号初柜是被精确礁定懿，所鞋惩户设螽熊扶馋卫 墼获褥令瓣麴静蘧距溺爨，这样藏增大了翌飘豹覆差覆撩，滚落了导靛死餐 配置。即使某个卫星工作不正常或由其他原因造成卫星几何配嚣不良，仍能获 得优良的导航性能。 另外，用户可在些特殊场所配置多个伪卫星以增强g p s 星唐，提高g p s 信号的有效性，优纯星痊的几何配置，最终挝强定位精度。在g p s 缭合傍卫星 系绞孛，垂壹定燕精疫虿露黧嫒丈改善。添为g 於里星定位兹裹璇缀太，且靛 几何举的角度来说，茭离殿相当一致。伪卫凝位于地面，其几何能嚣可以在较 大范闱内自由改变，因此珂提高高度的定位精度。 张伪卫星作用范围内，伪卫星能提供许多比利用传统差分g p s 或普通g p s 更多的霹航功能。特别怒邋过伪卫星能减少或鞭制高度误差，能必飞机( 包撬 妻舞+ 飞凝) 鑫筷 精密遴场缝宠。 剃溺g p s 的非精密进场并不限定在直线段，飞机不是跟踪一个窜波信号波 束。对j 二从仟何航线进场的飞机都能把位置计算并显示出来，这对于复杂地形 非常有用，冈为它允r ：在任何需要的时候都可以改变进场航线，而小影响地面 没备的安装和运行f 9 j 。 7 西北j ：业人学硕l 二学位论文 第一章绪论 采用伪卫星增强g p s 的优点有：提高定位精度，改善定位的可靠性、有效 性、连续性和完整监控；利用伪卫星信号完整的数据链性能，支持差分g p s 处 理，通过及时传输差分g p s 矫正数据和实时信息，可提高定位精度。然而，该 系统在实际应用中还面临着许多技术问题，本文就针对其中一些关键问题作具 体的分析研究。 1 4 论文研究的内容 本文在之前分析了伪卫星产生的根源，伪卫星定位基本原理以及伪卫星增 强卫星定位系统的优点，在之后的章节中会分别从时间同步、远近效应以及定 位精度三个方面着手，进一步分析伪卫星在增强卫星定位系统中如何能提高系 统整体性能( 主要在第四章，卫星定位精度的提高中分析) ，以及在实现伪卫星 定位过程中所面临的必须解决的问题卫星时间同步问题以及伪卫星远近效 应问题，这些问题将分别在二、三章中进行分析，提出合理、可行的解决方法。 并且根据伪卫星定位中以上三个方面的问题，提出相应的解决方法，采用 m a t l a b 进行调试仿真，来进一步说明伪卫星在定位过程中所起到的作用以及解 决方案的合理性。 两北i 一业大学硕士学位论文第二章时间同步 第二章时间同步 真f 的g p s 卫星采用原子钟，因此，g p s 的时钟精度很高。g p s 卫星使 用的是稳定度达1 0 。1 2 量级左右的铷钟和铯钟，在定位过程中，通常只需要考虑 接收机的钟差，而伪卫星由于体积、成本等等的限制，不可能采用原子钟，只 能采用石英晶体振荡器。因此其时钟精度不高。 因此伪卫星时钟同步问题就成为伪卫星增强定位过程中的关键因素之一。 2 1 授时技术 在g p s 测量中，时间系统是最重要、最基本的物理量，可以说没有高精度 的时间基准，就没有g p s 定位。首先，g p s 卫星的所有信号都是由高精度的原 子钟提供的；其次，g p s 导航定位实际上是精确测定信号传播时间来实现的； 第三，在表述卫星运动位置、测量数据的处理等，都需要精确的时间信息。 单从授时出发，不难理解系统传播时间的精确控制是不可缺少的。而对于 导航定位，系统内部钟( 星载钟和地面监测和控制台站的钟) 的同步就极为关 键。没有原子钟的支持，没有钟同步和保持技术的支持，实现星地导航和定位 是不可能的。在完成精确时间的传递过程，需要对传播时延作精确修正，而这 又需要知道用户的精确地理位置。 授时技术在军事、科技和经济生活等领域中都有广泛应用。该技术主要完成 两方面的工作： ( 1 ) 精确确定用户时钟相对于标准时间的偏差； ( 2 1 在两个或两个以上的不同地点实现时钟同步( 又称时钟或时间比对) 。 为了研究本文中g p s 系统对伪卫星的授时技术，首先了解一下时间系统。 时间系统与坐标系统类似，由时间起点( 原点或参考点) 和时间尺度( 单位) 构 成。常用的时间系统有世界时、原子时和力学时，这三类时间系统具有不同的时 间起点和时间尺度。用户为了进行时间传递和时间比对，要求授时技术应当完成 时间起点和时间尺度的发布，就是使用户端时钟获得与特定系统时钟相同的时问 起点和时间尺度。 在目前条件下( 如g p s 系统巾) ，高稳定、高n j - 靠原f 时钟的小型化使得授 西北工业人学硕士学位论文 第呲二章时i 司同步 时系统的任务可简化为对特定系统时钟的时问起点发布。因而时间用户可方便 地利用授时技术获得特定系统的时钟的时间起点，并完成不同时间用户之问的 时钟瞬步【2 1 】。 援隧蒗术豹精度分两个方瓣： 1 授时系统时钟的时间越点、时间尺度相对于理想时钟如u t c ( 协调世界时) 的精媵。 2 时问用户从授时系统所获得时间的路径延时测量精度。 g p s 卫摄授时骧理图如豳2 - i 艨示。 夔2 - 1g p s 授瓣瓣疆 2 2g p s 卫星的时间间步问题 鞭北为了精密导航和定位的需要，g p s 建立了专用蛉时瞄系统，简称为 g p s t 。 g p s t 属予骧子系统，其秒长与聚予瓣秽长褶溺，毽原点不潮。g p s t 的原 点于1 9 8 0 年1 月6 日0 时与u t c ( 协调世界时) 时刻相一致，以后即按原子 秒妖累积计时。因此g p s t 是一个连续的时间系统，与t a i ( 国际原子时) 在 任一瞬间均有常量差，两漕间关系为 t a i g p s t = 1 9 s( 2 一1 ) 潮式( 2 1 ) 可以得茔l 锤意时刻，g p s 孵闷与调谐毽界时之闽豹辩闽差为 u t c t g p s = u t c 一1 a i + 1 9 s | 土i 此可见，g p s 测量精度与时钟误差育着密切的关系。时钟议筹包括：卫星 钟误差和接收机误差1 1 引。 n 西北工业人学硕士学位论文第二章时间同步 2 2 1 卫星钟误差 由于g p s 卫星上均配备有高精度的原子钟( 铯钟和铷钟) ，其稳定度1 旷”， 1 2 小时的运行误差为4 3 n s ，相当于距离误差1 3 m 。 卫星钟的钟差包括钟差、频偏、频漂等产生的误差，也包括钟的随机误差。 在g p s 测量中，无论码相位观测或载波相位观测，均要求卫星钟与接收机时钟 保持严格同步。尽管g p s 卫星设有高精度的原子钟，但与理想的g p s 时系之 间仍存在着偏差或漂移。这些偏差的总量在l m s 以内，由此引起的等效距离误 差约达3 0 0 k m ，显然无法满足定位精度的要求。因此，卫星钟的这种偏差可用 二阶多项式的形式加以表示 - a t ，= a o + a l ( f t o ) + a 2 ( f t o ) 2 ( 2 - 2 ) 式( 2 - 2 ) 中，t 。为一参考历元；系数。、a ，、a 2 分别为表示钟在t 。时刻的钟差 钟速及钟速的变率。这些数值由卫星的地面控制系统根据前一段时间的跟踪资 料和g p s 标准时推算出来，并通过卫星的导航电文提供给用户。 2 2 2 接收机钟差 g p s 接收机一般设有高精度的石英钟，其稳定度约为1 0 。若接收机与卫 星钟间的同步差为1 脚，则由此引起的等效距离约为3 0 0 m 1 8 】。 本文采用把每个观测时刻的接收机钟差当作一个独立未知数，在数据处理 中与观测站的位置参数一并求解。 由此可见，若要解决g p s 卫星问的同步问题，则需要解决卫星钟误差和接 收机时钟误差。 下面对这两部分的误差做具体分析，并提出解决方案。 2 2 3g p s 时间同步 在g p s 定位中存在三种时间系统： ( 1 ) 各颗g p s 卫星的时间标准( 以下简称卫星钟) ( 2 ) 各台g p s 信号接收机的时间标准( 以下简称用户钟) ( 3 ) 统一上述两种时问标准的g p s 时问系统( 以下简称g p s 时系) 图2 2 为当采用c a 码或p 码进行g p s 站星距离测量时，g p s 测距信号在上 述3 种系统的收发时元的相互关系。 西北= 业大学硕士学位论文 第二章时间同步 卫星时钟厂厂 f 扣，) ，= 一、 l p n 码的等效接收时元 ) 一，氐 ! ! ! 竺至l ! 巨0 兰兰! 曲 用尸时钟 口j；弛口 d t + | h f - z 0 _ ) 一t ( r s ) 。旦! i i _ 一 - k = 靠一k ：旦一一 c 图2 - 2 三种时间系统的相互关系 由上图可看出伪随机码( c a 码或p 码) 从g p s 卫星到g p s 信号接收天 线的传播时间： f - 丁0 月) 一丁( f ，) ( 2 - 3 ) 式中： 丁( r 。) 为p n 码从g p s 卫星到达g p s 信号接收天线的时元 f p 。) 为p n 码在其g p s 卫星的发射时元 式( 2 - 3 ) 可改写为 r = 丁o ) 一r ( ) + ( r r f s ) 一( f r 一_ r 5 ) = ( f r f 5 ) + 【r 5 一t ( r s ) 】一【f r r ( r a ) 】 = ( r f s ) + ( 出一d t ) ( 2 - 4 ) 式中： d t 为g p s 卫星相对于g p s 时问系统的时间偏差( 简称为卫星钟误差) d t 为g p s 接收机时钟相对于g p s 时间系统的时间偏差( 简称为接收 机钟误差) 如图2 2 可知： d t = k t ( r 5 ) d t 可根据卫星导航电文给l 电的星钟a 系数求得，故可将其视为已知值 d t = 一r p r ) 由式( 2 - 4 ) 可知： ( 1 ) 设p 。一f 。) t q ，是伪噪声码的真实传播时间，它相应于g p s 信号接 收天线和g p s 卫星之问的真实距离( p ) 即p = c 一r 5 ) = c r d ( 2 ) g p s 信号接收只能够测得一个带时钟偏筹( d t d t ) 的传播时问f ；j 阿 曲北般人学硕士学位论文第二章时间嗣步 彳i 能够测得真实传播时间，以传播时间r 求得的距离，叫做“伪距”( p ：c r ) 。 即g p s 接收机只能测得带帮距离偏差的站望距离伪距( p ) 。换言之，伪 距是鼯有距离偏差的占星躐褒。g p s 信号通过魄离屡删流层到返媳蕊，若考虑 虱龟离绥对浚层零l 超豹蘧鬻褊差，爨知薅秘礤声褥溺褥赘爨踅为 p 一c t = p + c ( a t d r ) + d h ，+ 矗。 ( 2 5 ) 式中：p g p s 接收机测得的伪距 c ( d t d r ) 为时钟偏差引起的距离偏差 。 电离层效发霉l 起的距离偏差，篡凝大值对l l 磷吉w 达1 6 0 m ， 对敬蠢蠢霹这2 7 0 m 矗。 对流层引怒豹距离偏差，它髓着用户高程及其气象要素的不冠 而变化 式( 2 - 5 ) 中p 是卫星在轨位置和用户位置的函数。故知第j 颗g p s 卫星测 得的伪距可写为 尹= 盖参一邑8 1 2 罗7 枣) 一蕞麓2 + 江窭) 一z ；$ 麓2 尹蝗 + c ( a t 。- d t ) + d 刍+ d 乙 ( 2 - 6 ) 式中： x 0 ) ，y ，( f ) ，z p )为第j 颗g p s 卫羼在时元t 的三维嫩标，它们可 依导航电文提供的g p s 星历算得，即为已知数 以( t ) , y a o , z 。p ) 为用户的g p s 信号接收天线在时元t 的三维坐标， 这是德求瓣戆未翔数。 戴外，接收极静锌麓d t 也是一个待求耱的来翔数。因此，羧戏( 2 - 6 ) 解 算用户饿置时，需要求解4 个未知数，因此需骤观测至少4 颗卫星，才可列出 4 个观测方程，求解出用户位置。 通过以上运算及卫星母航电文得出d t 、d l ，以此来修正卫屡的按收机钟 差帮】王撼耱差f 蹦。 2 3 伪卫星的时间同步问题 伪卫星由于体积、成本等等的限制，不可能采用原子钟，只能采用石英晶 终羲荡释。因藏其时镑戆发不裹。毽镑卫星静瓣闻精度必矮霹隘鞫里星基号静 时潮精瘦籀眈藏，才能嫠接收祝在未穆正静嚣航算法串直接使爝镑跫基信号。 实践中，这意味着伪卫星必须包含一个稳定的钟，并且提前用某种方式跟g p s 卫星的时钟同步。 璎想_ 解伪卫星的定憾结构，旨先得了解粒分g p s 的定位原蠼。 j 1 两北。 业人学硕七学位论文 第一二章时间同步 2 3 1 差分g p s g p s 差分定位，称为d g p s ( d i f f e r e n t i a lg l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m ) 测量。 d g p s 至少需要两台g p s 接收机，分别安置在运动载体和一个已知点位坐标的 地面点( 基准站上) ，且将前者称为动态g p s 信号接收机( 简称为动态接收机) ， 后者称为基准g p s 信号接收机( 简称为基准接收机) 。这两种接收机同步地对 组在视g p s 卫星进行观测，基准接收机为动态接收机提供差分改正数，称之 为d g p s 数据。动态接收机用自己的g p s 观测值和来自基准接收机的d g p s 数 据，精确的解算出用户的三维坐标。当动态用户需要不断解算在自己位置时， 基准接收机就需要实时地将d g p s 数据发送到动念用户。基准接收机的d g p s 数据无线电发送机与动态接收机的d g p s 数据无线电接收机，构成了d g p s 数 据链。由此可见，所谓“d g p s 数据链”，就是一种用于作差分导航定位的无线 电收发设备。图2 3 即为差分g p s 的基本结构原理图。 g p s v 戽ag p s 卫星c 图2 - 3 实时d g p s 测量的基本结构 g p s 定位是利用组卫星的伪距、星历、卫星发射时间等观测量来实现的， 同时还必须知道用户时钟钟差。因此，要获得地面点的三维坐标，并须对至少 四颗卫星进行观测。 在这定位过程中，存在着i 部分误差。 一部分是对每+ 个用户计收机所共有的，例如，卫星钟误筹、譬历误差、 电离层误差、对流层误筹等； 第二二部分为不能由用户测量或山校正模型来汁算的传播延迟谋筹； 西北上业大学硕十学位论文 第二章时间同步 第三部分为各用户接收机所固有的误差，例如内部噪声、通道延迟、多径 效应等。 利用差分技术，第一部分误差可以完全消除，第二部分误差大部分可以消 除，其主要取决于基准接收机和用户接收机的距离( 详见2 4 2 节) ，第三部分 误差则无法消除。即利用差分技术能消除误差，进一步显示出差分g p s 的优越 性吲。 随着基准接收机所提供的d g p s 数据不同，可分为下列类型： ( 1 ) 位置d g p s 测量。基准接收机向动态用户发送的d g p s 数据，是“位 置校正值”，以此改正动态用户所解算出的三维位置； ( 2 ) 伪距d g p s 测量。基准接收机向动态用户发送的d g p s 数据，是“伪 距校正值”，以此改正动态用户所测得的伪距，进而解算出动态用户的三维位 置； ( 3 ) 载波相位d g p s 测量。基准接收机向动态用户发送的d g p s 数据， 是“载波相位测量校正值”，以此改正动态用户所测得的载波之后相位，进而 解算出动态用户的三维位置。 本文以伪距d g p s 测量为依据，在此基础上使用伪卫星来代替基准g p s 接 收机，以达到增强g p s 精确定位的目的。 2 3 2 伪距差分原理 伪距差分是目前用途最广的一种技术。 几乎所有的商用差分g p s 接收机均采用这种技术。国际海事无线电委员会 推荐的r t c ms c 1 0 4 也采用了这种技术【8 l 。 在基准站上的接收机要求得到它与可见卫星之间的距离，并将此计算出的 距离与含有误差的测量值加以比较。利用一个a 一声滤波器将此差值滤波并求出 其偏差。然后将所有卫星的测距误差传输给用户，用户利用此测距误差来改证 测量的伪距。最后，用户利用改正后的伪距来解出本身的位置，就可以消去公 共误差，提高定位精度。 与位置差分相似，伪距差分能将两站公共误差抵消，但随着用户到基准站 距离的增加又出现了系统误差，这种误差用任何差分方法都是不能消除的。用 户和基准站之l 朝拘距离对精度有决定性影响。 西北 k 火学硕f ：学位论文 第二章时问同步 2 4 伪卫星与g p s 同步 2 4 1 伪卫星基本结构 伪卫星( p l ) 实际上是一个发射与真实g p s 导航卫星相同频谱的地面站( 即 为地基发射站) 。它类似导航伪卫星，而且位置是固定在地面的。用户所选择的 四颗卫星的几何分稚对定位精度影响很大，在出现坏的几何配置或某个卫星故障 时，伪卫星既可代替空中的一颗g p s 卫星，又改善了g d o p ，提高g p s 的导航精 度。本文把差分技术和伪卫星技术结台在一起，即伪卫星差分技术( p d t ) 。伪 卫星差分g p s 有两种功能，一方面它同真正的导航星一样，向用户发射和空中其 它导航星同频谱的g p s 信号；另一方面它又类似差分g p s 参考接收机一样，接收 其它g p s 卫星的信号，将解算的结果与自己精确位置相比较得出补偿误差，并将 它传送给用户，以修正用户自己的定位结果。如图2 4 所示。 图2 - 4 伪卫星著分地面站 2 4 2 消除伪卫星时钟误差 如图2 4 所示，将差分g p s 中的基准g p s 接收机( 如图2 3 所示) 当作伪卫星。 在此定位过程中，伪卫星起到的是差分g p s 接收机与发射机的双蘑作用。它除了 和基本d g p s 接收机一样，通过利用伪卫星( 基准站) 的已知坐标求出不甲星的 距离，将其与含有误差的测量量比较，然后利用一个滤波器将此差值滤波并求m 西北t 挑火学硕士学位论文 第一：章时间同步 偏差，并将所有卫星的测距误差传输给用户，用户利用此测距误麓束改正测量的 伪距。最后，用户利用改正厢的伪距求出自身的坐标。此外它还向用户发射类似 g p s 里震酶信号柬增强g p s ，这样霹以增大翟蹙覆盖露积，更有效瓣改善凡彝强 形。阂戴，镑卫星与( 潆s 卫疆豹跨凝同步显褥楚为重要。 幽予真证的g p s 卫星采用原予钟，因此g p s 的时钟精度很高。而伪卫星由于 体积、成本等等的限制，不可能采用原子钟，只能采用石英晶体振荡器。但是在 实现卫熙精确定位时，伪卫凝的钟与g p s 时间保持同步。因此本文采用通过卫星 时钟修弧侥卫星时镑的方法，保证输出频率懿长期秘短期稳定性并与卫星时钟源 嗣步，激这受嗣叛同鞠麓嚣豹。箕工终嚣瑾麴f 蘑透。 在伪卫星w 上，伪卫爨测得的第i 颗g p s 卫艇的伪距为 p ：= p 0 + c ( d t 一d 7 ) + d p ：+ d 0 。+ d 0 。 ( 2 - 7 ) 式中：p 2 伪卫星在时元t 测得的伪卫星焱第j 颗g p s 卫星的伪距 砖伪卫星在辩元t 至第j 颗g p s 卫星的真实距离