蒋俊平;彭正泉
【摘 要】虽GNSS导航定位技术的发展给人们带来极大便利,但在一些现代应用中已逐步呈现出明显的不足,如在高楼林立的城市、室内(人们生活、工作和娱乐的场所)等特殊区域,卫星信号衰减严重甚至完全接收不到,然伪卫星技术的出现弥补了上述的不足.在对伪卫的简要介绍基础上,系统地论述了伪卫星技术的三种定位方式,通过仿真实验数据对该技术进行精度分析,针对伪卫星的关键技术给出了相应解决方案,最后列举了其在各领域中的应用. 【期刊名称】《北京测绘》
【年(卷),期】2018(032)003
【总页数】5页(P368-372)
【关键词】伪卫星;精度因子;定位方式;关键技术;应用
【作 者】蒋俊平;彭正泉
【作者单位】江西省地质矿产勘查开发局赣南地质调查大队,江西 赣州 341000;江西省地质矿产勘查开发局赣南地质调查大队,江西 赣州 341000
【正文语种】中 文
【中图分类】P228.4
自锁螺栓0 引言
早期，美国海军于1964年研发出第一代卫星导航定位系统(子午卫星系统--Transit)，该系统采用了多普勒测量法来进行导航定位。但由于子午卫星系统不连续、不独立、精度低等缺点，使得美国联合办公室(JPO)研究新一代的卫星导航定位系统即GPS，GPS以其全天候、连续性、全球覆盖等特点现已在军事、交通运输、测绘、高精度时间比对、位置信息服务、精确打击及资源调查等方面得到广泛使用，为人类带来便利。但随着社会现代化快速发展，人类对导航定位精度需求越来越高，应用范围也越加广泛，加之当用户通过隧道、水下、地下、大型商场、密集的高楼林立的城市街道、山区峡谷、露天深采矿、高边坡等环境下, 接收机天线受到遮挡,可视GPS卫星数量受限，卫星几何图形分布较差，严重
影响到GPS导航定位的精度，有时甚至无法保证导航与定位的精度需要。此外,由于GPS系统自身限制,也带来一些难以克服的弱点，如GPS对可见卫星高度角选择有一定的要求,使其在垂直方向上定位精度较差等。而伪卫星技术的出现为解决上述系列问题提供了新方法、新途径。
简单地讲,伪卫星(pseudolite,PL)可理解为“假的卫星”，因为卫星一般位于太空中，且伪卫星的最初出现要追溯到美国的全球定位系统——GPS上太空之前，当时使用一些设置在地面上的发射GPS信号的地基发射器来模拟GPS卫星星座，对用户部分(GPS接收机)进行试验，这些地基发射器就是所谓的伪卫星，但在后来的伪卫星应用中，由于某些原因和需求，伪卫星发射的不只是GPS信号还包括类GPS信号，也由地基固定发射器发展成空基、天基发射器。从而，伪卫星由一种发射GPS信号或类GPS信号的地面信号发生器变成了任何可以增强卫星导航系统的天基、地基、空基发射器装置，或者能辅助导航定位用的一些传感器。
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1 伪卫星技术导航定位方式
与GNSS导航卫星的功能和原理一样，伪卫星主要包括接收机、发射机、天线这几部分，
并且能发送与导航卫星相同格式的导航电文。在伪卫星导航定位方式中主要包含三个方面：增强GPS的伪卫星系统、参与组合导航的伪卫星系统、独立定位的伪卫星系统。
1.1 增强GPS的伪卫星系统
在某些地方如密集的城区、峡谷、露矿、高边坡区，由于GPS卫星被遮挡而数量受到限制，卫星分布图较差，GPS导航定位精度较低, 甚至无法保证导航定位的需求。为此，在需要进行高精度GPS定位的局部区域周边建立若干个伪卫星站，这些站也发射GPS卫星信号和差分改正信号。用户利用GPS接收机接收以上信号后，极大地改善了卫星的几何图形结构同时也提高了整个系统的导航定位精度，使得GPS导航定位系统的性能增强。增强GPS的伪卫星系统如图1所示。
图1 增强GPS的伪卫星系统示意图
1.2 参与组合导航的伪卫星系统
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在组合导航中组合集成方式有多种，如卫星导航与卫星导航集成(GPS/GLONASS、GPS /BDS、 GPS/GLONASS/BDS),卫星导航与惯性导航系统(inertial navigation system，INS)
集成(GPS/INS)，卫星导航与伪卫星集成(GPS/伪卫星系统)等。其中，伪卫星不仅可以用来增强GPS卫星导航系统的星座，也可以与其他卫星系统或传感器集成形成组合导航定位应用系统。与基于卫星和伪卫星的导航定位系统相比，惯性导航系统(INS)是自包含的、自主的导航系统，可以独立工作。当单独使用INS系统时，其系统误差随时间逐步累积，一般可以使用卫星导航定位系统来准确校正INS的系统误差。但在某种恶劣的环境时，卫星信号可能会在很长一段时间里被遮挡或接收不到，此刻集成的卫星导航应用系统的性能就会极速下降甚至失真，然考虑到伪卫星的灵活提供性，若组合GNSS/INS/伪卫星系统(如图2)或INS/伪卫星系统,上述问题便可得到有效解决，多方面仿真实验表明，集成GNSS/INS/伪卫星系统或INS/伪卫星系统能够改善各种恶劣工作环境下的系统性能并最有可能提供极大的灵活性和健壮性，但还是要考虑卫星测量值中的系统偏差[5]。
图2 参与组合导航的伪卫星系统示意图
1.3 独立导航定位的伪卫星系统
在卫星信号遮挡严重的地方，GNSS卫星信号可完全被人工与自然的障碍物所遮挡, 无法应用GNSS技术进行导航定位。如果采用一套能替代GNSS卫星的伪卫星来保证特殊环境(例
如室内、地下停车场、隧道、甚是在外星球)下的导航定位工作, 即完全基于伪卫星的独立导航定位系统(如图3),便可克服GNSS技术应用的局限。另外的，基于定位需求，独立伪卫星定位系统又细分为普通定位系、倒定位系统两种。
图3 独立定位系统示意图
实际上，也可将基于伪卫星技术的导航定位方式概括为两类,即与GNSS相结合的组合导航定位方式和独立的伪卫星导航定位方式。
2 伪卫星导航定位精度分析
在全球导航定位系统中，常采用几何精度因子(GDOP)来评定定位精度,它代表GPS测距误差造成的接收机与空间卫星间的距离矢量放大因子。一般的GDOP值越小，越有利于实现高精度定位。GDOP常以卫星状态矩阵为依据采用方向余弦法来计算，设α、β、γ分别为站星线与X、Y、Z轴间的夹角，则：
(1)
若观测了n颗卫星，那么状态矩阵和DOP分别为：
不锈钢消声器(2)
由此我们可以知道且通常GPS定位中高程精度因子还可表示为其中：N为卫星个数，Z为高度角。
智能定位在精密定位时，对于较隐蔽区域，卫星信号较弱，几何图形分布较差，加之大气折射和多路径效应，使得低仰角观测时接收机信号发生干涉，造成观测数据不佳，导航定位影响严重。所以小于15°(即90°-Z≤75°)高度角的卫星信号要给予舍弃，但这会导致VDOP值偏大。若在地面上布置多个伪卫星，用户接收GPS信号的同时也可以获得多个附加伪卫星信号，增加了用户定位可见卫星个数，从而几何分布图得到改善；另外，伪卫星信号不受电离层和大气层影响，因此90°-Z可以扩展到-90°～+90°,这样VDOP明显降低且GDOP明显减小。
为了分析验证卫星分布条件不佳时，加入伪卫星对精度因子和分布图的影响，对GPS卫星星座和伪卫星进行仿真，通过STK软件得到卫星在某一历元时的空间星座分布，再加入1至8颗伪卫星(伪卫星均匀分布在GPS星座信号盲区)，再依次设定卫星高度角为10°、5°、0°、-5°、-10°。得到随伪卫星个数和高度角变化的GDOP、VDOP值数据如表1、表2所示。
通过以上数据不难发现：在隐蔽地区，GPS精度因子较大GDOP为5.387，VDOP为3.658，可以说几何分布图形极其不佳，定位精度严重受到影响，但加入1个伪卫星后此状况立刻被改善，在高度角为10°时GDOP降到2.923、VDOP降到2.021；对数据进行分析及趋势预测知(图4)：随着伪卫星数的增加精度因子在不断的减小，但在加入4个伪卫星时，精度因子降低不是很明显并趋于稳定，后面再加入多个伪卫星对精度因子影响不大，所以一般的出于成本、效率及精度考虑，在加入4个伪卫星时，定位系统有较高的性能。高度角方面，精度因子随着高度角的降低而减小，但减小程度不大，而垂直精度因子(VDOP)减小程度较为明显。所以在一些深坑或者高层大型建筑物下(Z较小时)，伪卫星的加入，对垂直定位精度有极大提高。
3 伪卫星的关键技术及其应用
伪卫星作为一种灵活方便的定位模式既可以作为增强传统GPS定位的辅助手段,又可以在室内、地下通道等无法接收到GPS卫星信号的场合独立使用完全替代GPS系统实现高精度的导航定位，最终实现室内外无缝隙导航定位(如图5所示)。但伪卫星技术还有许多关键技术问题亟须解决与突破。
3.1 多径效应问题蝶形螺丝
多径的产生是由于信号的反射引起的。在伪卫星应用中，特别是在室内，反射比较多(如墙壁、桌子、凳子等反射)，加之伪卫星本身也是反射信号，这就使得多径效应成为一个主要技术问题。一般的，在静止环境时伪卫星多径不变，可以通过事先校准，如通过接收机软件中的跟踪算法对误差建模，求定误差偏离值在校准，但在移动情况下，多径变化较大且随机，问题较难处理。目前已有的多径效应解决方法有：改进天线；数据滤波与自适应处理；时空组合；选取最佳星座布局及接收机位置；改进硬件设计(包括接收机、接收机天线以及伪卫星信号发射器天线)。
表1 伪卫星、高度角对定位系统的精度影响(GDOP) PL个数GDOP 高度角 01234567810°5．3872．9232．5811．6571．3481．2461．2401．1901．1405°5．3872．7872．4821．5291．2271．1281．1251．1221．1180°5．3872．6752．3901．4331．1311．1351．1231．1201．115负5°5．3872．5762．3141．3571．1271．0261．0211．0191．015负10°5．3872．4852．2531．3041．0040．9080．9050．8970．889
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