伪卫星方案设计

第3章 伪卫星方案设计 本章将讨论伪卫星相关的硬件设计问题。简单的说，伪卫星就是一台无线电发射机。每个发射机产生一个固定频率的载波，将导航定位信息调制到载波上并进行放大，最后通过天线发射出去，以便用户的远距离接收。 3.1 伪卫星系统设计 本节将介绍三种伪卫星的设计方案及功能，它们分别是简单型伪卫星、脉冲型伪卫星和收发型伪卫星。 3.1.1 简单型伪卫星 所谓“简单型伪卫星”，就是指拥有最基本的功能只产生符合一定规范标准的发射信号的伪卫星。同时简单型伪卫星的信号也可以进行数据调制并向附近的用户传送，成为DataLink站。此时的伪卫星并不需要精准的时钟，因为传送的数据并没有使用到伪卫星本身的计时器。
图3.1 简单型伪卫星原理框图 图3.1是简单型伪卫星的原理框图。载波频率由压控振荡器产生，通过调节输入电压值可控制振荡频率。锁相环将压控振荡器输出频率进行分频，然后和晶体振荡器产生的信号进行比较，通过环路滤波器来调节压控振荡器的输入电压，直到这两个信号在频率和相位上达到匹配。这样就将压控振荡器的频率调节在要求的载波频率上。 通常，环路滤波器的带宽在12kHz左右。这个带宽的相位噪声由晶体振荡器来进行控制。晶体振荡器产生的参考频率驱动码发生器产生伪随机码序列，码发生器电路可以通过芯片来实现。通过双平衡混频器将伪随机码调制到载波频率上产生伪卫星信号并由天线发射出去。 3.1.2 脉冲型伪卫星
图3.2 脉冲型伪卫星原理框图 当伪卫星用于辅助轨道卫星定位时，远近问题就成了需要解决的显著问题之一。由于轨道卫星距离用户接收机的距离很远，所以当用户接收机位置变化时，轨道卫星与用户之间的几何距离可以近似认为不变，接收到的信号强度也不会发生显著变化。而伪卫星则不然，它距离接收机较近，接收机收到的信号强度会随着用户位置变化而剧烈变化，并且有时比接收到的轨道卫星的信号强度要高出许多。这就导致接收机不能很好的接收两者的信号从而产生所谓的“远近问题”。 目前，对于远近问题己经进行了很多相关的研究，可以通过采用一种加长的新的伪随机码序列来改善远近问题。而脉冲伪卫星设计是一种基于硬件设计方案的改善伪卫星与轨道卫星之间的远近问题的一种方法。伪卫星的信号仅在传送时才会对轨道卫星信号的接收产生影响，假如伪卫星信号发射时间仅占定位信号接收的十分之一，那么它对轨道卫星信号的影响的时间也就只有十分之一。这样用户接收机就有百分之九十的时间可以接收到轨道卫星的信号，从而能够同时跟踪伪卫星和轨道卫星的信号，而不会因为伪卫星信号过强而对轨道卫星信号产生抑制。 图3.2是脉冲伪卫星的原理框图。可以看出，它是在简单型伪卫星的基础上加以改进而得到的。微处理器和简单伪卫星产生的信号保持同步，实现了脉冲格式，并产生数据调制。 3.1.3 收发型伪卫星 简单型伪卫星和脉冲型伪卫星虽然能够发送符合一定标准格式的信号，但是由于其自身内部没有精确的时钟，所以很难保证和轨道卫星以及各伪卫星之间的同步问题。即使含有和轨道卫星一样稳定的发射时钟，在进行差分定位的时候仍需要额外的参考站和数据链路来校正时钟偏滞，并且精确的时钟的使用会使伪卫星的造价昂贵而不利于实际应用。收发型伪卫星很好的解决了这一问题。 收发型伪卫星就是将接收器和发射器合为一体的伪卫星。收发型伪卫星有多种实现方案，早期的一种方案就是在仅仅改变伪卫星接收器接收到的信号的中心频率后再发射出去来实现的，如图3.3所示。
图3.3 收发型伪卫星早期方案 这种方案不需要解调和调制，实现起来比较简单，但是由于存在多个不同的载波频率，接收机的构造将会变的更加复杂。若将发射信号用不同的码调制在与接收信号相同的载波频率上，就可以简化用户接收机。 收发型伪卫星分为两种不同的类型：一种是保持发射信号与接收器接收的信号的同步；另一种就是将发射信号与接收信号的差分结果传送出去。两种类型都可以使用一个或两个天线，这主要取决于接收器的射频输入端的个数。 我们将能够实现接收信号与发射信号同步的收发型伪卫星称为同步伪卫星。同步伪卫星的设计为同步问题的解决提供了一种比较经济的选择，因为它仅使用了接收机级别的计时器。同步伪卫星发射的信号和接收信号载波频率相同，只是伪随机码不同而已。图3.4给出了同步伪卫星的功能示意图，简要的说明了信号的传送过程，如此传送的接收信号与发射信号相位同步。
图3.4 同步伪卫星示意图 由于发射信号电平和接收电平之间差别较大，为了避免伪卫星内部的接收器被发射信号堵塞，可以采用脉冲伪卫星解决远近问题时的处理方法，同步伪卫星发射器发射信号为短脉冲，接收器在脉冲之间进行接收。此时的同步伪卫星就像一面位于地面的电子反射镜，能够发射和轨道卫星一致的复制信号，用户接收机可以利用接收到的定位信息进行差分定位。同步伪卫星原理框图如图3.5所示。
图3.5 同步伪卫星原理框图 同步伪卫星的接收信号可以是来自导航卫星的信号也可以是其它伪卫星的发射信号。接收器把接收到的信号与本振混频将输入信号频率降低到合适的中频频率上，本振信号、码信号和载波信号在接收器中被剥离，伪卫星发射器硬件将来自不同通道的载波和伪随机码重组并调制到载波上，这样就产生了具有新的伪随机码序列的发射信号，并和接收信号保持着同步。但是，混频后发射出去的信号会出现一个镜像信号，因此在具体的电路设计中应加入滤波器将镜像信号滤除掉。 3.2 伪卫星关键技术 3.2.1 远近效应 3.2.1.1 远近效应概念 由于伪卫星与用户的相对位置变化范围很大，因此接收机接收到的伪卫星信号功率会随它们直接的距离变化而变化。由两万多公里高空传来的GPS卫星信号到达地面时己经相当微弱，非常容易被干扰。当伪卫星距离接收机较时，会堵塞接收机，使其不能跟踪卫星信号；而当伪卫星距离接收机较远时，接收到的伪卫星的信号功率会比较弱，以至于接收机不能跟踪到伪卫星信号，这一矛盾就是伪卫星定位中的远近效应问题。
图3.6 远近场效应示意图 接收机在“远”区内，伪卫星信号将过于微弱，接收机接收不到其信号；在“近”区以内，伪卫星则阻塞了GPS接收机，使得接收机无法跟踪到GPS卫星的信号。远近场的距离比例大约是3200:1。只有在工作区内，伪卫星和GPS卫星信号才能正常定位。远近效应的示意图如图3.6所示。对于多个伪卫星的情况，问题将更为复杂。不仅要考虑伪卫星和GPS之间的干扰，更要考虑到多个伪卫星的工作区重叠。 GPS卫星以约15瓦特的功率发送信号，经过2万多公里到达地面之后其功率己显著损耗。而伪卫星的工作半径较小，通常在50km以下。因此在相同信号结构下，伪卫星的发射功率也是一个重要的问题。其设置不当会恶化远近效应问题，甚至会造成接收机无法正常工作。它必须能保证在较大的适应范围内，既能够保证一定的功率，又避免信号阻塞。 解决远近效应问题的关键是，所设计的伪卫星发射器应能保证在最大范围内提供足够强的伪卫星信号，又不干扰GPS的卫星信号，从而使接收机正常工作。如果远近效应不能合理解决，不仅使基于卫星定位的伪卫星定位系统无法立足，甚至会影响卫星导航定位系统的正常使用。 3.2.1.2 解决远近场效应的方法 解决远近效应问题应当从“硬件”和“软件”这两个方面入手。“硬件”方面包括伪卫星发射器硬件结构、编码、频率、信号发射方式以及发射天线等；而所谓“软件”，则包括了伪卫星和用户接收设备的位置布设、用户接收机的处理软件等诸多方面。为保证用户接收机不需要作改动，很多学者就从修改伪卫星信号格式方面解决远近效应问题作了大量研究，并提出了三种技术方法： 3.2.1.2.1 码多分址技术（CDMA） 码分多址是基于扩频技术的一种实际应用。CDMA系统在使用时不仅使所有用户在信道上同时都能发送信号，而且每个用户都采用扩频调制，即将要发的信号，与一种类似噪声的伪随机序列PRN码相乘，使发送信号在频带很宽的信道上传送。为了解调信号，接收机中必须用完全相同的PRN序列，与接收到的信号进行相关性解扩。只有两个PRN码完全匹配，才能在两个函数相关时产生最大值。对其它不匹配的PRN码序列，互相关运算结果的数值很小。在这里，每个伪卫星能分配一个PRN码，因此即使各个伪卫星在传送时有相互干扰，所有伪卫星的信号也可以同时存在。这种多址联接方案称为码分多址。 在选择地址码时应折衷考虑各种要求，虽然随机噪声是一种理想的地址信号，它的正交性好，有很好的相关特性，有强的抗干扰能力，也容易产生，但接收端要实现捕获和跟踪是很困难的，要产生完全一样的本地随机噪声也不可能。因此，在实际应用中，人们广泛采用了伪随机噪声序列。扩频码自相关时得到的峰值，和它对所有其他用户PRN码互相关时得出的总噪声的比值，确定了载波噪声比。因此，在选择伪随机码时，必须选择那些互相关函数很低的伪随机码。 3.1.2.2.2 频分多址技术（FDMA） 频分多址指伪卫星以偏离L1标称频率（1575.42MHZ）约10~20MHZ的频率来发射信号，从而产生出与GPS信号约60dB的隔离度。FDMA的主要优点是：技术成熟、设备简单、不需要网同步、工作可靠、可与地面频分制线路接口、工作于大容量线路时效率较高，特别适用于站少而量大的场合。但它有一些不可忽视的缺点：转发器要同时放大多个载波，容易形成互调干扰，为了减少互调产物，转发器要降低功率运用，因而降低了卫星通容量；各上行功率电平要求基本一致，否则出现强信号抑制弱信号现象，因此不易兼容；由于需要保护频带，故频带利用率不充分。 应用这一方案将对接收机的影响很小，但是由于伪卫星和GPS卫星信号是通过不同通道进入接收机的，接收伪卫星信号时要有一个独立的射频调谐器，因此要求接收机拥有两个以上的射频调谐器。另外，两个通道接收的信号相对时延会由于时间和温度的原因产生漂移，产生组合误差。这需要大范围的修改硬件使得滤波器通过所有所需的频率，于是在接收机中需改善滤波器和内部校准技术，增加了接收机的成本。 3.1.2.2.3 时分多址技术（TDMA） 时分多址技术使用一种低占空率的短脉冲来传送伪卫星信号。当伪卫星每秒发送11个90.91us的脉冲时，伪卫星发射占空比为10%，就足够强到能被轻易接受，而他的干扰仅为10%，接收机的卫星平均信号功率损耗不大于1 dB。所有伪卫星都在相同时间内发射脉冲，脉冲对脉冲，数据bit对数据bit的位置，都是每200ms重复一次，并且与GPS时间同步。在脉冲间隙，剩下的90%的时间，接收机收到全部是不被干扰的GPS卫星信号。这样，伪卫星信号只会在很短的时间内干扰GPS信号，绝大部分接收机能同时跟踪卫星信号和伪卫星信号。 TDMA的主要优点是：（1）这种通信方式是属于“间歇”通信形式，而不同于一般的连续通信。（2）TDMA方式是一种无交调多址连接方式，因此这种方式在任何时刻可以工作在饱和状态。因而能充分