伪卫星技术及其应用

黄声享刘贤三刘文建曾怀恩(武汉大学测绘学院,武汉市珞喻路129号,430079)摘要本文简要介绍了伪卫星的基本概念及其作用,详细论述了伪卫星增强GPS系统、独立的伪卫星导航定位系统、基于伪卫星的逆向定位系统等三种工作模式,并对伪卫星应用的主要技术问题及解决思路进行了分析.
关键词伪卫星;导航定位;GPS;工作模式伪卫星(Pseudolites)是一种基于地面的能够传播类似GPS信号的发生器,其最简单的形式是GPS信号产生器和发射装置.
目前,伪卫星已被发展成为增强GPS应用的信号源,它不仅能够增强室外卫星的几何强度,而且在某些情况下(如室内)甚至可以替代GPS卫星星座.
伪卫星主要发射GPS频段(如L1、L2频率)的信号,这些信号可用于伪距和载波相位测量.
作为GPS卫星增强系统的伪卫星,无论是在测距码还是在载波相位定位方面都十分具有吸引力.
伪卫星的应用不仅增加了"GPS卫星"的数量,而且大大改善了新星座的几何分布.
一方面,在载波相位测量中,由于"卫星"几何位置的较大改变,可以得到一个非常好的模糊度参数矩阵,减少模糊度搜索空间,从而使用户能够更快地得到模糊度解;另一方面,采用伪卫星技术可以大幅度地提高垂直方向的定位精度.
此外,伪卫星还可作为独立的室内导航和定位系统,与GPS一起构成真正意义上的全球导航定位系统.
伪卫星具有多方面的应用,随着近十多年来伪卫星技术及GPS用户设备的发展,伪卫星可广泛应用于增强GPS系统的可行性、可靠性、完整性和精确性,如飞机着陆、都市环境下的地面交通导航、变形监测、外星体探测等方面的应用.
1伪卫星应用的工作模式伪卫星技术的应用主要有三种工作模式:基于伪卫星的增强GPS系统;完全独立的伪卫星导航定位系统;基于伪卫星的逆向定位系统.
实质上,也可将其概括为两类应用模式,即与GPS相结合的应用模式和独立的伪卫星应用模式.
1.
1伪卫星增强GPS系统图1伪卫星增强GPS系统的示意图在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,可视GPS卫星数量受到限制,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定位的需要.
为此,通过在地表附加一定数量的伪卫星,与GPS组合来进行定位,可以在很多方面增强GPS导航定位系统的性能.
伪卫星增强GPS系统的应用如图1所示,在可视GPS卫星数受到限制的环境下,通过增设伪卫星,不仅可以大为改善"卫星"的几何图形结构,而且可以明显提高整个定位系统的精度、可靠性和完整性.
众所周知,GPS定位的精度可用原始观测值的误差与卫星的几何图形精度因子DOP来描1http://www.
paper.
edu.
cn述.
在GPS观测值精度一定的条件下,改善GPS卫星的几何分布就成为提高GPS定位精度的关键.
作为GPS增强系统的伪卫星正是通过改善"卫星"的几何分布,从而达到提高GPS导航定位精度之目的,尤其是在高程方向上的精度将得到明显提高.
因为在GPS定位中,为尽量避免对流层与电离层延迟和多路径效应影响,一般要求限制观测卫星高度角,增加伪卫星就可以弥补在低高度角范围内无观测值的缺陷.
图2伪卫星增强GPS系统的空间应用伪卫星增强GPS系统在空间(如航空摄影、飞机着陆等)的应用方面,澳大利亚UNSW大学的研究小组近几年来作了大量的研究工作[2],如图2所示.
为了充分发挥伪卫星增强GPS系统的空间应用,该小组还深入研究了伪卫星的数量、位置和几何分布等方面对系统作用的影响.
研究表明,安置合理的伪卫星能增强GPS卫星的几何强度和信号的有效性,对导航定位系统的可靠性、模糊度精度和解的结果有非常大的作用,尤其是在垂直方向上提高明显;伪卫星的最佳位置与定位的空间卫星有关,由于空间卫星的运动,某时间为最佳位置的伪卫星并不一定总处于最佳位置;尽管增加伪卫星的颗数对整个系统的完整性、可靠性和定位精度起着重要作用,但是当伪卫星数量达到或超过3颗时,再增加伪卫星的颗数对整个系统的作用就不如只增加1-2颗伪卫星时那么明显.
1.
2独立的伪卫星导航定位系统在山区峡谷、地下、隧道及室内等环境下,GPS卫星信号可能完全被人工与自然的障碍物所遮挡,无法应用GPS技术进行导航定位.
如果采用一套能够替代GPS卫星的伪卫星来保证特殊环境下的导航定位工作,即完全基于伪卫星的导航定位系统(如图3所示),便可克服GPS技术应用的局限.
与GPS相比,完全独立的伪卫星导航定位系统的应用具有许多优点:1)在基于伪卫星技术的室内,伪卫星信号发生器可以设置在地面的任意位置;2)为获得最佳的定位效果,伪卫星的几何分布可以预先进行设计;3)在变形监测方面,可以根据不同的需要而设计不同的系统方案,比如,为监测地面沉降,整个监测系统只需布设两台接收机和两颗伪卫星,由于对平面变形监测没有要求,所以,一个双差载波相位观测值就能获得高程变形信息;4)伪卫星设备的潜在成本较低,在系统设计方面可以考虑更多的伪卫星数;图3伪卫星导航定位系统应用示例5)伪卫星播发的频率可以根据特殊应用需要而灵活选择.
与GPS定位系统相类似,伪卫星定位系统的质量很大程度上取决于接收机与伪卫星所构成的几何图形强度.
室内2模拟实验表明,将5颗伪卫星发射天线安装在室内的天花板上(天花板离地面10m高),然后,移动装置环绕房间地面进行运动,其RDOP值为1.
2-3.
8,反映出非常好的定位几何图形强度[3].
另外,对于隧道长度为150m的模拟实验,采用6颗伪卫星构成一个良好的几何强度,能够提供1-5cm的水平定位精度,这种精度足以满足将来自动化公路系统的车辆跟踪和控制需要.
目前,还有学者提出将伪卫星导航定位系统应用于火星探测,在火星上设置一套伪卫星导航定位系统为移动机器人提供cm级精度的位置和姿态信息,这种高精度导航能力也是将来宇航员或机器人探险队对火星进行探测的关键技术需要.
在伪卫星定位系统中,由于需要精密确定伪卫星的位置,这在外行星(如火星)上将是一项非常困难的工作,为解决此问题,斯坦福大学的宇航机器人实验室提议采用一种被称为自校正伪卫星阵列的伪卫星定位系统.
该系统的伪卫星实质上是收发器,可以发射并接收测距信号来确定系统中所有伪卫星的相对位置.
1.
3基于伪卫星的逆向定位系统图4基于伪卫星的逆向定位系统示意图上述两种工作模式中,伪卫星是固定不动的,用户通过接收机来进行定位,接收机是可以移动的.
基于伪卫星的逆向定位系统则是通过固定接收机,让伪卫星移动来达到用户定位之目的[4],如图4所示.
该定位系统由4台及以上的接收机、1台伪卫星参考站和1台伪卫星用户或移动站所组成.
与GPS相对定位的原理相类似,在伪卫星与接收机之间构成双差观测量,可以最大限度地消除系统性误差,如伪卫星发射器和接收机的钟差等.
伪卫星逆向定位系统要求预先精确确定各接收机和伪卫星参考站的位置,然后通过这些已知点来测定伪卫星用户的坐标.
由于系统的软、硬件都在地面上进行配置,所以能够很容易地解决其电源、硬件规模、计算等问题,特别是当GPS频率受阻时,整个系统照常能够运行.
当然,基于伪卫星的逆向定位系统还有一些技术问题需待解决,如最佳几何图形、多路径影响、接收机位置误差等.
2伪卫星应用的主要技术问题与解决方案目前,伪卫星应用的主要技术问题包括:信号的远近效应问题、大气改正模型、多路径效应、伪卫星位置偏差等,尤其是单独的室内伪卫星导航系统更为严重.

2.
1信号的远近问题所谓信号的"远近问题",是指用户接收机跟踪来自约20100km高度的GPS卫星发射的弱信号与接收地面近距离伪卫星发射的强信号之间的冲突问题.
虽然GPS卫星信号到达地面用户接收机的功率很弱(约为130db),但是GPS卫星至用户接收机之间的相对距离变化不大,使得接收机跟踪GPS卫星信号的强度相对保持稳定.
而伪卫星与用户接收机之间的相对距离变化较大,在近距离区域,伪卫星信号过强会干扰GPS信号的接收,甚至阻塞接收机;在远距离区域,伪卫星信号又太弱,使得用户接收机跟踪不到其信号.
所以,在一定的动态作业区,保持伪卫星信号和GPS信号的相对平衡,使两者的信号都能被接收机所3跟踪,是伪卫星导航定位应用中需要解决的关键问题之一.
为了克服信号的"远近问题",目前提出了两种主要方法:一种是Stansell(1986)提出的TDMA(TimeDivisionMultipleAccess),采用低占空率的短脉冲来传送伪卫星信号,避免与GPS信号的相互干扰,TDMA方法不需要改变用户接收机,而且伪卫星的成本也较低;另一种方法是Martin(1999)提出的根据应用环境选择最适宜的天线,比如,微带天线最适宜于小范围覆盖(如室内),高增益的抛物线或螺旋天线适合于长程覆盖等.
2.
2大气延迟问题与GPS信号传播相类似,伪卫星信号要经过地球表面的大气层,最后到达用户接收天线,在传播过程中,大气层对信号传播会产生影响.
我们知道,GPS信号在传播过程中由于受电离层和对流层的影响而带来误差,而对于伪卫星,由于其所处的位置高度一般较低,位于地球表面附近,所以通常仅考虑对流层对伪卫星信号的影响.
电磁波受对流层折射的影响与电磁波传播途径上的温度、湿度和气压有关.
对流层较干燥的部分占整个对流层效应的90%,很大程度上可以模拟出来.
而较湿润的部分会随着时间和位置做相应的变化,对卫星信号有不同的影响,模拟较为困难.
目前,GPS信号的对流层延迟采用标准大气模型估计改正效果较好,并且主要取决于GPS卫星的高度角.
而对于伪卫星的情形,由于其高度上的一点差异可能导致高度角上几度的差异,而且,大部分的水蒸气都集中在高度不超过4km的高空,来自于低仰角的伪卫星信号,在以较长的路径穿过对流层时会受到更为严重的影响.
显然,标准的对流层模型不能用来补偿伪卫星对流层延迟的影响,有必要针对伪卫星情况建立对流层延迟模型.
一种方法是Hein于1997年建议的,为补偿伪卫星对流层延迟,可将大气层折射率描述为气象参数的函数,采用如下对流层模型[5]251075.
398.
716.
77TeTeTePNPPP++=(1)式中,P为大气压,为局部水气压,PeT为温度.
如果假定气象参数是相同的,则通过接收机间求单差后,对流层延迟可表述为[6]ρδ++=6210)37500062.
56.
77(TeTeTPPPtrop(2)式中,ρ是伪卫星与两台接收机之间几何距离之差.
由标准气象参数,对流层延迟改正可达320.
5ppm(即每km为32.
05cm),在某种特定的天气条件下,甚至高达600ppm[6].
很显然,局部的天气条件对改正数的影响很大.
所以,为了有效地模型化对流层延迟,就需要对大气压、温度和湿度进行精密观测.

另一方法是Barltrop于1996年提出的自适应对流层延迟估计算法[7].
在该方法中,将对流层延迟作为定位解算中的一个附加未知参数.
这种方法能够用来补偿伪卫星定位误差,但是,还需要做更多的研究来评价这种估计延迟的精度和可靠性.
所以,为寻求更为完善的对流层延迟模型一直是研究人员所关心的问题.
2.
3多路径误差影响在伪卫星应用中,测量数据质量将受到严重的多路径误差影响.
由于伪卫星一般处于低仰角(低于15度),其信号受地面物体的影响将更为严重,即易受多路径误差影响,尤其是在室内,伪卫星信号易受到如墙壁之类物体的强反射.
在静态系统中,由于伪卫星、基站、4流动站之间相对位置保持不变,所以,我们可以将多路径效应看作是未知的恒定参数,通过一定的方法预先估计,从而可以得到消弱或消除.
但是,在动态系统中,由于伪卫星、基站、流动站之间几何位置是变化的,预先无法进行估计,很难对其消除.
因此,消弱乃至消除多路径效应成为伪卫星导航定位技术应用的问题关键.
解决多路径干扰问题,目前主要有四种途径:改进天线抗多路径干扰、数据滤波与自适应处理抗多路径影响、时空组合抗多路径影响以及通过选星抗多路径影响.

2.
4伪卫星位置偏差与GPS测量中的卫星轨道误差相对应,伪卫星位置偏差有其独特性.
在GPS相对定位中,卫星轨道误差对基线长度的影响与基线长度和用户至卫星的距离之比成正比,由于GPS卫星到用户接收机的距离相对较远,对于短基线定位,其轨道误差可以忽略.
而作为地面卫星定位系统的伪卫星与GPS卫星的位置不同,GPS卫星是高速运动的,伪卫星是静止的,伪卫星位置偏差将会是一个恒量.
在某些应用中,比如变形监测,这个恒定(或者说几乎不变)的偏差可以进行估计,并通过适当的算法加以消除.
即使是动态应用,也可以利用GPS、全站仪或者其它传统测量技术预先精密确定伪卫星的位置.
3结语伪卫星技术可以弥补GPS导航定位技术应用的许多缺陷,同时也是提高定位精度的一种有效手段.
为推动伪卫星技术的应用,目前还有许多关键问题需要解决:由于伪卫星受多路径效应影响较为严重,所以,如何降低多路径效应的影响或对其进行估计是迫切需要解决的首要问题;对于独立的伪卫星导航定位系统,伪卫星的硬件是决定信号质量的主要因素,需要设计并生产优良的伪卫星及用户接收机;对于伪卫星增强GPS系统,如何设计伪卫星的位置及数量以获得最佳的GPS卫星和伪卫星所构成的几何分布需要深入研究;在系统软件方面,也需要为伪卫星应用研究新的大气改正模型.
另外,伪卫星技术的广泛应用还应纳入社会基础设施规划中,为其分配新的波段以防来自GPS卫星和其他信号发射的干扰.
参考文献[1]CobbS,O'ConnorM.
Pseudolites:enhancingGPSwithground-basedtransmitters[J].
GPSWorld,1998,9(3):55~60[2]LeeHK,WangJL,RizosC,etal.
AnalysisofPseudoliteAugmentationforGPSAirborneApplications[C].
IONGPS,Portland,OR,2002[3]WangJL.
PseudoliteApplicationsinPositioningandNavigation:ProgressandProblems[J].
JournalofGlobalPositioningSystems,2002,1(1):48~56[4]O'KeefeK,SharmaJ,CannonME,etal.
Pseudolite-basedInvertedGPSConceptforLocalAreaPositioning[C].
IONGPS,Nashville,TN,1999[5]HeinGW,EissfellerB,WernerW,etal.
PracticalInvestigationonDGPSforAircraftPrecisionApproachesAugmentedbyPseudoliteCarrierPhaseTracking[C].
IONGPS,KansasCity,Missouri,1997[6]DaiLW,WangJL,TsujiiT,RizosC.
PseudoliteApplicationsinPositioningandNavigation:ModellingandGeometricAnalysis[C].
KIS2001,Banff,Canada,2001[7]BarltropKJ,StaffordJF,ElrodBD.
LocalDGPSwithPseudoliteAugmentationandImplementationConsiderationsforLAAS[C].
IONGPS,KansasCity,Missouri,19965作者简介:黄声享,教授,博士生导师,现主要从事卫星定位技术与变形监测研究.