偽衛星技術

偽衛星技術實時接收GPS信號並確定出偽距誤差，把此誤差作為改正數提供給本地用戶，用戶則用此改正自己測得的偽距，使計算出的位置精度更高。

基本介紹

• 中文名：偽衛星技術
• 外文名：Pseudo satellite technology
• 前身：傳統的差分GPS
• 包括：固定監測站
• 作用：接收GPS信號並確定出偽距誤差

概述

傳統的差分GPS的組成包括一個位置已知的固定監測站，它實時接收GPS信號並確定出偽距誤差，把此誤差作為改正數提供給用戶，然後用戶則用此偽距差改正自己測得的偽距。這樣，採用適當的設備就能使監測站附近幾百公里範圍內的定位精度提高到5m。

除了獲得較好的定位精度外，通過對GPS信號的監測改正，差分GPS還能提高導航的可靠性，甚至當GPS衛星顯示不健康信號時仍能工作。由於基準站在衛星測距信號無法校正時，能立刻通知用戶，所以改進了系統的完整性。

但是，不管差分GPS如何提高導航精度、可靠性和完好性，也不能克服掉由於衛星星座幾何圖形不佳而造成的缺陷。以現今的GPS衛星的配置方案，一旦有一顆衛星發生故障，或者由於某種原因接收不到GPS 信號，幾何配置不當的缺陷將會更加突出。對可用性要求更高的航空用戶為了保證GPS在一些特定地區為特殊用途時的精確性和可靠性，提出了偽衛星的概念，即在該地區建立類似於GPS衛星的固定基準站，行使GPS衛星的功能。

從本質上看，偽衛星僅僅是差分GPS套用的特殊方案。因此偽衛星電文格式也和其他差分GPS的電文格式一樣。

監測站接收所有可見的GPS衛星信號和偽衛星信號，並把它們和已知監測站位置及偽衛星天線位置進行比較。監測站控制偽衛星發射並提供差分GPS電文。因為偽衛星是精確地在GPS L1頻率1575.42MHZ上發射信號的，所以GPS用戶設備可以同時接收GPS信號和偽衛星信號。

概括起來，利用偽衛星系統具有下列優點：

根據國際和美國無線電管理的規定，1559～1610MHZ頻段用於航空導航與無線電衛星導航。GPS採用了其中一個頻率1575.42MHZ，而偽衛星仍選用這一頻率。所以，GPS用戶設備可同時接收GPS 信號和偽衛星信號，不必再設定另一套接收差分GPS基準站信號的設備。

由於偽衛星信號處相在GPS時間中是被精確確定的，所以用戶設備能從偽衛星獲得一個附加的偽距測量，這樣就增大了衛星覆蓋面積，改善了導航幾何配置。結果，即使某個衛星工作 不健康或其他原因造成衛星幾何配置不良，仍能獲得優良的導航性能。

差分GPS偽衛星體制比傳統體制所需費用要少，因為它不需要單獨的接收設備。天線前置放大器等部分是與GPS接收機相同的。對用戶來說，沒有增加更多的負擔。

在偽衛星作用範圍內，偽衛星能提供許多比利用傳統差分GPS或普通GPS更多的導航功能。特別是通過偽衛星能減少或限制高度誤差，能為飛機（包括直升飛機）提供非精密進場能力。

利用GPS的非精密進場並不限定在直線段，飛機不是跟蹤一個窄波信號波束。對於從任何航線進場的飛機都能把位置計算並顯示出來，這對於複雜地形非常有用，因為它允許在任何需要的時候都可以改變進場航線，而不影響地面設備的安裝和運行。

方案設計

設計偽衛星信號結構的一個重要問題是對GPS衛星信號的干擾問題。假如用戶在距偽衛星50km處，偽衛星信號與GPS衛星信號一樣強，那么當用戶靠近偽衛星只有50m時，則此偽衛星信號將比GPS衛星信號強60dB。因此偽衛星的信號結構設計要解決這種遠-近效應問題。即在最大範圍內能 提供足夠強的偽衛星信號，又能在距偽衛星很近時不干擾GPS衛星信號。這樣要求設計的接收機動態範圍至少在60dB以上。

要達到60dB的動態範圍，有三種方法可供選擇。

CDMA-碼分多址技術

利用不同C/A碼進行碼間互相關，只能分離25dB，因此還剩下35dB必須考慮採用其他手段。如果要套用偽隨機碼來分離這60dB，則必須使此碼率比C/A碼率提高若干倍，以降低偽衛星信號對可接收值的噪聲電平。根據不同的假定和試驗，此碼率必須達到25～50MHZ，並具有類似的頻寬。但是，現今GPS的頻寬是30MHZ，所以現有的GPS接收機是無法達到的。

解決這個問題的另一條途徑是提高碼元的碼率，但這在硬體上也存在著困難。這種技術將減少GPS信號的兼容性，而且顯著增加接收機的成本。因此，利用一種新碼來解決遠-近效應似乎是不現實的。

FDMA-頻率偏值技術 使偽衛星信號偏離標稱值1575.42MHZ約10～20MHZ。 這樣可隔離正常碼的25dB。下表示出了干擾衰減與頻率分離的關係。這一技術是具有吸引力的，因為在要求的隔離上有可能產生60dB。因此，偽衛星用這一方案將忽略掉對接收機的影響。

因為偽衛星和GPS衛星信號是通過不同通道進入接收機的，必須仔細控制兩通道間的相對時延，以避免組合誤差。於是在接收機中改善濾波器和內部校準技術，增加了接收機的成本。

干擾電平與頻率偏移的關係
信號描述	dB/1kHz	備註
參考衛星C/A碼	0	參考電平; 基本碼隔離3dB，取決於假定條件3dB，取決於假定條件3dB，取決於假定條件3dB，取決於假定條件
其他衛星C/A碼	-23
偽衛星C/A碼（偏離10MHz）	-58
偽衛星C/A碼（偏離15MHz）	-60.5
偽衛星C/A碼（偏離20MHz）	-63

TDMA-時分信號結構

在TDMA工作方式下，使用一種低占空率的短脈衝來傳送偽衛星信號，這樣，只在很短的時間內干擾GPS信號。這一方案偽衛星和用戶設備造價都很低，具有巨大的吸引力 。使用TDMA的主要缺點是，偽衛星信號能夠對不按偽衛星環境下設計的接收機進行脈衝干擾。例如，對於建議採用的10%占空率的TDM信號格式而言，由非參與接收機所承擔的最大信噪比損耗約為1dB。這就必須要求設計出適用於偽衛星環境下的新型接收機。

綜合上述，TDMA是偽衛星工作的優選方案。偽衛星每秒傳送11個90.91US的脈衝。這樣偽衛星 干擾GPS信號不超過10%的時間，此時使接收機的GPS平均信號功率損耗不大於1dB。所有偽衛星都在相同時間內發射脈衝，脈衝對脈衝，數據bit對數據bit的位置都是每200Mms復一次，並且與GPS時間同步。脈衝位置隨機化的目的是講每ms所有11個位置均勻分布。套用了非Gold 編碼，不同的偽衛星採用不同碼加以識別。