[科普] 伪卫星技术

传统的差分GPS的组成包括一个位置已知的固定监测站，它实时接收GPS信号并确定出伪距误差，把此误差作为改正数提供给本地用户，用户则用此改正自己测得的伪距，使计算出的位置精度更高。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到5m。

除了获得较好的定位精度外，通过对GPS信号的监测改正，差分GPS还能提高导航的可靠性，甚至当GPS卫星显示不健康信号时仍能工作。由于基准站在卫星测距信号无法校正时，能立刻通知用户，所以改进了系统的完整性。

但是，不管差分GPS如何提高导航精度、可靠性和完好性，也不能克服掉由于卫星星座几何图形不佳而造成的缺陷。以目前GPS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GPS 信号，几何配置不当的缺陷将会更加突出。对可用性要求更高的航空用户为了保证GPS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GPS卫星的固定基准站，行使GPS卫星的功能。

从本质上看，伪卫星仅仅是差分GPS应用的特殊方案。因此伪卫星电文格式也和其他差分GPS的电文格式一样。

监测站接收所有可见的GPS卫星信号和伪卫星信号，并把它们和已知监测站位置及伪卫星天线位置进行比较。监测站控制伪卫星发射并提供差分GPS电文。因为伪卫星是精确地在GPS L1频率1575.42MHZ上发射信号的，所以GPS用户设备可以同时接收GPS信号和伪卫星信号。

根据国际和美国无线电管理的规定，1559～1610MHZ频段用于航空导航与无线电卫星导航。GPS采用了其中一个频率1575.42MHZ，而伪卫星仍选用这一频率。所以，GPS用户设备可同时接收GPS 信号和伪卫星信号，不必再设置另一套接收差分GPS基准站信号的设备。

由于伪卫星信号处相在GPS时间中是被精确确定的，所以用户设备能从伪卫星获得一个附加的伪距测量，这样就增大了卫星覆盖面积，改善了导航几何配置。结果，即使某个卫星工作 不健康或其他原因造成卫星几何配置不良，仍能获得优良的导航性能。

差分GPS伪卫星体制比传统体制所需费用要少，因为它不需要单独的接收设备。天线前置放大器等部分是与GPS接收机相同的。对用户来说，没有增加更多的负担。

在伪卫星作用范围内，伪卫星能提供许多比利用传统差分GPS或普通GPS更多的导航功能。特别是通过伪卫星能减少或限制高度误差，能为飞机（包括直升飞机）提供非精密进场能力。

利用GPS的非精密进场并不限定在直线段，飞机不是跟踪一个窄波信号波束。对于从任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，因为它允许在任何需要的时候都可以改变进场航线，而不影响地面设备的安装和运行。

设计伪卫星信号结构的一个重要问题是对GPS卫星信号的干扰问题。假如用户在距伪卫星50km处，伪卫星信号与GPS卫星信号一样强，那么当用户靠近伪卫星只有50m时，则此伪卫星信号将比GPS卫星信号强60dB。因此伪卫星的信号结构设计要解决这种远-近效应问题。即在最大范围内能 提供足够强的伪卫星信号，又能在距伪卫星很近时不干扰GPS卫星信号。这样要求设计的接收机动态范围至少在60dB以上。

要达到60dB的动态范围，有三种方法可供选择。

利用不同C/A码进行码间互相关，只能分离25dB，因此还剩下35dB必须考虑采用其他手段。如果要应用伪随机码来分离这60dB，则必须使此码率比C/A码率提高若干倍，以降低伪卫星信号对可接收值的噪声电平。根据不同的假定和试验，此码率必须达到25～50MHZ，并具有类似的带宽。但是，现在GPS的带宽是30MHZ，所以现有的GPS接收机是无法达到的。

解决这个问题的另一条途径是提高码元的码率，但这在硬件上也存在着困难。这种技术将减少GPS信号的兼容性，而且显著增加接收机的成本。因此，利用一种新码来解决远-近效应似乎是不现实的。

使伪卫星信号偏离标称值1575.42MHZ约10～20MHZ。 这样可隔离正常码的25dB。下表示出了干扰衰减与频率分离的关系。这一技术是具有吸引力的，因为在要求的隔离上有可能产生60dB。因此，伪卫星用这一方案将忽略掉对接收机的影响。

因为伪卫星和GPS卫星信号是通过不同通道进入接收机的，必须仔细控制两通道间的相对时延，以避免组合误差。于是在接收机中改善滤波器和内部校准技术，增加了接收机的成本。

在TDMA工作方式下，使用一种低占空率的短脉冲来传送伪卫星信号，这样，只在很短的时间内干扰GPS信号。这一方案伪卫星和用户设备造价都很低，具有巨大的吸引力 。使用TDMA的主要缺点是，伪卫星信号能够对不按伪卫星环境下设计的接收机进行脉冲干扰。例如，对于建议采用的10%占空率的TDM信号格式而言，由非参与接收机所承担的最大信噪比损耗约为1dB。这就必须要求设计出适用于伪卫星环境下的新型接收机。

综合上述，TDMA是伪卫星工作的优选方案。伪卫星每秒发送11个90.91US的脉冲。这样伪卫星 干扰GPS信号不超过10%的时间，此时使接收机的GPS平均信号功率损耗不大于1dB。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200Mms复一次，并且与GPS时间同步。脉冲位置随机化的目的是讲每ms所有11个位置均匀分布。应用了非Gold 编码，不同的伪卫星采用不同码加以识别。