偽衛星應用中遠近效應及其抑制技術分析

馬鵬程,唐小妹,朱祥維,歐鋼

(國防科學技術大學 電子科學與工程學院,長沙 410073)

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偽衛星應用中遠近效應及其抑制技術分析

馬鵬程,唐小妹,朱祥維,歐鋼

(國防科學技術大學 電子科學與工程學院,長沙 410073)

針對偽衛星地基導航增強系統中存在的遠近效應問題,給出了該系統應用中的信號模型,從理論上說明了遠近效應出現的原因以及抑制技術的展開方向;根據抑制技術展開的位置不同,從信號接收層和信號發射層兩個方面,總結了當前的偽衛星遠近效應抑制技術,對比分析了它們的機理以及特點。提供了偽衛星應用中遠近效應抑制技術的備選方案,可以作為實際工程應用中的技術參考。

偽衛星;導航;遠近效應

0 引 言

全球導航衛星系統(GNSS)已經在軍事和日常生活的各個領域發揮了重大作用,但是在導航衛星可見性較差的區域或者星座幾何分布非理想時,GNSS性能會受嚴重影響[1],難以實現實時高精度定位導航。

偽衛星是安裝在地表區域能發射類似于GNSS信號的“衛星”,可以有效地提高GNSS的定位精度、改善其完好性和可用性。多個偽衛星可以組成一個獨立的定位系統,甚至可以完全擺脫對GNSS的依賴。但是在偽衛星應用過程中存在一些亟待解決的問題,比如遠近效應、多徑效應、對流層時延等[2],這些問題在一定程度上制約了偽衛星在實際中的應用和發展。

遠近效應是偽衛星地基導航增強系統中最顯著的問題之一,它指的是接收機接收到的近處偽衛信號比較強,而接收到的導航衛星信號或者遠處偽衛星信號比較弱,強信號對弱信號的接收造成了干擾。因此需要對偽衛星的遠近效應做深入的研究,結合具體需求尋找最優的抑制方案。

目前偽衛星遠近效應抑制技術主要從兩方面展開:一是當偽衛星采用GNSS信號體制時,遠近效應抑制技術主要從信號接收層展開;二是從偽衛星信號發射層出發,設計遠近效應抑制效果更優的

新型偽衛星信號體制。本文從偽衛星采用GNSS信號體制出發,給出了接收機天線處的信號模型,并從理論上給出了遠近效應出現的原因以及抑制技術的具體開展方向;介紹了GNSS信號體制下信號接收層遠近效應抑制技術,然后對新型偽衛星信號體制下信號發射層遠近效應抑制技術進行分析,為偽衛星在實際中的應用奠定技術基礎。

1 偽衛星系統中的信號模型

1.1 接收機天線處信號模型

當接收機距離一顆或幾顆偽衛星比較近,距離其他幾顆偽衛星比較遠時,這時候就會產生遠近效應,此場景如圖1所示。

圖1 偽衛星遠近效應場景示意圖

當偽衛星采用GNSS信號體制時,忽略多徑效應等影響,此時接收機天線處接收到的信號s(t)可以表示為

s(t)=ss(t)+sn(t)+sf(t)+w(t)

(1)

式中: 第一項ss(t)表示N顆導航衛星信號; 第二項sn(t)表示M顆近處偽衛星信號; 第三項sf(t)表示K顆遠處偽衛星信號; 第四項w(t)表示信號噪聲; n,m,k分別表示不同發射源的信號編號。為了表述方便省略上標編號,D(t)表示導航電文; τ表示接收信號時延; c(t)表示信號擴頻偽碼; fc表示信號標稱載波頻率; fd表示多普勒頻移; φ表示信號的載波相位; P(t)表示接收機天線處的信號功率,它可以表示為

P(t)= PT(t)+GT(t)+GR(t)+

(2)

式中: PT(t)表示信號發射功率; GT(t)表示信號發射增益; GR(t)表示信號接收增益; λ表示信號波長; d表示信源與接收機的距離; LA表示信號傳播時的大氣損耗。

1.2 接收機信號處理及遠近效應原因分析

∑w·c(1),

(3)

式中,R(τ)表示歸一化相關函數,其值可以表示為

(4)

式中: Fs表示信號離散化處理時的采樣頻率; fe表示本地復制載波與信號之間的頻率差異; φe表示兩載波的相位差異,Tcoh表示相干積分時間。

通過式(3)可以看出,相干積分值與諸多因素有關。在等號右邊,只有第一項是期望值,其他四項均為干擾值。在只有導航衛星信號的應用場景中,由于接收到的信號幅值基本一致,期望信號的自相關幅值會遠大于后面干擾項的幅值,所以能夠檢測到期望信號。但是在偽衛星應用場景中,接收到的信號幅值動態范圍較大,就會造成期望信號幅值與其自相關幅值的乘積小于干擾信號幅值與互相關幅值的乘積,這就形成了遠近效應。同時也可以看到,相關積分值與信號間的多普勒頻差、相位差異有關,也需要結合具體應用場景進行分析,在此不再贅述。

1.3 小結

根據前面的理論分析,遠近效應抑制技術可以通過改變式(1)～式(4)當中的各個不同參數,從信號接收層和信號發射層分別降低近處偽衛星信號功率參數過大帶來的遠近效應問題。比如從信號接收層來說,可以改變不同來向的信號增益、在信號層面相關處理結果、本地重構相關性能更好的本地偽碼,甚至是根據測得的時延算出偽距和定位結果后對接收機環路進行輔助等;從信號發射層來說,可以改變信號發射功率、導航電文、偽碼、載波頻率,甚至是信號發射時間的控制等,主要遠近效應抑制技術如圖2所示。

圖2 主要的遠近效應抑制技術

2 信號接收層遠近效應抑制技術

在第一顆全球定位系統(GPS)試驗衛星發射之前,1976年在美國Yuma測試場就開始使用放置在地面上的偽衛星對GPS概念進行試驗[3]。當偽衛星發射的信號與GNSS信號體制一致時,遠近效應抑制技術主要從信號接收層展開。信號接收層主要指的是接收機端,按照信號流的方向可以從天線陣、信號處理、信息處理輔助等三個方面進行遠近效應抑制,如圖3所示。

圖3 信號接收層遠近效應抑制技術

2.1 接收機天線陣遠近效應抑制技術

在接收機天線處抑制遠近效應的主要方法是采用抗干擾天線陣,在近處偽衛星強信號方向形成零陷,降低近處偽衛星強信號對導航衛星弱信號或者遠處偽衛星弱信號的干擾。文獻[4]提供了一種雙射頻通道抗遠近效應技術,這種方案把抗干擾自適應調零天線與低增益普通天線相結合,根據接收機距離偽衛星的遠近設置了不同的工作模式。但是,天線陣所帶來的多個射頻前端會存在溫漂問題,而且很容易把偽衛星信號直接抑制掉,降低了偽衛星信號的可用性。

2.2 接收機信號處理遠近效應抑制技術

在接收機信號處理算法層面進行遠近效應抑制的研究非常活躍,因為這種方式成本低而且效果明顯。從接收機信號處理層面來說,遠近效應出現的根本原因是接收到的近處偽衛星強信號對導航衛星弱信號或者遠處偽衛星弱信號造成的互相關干擾,強信號與期望弱信號的互相關峰淹沒了期望弱信號的自相關峰,導致無法檢測到弱信號。進一步說,互相關干擾是由于偽碼非理想正交特性造成的。

通過檢測并消除互相關干擾來抑制遠近效應,目前有以下幾種解決方法。

2.2.1 互相關峰檢測

文獻[5]提出了多門限檢測法和多峰檢測法,這兩種方法在本質上是一致的,均是檢測捕獲到的相關峰是否由互相關引起。如果接收機判定正在捕獲或跟蹤一個互相關峰,這兩種方法都是簡單放棄利用這一弱信號測量值,所以降低了導航衛星弱信號可用性。

2.2.2 串行與并行時域干擾抵消

文獻[6]提出了串行干擾抵消算法,通過從輸入信號中逐個減去重構的偽衛星強信號,獲得期望的弱信號之后再進行捕獲。在偽碼已知的前提下,重構偽衛星強信號時需要估計信號的幅度、載波頻率、碼相位、載波相位等,但是這種方法存在處理時延,尤其是多個偽衛星強信號同時存在的情況下,需要逐次串行重構和消除強信號。

并行干擾抵消[7]是對串行干擾抵消的改進,該方法能夠一次并行減去所有強信號。當信號強度一致時,并行干擾抵消更加適用,但是強信號的信號強度不一致時,并行干擾抵消性能不如串行干擾抵消算法。

2.2.3 相關域抵消

串行干擾抵消和并行干擾抵消都是在時域對近處偽衛星強信號進行消除從而獲得弱信號,而在相關域也可以直接對強弱信號的互相關進行相減消除,從而獲得弱信號的自相關[8]。但是這種方法不能獲得時域上的期望弱信號,對后續的信號跟蹤帶來不便。

2.2.4 子空間投影法

子空間投影法主要有斜投影和正交投影兩種應用形式。

文獻[9]提出的斜投影法,從理論上通過構建與近處偽衛星強信號平行、與導航衛星弱信號或者遠處偽衛星弱信號相關的投影算子作用到輸入信號上,作用后的信號不再受強信號干擾。這種方法需要估計近處偽衛星強信號幅度、載波頻率、載波相位、碼相位等參數,計算投影算子時矩陣運算量較大。

文獻[10]提出的相減正交子空間投影法,基于強弱信號的正交性,將接收信號投影到強信號矢量上,然后將接收信號與投影得到的強信號進行相減得到弱信號與噪聲的混合信號。這種方法不需要估計近處偽衛星強信號幅度參數和相位參數。投影算子的獲得仍需進行矩陣求逆。

為了避免復雜的矩陣求逆運算,文獻[11]提出了使用內積運算的子空間投影法,其原理與相減投影法一致,避免了矩陣求逆運算。但是這會導致每次只能處理一個強信號。

文獻[12]提出的子空間投影法,其思路是構建一種新碼,使之與強信號的偽碼完全正交,與弱信號的偽隨機碼高度相關。接收機通過復制這種新碼與接收信號進行相關運算,通過抑制強信號與弱信號的互相關來克服遠近效應。雖然這種方法最多只能應對三顆偽衛星強信號存在的情況,但是只要改變算法的約束條件就可以增加應對偽衛星強信號的數目。

2.3 接收機信息處理輔助遠近效應抑制技術

在信息處理層抑制遠近效應,一種可行的方法是采用矢量跟蹤環路[13],利用導航解算的結果對跟蹤環路進行輔助。應用矢量跟蹤環路能夠同時穩健地跟蹤遠場和近場的信號,但是文獻中都只是在室內實驗室特定條件下做了實驗,還需更多的研究其抑制強信號的機理和進行室外驗證。而且,采用矢量跟蹤算法復雜度較高,文獻中的實驗均基于軟件接收機。

2.4 小結

偽衛星信號接收層遠近效應抑制技術對比如表1所示。表中的主要相關參數均為式(1)～式(4)中省略時間標志的參數,表示此抑制技術主要是針對哪些參數進行的。其中c表示本地偽碼,τ表示信號時延(偽距)。

綜上所述,構建與強偽衛星信號正交、與弱信號相關的本地偽碼,無需估計強信號參數就可以抑制近處偽衛星強信號對導航信號或者遠處偽衛星弱信號的干擾,而且不需要增加額外的天線陣,具有相對較好的抑制性能。

從信號接收層解決遠近效應是被動的,抑制技術受GNSS信號體制的約束。為了更好地解決遠近效應問題,從信號發射層改變偽衛星發射信號方式或參數是研究的另一個方向。

表1 信號接收層遠近效應抑制技術對比

3 信號發射層遠近效應抑制技術

信號發射層遠近效應抑制技術,主要從以下三個方面展開:偽衛星信號發射技術、偽衛星信號體制設計和信號功率控制技術。

3.1 偽衛星信號發射技術

偽衛星可以改變傳統的連續發射單一導航信號的模式,采用脈沖發射或者雙重發射等技術,使之具有更良好的遠近效應抑制性能。

3.1.1 脈沖偽衛星信號發射技術

為了降低對導航衛星弱信號或者遠處偽衛星弱信號的干擾,可以在一個偽碼歷元內采用較小的占空比來發射偽衛星信號。盡管脈沖信號占空比較低,但是信號強度可以足夠強,以便于接收機接收偽衛星信號。

簡單的脈沖信號發射模式容易產生虛假信號。RTCM和RTCA曾針對海事和航空應用分別發布過兩種偽衛星脈沖信號標準[14],它們能夠有效避免虛假信號的產生。目前脈沖信號在偽衛星當中應用最為廣泛,而且已經在市場上有成熟的產品,比如Locata系統。2011年Locata公司就與美國軍方展開了合作,以其優越的性能得到了廣泛的認可[15]。關于脈沖信號設計可以參考文獻[16]。由于脈沖信號使載波相位不再連續,因此會對接收機定位精度產生一定的影響,尤其是在需要載波相位進行高精度定位的應用場景中。

3.1.2 雙重信號發射技術

文獻[17]提供的一種雙重信號發射技術(DTT)也能夠有效抑制近處偽衛星強信號。DTT在偽衛星天線處同時發射即時信號和對即時信號時延半個偽碼周期且載波相位翻轉π的信號。此時,偽衛星發射的信號模型可以用下式表示。

D(p)(t)c(p)(t-Tc0.5)sin·

(2πf(p)(t)t+φ(p)+π)

(5)

式中,Tc0.5表示半個偽碼周期,其余各符號含義與式(1)一致。在接收機端,根據偽碼相關的周期性,時延的半個偽碼周期的信號用來消除偽衛星信號干擾。接收機碼跟蹤環路結構如圖4所示。

圖4 DTT接收機碼跟蹤環路結構

圖4中,時延碼生成器用于生成時延半個偽碼周期的偽碼。此方法對于靜態多徑場景下的低動態用戶具有良好的性能。此種方案的載波相位是連續的,可以應用在依賴載波相位進行高精度定位的場景中。然而此方案在接收機捕獲的過程中存在兩個自相關峰,需要進一步研究解決。

3.2 偽衛星信號參數設計

通過修改式(1)式中信號模型的參數,比如載波頻率、偽碼參數、導航電文等,也可以生成有效抑制遠近效應的新型偽衛星信號體制。

3.2.1 新型載波頻率

在載波頻率方面,可以選擇頻率偏移、跳頻、帶外發射等方法。

頻率偏移指的是以導航信號頻譜的一個零點作為偽衛星信號的載波頻率中心點,但是導航基帶信號具有一定的帶寬所以這種方式存在頻譜混疊,會引起互相干擾;跳頻指的是在導航信號頻譜各個零點處交替跳躍發射偽衛星信號,但是要跟蹤這種格式的信號需要接收機相關芯片進行重大修改;帶外發射指的是使用遠離傳統導航信號頻帶的頻率作為載波頻率,這種方式需要單獨的射頻通道來接收偽衛星信號。比如Locata系統采用的載波頻率就是遠離GNSS頻帶的工業科學及醫療(ISM)頻帶,此頻帶在2.4 GHz處。

2006年,文獻[18]提出了正交頻分復用(OFDMA)信號體制的偽衛星并在室內環境下進行了仿真,仿真定位結果可達到厘米級精度。

3.2.2 新型擴頻偽碼

在擴頻碼方面,就是要選用與現有導航衛星信號擴頻碼之間互相關最小的偽碼,使偽衛星強信號與弱信號的互相關作用最小,以此來抑制遠近效應。能夠可以有效降低互相關作用的偽碼可以是更長的碼、多歷元擴頻碼、更快的碼、多相碼以及模擬碼等[14]。

3.2.3 無導航電文調制

如果接收機提前精確已知偽衛星的位置,則接收機只需要測得自己與偽衛星的距離即可。文獻[19]提供了一種無電文調制的偽衛星信號體制,在這種信號體制下可以降低偽衛星信號發射功率,然后充分加長相干積分時間,就可以增強弱信號的積分增益,而不用擔心受電文跳變的影響。但是這種方式只能應用于偽衛星位置固定且接收機對偽衛星的位置精確已知的前提下。

3.3 信號功率控制技術

在信號功率控制方面,使接收機的使用區域處于合適的信號功率范圍內也是一種特殊的解決遠近效應的方法。比如機場著陸場景下,偽衛星的放置位置需要精心設計,保證飛機在著陸過程中接收機一直處于偽衛星信號的工作區域內,接收機能夠正常地同時接收處理導航衛星信號和偽衛星信號。

文獻[20]提出了一種偽衛星端基于功率控制的遠近效應抑制技術,其信號體制是基于脈沖信號體制。與傳統脈沖信號體制不同的是,此種功率控制技術在一個偽碼歷元內發射多個相鄰的脈沖信號,而且脈沖信號幅度逐次降低。這種方法有效地擴大了偽衛星信號的覆蓋范圍。其信號發射功率變化如圖5所示。但是這種方式擴展了脈沖信號的占空比,容易阻塞接收機。

圖5 逐次降低脈沖幅度信號發射技術

3.4 小結

偽衛星信號發射層遠近效應抑制技術對比如表2所示。表中的針對信號參數均為式(1)中省略偽衛星編號和時間標志的信號參數。

表2 信號發射層遠近效應抑制技術對比

4 結束語

偽衛星地基增強技術可以有效提高GNSS的性能,能夠滿足人們對于導航高精度、高可靠性的需求,但是偽衛星應用過程中存在遠近效應問題。本文從偽衛星信號接收層和信號發射層兩個方面,詳細總結分析了目前主要的偽衛星遠近效應抑制技術,指出了一些技術應用的局限性,為衛星導航系統尤其是北斗衛星導航系統偽衛星地基增強應用提供相應的技術參考。

[1] 謝鋼. GPS原理與接收機設計[M]. 北京:電子工業出版社,2012:113-116.

[2] WANG J. Pseudolite application in positioning and navigation: progress and problems [J]. Journal of Global Positioning Systems, 2002,1(1):48-56.

[3] HARRINGTON R L,DOLLOFF J T. The inverted range: GPS user test facility[C]//Proceedings of the IEEE PLANS’76, 1976:204-211.

[4] 韓天柱, 陸明泉. 雙射頻通道抗遠近效應技術[J].系統工程與電子技術,2012,34(4):802-805.

[5] ZHENG B, LACHAPELLE G, GPS software receiver enhancements for indoor use[C]//Proceedings of the ION GNSS 18th International Technical Meeting of the Satellite Division, 2005:1-5.

[6] MADHANI P H, AXELRAD P, KRUMVIEDA K,etal. Application of successive interference cancellation to the GPS pseudolite near-far problem[J]. IEEE Transactions. on Aerospace and Electronic Systems. 2003, 39(2):481-487.

[7] PATEL P, HOLTZMANol J. Performance comparison of a DS/CDMA system using a successive interference cancellation(IC) and parallel IC scheme under fading[C]// Proceedings of the IEEE International Conference on Communications, 1994:510-514.

[8] YANG C, MORTON J. Adaptive replica code synthesis for interference suppression in GNSS receivers[C]//Proceedings of the ION GNSS 22nd International Technical Meeting, 2009:131-138.

[9] BEHRENS R T, SCHARF L L. Signal processing applications of oblique projection operators [J].IEEE Trans. on Signal Processing, 1994, 42(6): 1413-1423.

[10] CHEN L, MENG W, HAN S,etal. A cross-correlation mitigation method based on subspace projection for GPS receiver[C]// Proceedings of the 25th International Meeting of the Satellite Division of the Institute of Navigation, 2012: 1428-1434.

[11]何秋生. GNSS接收機基帶信號處理算法[M].北京:電子工業出版社,2012: 152-153.

[12]GLENNON E P, DEMPSTER A G. A novel GPS cross correlation mitigation technique [C]//Proceedings of the ION GNSS 18th International Technical Meeting of Satellite Division, 2005:190-199.

[13]SO H, LEE T, JEON S,etal. Use of a vector-based tracking loop receiver for solving the near-far problem in a pseudolite navigation system[C]//Proceedings of the 22nd International Meeting of the Satellite Division of the Institute of Navigation, 2009:243-251.

[14]COBB H S. GPS Pesudolite: theory, design, and applications [D]. Stanford: Stanford University, 1997.

[15]魏艷艷. Locata—種新型的定位星座[J]. 現代導航, 2013(6):461-465.

[16]O’DRISCOLL C, BORIO D. Design of a general pseudolite pulsing scheme [J]. IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, 2014, 50(1):2-16.

[17]PICOIS A V, SAMAMA N. Near-far interference mitigation for pseudolite using double transmission [J]. IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, 2014, 50(4):2929-2941.

[18]PROGRI I F, ORTIZ W, MICHALSON W R,etal. The performance and simulation of an OFDMA pseudolite indoor geolocation system[C]//Proceedings of the ION GNSS 19th International Technical Meeting of Satellite Division, 2006:3149-3162.

[19]LEE T. Robust GPS receiver for indoor navigation system by utilizing long integration time and data-less pseudolite [C]//Proceedings of the ION GNSS 20th International Technical Meeting of Satellite Division, 2007:1359-1369.

[20]TAKAHASHI S. Transmission power control of terrestrial pseudo satellite signal for global navigation satellite systems[C]//Proceedings of the TENCON 2012-2012 IEEE Region 10 Conference, 2012:1-5.

Analysis of the Near-far Effect and Mitigation Techniques in the Pseudolite Applications

MA Pengcheng,TANG Xiaomei,ZHU Xiangwei,OU Gang

(CollegeofElectronicScienceandEngineering,NationalUniversityofDefenseTechnology,Changsha410073,China)

Aiming at the near-far effect in the pseudolite terrestrial augmentation system, the signal models in it are presented in this paper. The reasons for the near-far effect and the probable solutions are also analyzed in theory. This paper will provide a review of the recent research in the field of near-far effect mitigation techniques and analyze their mechanism and characters from the signal receiving layer to the signal transmitting layer. This investigation will provide a reference for the pseudolite augmentation techniques.

Pseudolite; navigation; near-far effect

10.13442/j.gnss.1008-9268.2016.05.006

2016-06-18

TN967.1

A

1008-9268(2016)05-0028-07

馬鵬程 (1992-),男,碩士生,主要從事衛星導航信號處理、偽衛星遠近效應抑制技術等研究工作。

唐小妹 (1982-),女,博士,副研究員,主要從事衛星導航系統、導航應用、導航信號體制等領域的教學科研及工程研制工作。

朱祥維 (1980-),男,博士,副研究員,碩士生導師,主要從事衛星導航定位系統體制設計、全數字接收機、高精度零值測量等研究工作。

歐鋼 (1969-),男,博士,教授,博士生導師,主要從事衛星導航定位、導航信號處理、導航信息處理及工程技術實現等研究工作。

聯系人： 馬鵬程 E-mail: mapengcheng1001@163.com