淺析移動通信技術之偽衛(wèi)星時間同步法

陳健熊

（中國民用航空飛行學院，四川 廣漢 618307）

0 引言

目前，全球共有四大衛(wèi)星導航系統(tǒng)，分別為美國全球定位系統(tǒng)（GPS）、俄羅斯格洛納斯衛(wèi)星導航系統(tǒng)（GLONASS）、歐盟伽利略導航系統(tǒng)（Galileo）、中國北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)（BeiDou），北斗導航系統(tǒng)的構建使中國成為世界上第三個擁有自主衛(wèi)星導航系統(tǒng)的國家。2020年7月31日，習近平總書記宣布北斗三號全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)正式建成開通，標志著北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)形成全球覆蓋能力。近年來，北斗導航系統(tǒng)進入高速市場發(fā)展階段，國家也將在民用領域和軍事領域大力發(fā)展北斗導航衛(wèi)星。但是北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)依舊存在一些局限，例如，在地形復雜、遮擋區(qū)域，定位精度將會大幅降低。因此，發(fā)展地基增強系統(tǒng)和可脫離天基衛(wèi)星獨立定位的偽衛(wèi)星系統(tǒng)有著重要的戰(zhàn)略意義，而各系統(tǒng)中定位收發(fā)機的時間同步性能是決定整個系統(tǒng)定位精度的關鍵技術。

1 技術現(xiàn)狀與分析

全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)（GNSS）是世界上應用最廣的三維定位技術，為用戶提供定位、速度和授時（PVT）服務。相較于其他導航系統(tǒng)而言，GNSS有著難以替代的全球覆蓋性、高精度性等優(yōu)質(zhì)性能。雖然GNSS的優(yōu)點極其突出，但也有其固有的局限性，例如，地面信號強度不高，受環(huán)境因素干擾較大，衛(wèi)星信號在高樓群間、室內(nèi)等遮擋區(qū)域嚴重衰減甚至丟失。這些問題無法滿足用戶的高性能需求，也一定程度上限制了GNSS在軍事和民用領域的應用。

為彌補GNSS固有的不足，一直以來國內(nèi)外專家都致力于探究不同模式的導航技術。應用較為廣泛的包括：發(fā)展衛(wèi)星導航增強系統(tǒng)、研究新的信號體制及抗干擾技術、設計高靈敏度接收機等。這些導航技術利用了差分校正、完備性監(jiān)測、加強信號跟蹤等技術手段，在一定程度上增強了GNSS的性 能，但并未解決制約GNSS性能的關鍵問題，即，當衛(wèi)星信號接收機處于地形遮擋條件下無法直視衛(wèi)星時，GNSS的定位導航性能將會銳減。綜上所述，提高GNSS信號不可用區(qū)域導航性能的根本途徑在于為用戶提供額外的可用導航信號。

為此，澳大利亞Locata公司研制了一款名為Locata的地基導航系統(tǒng)。該系統(tǒng)既可與GNSS系統(tǒng)達成協(xié)同工作，又能夠完全獨立進行組網(wǎng)使用，不受內(nèi)部或是外部環(huán)境的限制，實現(xiàn)厘米級的實時定位。Locata系統(tǒng)是通過同步信號收發(fā)器（LocataLites）自主組網(wǎng)構建而成，將LocataLites布置到固定坐標后，不同的LocataLites之間互相接收和發(fā)送內(nèi)部時間同步信號，完成LocataNet自主組網(wǎng)，并通過TimeLoc技術達到網(wǎng)內(nèi)納秒級時間同步。要實現(xiàn)LocataNet 組網(wǎng)，至少需要3臺LocataLites：其中2臺作為定位單元設備（Positioning-Unit Device），1臺作為參考發(fā)射機（Reference Transmitter）。用戶使用的移動接收機將通過跟蹤、接收網(wǎng)內(nèi)LocataLites發(fā)射的類似GPS的定位信號或廣域增強系統(tǒng)（WAAS）轉發(fā)的GPS信號，在本地同時計算測距碼和基于載波的單點定位解來完成GNSS+ Locata協(xié)同定位或Locata獨立定位。

為了使用戶能夠利用載波相位實現(xiàn)獨立的單點定位，LocataLites之間必須是時間同步的，并且需要很高的同步水平。Locata系統(tǒng)采用了TimeLoc技術來實現(xiàn)設備間的時間同步，試驗表明其同步精度達到幾至十幾納秒。

綜上所述，Locata系統(tǒng)的創(chuàng)新性研發(fā)為天地一體化無縫定位導航體系提供了新思路，也為我國發(fā)展建設地基導航系統(tǒng)提供了更多選擇和參考。

2 時間同步法TimeLoc簡述

Locata系統(tǒng)具有高精度的定位性能，能夠達到厘米級單點定位效果。由于電磁波在空中的傳播速度是光速，根據(jù)距離公式可知，1 ns的時間誤差會造成約30 cm的定位誤差，因此，網(wǎng)內(nèi)的LocataLites必須保持納秒級的時間同步。TimeLoc技術的應用解決了上述提到的困境，該項技術通過選取Locata網(wǎng)絡中一臺LocataLite作為 參考發(fā) 射 機，其余LocataLites作為定位單元設備，參考發(fā)射機發(fā)射參考定位信號至各定位單元設備，定位單元設備接收到參考發(fā)射機信號后產(chǎn)生從定位信號，并自動測量和調(diào)整接收到的參考定位信號和自身從定位信號的頻差、相差等，最后完成LocataLites統(tǒng)一到相同時基，達到時間同步。下面以一臺參考發(fā)射機和定位單元設備為例，簡述時間同步過程：

（1）參考發(fā)射機發(fā)射包括載波分量、偽隨機碼分量和導航數(shù)據(jù)分量的參考定位信號，定位單元設備重置重啟。

（2）定位單元設備 捕獲參考定位信號，并解調(diào)出導航數(shù)據(jù)（參考發(fā)射機位置、發(fā)射信號粗略時間）。

（3）定位單元設備完成與參考發(fā)射機的粗略時間對齊。

（4）定位單元設備生成同樣包括載波分量、偽隨機碼分量和導航數(shù)據(jù)分量的從定位信號，并發(fā)射。

（5）參考發(fā)射機捕獲從定位信號并解調(diào)出導航數(shù)據(jù)（定位單元設備位置、發(fā)射信號粗略時間）。

（6）參考發(fā)射機通過測量整周載波相位值作差（ICP）或通過頻率跟蹤系統(tǒng)（FTS）完成參考定位信號從定位信號的頻率鎖定。

（7）通過科斯塔斯環(huán)（Costas Loop）和載波相位定位測量法完成180°相位模糊度和傳播時間相位偏差校正，達到參考定位信號從定位信號的相位鎖定。

（8）至此兩臺LocataLites完成時間同步，并為用戶移動接收機發(fā)送時間同步后的定位信號，該信號與LocataLites具有相同時基，精度在納米級。

圖1 TimeLoc時間同步示意圖

3 國內(nèi)面臨的問題

國內(nèi)對偽衛(wèi)星技術研究起步于21世紀初，主要集中在偽衛(wèi)星硬件設計實現(xiàn)、偽衛(wèi)星增強技術、偽衛(wèi)星組網(wǎng)配置、偽衛(wèi)星抗干擾技術等研究。早期偽衛(wèi)星系統(tǒng)信號收發(fā)器成本較高，導致偽衛(wèi)星技術出現(xiàn)后較長時間都未得到推廣應用。主要有以下幾個方面制約偽衛(wèi)星系統(tǒng)發(fā)展：偽衛(wèi)星信號結構和功率等特性和GNSS信號大體相同，現(xiàn)今絕大多數(shù)偽衛(wèi)星載波頻率為GPS頻段（L1 1575.42 MHz或L2 1227.6 MHz），如何規(guī)避天基衛(wèi)星信號干擾、克服“遠近效應”，成為系統(tǒng)設計研究的重中之重；此外，需通過差分定位技術等方式解決偽衛(wèi)星系統(tǒng)組網(wǎng)時間同步問題，而差分處理則要求基站和用戶接收機之間構建無線通信鏈路，這將大大增加系統(tǒng)復雜程度和設計成本。

為降低偽衛(wèi)星系統(tǒng)研發(fā)成本，促進偽衛(wèi)星系統(tǒng)作為GNSS的補充，成為我國綜合定位導航授時體系建設的重要一環(huán)，我國還需對以下關鍵技術進行突破：一是低成本的高精度時間同步技術；二是性能優(yōu)良的抗遠近效應和抗多徑效應技術。因此，深入研究偽衛(wèi)星的時間同步技術將為我國構建綜合PNT體系打下堅實基礎。

4 結束語

GNSS系統(tǒng)自身存在信號強度不高、依賴衛(wèi)星幾何分布等固有缺陷，無法滿足用戶在衛(wèi)星不可見區(qū)域定位需求以及如飛機進近、變形監(jiān)測等現(xiàn)代精密應用。本文介紹的地基偽衛(wèi)星系統(tǒng)及其高精度時間同步方法有著應用范圍靈活、成本低、精度高、信號強等優(yōu)點，可以作為GNSS系統(tǒng)的后備和補充，實現(xiàn)和完成上述生產(chǎn)生活需求。這些都是基于移動通信技術發(fā)展而來的，隨著信息化時代進程高速推進，移動通信技術將會不斷向前發(fā)展，同樣會有更多更好更實用的通信技術來改變?nèi)祟惖纳睿淖冞@個時代。