基于空基伪卫星的双星定位系统增强方案

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1、2010年6月第3期中国空间科学技术ChineseSpaceScienceandTechnology基于空基伪卫星的双星定位系统增强方案王玮1刘宗玉2(1北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院，北京100083)(2北京控制工程研究所，北京100083)摘要针对“北斗”双星定位系统不能实现无源定位和精度不能满足用户需求的问题，提出了空基伪卫星增强双星定位系统的方案并研究了其中的关键技术难点——星座布局、空基伪卫星自身定位及系统时间同步问题。研究结果表明，空基伪卫星不仅可以增强双星系统实现三维无源定位，而且具有覆盖范围大、星座布局好等特点，具

2、有广阔的应用前景。关键词空基伪卫星三维无源定位双星定位系统星座布局1引言卫星导航技术的发展是20世纪一项重大的技术突破，它能够廉价便捷地为各种海、陆、空和空间用户提供高精度、全天候和全球性的定位导航信息，在众多领域中得到了广泛的应用，具有极其广阔的应用前景[1-2]。“北斗”双星定位系统(以下简称双星系统)是中国自主开发研制的卫星导航定位通信系统，在覆盖区内能实现全天候导航、定位、简短通信和授时。由于采用有源工作体制，存在实时性、隐蔽性差，用户数量有限，抗摧毁能力薄弱等缺陷，严重制约了其应用。为此国内学者提出了各种技术途径增强双星系统，以实

3、现无源定位，包括铷钟法、伪卫星法、LORAN—C法、“三星+高度表”，等等[3_5]。其中伪卫星由于定位原理与双星系统相同容易实现三维无源定位，而且具有成本低、组网灵活等特点，已成为最具前景的增强双星系统的手段。本文将着重研究空基伪卫星增强双星系统的方案，并对其中的关键技术问题进行分析。2空基伪卫星增强双星定位系统的方案双星系统由位于赤道平面的两颗地球同步卫星，一颗在轨备份卫星，地面中心站和用户接收机等组成(见图1)。双星系统应用受限的根本原因在于卫星数量少，因此增加卫星数目、实现无源定位是增强双星系统的有效技术途径。伪卫星也被称为陆基发射

4、机或陆基卫星，其功能和原理与导航卫星类似，由接收机、发射机和天线等部分组成，能发出与导航卫星相同格式的电文[1_2]。与导航卫星相比，伪卫星具有成本低、设置灵活机动、抗干扰性能好等特点。因此，伪卫星技术得到了广泛的关注，不仅能够增国家自然科学基金项目资助(60804056)收稿日期：2009—08—24。收修改稿日期：2009—1I-27卫星l卫星2图1双星系统定位示意图20中国空间科学技术2010年6月强卫星定位系统提高其性能，还可用独立组网为用户提供导航定位信息。利用伪卫星增强双星定位系统最简单、最直接的方法是设置伪卫星地面基站。由于这

5、种基站设置在地面，因此相关技术问题较容易解决，成本较低，此外基站的精确定位也较易办到，不过由于地球曲率的影响，伪卫星地面基站的作用距离有限。如果要想在较宽范围为低高度用户服务就必须大量布设地面基站，要做到这一点在陆地上极不经济，而在海面上则不能现实，因此本文提出建立基于伪卫星空中基站的双星系统增强方案。首先在位置已知点建立适当布局的伪卫星地面基站组，再利用它们对伪卫星空中基站进行实时定位，然后就可以利用“北斗”双星、伪卫星地面基站和空中基站组成的网络为用户提供精确的导航和定位信息(见图2)。图2空基伪卫星增强的双星系统示意图与其他增强手段相

6、比，空基伪卫星增强双星系统的方案具有如下的优势：1)可实现无源三维定位导航，抗干扰能力强。伪卫星增强双星系统可实现较高精度的无源三维定位，而且伪卫星到用户接收机的距离比导航卫星近得多，在同样噪声环境下信噪比要比导航卫星高得多，因此伪卫星具有更强的抗干扰能力，当导航卫星被干扰的情况下伪卫星还可能继续工作。2)作用范围大，可覆盖我国近海区域。基于伪卫星空中基站的增强定位系统可明显扩大覆盖范围，如果在高空气球上设置空中基站，作用距离可达600km。通过建立海洋上空的伪卫星空中基站，不仅可将系统的作用范围扩大至我国的近海领域，甚至还可进一步扩大至第

7、一岛链。3)动态组网，可靠性高，具有一定的抗毁能力。基于伪卫星空中基站的区域定位系统是一个动态开放式网络，既可以与“北斗”双星系统组合，也可以独立实现定位，还可将被精确定位的用户转化成新的基站，从而扩大网络规模，提高定位精度，增强了系统的可靠性，实现体系对抗，具有较强的抗毁能力。4)经济性好。与导航卫星相比，伪卫星的一个突出的优点是成本低。伪卫星的接收机、发射机功率较低，且不需要安装价格昂贵的原子钟和特种电源，不需卫星发射，而且其维护费用也要比导航卫星便宜得多。另外，现有的双星系统用户接收机不需要改动硬件而只需对相应的软件稍作升级即可以同时

8、接收卫星信号和伪卫星信号，应用成本也较低。3空基伪卫星增强双星定位系统的关键技术3．1几何布局卫星定位系统的定位精度不仅取决于伪距测量的质量，而且与参与定位解算的卫星数目及几何布