一种解决GNSS伪卫星定位中远-近问题的方法

具体实施方式

1、理论基础

GNSS定位系统中，发射器(卫星或者伪卫星)发射出调制的并且带有导航信息的高频电磁波，接收机接收这些电磁波，然后解调出里面的信息并进行定位解算，从而得到自己的位置。

以GPS系统中的L1波段的C/A码为例，GPS系统中，L1波段的发射频率为1575.42MHz，该信号被1023KHz的C/A码以及50Hz的导航电文，还有10.23MHz的P(Y)码所调制。民用接收机目前只能对C/A码进行相关运算，将卫星信号捕获，进而进行码跟踪和载波跟踪，并将导航电文解调，最后进行定位解算。在整个过程中，C/A码的相关运算是非常关键的一个步骤，如果这一步不能完成，则根本不能知道所接收的是哪颗卫星，更不能进一步进行跟踪解调和定位。而C/A码的自相关和互相关特性表明，最好的自相关为0dB，最差的互相关为-21.6dB(B.W.Parkinson，J.J.Spliker，Jr，editors.Global Positioning System：Theoryand ApplicationsI，volume 163 of Progress in aeronautics and Astronautics，1996)。

因此最差的互相关余量为21.6dB。

在使用真实的卫星定位时，虽然所有的卫星信号都被淹没在噪声中，但到达接收机的各颗卫星的信号强度差异很小，完全在接收机的动态范围之内，因此接收机可以通过相关器完成正确的相关运算。

在使用伪卫星的时候，伪卫星和接收机的距离近，而且最大距离和最小距离比值很大，根据电磁波传播理论，自由空间中，电磁波传播的衰减值与距离的平方成正比。因此接收机在运动的时候，接收到的伪卫星信号强度变化范围就非常大。假设接收机与伪卫星的最近距离为2米，最远距离为3000米，则接收机接收到的伪卫星信号强度范围就是：

20Xlog(3000/2)≈63.5dB

这个数值已经远远大于C/A码的最差互相关余量，即使接收机有一定的动态范围，但仍然非常有限，无法处理这样的信号，最终将导致相关器输出错误的相关结果，使后面的工作无法进行，定位失败。这就是“远-近问题”。

只有将引起远-近问题的伪卫星的实际发射功率降低(例如直接降低发射功率，或者用脉冲方式发射等)，才可以平衡各个伪卫星的信号强度，彻底解决远-近问题。

本发明提供的GNSS伪卫星定位系统动态调整解决方案就是判断哪颗卫星引起了远-近问题，然后降低其实际发射功率。在接收机远离该卫星，不再有远-近问题后，再将其实际发射功率恢复。

2、实施例实现过程

(1)具体实施时，首先根据所使用的接收机、使用环境、天线等各种条件，测试不同距离、不同发射功率的时候，接收机端的信噪比，以确定开始降低伪卫星发射功率的信噪比最高门限值以及开始重新提高发射功率的信噪比最低门限值。具体阈值的选定需根据具体情况确定，例如根据图(1)中的实验结果，可以选最高门限值为40dBHz，最低门限值为30dBHz。

图(1)中的实验方式为：在室内，用一颗L1波段的GPS伪卫星以不同模式发射不同功率的信号(包括1cm、50cm和200cm连续信号，50cm和200cm脉冲信号)，用GPS接收机在不同距离上接收其信号，然后记录信号强度。其中横坐标是发射功率，单位dbm；纵坐标代表接收到的信号强度，单位是dbHz。

(2)接收机端，定位用户不断将自己接收到的每颗伪卫星的信噪比以及定位状态(是否成功定位)等信息发送给主控机。信号链路可利用现有的定位用户和主控机之间的通讯链路(现有的通讯链路主要用于定位校正，在目前的伪卫星定位应用系统中几乎是必须的。该链路一般是无线网络，例如WIFI或者无线Modem)。发送速率应越快越好，这样才可以及时调整状态。

主控机端，在接收到定位用户发送来的每颗卫星的信噪比以及定位状态后，判断是否有信噪比超过最高门限值的情况，并可以根据实际要求决定是否同时判断定位状态是否失败，是则参考定位状态判断是否发生或者有可能要发生远-近问题，否则直接信噪比超过预设的信噪比最高门限值判断是否发生或者有可能要发生远-近问题。这里的“实际要求”，意思是，如果具体实施时想尽最大可能减少远-近问题的影响，就只判断信噪比是否超过最高门限值，一旦超过，无须判断是否正常定位，就立即向伪卫星发送控制命令；如果具体实施时想尽量减少对伪卫星的操作，以降低对其他接收机的影响，就要在判断完信噪比之后，继续检查定位是否正常，如果虽然信噪比超过最高门限值但是定位状态正常，就不向伪卫星发送控制命令，如果信噪比超门限且定位状态不正常，就向伪卫星发送控制命令。通过向引起远-近问题的伪卫星发送控制命令降低其实际发射功率，可以直接降低发射功率，或者将发射模式由连续切换为脉冲，或者减少脉冲宽度。具体采用何种方式可以根据实际情况测试后选择效果较好的，这与伪卫星信号质量、接收机性能等因素有关系。当然，只有当前发射模式是连续模式，才能从连续模式切换到脉冲模式；只有当前发射模式是脉冲模式，才能减少脉冲信号的宽度。

如果判断出定位用户X与伪卫星Y的距离过近，即定位用户X与伪卫星Y产生或者即将产生远-近问题，则需要由主控机通过通信链路传输控制命令给伪卫星Y。主控机与伪卫星之间的通信链路在大多数的伪卫星定位应用系统中是已经具备的(用于传输差分数据)，因此可直接利用。一般情况下，在调节了伪卫星的发射功率后，会引起接收机AGC的动作，因此对伪卫星发射功率的调节每次不宜过大，以免造成失锁。另外，由附图1可以看出，当接收机接收到的伪卫星信号强度比较大的时候(大致超过40dBHz)，伪卫星的发射功率与接收机收到的信号不成线性关系，而当信号降低后，则接收到的信号强度与发射功率基本呈线性关系，因此如果有多个接收机，降低伪卫星的发射功率，都会造成离该伪卫星较远的接收机收到的信号强度的减弱幅度大于已经发生远-近问题的接收机。这样必然会影响远距离的用户的正常定位。因此降低发射功率必须逐步进行，每次发送控制命令仅使发射功率降低一个合适的值，该值不宜过大，例如每次降低3db。在后续判断出定位用户X接收这颗伪卫星Y仍然产生或者即将产生远-近问题时，发送控制命令使发射功率降低该值，即可达到逐步降低的效果。同理，减小脉冲宽度也应该是逐渐进行。

(3)主控机端，需要对已经根据降低发射功率(或者将发射模式由连续改为脉冲，或者减少脉冲宽度)的伪卫星进行记录，在接收到定位用户新发送来的每颗卫星信噪比以及定位状态后，再次检查该定位用户X接收这颗伪卫星Y是否仍然产生或者即将产生远-近问题，如果是则继续发出控制命令降低发射功率(或者将发射模式由连续改为脉冲，或者减少脉冲宽度)，如果否则判断是否有被记录的伪卫星信噪比降低到最低门限值的情况。如果有，则认为该接收机已经脱离近区，没有了远-近问题，因此应该发出控制命令直接将该伪卫星的发射功率调大，直到发射功率达到最大。或者将发射模式由脉冲改为连续，或者增大脉冲宽度。增大发射功率和脉冲宽度，也可以设定每次增大一个值，以实现逐渐调整。具体采用何种方式增加伪卫星实际发射功率，也是可以根据实际情况测试后选择效果较好的，这与伪卫星信号质量、接收机性能等因素有关系。当然，只有当前发射模式是脉冲模式，才能从脉冲模式切换到脉冲模式；只有当前发射模式是脉冲模式，才能增大脉冲信号的宽度。之所以设定一个信噪比最低门限值，是为了防止定位用户在近气泡边缘移动，造成频繁对伪卫星进行操作。

(4)以上步骤在系统运行后一直循环，不断调节，以保证阻止远-近问题的发生。因为定位用户所用的接收机定期与主控机进行联系，并将自己所收到的每颗伪卫星的信噪比以及定位状况传送给主控机，因此主控机对系统中的远-近问题保持监控。流程可以设定为，当定位用户X接收伪卫星Y已经产生或者即将产生远-近问题，或者定位用户X接收这颗伪卫星Y的信噪比低于预设的信噪比最低门限值时，主控机根据最新收到的各定位用户所接收每颗伪卫星的信噪比以及定位状况，动态调整伪卫星Y的发射功率或发射模式或脉冲占空比；否则继续检查各定位用户所接收的每颗伪卫星是否产生或者即将产生远-近问题。