按照放置位置分为三种:①地基伪卫星,放在地面上的导航伪卫星;②空基伪卫星,放在无人机或同温层平台等空中的导航伪卫星;③舰载伪卫星,放在舰船上的导航伪卫星。
按照使用目的分为两种:①试验伪卫星,在卫星未发射前,利用伪卫星模拟卫星发射的导航信号对导航系统概念和用户设备进行试验,不用做实际导航定位使用;②实用伪卫星,结合卫星导航定位系统或单独使用来为用户进行导航,是卫星导航系统的组成部分,可以改善局域导航性能,提高定位精度、完好性和可用性。
按照工作原理分为四种:①直接测距伪卫星,采用与卫星信号一样的定时方法产生码相位、载波相位和数据,电文格式与卫星类似,时钟精度与卫星时钟精度可比拟,接收机将伪卫星看作与卫星一样的测距源;②移动伪卫星,作为发射机,使用一组接收机来确定发射机的位置;③数据链路伪卫星,参考站要将差分校正信息发给用户接收机,采用伪卫星作为数据链路来发送这些信息;④同步伪卫星,从地面上的一个已知点将卫星信号反射给用户,其发射信号同步于接收的卫星信号。
典型的直接测距伪卫星系统由综合基带子系统、射频子系统、射频时延测量子系统、时统子系统、数据处理和监控子系统等组成。其中,综合基带子系统的主要功能是生成扩频码,对输入的导航电文扩频,对扩频后的信号进行时间分割调制和中频调制,并将中频信号送至射频子系统;时频子系统提供时间和频率基准;射频子系统的主要功能是将中频导航信号变频到发射频率,并通过全向天线发射到用户接收机。
导航伪卫星关键问题包括远近效应、多径效应、伪卫星同步技术等。①远近问题。伪卫星是放置在地面或空中的,与卫星一样发射连续信号,比卫星近很多,接收机接收到的伪卫星信号电平很高,较强的伪卫星信号将会淹没卫星信号。随着接收机与伪卫星距离的减少,伪卫星信号将干扰卫星信号。远近问题的解决方案包括轨迹约束、设计天线方向图、使用分立的天线、跳频、选用新的扩频码、带外发射、频率偏移、脉冲发射、提高接收机的动态范围、连续干扰等方法(如图所示)。②多径效应。多径效应是由于信号的反射引起的,由多径引起的伪距误差可以达到几十米,与全球导航卫星系统(GNSS)卫星信号的多径特征相比,具有以下特点:伪卫星的多径信号不仅来自接收机天线附近物体表面的反射信号,而且伪卫星信号本身也是反射信号;伪卫星的多径效应不能随着时间减轻到与GNSS卫星一样的程度;多径效应将极大地增加动态环境中的噪声电平等。减轻伪卫星多径效应的方法包括:采用螺旋状发射天线和多径抑制接收天线;在接收机软件中对多径误差建模;接收机中采用窄相关器等。③伪卫星同步技术。对于使用廉价的温控晶体振荡器作为时钟的伪卫星,其时钟与卫星上使用的昂贵的高精度原子钟相比很不稳定,稳定度比原子钟低一个数量级,因此伪卫星信号是不同步的,接收机不能将其采样时间同步到跟踪卫星时一样的程度。如果在没有GNSS卫星信号的情况下,要考虑时钟的同步。同步的方法可以使用主伪卫星的导航电文帧来同步其他接收机的采样时间。
远近效应示意图
采用伪卫星可以有效改善卫星星座的几何布局,低仰角的伪卫星测量值在数据处理时可以极大地改善模糊度阶段的性能和精度。伪卫星提供了额外的测距值来增强导航卫星星座,从而提高星座可用性;伪卫星提供的额外测量值可以很容易地剔除坏的测量值,从而提高可靠性。伪卫星的数量可以根据所需的精度、系统成本和环境条件来配置。基于以上优点,导航伪卫星可应用于组合导航、室内导航、地下导航、基于位置的服务、飞机精密着陆、采矿、火星探测、伪卫星反干扰、同温层伪卫星导航、确定同步轨道的卫星位置、求解模糊度等场景中。