偽衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)在物資管理中的應(yīng)用

前言

一般對(duì)于導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)而言，所能跟蹤的衛(wèi)星越多，其幾何分布結(jié)構(gòu)越好，則定位測(cè)量結(jié)果越可靠，精度也越高。但是,當(dāng)衛(wèi)星信號(hào)受到建筑物、墻的遮擋，特別是在室內(nèi)時(shí)，信號(hào)基本完全消失，導(dǎo)致室內(nèi)定位無(wú)法實(shí)現(xiàn)。在物資日常管理中,特別是大量物資處于庫(kù)存狀態(tài)時(shí)，即使進(jìn)行了分門(mén)別類，仍需耗費(fèi)大量人力時(shí)間去查找。偽衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)的出現(xiàn)為解決這個(gè)問(wèn)題提供了可行方案。

使用偽衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn):

自由構(gòu)造幾何關(guān)系，提高定位精度。在偽衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍內(nèi)，可通過(guò)人工改變偽衛(wèi)星位置來(lái)改善PDOP。

解決信號(hào)遮蔽問(wèn)題。偽衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)可在任意區(qū)域架設(shè),即便沒(méi)有實(shí)星信號(hào)也能進(jìn)行定位，通過(guò)在室內(nèi)天花板設(shè)置偽衛(wèi)星發(fā)射機(jī)，可消除物體遮擋，因此不存在信號(hào)遮蔽問(wèn)題。

差分校正量自動(dòng)傳輸。由偽衛(wèi)星發(fā)送的類北斗信號(hào)具有電文傳送能力，其信息可直接被接收機(jī)接收，這樣無(wú)需單獨(dú)的通信鏈路，就可接收到差分校正量。

具有很強(qiáng)兼容性。偽衛(wèi)星信號(hào)可被一般的北斗接收機(jī)所接收，而接收機(jī)幾乎不用修改。

1偽衛(wèi)星導(dǎo)航定位原理

偽衛(wèi)星是一種基于地面的能夠傳播類似GNSSS信號(hào)的簡(jiǎn)易信號(hào)發(fā)生器。利用各種載體建立的偽衛(wèi)星站不僅可以區(qū)域增強(qiáng)GPS、GLONASS導(dǎo)航系統(tǒng)，而且對(duì)正在建設(shè)的伽利略和我國(guó)的北斗二代導(dǎo)航系統(tǒng)，在導(dǎo)航衛(wèi)星不能滿足定位要求時(shí),甚至可以利用偽衛(wèi)星進(jìn)行衛(wèi)星補(bǔ)充完成導(dǎo)航定位。因此，偽衛(wèi)星已成為當(dāng)前導(dǎo)航領(lǐng)域研究中的一個(gè)新穎且具有廣泛應(yīng)用前景的研究熱點(diǎn)。

以北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)為例，北斗偽衛(wèi)星定位系統(tǒng)是一個(gè)模擬北斗定位系統(tǒng)的區(qū)域定位系統(tǒng)，基本理論和研究方法都源于北斗。可用4顆北斗偽衛(wèi)星作為信號(hào)源來(lái)模擬北斗系統(tǒng)中的衛(wèi)星，采用獨(dú)立的坐標(biāo)系和時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)，組成偽衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，并通過(guò)北斗接收機(jī)和主控站完成偽衛(wèi)星系統(tǒng)的同步控制、導(dǎo)航信號(hào)的接收以及定位信息提取和解算，就能夠給一定區(qū)域內(nèi)進(jìn)行定位。

與北斗觀測(cè)的數(shù)據(jù)類似，偽衛(wèi)星偽距及相位的一般觀測(cè)方程如下:

程如下

式中的k和p分別表示接收機(jī)和偽衛(wèi)星。R和叫分別表示接收機(jī)k對(duì)偽衛(wèi)星p的偽距和相位觀測(cè)值；表示偽衛(wèi)星的載波波長(zhǎng)；pk表示偽衛(wèi)星與接收機(jī)之間的距離;c表示真空的光速;dpt和dkt分別表示衛(wèi)星與接收機(jī)的鐘差；N表示從接收機(jī)到偽衛(wèi)星相位觀測(cè)的整周模糊度數(shù)值;drk表示偽衛(wèi)星的位置誤差；dmk和dmk分別表示偽距及相位觀測(cè)的多路徑效應(yīng)誤差；鄰與ek分別表示偽距與相位觀測(cè)的觀測(cè)誤差。

2偽衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)在物資管理中的應(yīng)用

2.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了在物資管理中應(yīng)用偽衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，首先要在室內(nèi)構(gòu)成偽衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，它主要由單體偽衛(wèi)星和主控站組成。單體偽衛(wèi)星由接收機(jī)、發(fā)射機(jī)和天線等部分組成，其工作原理為，設(shè)置在地面或空中的衛(wèi)星發(fā)射類似北斗的信號(hào),結(jié)合收到的實(shí)星信號(hào)，通過(guò)選擇最佳衛(wèi)星幾何結(jié)構(gòu)，提高局部地區(qū)的導(dǎo)航定位性能,甚至在導(dǎo)航定位衛(wèi)星完全不能使用時(shí),單獨(dú)組網(wǎng)進(jìn)行定位導(dǎo)航。系統(tǒng)組網(wǎng)分為三大部分：信號(hào)發(fā)射部分、用戶接收部分和主控部分叫

2.1.1信號(hào)發(fā)射部分

偽衛(wèi)星發(fā)射機(jī)Pl用來(lái)產(chǎn)生射頻定位信號(hào)，發(fā)射1575.42MHz信號(hào)，作為定位用戶提供導(dǎo)航信號(hào)源。偽衛(wèi)星Pl可以通過(guò)有線或無(wú)線數(shù)據(jù)鏈路與主控站進(jìn)行通信，在主控站的控制下，完成改變偽碼結(jié)構(gòu)、導(dǎo)航電文、調(diào)整發(fā)射功率及同步系統(tǒng)時(shí)鐘等功能。

2.1.2用戶接收部分

用戶接收部分由參考接收機(jī)、用戶接收機(jī)以及天線構(gòu)成。參考接收機(jī)接收信號(hào)后發(fā)給主控站，從而甄別偽衛(wèi)星的工作狀態(tài)，作為系統(tǒng)的反饋部分，保證偽衛(wèi)星的正常發(fā)射；用戶接收機(jī)接收所需要的測(cè)量值，實(shí)現(xiàn)定位的數(shù)據(jù)采集。

2.1.3主空部分

主控部分由計(jì)算機(jī)、偽衛(wèi)星定位主控平臺(tái)、導(dǎo)航解算軟件以及數(shù)據(jù)通信模塊組成。完成的功能有系統(tǒng)功能控制、導(dǎo)航電文注入與偽衛(wèi)星系統(tǒng)基本配置、定位完好性監(jiān)測(cè)、參考站數(shù)據(jù)分析以及用戶接收機(jī)定位解算等，同時(shí)還將解算出的用戶接收機(jī)位置信息傳送至上層調(diào)度監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)工作時(shí)主控站首先通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)配置偽衛(wèi)星參數(shù)，包括PRN碼、波特率以及導(dǎo)航電文的注入，并通知偽衛(wèi)星發(fā)送定位信號(hào)，在接收時(shí)參考接收機(jī)測(cè)量偽衛(wèi)星時(shí)間同步誤差信息，使用用戶接收機(jī)進(jìn)行測(cè)量、導(dǎo)航電文解算及定位。

北斗偽衛(wèi)星系統(tǒng)在物資管理中的應(yīng)用主要是將導(dǎo)航系統(tǒng)的芯片本身作為傳感器和網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)使用，代替以往的傳感器和射頻識(shí)別設(shè)備以及有線網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)。由于其具有精確定位的功能和短報(bào)文上傳功能，且通過(guò)偽衛(wèi)星系統(tǒng)，定位和傳輸服務(wù)可覆蓋我國(guó)全部地區(qū)，因此在物資靜態(tài)或動(dòng)態(tài)管理中具有很大優(yōu)勢(shì)。系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。

監(jiān)控中心通過(guò)北斗系統(tǒng)或偽衛(wèi)星主控系統(tǒng)，對(duì)運(yùn)輸中的或室內(nèi)的物資進(jìn)行定位查詢，監(jiān)控物資收到查詢命令后進(jìn)行定位，并將位置信息按照通信協(xié)議組合成數(shù)據(jù)包，通過(guò)短報(bào)文通信功能，上報(bào)給監(jiān)控中心。

2.2組網(wǎng)布局

通過(guò)偽衛(wèi)星系統(tǒng)進(jìn)行定位時(shí)，還需要考慮偽衛(wèi)星的室內(nèi)布局方案，其直接影響著物資點(diǎn)位精度。根據(jù)文獻(xiàn)［5］可知，幾何精度因子GDOP越小，定位精度越高，而幾何精度因子與用戶及被觀測(cè)偽衛(wèi)星所構(gòu)成的多面體體積成反比。為了避免偽衛(wèi)星被遮擋，單體偽衛(wèi)星必然安裝在天花板或側(cè)面墻壁上,所以布局有圖2所示的兩種方式。

圖2中一顆偽衛(wèi)星在天花板中心，圖2(a)中四顆偽衛(wèi)星位于墻面交線上，高度可變；圖2(b)中四顆偽衛(wèi)星位于墻面中心，高度可變。通過(guò)計(jì)算物體與被觀測(cè)偽衛(wèi)星所構(gòu)成的幾何體體積可知，圖2(a)所構(gòu)成幾何體體積比圖2(b)大，定位精度更好。

2.3系統(tǒng)優(yōu)化

在實(shí)際應(yīng)用中，除了解決偽衛(wèi)星系統(tǒng)定位精度問(wèn)題外,還需要考慮信號(hào)的遠(yuǎn)近效應(yīng)和多徑效應(yīng)。遠(yuǎn)近效應(yīng)是由于各衛(wèi)星距離被測(cè)用戶距離不同，影響接收機(jī)接收信號(hào)大小，有可能使信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍超出接收機(jī)接收動(dòng)態(tài)范圍，導(dǎo)致阻塞接收機(jī)；多徑效應(yīng)是由于衛(wèi)星信號(hào)在室內(nèi)受到墻壁或物體阻擋,形成直射信號(hào)和反射信號(hào)，造成接收機(jī)受到多徑干擾。

減小這兩類現(xiàn)象引起的影響，一是從布局上進(jìn)行優(yōu)化。如圖2(a)所示，在墻面交線上的四顆偽衛(wèi)星高度變化時(shí)，幾何體體積并不改變，但當(dāng)高度增加時(shí)，根據(jù)自由空間傳播損耗公式可知，遠(yuǎn)端和近端接收信號(hào)的差值(動(dòng)態(tài)范圍)變小，所以最佳方案是將四顆偽衛(wèi)星也布置到天花板上并處于四角。同樣，偽衛(wèi)星高度越低，由同一點(diǎn)反射所產(chǎn)生的多徑信號(hào)功率也越大，因此布局上也是以架高偽衛(wèi)星為最佳。二是當(dāng)在靜態(tài)定位時(shí)，偽衛(wèi)星的多路徑偏移可當(dāng)作一個(gè)常量，故在室內(nèi)定位時(shí)，式⑴和式(2)中dmk、dmk可以根據(jù)測(cè)量情況設(shè)一個(gè)常值。

3結(jié)語(yǔ)

衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)對(duì)現(xiàn)代生活的影響已經(jīng)越來(lái)越巨大,在科技研究、地質(zhì)勘測(cè)、工農(nóng)業(yè)發(fā)展以及日常生活中得到了廣泛的運(yùn)用，受到了各方的高度重視，以美國(guó)為首的西方國(guó)家尤其重視導(dǎo)航技術(shù)的應(yīng)用和成果轉(zhuǎn)化，而偽衛(wèi)星系統(tǒng)可彌補(bǔ)GNSS系統(tǒng)應(yīng)用中的許多缺陷。雖然目前偽衛(wèi)星技術(shù)的推廣應(yīng)用還有許多關(guān)鍵技術(shù)需要解決和攻克，但偽衛(wèi)星定位技術(shù)自身的特點(diǎn)和優(yōu)越性決定了其必將會(huì)有廣闊的應(yīng)用前景。

20211021_61711cb56c54c__偽衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)在物資管理中的應(yīng)用