偽衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)在物資管理中的應(yīng)用

前言

一般對于導航衛(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，則定位測量結(jié)果越可靠，精度也越高。但是,當衛(wèi)星信號受到建筑物、墻的遮擋，特別是在室內(nèi)時，信號基本完全消失，導致室內(nèi)定位無法實現(xiàn)。在物資日常管理中,特別是大量物資處于庫存狀態(tài)時，即使進行了分門別類，仍需耗費大量人力時間去查找。偽衛(wèi)星導航定位技術(shù)的出現(xiàn)為解決這個問題提供了可行方案。

使用偽衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)具有以下優(yōu)點:

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)，可通過人工改變偽衛(wèi)星位置來改善PDOP。

解決信號遮蔽問題。偽衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)可在任意區(qū)域架設(shè),即便沒有實星信號也能進行定位，通過在室內(nèi)天花板設(shè)置偽衛(wèi)星發(fā)射機，可消除物體遮擋，因此不存在信號遮蔽問題。

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

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

1偽衛(wèi)星導航定位原理

偽衛(wèi)星是一種基于地面的能夠傳播類似GNSSS信號的簡易信號發(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GPS、GLONASS導航系統(tǒng)，而且對正在建設(shè)的伽利略和我國的北斗二代導航系統(tǒng)，在導航衛(wèi)星不能滿足定位要求時,甚至可以利用偽衛(wèi)星進行衛(wèi)星補充完成導航定位。因此，偽衛(wèi)星已成為當前導航領(lǐng)域研究中的一個新穎且具有廣泛應(yīng)用前景的研究熱點。

以北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)為例，北斗偽衛(wèi)星定位系統(tǒng)是一個模擬北斗定位系統(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)星作為信號源來模擬北斗系統(tǒng)中的衛(wèi)星，采用獨立的坐標系和時間標準，組成偽衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，并通過北斗接收機和主控站完成偽衛(wèi)星系統(tǒng)的同步控制、導航信號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)進行定位。

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

程如下

式中的k和p分別表示接收機和偽衛(wèi)星。R和叫分別表示接收機k對偽衛(wèi)星p的偽距和相位觀測值；表示偽衛(wèi)星的載波波長；pk表示偽衛(wèi)星與接收機之間的距離;c表示真空的光速;dpt和dkt分別表示衛(wèi)星與接收機的鐘差；N表示從接收機到偽衛(wèi)星相位觀測的整周模糊度數(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的多路徑效應(yīng)誤差；鄰與ek分別表示偽距與相位觀測的觀測誤差。

2偽衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)在物資管理中的應(yīng)用

2.1系統(tǒng)設(shè)計

為了在物資管理中應(yīng)用偽衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)，首先要在室內(nèi)構(gòu)成偽衛(wèi)星導航定位系統(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、發(fā)射機和天線等部分組成，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,結(jié)合收到的實星信號，通過選擇最佳衛(wèi)星幾何結(jié)構(gòu)，提高局部地區(qū)的導航定位性能,甚至在導航定位衛(wèi)星完全不能使用時,單獨組網(wǎng)進行定位導航。系統(tǒng)組網(wǎng)分為三大部分：信號發(fā)射部分、用戶接收部分和主控部分叫

2.1.1信號發(fā)射部分

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

2.1.2用戶接收部分

用戶接收部分由參考接收機、用戶接收機以及天線構(gòu)成。參考接收機接收信號后發(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；用戶接收機接收所需要的測量值，實現(xiàn)定位的數(shù)據(jù)采集。

2.1.3主空部分

主控部分由計算機、偽衛(wèi)星定位主控平臺、導航解算軟件以及數(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、參考站數(shù)據(jù)分析以及用戶接收機定位解算等，同時還將解算出的用戶接收機位置信息傳送至上層調(diào)度監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)工作時主控站首先通過通信網(wǎng)絡(luò)配置偽衛(wèi)星參數(shù)，包括PRN碼、波特率以及導航電文的注入，并通知偽衛(wèi)星發(fā)送定位信號，在接收時參考接收機測量偽衛(wèi)星時間同步誤差信息，使用用戶接收機進行測量、導航電文解算及定位。

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文上傳功能，且通過偽衛(wèi)星系統(tǒng)，定位和傳輸服務(wù)可覆蓋我國全部地區(qū)，因此在物資靜態(tài)或動態(tài)管理中具有很大優(yōu)勢。系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。

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

2.2組網(wǎng)布局

通過偽衛(wèi)星系統(tǒng)進行定位時，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位精度。根據(jù)文獻［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。通過計算物體與被觀測偽衛(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

在實際應(yīng)用中，除了解決偽衛(wèi)星系統(tǒng)定位精度問題外,還需要考慮信號的遠近效應(yīng)和多徑效應(yīng)。遠近效應(yīng)是由于各衛(wèi)星距離被測用戶距離不同，影響接收機接收信號大小，有可能使信號動態(tài)范圍超出接收機接收動態(tài)范圍，導致阻塞接收機；多徑效應(yīng)是由于衛(wèi)星信號在室內(nèi)受到墻壁或物體阻擋,形成直射信號和反射信號，造成接收機受到多徑干擾。

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，幾何體體積并不改變，但當高度增加時，根據(jù)自由空間傳播損耗公式可知，遠端和近端接收信號的差值(動態(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，由同一點反射所產(chǎn)生的多徑信號功率也越大，因此布局上也是以架高偽衛(wèi)星為最佳。二是當在靜態(tài)定位時，偽衛(wèi)星的多路徑偏移可當作一個常量，故在室內(nèi)定位時，式⑴和式(2)中dmk、dmk可以根據(jù)測量情況設(shè)一個常值。

3結(jié)語

衛(wèi)星導航定位技術(shù)對現(xiàn)代生活的影響已經(jīng)越來越巨大,在科技研究、地質(zhì)勘測、工農(nóng)業(yè)發(fā)展以及日常生活中得到了廣泛的運用，受到了各方的高度重視，以美國為首的西方國家尤其重視導航技術(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)自身的特點和優(yōu)越性決定了其必將會有廣闊的應(yīng)用前景。

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