偽衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)在物資管理中的應用

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，其幾何分布結構越好，則定位測量結果越可靠，精度也越高。但是,當衛(wèi)星信號受到建筑物、墻的遮擋，特別是在室內時，信號基本完全消失，導致室內定位無法實現(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:

自由構造幾何關系，提高定位精度。在偽衛(wèi)星網絡覆蓋范圍內，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)星網絡可在任意區(qū)域架設,即便沒有實星信號也能進行定位，通過在室內天花板設置偽衛(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域研究中的一個新穎且具有廣泛應用前景的研究熱點。

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?？捎?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)星網絡，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)域內進行定位。

與北斗觀測的數(shù)據類似，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)在物資管理中的應用

2.1系統(tǒng)設計

為了在物資管理中應用偽衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)，首先要在室內構成偽衛(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，設置在地面或空中的衛(wèi)星發(fā)射類似北斗的信號,結合收到的實星信號，通過選擇最佳衛(wèi)星幾何結構，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,單獨組網進行定位導航。系統(tǒng)組網分為三大部分：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，完成改變偽碼結構、導航電文、調整發(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度監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)工作時主控站首先通過通信網絡配置偽衛(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)在物資管理中的應用主要是將導航系統(tǒng)的芯片本身作為傳感器和網絡傳輸系統(tǒng)使用，代替以往的傳感器和射頻識別設備以及有線網絡傳輸系統(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)據包，通過短報文通信功能，上報給監(jiān)控中心。

2.2組網布局

通過偽衛(wèi)星系統(tǒng)進行定位時，還需要考慮偽衛(wèi)星的室內布局方案，其直接影響著物資點位精度。根據文獻［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)星所構成的幾何體體積可知，圖2(a)所構成幾何體體積比圖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和多徑效應。遠近效應是由于各衛(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；多徑效應是由于衛(wèi)星信號在室內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，故在室內定位時，式⑴和式(2)中dmk、dmk可以根據測量情況設一個常值。

3結語

衛(wèi)星導航定位技術對現(xiàn)代生活的影響已經越來越巨大,在科技研究、地質勘測、工農業(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的應用和成果轉化，而偽衛(wèi)星系統(tǒng)可彌補GNSS系統(tǒng)應用中的許多缺陷。雖然目前偽衛(wèi)星技術的推廣應用還有許多關鍵技術需要解決和攻克，但偽衛(wèi)星定位技術自身的特點和優(yōu)越性決定了其必將會有廣闊的應用前景。

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