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天地
GNSS World
I G I T C W 导航
0  引言
目前，全球共有四大卫星导航系统，分别为美国全球定位系统（GPS ）、俄罗斯格洛纳斯卫星导航系统（GLONASS ）、欧盟伽利略导航系统（Galileo ）、中国北斗卫星导航系统（BeiDou ），北斗导航系统的构建使中国成为世界上第三个拥有自主卫星导航系统的国家。2020年7月31日，习近平总书记宣布北斗三号全球卫星导航系统正式建成开通，标志着北斗卫星导航系统形成全球覆盖能力。近年来，北斗导航系统进入高速市场发展阶段，国家也将在民用领域和军事领域大力发展北斗导航卫星。但是北斗卫星导航系统依旧存在一些局限，例如，在地形复杂、遮挡区域，定位精度将会大幅降低。因此，发展地基增强系统和可脱离天基卫星独立定位的伪卫星系统有着重要的战略意义，而各系统中定位收发机的时间同步性能是决定整个系统定位精度的关键技术。
1    技术现状与分析
全球卫星导航系统（GNSS ）是世界上应用最广的三维定位技术，为用户提供定位、速度和授时（PVT ）服务。相较于其他导航系统而言，GNSS 有着难以替代的全球覆盖性、高精度性等优质性能。虽然GNSS 的优点极其突出，但也有其固有的局限性，例如，地面信号强度不高，受环境因素干扰较大，卫星信号在高楼间、室内等遮挡区域严重衰减甚至丢失。这些问题无法满足用户的高性能需求，也一定程度上限制了GNSS 在军事和民用领域的应用。
为弥补GNSS 固有的不足，一直以来国内外专家都致力于探究不同模式的导航技术。应用较为广泛的包括：发展卫星导航增强系统、研究新的信号体制及抗干扰技术、设计高灵敏度接收机等。这些导航技术利用了差分校正、完备性监测、加强信号跟踪等技术手段，在一定程度上增强了GNSS 的性 能，但并未解决制约GNSS 性能的关键问题，即，当卫星信号接收机处于地形遮挡条
浅析移动通信技术之伪卫星时间同步法
陈健熊
（中国民用航空飞行学院，四川  广汉  618307）
摘要：码分多址（CDMA）是一种由数字扩频通信技术发展而成的无线通信技术，其通过码序列相关性
来实现多址通信。CDMA 技术最初因战争需求进行研发，用于军事抗干扰通信之中，后被美国高通（Qualcomm）公司应用在商用蜂窝移动通信系统，CDMA 技术自此快速发展，应用于多个领域场景。介绍的这种伪卫星定位系统时间同步方法便是基于CDMA 这种移动通信技术发展而来，此时间同步法使地基伪卫星在不需要昂贵的原子钟做原子时间标准，不需要全球卫星导航系统做时基和不需要任何的差分校正技术的情况下，使地基伪卫星定位设备自主地时间同步到统一系统时基。
关键词：移动通信；时间同步；伪卫星；TimeLoc doi ：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2021.03.023中图分类号：TN927+.2    文献标示码：A    文章编码：1672-7274（2021）03-0056-03
Analysis of Pseudolite Time Synchronization Method in Mobile
Communication Technology
CHEN Jianxiong
(Civil Aviation Flight University of China, Guanghan 618307, China)
Abstract ：Code division multiple access is a wireless communication technology developed from digital spread
spectrum communication technology, which realizes multiple access communication through code sequence correlation. CDMA technology was initially developed for war demand and used in military anti-jamming communication. Later, it was applied in commercial cellular mobile communication system by Qualcomm. Since then, CDMA technology has developed rapidly and applied in various fi elds. The time synchronization method of pseudolite positioning system introduced in this paper is based on CDMA mobile communication technology. The time synchronization method enables the ground-based pseudolite positioning equipment to automatically synchronize to the uni fi ed system time base without expensive atomic clock as atomic time standard, global navigation satellite system as time base and any differential correction technology.
Keywords ：mobile communication; time synchronization; pseudo satellite; TimeLoc
作者简介： 陈健熊（1994-），男，汉族，四川人，研究实习员，硕士，研究方向为智慧信息化、电子通信。
GNSS World
导航天地DCW
件下无法直视卫星时，GNSS的定位导航性能将会锐减。综上所述，提高GNSS信号不可用区域导航性能的根本途径在于为用户提供额外的可用导航信号。
为此，澳大利亚Locata公司研制了一款名为Locata 的地基导航系统。该系统既可与GNSS系统达成协同工作，又能够完全独立进行组网使用，不受内部或是外部环境的限制，实现厘米级的实时定位。Locata系统是通过同步信号收发器（LocataLites）自主组网构建而成，将LocataLites布置到固定坐标后，不同的LocataLites之间互相接收和发送内部时间同步信号，完成LocataNet 自主组网，并通过TimeLoc技术达到网内纳秒级时间同步。要实现LocataNet 组网，至少需要3台LocataLites：其中2台作为定位单元设备（Positioning-Unit Device），1台作为参考发射机（Reference Transmitter）。用户使用的移动接收机将通过跟踪、接收网内LocataLites发射的类似GPS的定位信号或广域增强系统（WAAS）转发的GPS信号，在本地同时计算测距码和基于载波的单点定位解来完成GNSS+ Locata协同定位或Locata独立定位。
为了使用户能够利用载波相位实现独立的单点定位，LocataLites之间必须是时间同步的，并且需要很高的同步水平。Locata系统采用了TimeLoc技术来实现设备间的时间同步，试验表明其同步精度达到几至十几纳秒。
综上所述，Locata系统的创新性研发为天地一体化无缝定位导航体系提供了新思路，也为我国发展建设地基导航系统提供了更多选择和参考。
2    时间同步法TimeLoc简述
Locata系统具有高精度的定位性能，能够达到厘米级单点定位效果。由于电磁波在空中的传播速度是光速，根据距离公式可知，1 ns的时间误差会造成约30 cm的定位误差，因此，网内的LocataLites必须保持纳秒级的时间同步。TimeLoc技术的应用解决了上述提到的困境，该项技术通过选取Locata网络中一台LocataLite作为参考发射机，其余LocataLites作为定位单元设备，参考发射机发射参考定位信号至各定位单元设备，定位单元设备接收到参考发射机信号后产生从定位信号，并自动测量和调整接收到的参考定位信号和自身从定位信号的频差、相差等，最后完成LocataLites统一到相同时基，达到时间同步。下面以一台参考发射机和定位单元设备为例，简述时间同步过程：
（1）参考发射机发射包括载波分量、伪随机码分量和导航数据分量的参考定位信号，定位单元设备重置重启。
（2）定位单元设备捕获参考定位信号，并解调出导
航数据（参考发射机位置、发射信号粗略时间）。
（3）定位单元设备完成与参考发射机的粗略时间对齐。
（4）定位单元设备生成同样包括载波分量、伪随机码分量和导航数据分量的从定位信号，并发射。
（5）参考发射机捕获从定位信号并解调出导航数据（定位单元设备位置、发射信号粗略时间）。
（6）参考发射机通过测量整周载波相位值作差（ICP）或通过频率跟踪系统（FTS）完成参考定位信号从定位信号的频率锁定。
（7）通过科斯塔斯环（Costas Loop）和载波相位定位测量法完成180°相位模糊度和传播时间相位偏差校正，达到参考定位信号从定位信号的相位锁定。
（8）至此两台LocataLites完成时间同步，并为用户移动接收机发送时间同步后的定位信号，该信号与LocataLites
具有相同时基，精度在纳米级。
图1 TimeLoc时间同步示意图
3    国内面临的问题
国内对伪卫星技术研究起步于21世纪初，主要集中在伪卫星硬件设计实现、伪卫星增强技术、伪卫星组网配置、伪卫星抗干扰技术等研究。早期伪卫星系统信号收发器成本较高，导致伪卫星技术出现后较长时间都未得到推广应用。主要有以下几个方面制约伪卫星系统发展：伪卫星信号结构和功率等特性和GNSS信号大体相同，现今绝大多数伪卫星载波频率为GPS频段（L1 1575.42 MHz或L2 1227.6 MHz），如何规避天基卫星信号干扰、克服“远近效应”，成为系统设计研究的重中之重；此外，需通过差分定位技术等方式解决伪卫星系统组网时间同步问题，而差分处理则要求和用户接收机之间构建无线通信链路，这将大大增加系统复杂程度和设计成本。
为降低伪卫星系统研发成本，促进伪卫星系统作为GNSS的补充，成为我国综合定位导航授时体系建设的重要一环，我国还需对以下关键技术进行突破：一是低成本的高精度时间同步技术；二是性能优良的抗远近效应和抗多径效应技术。因此，深入研究伪卫星的时间同步技术将为我国构建综合PNT体系打下坚实基础。
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数字通信世界
2021.03
进程间通信信号58
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4    结束语
GNSS 系统自身存在信号强度不高、依赖卫星几何分布等固有缺陷，无法满足用户在卫星不可见区域定位需求以及如飞机进近、变形监测等现代精密应用。本文介绍的地基伪卫星系统及其高精度时间同步方法有着应用范围灵活、成本低、精度高、信号强等优点，可以作为GNSS 系统的后备和补充，实现和完成上述生产生活需求。这些都是基于移动通信技术发展而来的，随着信息化时代进程高速推进，移动通信技术将会不断向前发展，同样会有更多更好更实用的通信技术来改变人类的生活，改变这个时代。
参考文献
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（上接第26页）
3.3  无线传输性能分析
系统利用多种无线通信模块实现各部分控制之间的
数据无线收发，由于系统在无线组网过程中涉及大量数据信息的传输交互，因此，数据传输过程中信号干扰是难以避免的，为了确保上位机软件与下位机控制器建立可靠通信，通信双方必须遵守相应的协议，避免信号干扰导致数据出错而造成接 收堵塞等问题，有利于实现数据的可靠传输。
在本系统的运行测试过程中发现，系统在无线数据交互过程中设备传输数据的时间间隔较短时，无线通信模块发送端发送缓存溢出和接收端接收缓存溢出等问题会导致堵塞现象。经过修改软件定时发送时间并加入自定义协议后，解决了发送接收堵塞问题，真正地实现数
据的可靠传输。
图3 实物图
4    结束语
本设计基于物联网的医院点滴监测管理系统，通过
无线传输技术以及各个传感器硬件相结合，实现对医院内静脉输液情况的智能化监控管理，解决了病人与护士对于目前医院输液方面的所存在诸多问题，同时，患者在使用本系统进行输液监控时也不会出现电线缠绕等问题。
本文在最初选定设计方案时查看并分析了大量资料，最终采用了多终端无线传输控制以及自主设计的滴速控制机械装置的方案，该方案的最大特点是不需要改变传统的输液装置，只需要在传统的输液装置上增加本设计的四部分控制器，即可实现医院内静脉输液情况的智能化监控管理。在设计过程中，实现了系统的无线化、轻便化、一体化以及综合化。系统采用模块化设计，这样设计目的是为了让系统变得方便、灵活，方便医护人员、患者以及监护人操作。本设计最终实现了输液余量实时监测、滴速智能调节以及手动控制、短信提示、 药瓶识别播报、一键呼叫护士、输液加热、智能告警等功能。
参考文献
[1]  陈国英，谢兴，吴曙粤，王德秀.物联网技术在医院病房输液管理中的应用[J].内科，2017，12（06）：840-841+854.
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