伪卫星的概念最早于20世纪70年代提出^[1]，主要是为了对GPS系统的测距方法和原理进行验证。伽利略卫星系统设计时也使用了伪卫星来验证频率分配与用户设备^[2]。伪卫星技术是伴随着GNSS建设应用发展起来的，已经获得了广泛应用^[3]。除了测试验证GNSS系统原理和性能外，伪卫星还能够在可见导航卫星数目不足的情况下起到替代导航卫星的作用，提升整个系统的可用性和完好性^[4]。在室内、洞穴等极端环境中，伪卫星甚至可以完全取代导航卫星星座。在干扰环境下，通过伪卫星功率增强可以提升用户机的抗干扰能力和导航战能力。

近期伪卫星技术再度成为研究热点。文献[5, 6, 7]对GNSS环境下的伪卫星信号进行了多方面的研究，包括伪码生成、载波频率和信号功率等；文献[8]对伪卫星应用中的多径问题进行了研究和测试；文献[9]重构了一个高精度GNSS/伪卫星混合星座仿真平台；文献[10]给出了伪卫星之间的一种时钟同步算法；文献[11]提出了一种高精度的伪卫星天线校准技术；文献[12]提出了一种基于可移动接收机天线和单个伪卫星的室内定位算法。可以看出，目前关于伪卫星的研究主要集中在几个方面：发掘新的应用场景和应用模式，对新的伪卫星技术进行性能评估，解决伪卫星技术存在的关键性难题，如时钟同步、多径效应和远近效应等。

本文将对伪卫星应用模式和关键问题进行全面梳理，在此基础上提出基于广义伪卫星的北斗系统增强框架，并提出伪卫星应用中的两种组网模式和两种实现架构，为后续伪卫星推广应用奠定技术基础。

伪卫星的应用主要可以分为两大类：

1)伪卫星辅助定位。伪卫星可以提供导航信息，弥补GNSS卫星数目的不足，对GNSS的辅助增强改善了定位系统的可靠性和完好性。

2)伪卫星独立定位。在环境十分恶劣的情况下，导航卫星可能完全不可见，这时可以采用若干颗伪卫星组成导航星座，独立地进行导航和定位。

伪卫星增强信号可以由空基平台发送。空基伪卫星(APL)已经被测试用于军事应用，如图 1(a)所示^[13]。与GPS类似，为军事应用研发的APL，也可以使民用定位与导航受益。2000年4月进行的APL(伪卫星放置在高空无人机平台)抗干扰试验表明，伪卫星不仅能提供足够的定位精度，而且可以保证自身不被恶意干扰^[14]。

图 1 伪卫星增强GNSS应用实例

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在临近空间平台伪卫星应用方面，文献[15]中提出了一种基于飞船的伪卫星平台，如图 1(b)所示。飞船将被部署在海拔20 km的高空，这样伪卫星与用户之间的分隔距离大约为20~70 km。相比地面伪卫星，这种部署下远近效应不再是一个严重问题。

在LEO增强GNSS方面，高完好性GPS(high integrity GPS,iGPS)通过集成铱星通信系统，用铱星LEO发射大功率增强信号，提供iGPS接收机更高的完好性和抗干扰能力，如图 1(c)所示^[16]。文献[17]对铱星信号辅助下的GPS终端的完好性进行了分析。结果表明，铱星的增强显著提高了接收机RAIM故障检测和识别概率。

基于海洋开发和水下军事对抗的需要，出现了集通信、水声定位和卫星导航定位技术于一身的水下GPS定位系统^[18]。我国首套水下GPS高精度定位导航系也于2004年1月研制成功，如图 1(d)所示^[19]。水下GPS定位系统主要由安装在水下目标上的收发器和漂浮在海面上的智能GPS浮标(GIB)组成，可较好地解决水下运动目标的实时精确定位问题^[20]。

在提升GNSS完好性方面，伪卫星最引人注目的应用是飞行器精密进近与着陆，如图 1(e)所示^[21]。在这些应用中，伪卫星观测能为导航方案提供额外的完好性检测^[22]。伪卫星信号在增强卫星几何强度、改善可用性和完好性，以及提高定位精度方面都能作出明显的贡献，尤其是在高度分量上^[23]。近年来，我国有学者提出了基于北斗系统并结合伪卫星的动态和独立的飞行器配置方案^[24]。

此外，由于在高度角比较低时，伪卫星的载波相位测量也具有较高的精度^[23]，伪卫星还被应用于如矿山的机器控制，如图 1(f)所示^[25]，以及形变监测^[26,27]等许多高精度测量领域。

在一些极端环境下，GNSS卫星可能完全不可见,这时完全使用伪卫星定位是一个可选方案(如图 2所示)。文献[28,29]中提出并测试了伪卫星在室内导航与定位中的应用。文献[30]中提出了一个关于伪卫星室内定位的模拟实验。文献[31]中开发了一个软件仿真工具，用于预测一个部署了6颗伪卫星的隧道中可达到的定位精度。最近，关于伪卫星室内定位有学者提出了新的算法，如用矢量跟踪环和Kalman滤波替代原来的标量跟踪环^[32,33]。文献[34, 35]介绍了在GNSS无法工作的场合，基于Locata系统进行室内外定位方面的最新进展。

图 2 伪卫星室内定位示意图

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伪卫星独立定位的另一个重要而有趣的应用是用于外星上的定位与导航，如火星^[36]。图 3展示了一个部署在火星上的伪卫星阵列，其设计目标是为火星上的机器人漫游提供厘米级精度的位置和高度信息服务。这种高精度定位服务也将为后续的外星探索提供支撑。为了解决伪卫星自身位置的精确标定问题，文献[37,38]中提出了一种自动标定伪卫星阵列(SCPA)的技术。这些伪卫星被设计为收发器，它们能够接收和发送测距信号用于确定它们之间的相对位置，直至阵列中的所有伪卫星的位置都得到标定。

图 3 火星上的伪卫星自校准阵列

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伪卫星能够与GNSS系统已有卫星建立时空关联，并作为导航台对外提供导航信号，从而使GNSS系统的服务性能得到提升。相对于GNSS系统，它是用户；相对于其他下级用户，它又是导航台。可以将伪卫星看作GNSS卫星信号的中继器，它同步于GNSS系统，以自己的时空基准为基础发射相应的导航信号，供导航用户使用。

传统伪卫星主要是补充GNSS导航信号的不足，侧重于信号层的增强，通过增加新的导航信号实现DOP值的改善和完好性的提升。差分GPS、连续运行参考站(CORS)主要是通过广播精密星历在信息层增强来提高用户精度。WAAS等星基增强系统(SBAS)就不但播发修正信息，还播发增强信号，其GEO卫星也可以看作一种伪卫星。

传统伪卫星一般指的是陆基伪卫星，随着技术进步和需求提升，伪卫星平台也逐步发展到无人机、临近空间(飞艇)、微小卫星和低轨卫星(LEO)。特别是GPS系统与铱星系统结合形成的iGPS，为LEO增强GNSS系统，以及导航通信一体化提供了范例。根据使用场合的不同，伪卫星发射的信号频段、调制、多址等方式与GNSS信号可能差异较大。如对于水下导航，需要将射频信号转换到水声信号。

因而，可以归纳出广义伪卫星的概念，广义伪卫星指的是可以播发增强导航信号，可以播发增强星历信息，具备一定通信能力，可以根据需要布设于各类载体平台，从而实现GNSS系统信号层、信息层和通信能力全面增强的设备。可见，伪卫星不仅可以作为GNSS的原型验证和测试设备，也可以作为GNSS星座的补充和延伸，实现GNSS可用性、安全性、完好性和精确性的提升。

可用性体现在可以使GNSS信号延伸到室内水下等传统GNSS无法覆盖的领域；安全性提升主要体现在导航对抗中，如基于飞艇或无人机的伪卫星可以实现区域功率增强，为己方用户机提升抗干扰能力，争夺制导航权提供有力支撑；完好性提升的一个典型应用是飞机精密引导/着陆系统，现在陆基增强系统GBAS C已经可以用于机场CAT-I，GBAS D也在逐步获得ICAO批准用于CAT-Ⅱ/Ⅲ^[39]。

因而，可以归纳出广义伪卫星增强GNSS系统包含3层含义和4个效果。3层含义包括：信息辅助、信号增强、通信能力增强。4个效果包括：可用性、安全性、完好性和精确性的提升。

在广义伪卫星概念基础上，可以提出基于广义伪卫星的新一代GNSS增强系统框架，通过各类载体平台搭载广义伪卫星，从而实现北斗系统可用性、安全性、完好性等的全面提升，如图 4所示。

图 4 基于广义伪卫星的GNSS增强系统框架

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虽然伪卫星能够为导航与定位应用提供巨大的灵活性、良好的几何分布和信号可用性，但仍然存在若干需要解决的问题。下面将从5个方面介绍伪卫星应用中的关键问题和解决措施。

伪卫星与其他卫星系统的兼容互操作问题，首先是与GNSS系统兼容与互操作。如果伪卫星占用了GNSS的工作频率，需要特别关注如何避免对正常GNSS信号的干扰。添加脉冲的方法对远近效应问题有改正效果。但随着干扰技术对PNT服务的危害日益加剧，许多文献的观点是伪卫星应当工作在远离GPS的频率上^[40]。为了选择伪卫星的最佳工作频率，应当考虑这些问题，以及与其他GNSS系统的集成和兼容性问题。

伪卫星接收机设计时也要考虑与已有GNSS接收机的兼容问题。由于伪卫星信号功率通常远高于GNSS信号，如果伪卫星信号工作在GNSS频段，会对GNSS信号形成较强的多址干扰。而且，接收机还面临大电平动态范围的考验。因此，为了开发一个稳定的伪卫星接收机，必须考虑伪卫星信号传播与接收的各种操作条件。此外，应在尽量少改动已有GNSS接收机的情况下，实现对伪卫星信号的接收。只修改接收机固件(firmware)或采用软件接收机架构被认为是解决这类问题的有效措施。

时间同步是基于测时测距的导航定位系统的基础。与GNSS轨道卫星不同的是，伪卫星装载的时钟的质量比较低，这样的时钟没有足够的精度以使伪卫星之间的时间保持同步。在全部采用伪卫星定位的应用中，时钟同步则显得更为重要。开发一个在各种环境下的时钟同步方案是一件十分值得期待的工作。如果时钟同步误差能够控制在载波相位的误差级别，那么单差分整数相位模糊可以得到有效解析，使用单接收机时有望达到厘米级的定位精度。

对于伪卫星与GNSS系统之间的时间同步，可以采取卫星授时的模式，如果采用载波相位和精密单点定位(PPP)可以获得更高的时间同步精度。对于伪卫星之间的时间同步，可以采取共视法(CV)或双向测距比对的方法。当伪卫星坐标位置已知时，可以采取类似Locata的TimeLoc技术^[41]，通过单向高精度测距扣掉伪卫星间直线距离的方式，实现伪卫星之间的高精度时间同步。

由于伪卫星的信号功率比GNSS信号功率大很多，会导致出现两种情况：当接收机天线与伪卫星相当近时，伪卫星信号可能被认为是一种干扰；反过来，当接收机天线与伪卫星距离特别远时，伪卫星信号则太弱，难以被捕获跟踪。文献[42]将其称为远近效应问题(near-far effect)，当用户机在伪卫星邻近的区域内活动时可能会使得其接收到的伪卫星强度呈现出高动态变化。

为解决远近效应问题，许多研究人员提出了各式各样的解决方案。Parkinson在文献[43]中提出了3个解决措施，包括对伪卫星信号施加一个固定的周期脉冲、使用比GPS编码更长的编码序列等。文献[44]中提出的解决远近效应的方案是针对GLONASS卫星系统的，其方法类似于上面的第2个方案。文献[45]中提出的连续干扰消除方案也是针对远近效应问题的。这种方法是基于信号处理技术的，无需修改接收机硬件。相关的理论分析表明该方法中结合相位和码可以很好地处理远近效应问题^[46]。而文献[47]中则指出，使用具有适当的天线辐射场型的特殊天线也可以解决远近效应问题。最近，也有一些学者提出了能有效消除远近效应的方法，如双向传输法^[48]。

在伪卫星应用特别是室内定位应用中，多径效应和非视距传播是一个引起普遍关注的问题。在静态定位中，多径效应引起的偏差似乎停留在一个常量状态。但在动态模式下，这些可能的偏差则变得随机化，使得问题难以处理。解决这个问题有若干种方法，如使用适当的发射和接收天线，稳定跟踪技术及多传感器融合。最新的超宽带技术(UWB)能够有效地缓解多径效应，在室内定位应用中很有潜力。

伪卫星信号在传播的过程中会受到大气层的影响。伪卫星布设的高度一般比较低，通常仅需考虑对流层对伪卫星信号的影响。伪卫星延迟修正模型主要有两种：一种是将大气折射率描述为气象参数的函数；另一种是自适应对流层延迟算法，将对流层延迟作为定位解算中的一个附加未知参数。此外，对真实环境下的无线信号测距进行建模是一项富于挑战性的工作，如在室内传播的信号受到墙壁阻隔时，存在许多可能的误差。对误差进行统计，以提出适当的信号传播模型是比较困难的。

为了解决伪卫星与GNSS系统的兼容与操作，以及远近效应、非视距传播和多径效应传播误差等问题，从信号体制设计上进行突破是优先考虑的方案。文献[43, 44]中提出的解决伪卫星远近效应的措施，采用TDMA周期脉冲就是一种信号体制设计上的改进。为了解决伪卫星室内定位中面临的非视距误差等问题，文献[49, 50, 51]对TDMA、CDMA、FDMA、OFDMA及其组合应用的各种信号体制进行了分析对比和总结，提出了基于OFDMA的方案。为了解决伪卫星应用中的远近效应、多址干扰等兼容互操作问题，文献[52]从信号体制设计角度进行了全面分析和总结。

伪卫星的物理实现和组网模式是基于广义伪卫星的GNSS增强系统工作的基础。在上述伪卫星工作模式和关键技术基础上，下面归纳提炼出广义伪卫星的两种实现架构和组网同步模式。

根据伪卫星的信号生成方式，可以分为转发式伪卫星和再生式伪卫星两大类；相应的，伪卫星的实现架构也可以分为两大类。

一类是转发式伪卫星，起到导航卫星信号的中继器和放大器的作用，通过模拟或数字的方式，在射频或中频实现对GNSS信号的放大，提升GNSS信号的功率，如图 5所示。

图 5 转发式伪卫星架构

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另一类是再生式伪卫星，通过接收GNSS信号实现伪卫星与GNSS系统的高精度时间同步和位置确定，如图 6所示。在此基础上，重新生成新的伪卫星导航信号。伪卫星信号的频点带宽、调制方式、扩频码等信号体制与GNSS信号可能不同。此外，再生式伪卫星可能具备通信模块，能够播放高精度星历并能将收集的数据上报。

图 6 再生式伪卫星架构

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根据是否进行电文解调、是否具备通信模块，再生式伪卫星又可以细分为4种模式。再生式伪卫星实现了接收与发射合二为一，可以增强GNSS信号功率、提升载噪比，也可以通过信号体制的变化将GNSS时空基准延伸到水下等传统GNSS信号无法覆盖的场合。伪卫星的通信模块还能发播高精度星历信息，并能实现信息的回传和上报。

对于通过测量时差实现测距的系统而言，时间同步是系统正常工作的前提条件，而同步精度直接影响最终定位精度。对于伪卫星组网来说，首先要考虑的也是伪卫星之间的同步模式，以及它们与GNSS系统之间的时间同步。

根据伪卫星的两大类工作模式，可以得到两类组网模式：伪卫星独立组网模式和伪卫星同步GNSS组网模式。

在没有GNSS信号时，伪卫星处于独立组网模式，有一个主伪卫星作为整网的时间基准，其他辅伪卫星通过时间同步链路与主伪卫星实现高精度时间同步。用户机可以通过主、辅伪卫星的信号时延测量实现导航定位和授时，如图 7所示。

图 7 伪卫星独立组网模式

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有GNSS信号时，伪卫星处于辅助GNSS组网模式。主伪卫星同步到GNSS系统之后，作为整网的时间基准，其他辅伪卫星通过时间同步链路与主伪卫星实现高精度时间同步。用户机通过接收GNSS、伪卫星的信号时延测量实现导航定位和授时，如图 8所示。

图 8 伪卫星同步GNSS组网模式

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伪卫星同步GNSS模式下，用户机如果同时接收GNSS和伪卫星信号，则通常需要兼容型用户机。当然，用户机也可能只接收伪卫星信号实现定位和授时，如水下GNSS定位系统。

GNSS系统具有覆盖广、全天候、高精度等优点，但是随着人们对PNT服务质量需求的提升，GNSS系统也暴露了许多不足。本文针对GNSS系统可用性、完好性、安全性和精确性全面提升的需求，提出了广义伪卫星的概念，在系统梳理伪卫星的两类应用模式基础上，提出了基于广义伪卫星的GNSS增强系统框架。在梳理归纳伪卫星应用中面临的关键技术基础上，提出了两种伪卫星的组网模式：独立组网模式和同步GNSS组网模式；提出了两大类伪卫星实现架构：转发式和再生式。上述研究成果为伪卫星的应用奠定了技术基础。

本文提出的广义伪卫星的概念还可以延伸到协作导航领域^[53,54]。在协作导航中，任何位置和时间精确的用户也可以作为导航台，可以实现导航信号的多次中继和分布式使用，可以预见将来的PNT体系将是以GNSS为主，各种伪卫星增强为辅，共同实现PNT服务的可用性、安全性、完好性和精确性的提升。