CN103686997A

CN103686997A - 一种地基广播式定位方法

Info

Publication number: CN103686997A
Application number: CN201310667438.0A
Authority: CN
Inventors: 葛茂
Original assignee: FLIGHT INSPECTION CENTER OF CAAC
Current assignee: FLIGHT INSPECTION CENTER OF CAAC
Priority date: 2013-12-10
Filing date: 2013-12-10
Publication date: 2014-03-26

Abstract

本发明公开了一种地基广播式定位方法，在定位的区域内建立地基广播站，地基广播站将本站的识别码、经度、纬度、标高和时钟信息，通过码分多址调制后持续发射,采用L波段传输至航空器机载接收机，机载接收机接收到地基广播站所发信息，并对该信息进行变频并解调，获得地基广播站所发信息中包含的识别码、经度、纬度以及时钟信息。通过对比机载接收机接收信号时刻与解调后获得的时钟信息的比较，计算出航空器至相应地基广播站的距离，进而解算得到航空器的位置。本发明方法信号抗干扰性能强，可实现对航空器的精确定位及导航，具有全天候、精度高、成本低、易于实现、实时性强、用途广泛等优点。

Description

一种地基广播式定位方法

技术领域

本发明属于航空器空间定位与导航领域，特别涉及一种基于地基基准站广播方式的高精度定位方法。

背景技术

对于飞行器来说，无论是地基导航还是空基导航，其基本任务就是为飞行器提供实时的空间位置及引导信息。

导航技术发展到今天，已经产生了多种定位导航方式和系统。目前在航空领域被最广泛使用的定位导航方式是：惯性导航（INS）方式和GPS（全球定位系统）导航方式。两者有着不同的定位原理以及各自的优缺点。

一、惯性导航技术：

惯性导航是一种先进的自主导航方式，它实现导航定位的原理十分简单：通过惯性元件测量航空器本身的加速度，然后通过积分运算计算出航空器的速度及位置信息，并进行导航和定位。

因此，惯性导航具有定位完全自主、导航及定位信息完整的优点。能在全天候条件下，在全球范围内和任何介质环境下自主地、连续地进行三维空间定向及定位，并能够提供反映航空器运动状态的完整信息。因为有着突出的优点，该导航方式自诞生以来，作为重要的导航方式，被广泛应用航空、航海、宇航、国防等不同的领域。

但是惯性导航方式也存在着导航误差随时间积累，初始位置必须被赋值的缺点，这对长续航时间的航空器来说是非常不利的。在实际应用上，使用惯性导航方式必须配合能够进行时间积累误差修正的其他定位导航方式，才能保证惯性导航系统在航空器长时间飞行时定位的准确性。

二、GPS导航定位技术：

GPS导航定位系统全称是：导航卫星定时和测距全球定位系统。它的基本原理是：GPS接收机接收卫星发射的导航电文，可得到相对于不同卫星的伪距信息，接收机在对所获得的伪距信息进行计算和处理后，就能够获得相应的经度、纬度和高度等空间位置信息。

它具有全天候、全球覆盖、精度高、实时性强、用途广泛等优点，而且，由于卫星信号采用码分多址调制，它还具有抗干扰、保密性强的特点。由于GPS定位精度高，优点显著，它已经被作为主要的导航定位方式被航空器广泛使用。

但是GPS导航定位方式也存在着难以克服的误差及缺点：由于电离层的影响使得传播速度不稳定引起的电离层延迟误差；由于对流层折射系数不同于真空，电波通过对流层时因路径弯曲和相位传播速度变慢引起的对流层延迟误差；由于卫星原子钟的漂移和卫星高速运动产生的相对论效应引起的卫星实际时间与卫星数据计算时间之间的卫星钟误差；卫星实际位置与轨道参数预报出的位置间的星历误差；以及由于电磁波反射引起的接收机多路径误差。不仅如此，GPS还存在动态环境可靠性差；定位自主性差，其应用受美国政府GPS政策影响和外界环境多方面限制；数据输出频率低等缺点。

发明内容

本发明针对在特定的环境中或不利的地理条件下，采用现有技术，飞行器的定位精度受到影响的问题，提出了一种地基广播式定位方法，实现飞行器的高精度定位。

本发明提供的地基广播式定位方法，在定位的区域内建立地基广播站，并在地基广播站的天线架设位置进行测绘，获取该地基广播站的经度、纬度和标高，然后通过如下步骤实现航空器的定位：

步骤1：地基广播站进行码分多址(CDMA)信号调制，得到的调制信号包括：识别信息、位置信息和时钟信息。识别信息为地基广播站对应的唯一识别码；位置信息包括地基广播站的经度、纬度和标高；时钟信息为地基广播站发射信号时刻的时钟信息。

步骤2：地基广播站将调制的信号采用L波段持续进行发射，传输至航空器机载接收机。

步骤3：航空器机载接收机接收地基广播站发送的信号，记录接收信号的时刻。

步骤4：航空器机载接收机对接收到的信号进行变频和解调，获得地基广播站所发信号中包含的识别码、经度、纬度、标高以及时钟信息。

步骤5：设航空器机载接收机在当前T时刻接收到第i个地基广播站发送来的信号，设该信号中的时钟信息为T₁，则获得时间差Δt_i=T-T₁，进而得到当前T时刻航空器与第i个地基广播站的距离R_i：R_i=c×Δt_i。

步骤6：当航空器机载接收机同时接收四个以上地基广播站发送来的信号时，分别通过步骤4得到各地基广播站的位置，通过步骤5得到当前时刻航空器与各地基广播站之间的距离，然后建立观测方程组，解算航空器在空间的具体位置。

本发明提供的地基广播式定位方法，优点与积极效果在于：信号抗干扰性能强，可实现对航空器的精确定位及导航；在高原地区，可实现无人值守方式定位；具有全天候、精度高、成本低、易于实现、实时性强、定位精度高、用途广泛等优点。

本发明的定位方法相对于GPS全球定位系统，不存在GPS固有的电离层延迟误差、对流层延迟误差、星历误差以及相对论效应等影响；也克服了惯性导航方式存在着的导航误差随时间积累，初始位置必须被赋值的缺点。因此，利用本发明的定位方法，可以在GPS等卫星导航系统失效和惯导长时间累积误差过多情况下实现对飞行器的有效定位，还可以摆脱目前航空器过分依赖于GPS和惯导系统进行高精度定位的现状，具有重要的国防意义。

附图说明

图1是本发明地基广播式定位方法的流程示意图；

图2是本发明地基广播式定位方法中信号发射接收的示意图。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

本发明的地基广播式定位方法，是地基广播站将本站的识别码（预先置入）以及高精度的经度、纬度、标高（经过测绘后，预先置入数据）和时钟信息（随内部时钟生成），通过码分多址调制后持续发射。采用L波段传输至航空器机载接收机，机载接收机接收到地面基准站所发信息，并对该信息进行变频并解调，获得地基广播站所发信息中包含的识别码、经度、纬度以及时钟信息。通过对比机载接收机接收信号时刻与解调后获得的时钟信息的比较，计算出航空器至相应地基广播站的距离，进而解算得到航空器（载体）的位置。

首先需要建立用于地基广播式定位的地基广播站，主要是：

1）确定定位需求：明确定位的区域大小，以此为基础选择地基广播站的设备，主要是信号发射单元功率和天线选择。

2）地面站选址：选择适合建站的地点，主要注意地基广播站的相对布局和信号遮挡问题，保证地基广播站之间的相对分散和信号传播的畅通。

3）地面站位置测绘：使用高精度测绘仪器在地基广播站的天线架设位置进行精确定位，获取高精度地基广播站的经度、纬度和标高数据。

4）地面站建设：包括配套基建、设备安装、天线架设和集成测试。

在建设完成后进行整体测试：通过实际飞行测试检验新安装地基广播站的运行情况。

在完成地基广播站的建立后，如图1所示，通过如下步骤实现地基广播式定位。

步骤1：地基广播站进行CDMA(Code Division Multiple Access，码分多址)信号调制。

调整信号包括识别信息、位置信息和时钟信息。地基广播站将本站的预先置入的识别码，以及经过测绘后、预先置入的高精度的经度、纬度和标高，以及随内部时钟生成的时钟信息，组成待广播信号，通过码分多址对待广播信号进行调制。

每个地基广播站对应一个唯一的识别码。广播信号中的时钟信息是指地基广播站发射时刻的高精度时钟信息。

采用码分多址调制方式，还可以根据实际情况进行加入各种需要的信息。

步骤2：信号广播。地基广播站将经过码分多址调制的信号采用L波段持续进行发射，将信号传输至航空器机载接收机。工作频率采用L波段，频率高，波长短，可以提高定位精度。

步骤4：航空器机载接收机对接收到的信号进行变频和解调，获得地基广播站所发信息中包含的识别码、经度、纬度、标高以及时钟信息。

步骤5：获取伪距信息。根据信号的接收时刻与该信号中的时钟信息，获得时间差。

设航空器机载接收机在当前T时刻接收到信号，该信号由第i个地基广播站发送来，从步骤4获得该信号的时钟信息为T₁，则该信号对应的时间差Δt_i=T-T₁。根据时间差Δt_i和光速c获得当前T时刻航空器与第i个地基广播站的距离R_i：R_i=c×Δt_i。

通过对比机载接收机接收信号时刻与解调后获得的时钟信息的比较，计算出航空器至相应地基广播站的距离，进而解算得到航空器（载体）的位置。

当机载接收机同时接收并处理四个以上地基广播站的信号后，就可以计算出航空器在空间的具体位置。

如图2所示，航空器同时接收到地面上四个地基广播站广播的信息，对该四个地基广播站广播的信号进行处理，可以建立如下观测方程组：

\{\begin{matrix} \sqrt{{(x - x_{1})}^{2} + {(y - y_{1})}^{2} + {(z - z_{1})}^{2}} + c \times Δ t_{1} = R_{1} \\ \sqrt{{(x - x_{2})}^{2} + {(y - y_{2})}^{2} + {(z - z_{2})}^{2}} + c \times Δ t_{2} = R_{2} \\ \sqrt{{(x - x_{3})}^{2} + {(y - y_{3})}^{2} + {(z - z_{3})}^{2}} + c \times Δ t_{3} = R_{3} \\ \sqrt{{(x - x_{4})}^{2} + {(y - y_{4})}^{2} + {(z - z_{4})}^{2}} + c \times Δ t_{4} = R_{4} \end{matrix}

其中，(x,y,z)为航空器的三维位置坐标；(x_i,y_i,z_i)为第i个地基广播站的三维位置坐标，i=1,2,3,4；c为光速，Δt_i为航空器机载接收机和第i个地基广播站发射信号的时钟差值；R_i为当前航空器和第i个地基广播站的距离。

利用泰勒级数和最小二乘方法解算上述观测方程组，可以得到(x,y,z)，最后通过坐标转换可以得到航空器的经度、纬度和高度。

航空器的位置解算精度，主要取决于时钟的准确性与相关性。另外由于接收的信号中，带有识别信息及时钟信息，因此，如果在识别信息及时钟信息相同的情况下，接收机收到信号时应以最先到达的为准，这样可以克服多路径反射的影响。

Claims

1.一种地基广播式定位方法，其特征在于，在定位的区域内建立地基广播站，并在地基广播站的天线架设位置进行测绘，获取该地基广播站的经度、纬度和标高，然后通过如下步骤实现航空器的定位：

步骤1：地基广播站进行码分多址(CDMA)信号调制，得到的调制信号包括：识别信息、位置信息和时钟信息；识别信息为地基广播站对应的唯一识别码；位置信息包括地基广播站的经度、纬度和标高；时钟信息为地基广播站发射信号时刻的时钟信息；

步骤2：地基广播站将调制的信号采用L波段持续进行发射，传输至航空器机载接收机；

步骤3：航空器机载接收机接收地基广播站发送的信号，记录接收信号的时刻；

步骤4：航空器机载接收机对接收到的信号进行变频和解调，获得地基广播站所发信息中包含的识别码、经度、纬度、标高以及时钟信息；

步骤5：设航空器机载接收机在当前T时刻接收到第i个地基广播站发送来的信号，设该信号中的时钟信息为T₁，则获得时间差Δt_i=T-T₁，进而得到当前T时刻航空器与第i个地基广播站的距离R_i：R_i=c×Δt_i，c为光速；

步骤6：当航空器机载接收机同时接收四个以上地基广播站发送来的信号时，分别通过步骤4得到各地基广播站的位置，通过步骤5得到当前时刻航空器与各地基广播站之间的距离，建立观测方程组，解算航空器在空间的具体位置。

2.根据权利要求1所述的地基广播式定位方法，其特征在于，所述的步骤6中，当航空器记载接收机同时接收到四个地基广播站广播的信号时，建立的观测方程组为：

\{\begin{matrix} \sqrt{{(x - x_{1})}^{2} + {(y - y_{1})}^{2} + {(z - z_{1})}^{2}} + c \times Δ t_{1} = R_{1} \\ \sqrt{{(x - x_{2})}^{2} + {(y - y_{2})}^{2} + {(z - z_{2})}^{2}} + c \times Δ t_{2} = R_{2} \\ \sqrt{{(x - x_{3})}^{2} + {(y - y_{3})}^{2} + {(z - z_{3})}^{2}} + c \times Δ t_{3} = R_{3} \\ \sqrt{{(x - x_{4})}^{2} + {(y - y_{4})}^{2} + {(z - z_{4})}^{2}} + c \times Δ t_{4} = R_{4} \end{matrix}

其中，(x,y,z)为所要求取的航空器的三维位置坐标；(x_i,y_i,z_i)为第i个地基广播站的三维位置坐标，i=1,2,3,4；

利用泰勒级数和最小二乘方法解算观测方程组，得到(x,y,z)，最后通过坐标转换得到航空器的经度、纬度和高度。