CN100390504C - 卫星导航定位应用系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种卫星导航定位应用系统，它由导航探头单元和监测站两部分组成，该系统的导航探头单元在接收到卫星的导航定位信号后，不对其进行计算，而是将卫星导航定位信号转发到监测站，再进行计算得出定位结果。从而大大简化了导航探头单元的结构，使其成本降低，可广泛应用于需要进行低成本导航定位或集群定位的场合，特别适用于一站对多点定位或探头消耗型定位的应用。探头部分的成本下降可达10倍，定位作业成本大幅度下降。用于制造汽车监控器时，价格可降至千元以下。

Description

卫星导航定位应用系统

技术领域

本发明涉及一种卫星导航定位应用系统。

背景技术

目前卫星导航定位的代表性系统是GPS系统。这里以其为例，引用说明。GPS系统包括三大部分：空间部分--GPS卫星星座，地面控制部分--地面监控系统，用户设备部分--GPS导航仪。

GPS系统的空间部分由24颗卫星组成，均匀分布在6个轨道面上，地面高度约20000公里，轨道倾角为55度，周期约为12小时，卫星向地面发射两个波段的载波信号，载波信号频率分别为1575.4兆赫兹(L1波段)和1227.6兆赫兹(L2波段)。卫星上安装了精度很高的原子钟，以确保频率的稳定性。在载波上调制有表示卫星位置的广播星历，用于测距的C/A码和P码，以及其它系统信息。GPS系统能在全球范围内向任意多用户提供高精度的、全天候的、连续的、实时的三维测速、三维定位和授时。

GPS的地面监控系统包括一个主控站、三个注入站和五个监测站，这些站不间断地对GPS卫星进行观测，并将计算和预报的信息由注入站对卫星信息更新。

GPS导航仪的任务是能够捕获到按一定卫星高度截止角所选择的卫星的信号，对所接收到的GPS信号进行放大、变换和处理，解译出GPS卫星所发送的导航电文，计算出接收机天线的三维位置和时间信息。

如图1所示，目前广泛使用的GPS导航仪的结构为一体式的结构。其整体结构由GPS信号天线、滤波放大器、接收机、数字处理单元、数据计算单元和显示输出单元组成。GPS信号天线接收定位卫星发出的导航信号后，由滤波放大器对接收到的信号进行放大滤波；接收机从接收到的卫星信号中提取出导航数字信号；数字处理单元对提取出的数字信号进行数字扩频解调；数据计算单元根据解调的结果进行定位计算，最后通过显示输出单元显示输出定位计算的结果。这种GPS导航仪的缺点在于：由于其结构为一体式，故从接收卫星信号到信号处理、导航数据处理、定位计算甚至显示输出处理均集成在导航仪内完成，这就导致了GPS导航仪的制造成本高、体积大。当需要附着在被跟踪物上的部件尽可能袖珍化或尽可能低成本，或者需要对多个被跟踪物进行集中监测时，使用这种GPS导航仪或现有的类似产品难免成本过高甚至难以实现。

发明内容

为了解决上述现有技术的缺陷，本发明的目的是提供一种卫星导航定位应用系统，该系统的导航探头接收到卫星导航信号后，并不计算定位结果，而是将其转发到监测站进行计算，从而大大简化了导航探头的结构，可广泛应用于需要进行低成本导航定位或集群定位的场合，以及需要进行反复多次定位的探头消耗型作业场合。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种卫星导航定位应用系统，由导航探头单元和监测站组成；

所述导航探头单元包括：

卫星信号接收天线，用于接收导航卫星的导航信号；

滤波放大器，用于对接收到的卫星导航信号进行滤波放大；

变频器，用于将接收到的高频卫星信号转换为适用的工作频率；

控制器，用于耦合探头内各部件，并进行工作程序安排与调控；

发射机和信号发射天线，用于将卫星导航信号转发给监测站；

卫星信号接收天线、滤波放大器、变频器、控制器、发射机和信号发射天线依次串接；

所述监测站包括：

信号接收天线，用于接收所述信号发射天线发出的信号；

接收机，负责对接收到的转发信号进行解调，从中提取出数字信号；

数字处理单元，负责对提取出的数字信号进行数字解调；

数据计算单元，用于根据解调数据计算出时空定位结果；

显示输出单元，负责显示输出定位计算的结果；

信号接收天线、接收机、数字处理单元、数据计算单元和显示输出单元依次串接；

所述导航探头单元在接收到卫星的导航信号后不进行计算，而是将卫星导航定位信号进行变频放大后转发到监测站，由监测站进行数字处理和定位计算，得出定位结果。

所述导航探头单元可以是一个也可以是多个。

所述导航探头单元不仅适用于GPS系统，也可用于伽利略卫星导航定位应用系统、北斗卫星导航定位应用系统和GNSS系统。

所述的控制器上可插上传感器件。所述控制器按时序、调频、调相或CDMA方式，将变频器送来的导航信号和传感器送来的传感信号在发射机内耦合。

由于采用了以上技术方案，故本发明具有以下优点：

1、对于汽车防盗、出租车调度等集群作业方式，由于分散在多点的探头得到了简化，功能及部件尽可能多地归集在监测站，有利于软硬件及监测人力的资源共享，大幅度降低系统成本及作业成本。

2、导航探头部分得到了充分简化，显著降低了探头消耗型作业的成本；

3、导航探头部分加装传感器，有利于其它传感信息的低成本采集；

4、导航探头的袖珍化，使得导航探头对环境影响最小。

附图说明

图1为现有的一体型GPS导航仪结构示意图

图2为本发明的系统结构示意图

图3为本发明的一种实施方式示意图

具体实施方式

由于传统无线电定位的工作原理是通过发射电磁波，由定时器记录电磁波发出的时间，当电磁波被目标物反射回来时，定时器再记录返回的时刻。根据电磁波在空间的飞行时间及电磁波的速率来计算飞行的距离。因此无线电测距的传统理论认为，电磁波飞行的时间只有得到精确计量才能准确测距。在卫星导航系统中，卫星导航信号被转发后，导航信号在空中传播的时间被附加了一段，如按此时间进行测距计算，传统的观点往往误认为会导致测距失真。

事实上，卫星导航信号多采用信息数据编码后调制发射的方法，各导航卫星发射的导航信号中，调制了编码数据信息，通过解调数字码，解调数据码，再根据数据码求解探头距各卫星的间距。由于卫星所处的空间、时间坐标是可知的，故可进而求解出探头所处的空间、时间坐标。很显然，当转发过程中，若频率以及波形的任何变化未造成转发前信号中调制的数字码错变的话，则对探头坐标P₀(代表探头的三维坐标)和t₀(代表探头的时间坐标)的求解结果就不会变化。CDMA方式调制的卫星信号，记录数字信号的标志是波形中的相变序列。这种调制方式在卫星导航应用中被普遍采用(包括GPS、伽利略、北斗等系统)。变频差转的过程，不改变所调制信号的相变序列，不变的相变序列可保持定位结果不变。由于转发过程并不破坏信号的相变序列，故也就不会改变定位结果。对于非CDMA调制的卫星导航信号，只要在转发过程中将原调制的数字信号保持不变，也就同样不会因信号转发发生定位错误。而保持转发过程中信号不变是通过现有的通信技术所能容易完成的。当然，在转发过程中，若P₀、t₀发生移动与变化，变化前转发的信号不能标示探头的新的坐标P₀′、t₀′，而要通过探头处于P₀′、t₀′时转发的新的卫星信号，解算其调制的新的相变序列，求解其新的P₀、t₀值。

在导航星座中，每颗卫星都有各自的导航报和调制密码，导航报采用循环方式注入卫星的移位寄存器内，调制密码作为本地码是各卫星的识别标志。在被测点，导航探头接收并感应出各卫星分别发出的已经嵌入其本地码的高频扩频信号，信号的内容受如下变量的控制：1、不同的卫星具有不同的起始相位数据信号，由λ₁代表；2、不同的卫星处于不同位置时，数据循环相位不同，由λ₂代表；3、不同的卫星本地码不同，由λ₃代表；4、不同的卫星所发出的信号到达该地点的时间延迟不同，由λ₄代表；5、不同的接收时间(所接收的数据信号序列不同)，由λ₅代表。

某一时刻在某一地点，当导航探头接收到各卫星的高频扩频信号后，将接收到的信号送往监测站，在监测站经过解调处理后，可以将变量λ₁，λ₂，λ₃解调、解扩得出，视为已知变量；λ₅也因变量数据方程联立，被视为可解变量，并不影响接收时刻与卫星发出信号时刻间时间差的求解。因此接收点距卫星的距离是决定定位结果的唯一因素。

当信号在定位点被导航探头接收后，其信号的波形可描述为：φ＝φ(λ₁，λ₂，λ₃，λ₄，λ₅)，λi分别代表上述5个变量。经导航探头转发后，在监测站所接收到的二次转发信号，与在定位点的导航探头接收到的卫星信号完全相同，也就是说，二次转发信号不是转发延迟时间的函数。论证如下：

M＝M(φ)，M′＝M(φ′)分别表示转发前后的定位结果

φ′＝φ(λ₁′，λ₂′，λ₃′，λ₄′，λ₅′)

λ₁，λ₂，λ₃，λ₅在转发过程中为常量或可知量

φ＝φ(λ₄)，φ′＝φ(λ_4′)，λ₄＝λ_4′，在转发前后λ₄是常量故φ＝φ′

转发前在定位点直接求解定位结果用M表示，则有：M＝M′，M′为监测站根据转发后的信号求解的定位结果。

解算结果M′仍是φ的函数。而在φ中，λ₁，λ₂，λ₃均可视为常量，λ₅是可求解量，仅λ₄是因变量。由上述论证可知，卫星导航信息被转发后，只要信号中调制的数据码不错变(通用的无线调制技术均可实现)，在监测站就可以解算出定位头的空间位置以及定位头接收到的卫星信号的时间。

当然，在转发过程中，定位头如果发生移动，M′只能代表其移动前，即转发当时的定位头接收天线的位置。移动后的位置，则由新一轮的转发信号所传达。

如图2所示，本发明的卫星导航定位应用系统由导航探头单元1和监测站2两部分组成。导航探头单元1在接收到卫星的导航定位信号后不进行计算，而是将卫星导航定位信号进行变频放大后转发到监测站2，由监测站2进行信号处理和定位计算得出定位结果。在实际应用中，根据实际需要导航探头单元1的数量可以是一个也可以是多个。

导航探头单元1由卫星信号接收天线11、滤波放大器12、变频器13、控制器14、发射机15和信号发射天线16依次串接而成。本发明的导航探头单元可用于GPS系统、伽利略卫星导航定位应用系统、北斗卫星导航定位应用系统和GNSS(中国新一代导航卫星系统)。

各定位卫星发射的导航信号由卫星信号接收天线11感应捕获后，该信号被滤波放大器12有选择地放大，卫星导航信号可以是单频单路信号或多频多路信号。放大选频后的信号被送往变频器13，变频器13将接收到的高频卫星信号转换成预定的工作频率后送往控制器14，也可根据需要进行信号处理及解扩处理，在解算定位结果前，将信号或数字码送给控制器14。控制器14可以控制变频器13，以保证变频器的频率特性。变频器的本振频率也可在控制器14的控制下通过发射机15发往监测站2，以利于监测站2对导航探头单元1的发射频率进行跟踪。

控制器14上可根据需要插上传感器件17，可实现同时采集定位信号和多路传感信号，使监测站对目标物的监测不仅局限于导航定位也可同时采集其他所需的传感信号。传感信息经传感器件17感应并经A/D变换后由控制器14采集，A/D变换可在控制器14内完成。传感信息可以是若干路，如温度信号、湿度信号、压力信号、探头编码、服务要求代码等。

控制器14可以按时序、调频、调相、CDMA等方式将变频器13送来的导航信号、传感器17送来的传感信号在发射机内耦合，经信号发射天线16发往监测站2。

监测站收到探头发出的信号后，可依常规无线电接收技术及工作方式，按时分多址、频分多址、码分多址的解调程序提取导航数据、传感数据及解扩定位数据，并由计算机算出探头所处的时间和空间位置和传感数据。监测站2由信号接收天线21、接收机22、数字处理单元23、数据计算单元24和显示输出单元25依次串接而成。信号接收天线21接收上述信号发射天线16发出的信号，接收机22从接收到的卫星信号中提取出数字信号，数字处理单元23对提取出的数字信号进行数字解调，数据计算单元24根据解调的结果进行定位计算，最后通过输出单元25输出定位计算的结果，即可得到被跟踪物的三维位置和时间信息。

如图3所示，本发明可用于集群作业的情况，如汽车防盗、出租车调度等场合。当系统处于集群作业时，探头可以是多个，而监测站数量可以很少或仅一个。不同探头发射的频率不同，但采用CDMA或时分方式时，频率可以相同也可以不同。

本发明还可应用于以下系统环境中，如：

车船集群监测系统：在车船体上安置导航探头，探头上可以附加合法使用密码，服务要求编码等传感信息。探头转发卫星系统及传感信息后，监测站接收并进行解码，解出各种信息。可依次将各种信息送往用户指定的人员、机构。

探空仪系统：上述探头的传感器上可附有温度、湿度、气压等感应元件，可以实现低成本、高精度的气象探空作业，类似作业有洋流探测、冰川、地质、大型建筑监测等。

盲人、病人、犯人、军警等需随时监测的人员：简化型探头不仅价格低而且便于携带。在人身上随身装配有探头，出现控制情况时，可及时得知其所处的位置及传感器报知的紧急类型，监测站可及时报知控制方采取行动。类似的作业还有野生动物的监测，对危险或敌对目标物的监测，探险、飞行制导等。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，本发明的保护范围并不局限于此。任何基于本发明技术方案上的等效变换均属于本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种卫星导航定位应用系统，它由导航探头单元和远离的监测站组成，其特征在于：

所述导航探头单元包括：

卫星信号接收天线，用于接收导航卫星的导航信号；

滤波放大器，用于对接收到的卫星导航信号进行滤波放大；

变频器，用于将接收到的高频卫星信号转换为适用的工作频率；

控制器，用于耦合探头内各部件，并进行工作程序安排与调控；

发射机和信号发射天线，用于将卫星导航信号转发给监测站；

卫星信号接收天线、滤波放大器、变频器、控制器、发射机和信号发射天线依次串接；

所述监测站包括：

信号接收天线，用于接收所述信号发射天线发出的信号；

接收机，负责对接收到的转发信号进行解调，从中提取出数字信号；

数字处理单元，负责对提取出的数字信号进行数字解调；

数据计算单元，用于根据解调数据信号计算出时空定位结果；

显示输出单元，负责显示输出定位计算的结果；

信号接收天线、接收机、数字处理单元、数据计算单元和显示输出单元依次串接；

所述导航探头单元在接收到卫星的导航信号后不进行计算，而是将卫星导航定位信号进行变频放大后转发到监测站，由监测站进行信号处理和定位计算，得出定位结果。

2.如权利要求1所述的卫星导航定位应用系统，其特征在于：所述导航探头单元可以是一个也可以是多个。

3.如权利要求1所述的卫星导航定位应用系统，其特征在于：所述的控制器上可插上传感器件。

4.如权利要求1所述的卫星导航定位应用系统，其特征在于：所述控制器可以按时序、调频、调相或CDMA方式，将变频器送来的导航信号和传感器送来的传感信号在发射机内耦合。

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