CN101221233A - 基于北斗卫星的伪卫星定位系统及其测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明方法公开了一种基于北斗卫星导航的伪卫星定位系统及其测量方法，系统包括在轨运行的2颗北斗卫星、1个伪卫星主站、若干个伪卫星从站和用户机。系统通过伪卫星主站与北斗卫星高精确时间同步，从而修正伪卫星从站的钟差，用户机不仅可以在中国北斗系统中实现主动定位，而且可以接收伪卫星信号构成多星定位。该方法能进行北斗卫星信号的修正和北斗卫星几何图形分布的改善，能实现伪卫星联合中国北斗导航卫星进行高精度三维的动态定位，同时也是评估中国北斗系统定位性能的一种重要方法。
Description
技术领域：
本发明涉及一种卫星定位系统和定位测量方法，具体是指基于中国北斗卫星的伪卫星定位系统及其测量方法，它主要应用于对物体进行高精度空间三维的动态定位和中国北斗卫星定位系统定位性能的评估。
背景技术：
目前在卫星导航定位领域已有美国的全球定位系统(GPS)、俄罗斯的格洛纳斯(GLONASS)、欧洲在建的伽利略(GALILEO)和中国在建的北斗等，但应用最广泛的仍是美国的全球定位系统。而我国的北斗导航定位通信系统具有快速导航定位、双向简短报文通信和授时三大功能，其中后两项是美国全球定位系统(GPS)所不具备的功能。2000年以来，中国已成功发射了4颗“北斗导航试验卫星”，建成北斗导航试验系统(第一代系统)。中国2007年初发射两颗北斗导航卫星，2008年左右满足中国及周边地区用户对卫星导航系统的需求，并进行系统组网和试验，逐步扩展为全球卫星导航系统(计划由5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星组成)。
北斗卫星导航系统与全球定位系统(GPS)和格洛纳斯(GLONASS)等系统最根本的区别在于它不仅能使用户知道自己的所在位置，还可以告诉别人自己的位置在什么地方，特别适用于需要导航与移动数据通信场所，如交通运输、调度指挥、搜索营救、地理信息实时查询等。一般地说，目前中国北斗卫星导航系统对地面静态目标的二维定位精度为10米，授时精度为50纳秒，测速精度0.2米/秒。
伪卫星即在局部地域地面或空中平台上建立类似于空中卫星的固定基准站，行使导航卫星的所有功能。由于伪卫星开发技术不具有通用性，必须唯一地依附于某个卫星导航系统。因此，多年来伪卫星技术一直伴随着全球定位系统(GPS)发展。通过和全球定位系统(GPS)进行组合定位来增加空间可视卫星的数量，改善卫星几何分布配置，从而可以提高定位精度，尤其在高程方面。同时，系统的整体可靠性得到加强。
发明内容：
本发明的目的在于针对中国北斗导航系统的特殊性，构建一个伪卫星的主动定位系统，从而使用户不仅可以在中国北斗定位系统中实现主动定位，而且可以接收伪卫星信号构成多星定位系统。
本发明的系统构成具体描述如下：
如附图1所示，本发明伪卫星定位测量系统包括2颗在轨运行的北斗卫星1号1和北斗卫星2号2、1个伪卫星主站3、若干个伪卫星从站(如图1中的4、5)和用户机6。伪卫星主站3实现与北斗卫星1、2的时间同步，并将钟差作为一个修正参数实时发给各个伪卫星从站。伪卫星主站3通过北斗卫星1、2向用户机6发送测距信号，用户机6接收到卫星信号后立即通过北斗卫星1、2向伪卫星主站3发送应答信号。伪卫星主站3通过计算，将用户坐标通过北斗卫星1、2发送给用户机6，用户机6接收到坐标后经北斗卫星1、2给伪卫星主站3一个回执。与此同时，用户机6接收到伪卫星从站4、5的信号来联合实现高精度定位。伪卫星主站3和伪卫星从站4、5可以是地基的，如地面固定基站或车载移动基站；也可以是空基的，如高空气球平台静止基站和空中机载飞行基站。伪卫星从站4、5设置的数量不限，根据定位区域需求设置1个或多个从站。
本发明伪卫星定位系统的实现过程如附图2所示，具体步骤如下：
①首先由伪卫星主站3向北斗卫星1、2同时发送询问信号，经北斗卫星转发器向服务区内的用户机6广播。用户6响应其中一颗卫星的询问信号，并同时向两颗卫星发送响应信号，经北斗卫星转发回伪卫星主站3。伪卫星主站3接收并解调用户机6发来的信号，然后根据用户机6申请的服务内容(导航定位、通信和精确授时)进行相应的数据处理。
②对于用户机6的通信请求，伪卫星主站3将用户机6的通信信息经北斗卫星1和2向其他用户机传送，从而实现系统通信功能；对于用户机6的定位申请，伪卫星主站3测出两个时间延迟：即由伪卫星主站3发出的询问信号经某一颗卫星转发到达用户机6，用户机6发出定位响应信号经同一颗卫星转发回伪卫星主站3的时间延迟；和从伪卫星主站3发出的询问信号经上述同一卫星到达用户机6，用户机6发出的响应信号经另一颗卫星转发回伪卫星主站3的时间延迟。由于伪卫星主站)和两颗卫星1、2的位置均是已知的，因此由这两个延迟量可以算出用户到第一颗卫星的距离，以及用户到两颗卫星距离之和，从而知道用户处于一个以第一颗卫星为球心的一个球面，和以两颗卫星为焦点的椭球面之间的交线上。另外，伪卫星主站3从存储在计算机内的数字化地形图查寻到用户高程值，又可知道用户机6处于某一与地球基准椭球面平行的椭球面上，从而伪卫星主站(3)可最终计算出用户所在点的三维坐标，这个坐标经加密由出站信号发送给用户。
③在基于北斗卫星导航技术地面伪卫星增强多星定位系统中的地面伪卫星从站(4、5)与地面伪卫星主站3取得时间同步，由于地面伪卫星主站3是与北斗卫星系统时间同步，由此整个系统的时间同步精度可达数十纳秒(ns)。各个地面伪卫星从站将广播与北斗卫星一样的信号，从而联合北斗卫星(1、2)形成卫星星座定位。如此形成多颗定位卫星，提供空间三维变量(x，y，z)和钟差(Δt)构成北斗伪卫星多星定位系统。
本发明创新点在于：
①突破长期以来伪卫星只应用于全球定位系统(GPS)的技术格局，构建基于中国北斗系统的伪卫星定位系统，提出基于中国北斗的定位系统来进行高精度三维的动态定位方法。
②提出伪卫星与北斗卫星联合定位的测量方法，延伸了中国北斗定位的原理。
③本系统不仅能进行导航定位测量，而且可以通过伪卫星将通信和授时功能作为数据处理的一部分进行应用。
技术效果：
①本发明中利用伪卫星主站3来替代中心控制系统，这将使得利用北斗系统实现特定区域定位得到了有效保证。联合伪卫星进行三维定位，三维动态定位精度可以达到亚米级，授时精度小于45纳秒。
②单独采用中国北斗系统进行导航定位应用会带来两个不利情况，一是用户定位的同时失去了无线电隐蔽性，这在军事上相当不利；另一方面由于用户设备必须包含发射机，因此在体积、重量上、价格和功耗方面处于不利的地位。通过本方法的实施可以弥补上述缺陷。
③联合伪卫星组成的多星定位改善了卫星几何分布配置，提高了系统的整体可靠性。
附图说明：
图1是本发明系统中各部分组成的结构示意图；
图中：
1表示在轨运行的北斗卫星1号；
2表示在轨运行的北斗卫星2号；
3表示伪卫星主站；
4表示伪卫星从站A；
5表示伪卫星从站B；
6表示用户机。
图2是双星主动定位和多星定位测量实现的流程图。
具体实施方式：
本发明具体实施例如图1所示，具体实施过程进一步详细说明如下：
①目前已有多颗北斗导航试验星在轨，这是构建本发明系统的主要组成部分。伪卫星主站3在功能上替代了北斗导航系统的中心控制系统。因此，实施实例采用了两颗北斗卫星1、2、一个伪卫星主站3和两个伪卫星从站4、5。
②伪卫星主站3通过北斗卫星向用户机6发送测距信号，用户机6接收到卫星信号后立即通过北斗卫星向伪卫星主站3发送应答信号。伪卫星主站3通过计算，将用户坐标通过北斗卫星发送给用户机6，用户机6接收到坐标后经北斗卫星给伪卫星主站3一个回执。从而构成伪卫星主站3协同北斗卫星进行双星定位系统。
③伪卫星从站4、5来实现卫星信号广播，在区域范围内联合北斗卫星构建高可靠性和高精度多星定位系统。
④在时间同步上使得天基北斗卫星和伪卫星保持相对高的精度，这样用户接收机中解算的钟差Δt和三维变量x，y，z都将取得相应的定位精度与稳定度。
Claims (4)
1.一种基于中国北斗卫星的伪卫星定位系统，包括2颗在轨运行的北斗卫星1号(1)和北斗卫星2号(2)、1个伪卫星主站(3)、若干个伪卫星从站(4、5)和用户机(6)，伪卫星主站(3)向北斗卫星(1、2)同时发送询问信号，经北斗卫星(1)或(2)转发器向服务区内的用户机(6)广播，用户机(6)响应其中一颗卫星的询问信号，并同时向两颗卫星发送响应信号，经北斗卫星转发回伪卫星主站(3)，伪卫星主站(3)通过计算，将用户坐标通过北斗卫星发送给用户机(6)，用户机(6)接收到坐标后经北斗卫星给伪卫星主站(3)一个回执，形成双星定位系统；与此同时，若干个伪卫星从站(4、5)将广播与北斗卫星一样的信号，向用户机(6)提供空间三维变量x，y，z和钟差Δt数据，构成北斗伪卫星多星定位测量系统。
2.根据权利要求1的一种基于中国北斗卫星的伪卫星定位系统，其特征在于：所说的伪卫星主站(3)、伪卫星从站(4)、(5)是地基的或空基的。
3.根据权利要求1的一种基于中国北斗卫星的伪卫星定位系统，其特征在于：所说的用户机(6)之间可以通过卫星(1、2)、伪卫星(3、4、5)连接进行短信传送。
4.一种基于中国北斗卫星的伪卫星定位系统的定位测量方法，其特征在于步骤如下：
A.首先由伪卫星主站(3)向北斗卫星(1、2)同时发送询问信号，经北斗卫星转发器向服务区内的用户机(6)广播，用户机(6)响应其中一颗卫星的询问信号，并同时向两颗卫星发送响应信号，经北斗卫星转发回伪卫星主站(3)；伪卫星主站(3)接收并解调用户机(6)发来的信号，然后根据用户机(6)申请的服务内容进行相应的数据处理；
B.对于用户机(6)的通信请求，伪卫星主站(3)将用户机(6)的通信信息经北斗卫星(1)和(2)向其他用户机传送；对于用户机(6)的定位申请，伪卫星主站(3)根据测量出的两个时间延迟数据以及存储在计算机内的数字化地形图计算出用户所在点的三维坐标，这个坐标经加密由出站信号发送给用户，完成双星定位测量；
C.伪卫星定位系统中的各伪卫星从站(4、5)与伪卫星主站(3)取得时间同步，各个伪卫星从站广播与北斗卫星一样的信号，向用户机(6)提供空间三维变量x，y，z和钟差Δt，联合北斗卫星(1、2)实现多星定位测量。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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Open date: 20080716 |