CN101382430B - 临时陆基导航方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种临时陆基导航方法和系统。该系统由Z架主控中继机、M架非主控中继机、N个地面站和用户组成，其中M大于等于三，N大于等于二，Z大于等于一，Z约为M的四分之一，不能整除时向上取整。该方法第一步是构建临时陆基导航系统；第二步是建立时间同步，通过主控中继机实现主控中继机、非主控中继机、地面站的同步；第三步是中继机定位，中继机通过自身设备和地面站来实现对自身的定位；第四步是用户定位，主控中继机和非主控中继机通过无线电测距和已解算出的自身位置信息来计算出用户位置并发送给用户，实现定位和导航。本发明具有可靠性高、导航范围可控、使用灵活、费效比较高等特点。

Description

临时陆基导航方法和系统

技术领域

本发明涉及一种临时陆基导航方法和系统，属于无线电导航领域。

背景技术

迄今为止，我们所依赖的导航系统基本上是在第二次世界大战期间及以后逐渐发展起来的，虽然设备技术在不断改进，然而体制却基本保持不变，有自主式导航系统和无线电导航系统两类。

自主式导航系统，不依赖地面导航台，因为用推算的方法得出当前的位置，因此也是推算导航系统；60年代开始，惯性导航系统(Inertial Navigation System，简称INS)，先后在航海和航空领域中大量投入使用；还有一种航空自主式导航系统是1945年左右开始发展的多普勒导航系统。

无线电导航系统是应用最为广泛的导航系统。早期的无线电导航系统都是在陆上设立导航台，发射无线电信号；装在飞机上的导航设备接收导航台发射的无线电信号或与导航台配合工作，给飞机的驾驶人员指示出他们的实时位置。由于这类无线电导航系统工作的基础是设在陆上的导航台，因此称为陆基无线电导航系统。这类导航系统主要有：全向无线电信标、罗兰-C、奥米加系统、仪表着陆系统、甚高频全向方位/测距装置(VHF Omni-directionalRange/Distance Measuring Equipment，简称VOR/DME)、塔康系统等等。

近年来发展极为迅速的另一种无线电导航系统是卫星导航。这种类型的导航系统虽然仍属于无线电导航，但是其工作基础是沿地球轨道飞行的卫星，其导航定位的基本方法主要是距离一距离法。由于卫星导航系统具有体积小、精度高、可靠性高、使用方便、快捷等突出优点，很快就在航空导航领域占领了主导地位，大量使用在各种飞行器上。但是，卫星导航系统在导航领域应用方面的局限性也很明显，主要是受制于卫星所有国，易受干扰和欺骗等，而且卫星本身易遭摧毁，可靠性得不到保证。

伪卫星定位和导航技术也是目前非常热门的一个研究方向。但一般意义上的伪卫星是建立在卫星导航基础上的，无论是伪卫星本身的定位、功能的实现都需要利用轨道卫星；而且其功能也只是作为卫星导航的一个补充和加强，当卫星信号关闭时，伪卫星系统无法独立工作。

鉴于目前卫星导航系统的广泛应用，在普通情况下我们可以采用卫星导航；而鉴于卫星导航系统的脆弱性，有必要提供一种可靠性较高、能临时部署的导航系统。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种临时陆基导航方法和系统，它能临时部署，可靠性高，不依赖于现有的系统外的导航定位工具，完全依靠自身的设备实现对飞行器的导航定位。

本发明提供了一种利用空中中继的导航定位方法。利用一种留空时间长的飞行器把陆基的导航基准接力传送到更远的空间区域，从而提供导航定位的保障。这种接力可视为一种二级定位导航：地面站是陆基的导航点，从陆基导航点到中继机为第一级，从中继机到用户为第二级，这两级定位方法均采用无线电定位。本发明具有可靠性高、导航范围可控、使用灵活、费效比较高等特点。

基于本发明提出的临时陆基导航方法，构建一种临时陆基导航系统是前提。本发明提出的一种临时陆基导航系统由Z架主控中继机、M架非主控中继机、N个地面站及用户组成。其中M大于等于三；N大于等于二；Z大于等于一，数量约为M的四分之一，不能整除时向上取整。

在半径约为500km的圆周范围内，若主控中继机、非主控中继机均位于20km左右的平流层，那么由一架主控中继机、三架非主控中继机、三个地面站和用户组成的系统即可实现在此范围内的区域临时陆基导航。而如果需要在更大的范围内用本发明临时陆基导航系统来实现导航，则需要更多的主控中继机、非主控中继机和地面站。

中继机，包括Z架主控中继机和M架非主控中继机，均位于平流层及以下的空中，相邻的中继机之间处于视距范围内；N个地面站置于中继机下方平坦区域，保证可视仰角范围大，且彼此间隔一定距离D，根据中继机高度的不同，D的范围取几千米至几千千米。

主控中继机、非主控中继机、地面站、用户上均包含发射接收设备，用于接收发射信号；

主控中继机、非主控中继机、地面站、用户上均包含中心处理器，用于控制各自的信号流程；

主控中继机、非主控中继机、地面站上还包括测距码生成器，用于产生测距码；

主控中继机、非主控中继机和地面站还包括信号回发设备，用于回发信号；

主控中继机、非主控中继机上还包括导航解算设备，用于解算自身位置，其中主控中继机上的导航解算设备还用于解算用户的位置；导航解算设备中包含大地高程数据库；

主控中继机、非主控中继机上还包括高度计，用于测量本机距地面绝对高度；

主控中继机上还包含高稳定原子钟，作为整个系统的时间基准。通过主控中继机和非主控中继机、中继机和地面站之间的信息交换实现整个系统的同步。

地面站和非主控中继机还包含普通原子钟和同步校准装置，用于和主控中继机同步。

主控中继机上的发射接收设备、中心处理器、测距码生成器、信号回发设备、导航解算设备、高度计、高稳定原子钟组合在一起，组成了主控中继机临时陆基导航模块。

非主控中继机上的发射接收设备、中心处理器、测距码生成器、信号回发设备、导航解算设备、高度计、普通原子钟、同步装置组合在一起，组成了非主控中继机临时陆基导航模块。

地面站上的发射接收设备、中心处理器、测距码生成器、信号回发设备、普通原子钟、同步装置组合在一起，组成了地面站临时陆基导航模块。

用户上的发射接收设备、中心处理器、信号回发设备组合在一起，组成了用户临时陆基导航模块。

本发明提供的一种临时陆基导航方法，分以下步骤：

步骤(a)构建临时陆基导航系统：

包括Z架主控中继机、M架非主控中继机、N个地面站以及用户；

步骤(b)建立时钟同步：

所有主控中继机装载的高精度时钟可以认为是时钟同步的；按照主控中继机和非主控中继机数量为一比四的关系，可以保证每架非主控中继机视距范围内都有一架主控中继机，所有非主控中继机通过和主控中继机交换信息实现时钟同步；地面站通过和中继机交换信息实现时钟同步；

步骤(c)中继机定位：

各地面站向空中的中继机广播自己的位置信息，所述中继机包括Z架主控中继机和M架非主控中继机；每架中继机视距范围内的地面站可能有多个，中继机选择距离最近的三个地面站发送测距码，通过信号往返时间差得出与地面站的距离；中继机通过自带的高度计计算出距地面绝对高度，利用迭代算法从而得到中继机的位置信息；

步骤(d)用户定位：

用户视距范围内的所有中继机均向用户发送测距码，用户接收后将自身硬件延迟信息调制于信号上并回发，中继机接收此回发信号并根据时间差得出至用户的距离；非主控中继机将本机至用户距离信息和自身位置信息汇总至主控中继机，主控中继机汇总信息进行解算，得出用户的位置信息，发送给用户。

所属步骤(b)中，进一步包括以下步骤：

(b1)非主控中继机发送测距信号到主控中继机：

非主控中继机以设定的频率发射测距信号至视距范围内的主控中继机，主控中继机接收后将自身的回发时间和硬件延迟信息调制在信号上并回发至非主控中继机；

(b2)非主控中继机获得时钟同步：

非主控中继机接收主控中继机的回发信号后经过解算得出精准时间，将自身时钟校正，经过校准后的非主控中继机时钟与基准时间一致；

(b3)中继机向地面站发送测距信号：

各主控和非主控中继机向地面站广播中继机时钟已同步的信息，地面站接收到某架中继机的信息后发射测距信号到该中继机；

(b4)地面站获得时钟同步：

收到地面站测距信号的中继机将自身的回发时间和硬件延迟信息调制在测距信号上并回发至地面站，地面站接收并解算此信号得出精准时间，校准自身时钟。

所属步骤(c)中，进一步包括以下步骤：

(c1)中继机接收两个地面站发送的位置信息：

地面站向空中广播自己的位置信息，空中的中继机接收地面站的位置信息，并选择两个最先到达的地面站位置信息参与运算；

(c2)中继机计算与两个地面站的距离：

中继机向三个地面站发送微波测距信号，地面站接收后调制上自身硬件延迟并回发，中继机选择接收两个最先到达的信号并计算往返时间差，得到距两个地面站的距离；在某些情况下，由于地形阻挡、信号干扰等因素，可能导致中继机只能接收到两个地面站回发的信号，中继机向三个地面站发送测距信号是为了提高可靠性。

(c3)中继机通过高度计计算出到地面绝对高度；

(c4)中继机利用迭代算法计算出自身位置信息。

所属步骤(d)中，进一步包括以下步骤：

(d1)中继机向用户发送测距码：

用户视距范围内可能有多架中继机，包括至少一架主控中继机，它们均向用户发送测距码；用户接收来自中继机的测距信号，包括一架主控中继机的测距信号，调制上用户自身硬件延迟后并回发信号至中继机；

(d2)中继机计算与用户的距离：

中继机接收到用户回发的信号，计算出与用户之间的距离；

(d3)非主控中继机发送信息至主控中继机：

所有非主控中继机将本机距用户距离信息和自身位置信息发送至视距范围内的主控中继机，该主控中继机也就是(d1)中向用户发送测距信号的主控中继机；

(d4)主控中继机计算用户的位置并发送给用户：

主控中继机汇总所有中继机的位置信息和所有中继机与用户的距离信息，计算出用户位置，并发给用户。

本发明提出了一种临时陆基导航方法的优点在于：

(1)可靠性高：由于中继机是一种轨迹可变的飞行器；导航系统所用的频谱和测距码都是在部署后才使用，保密性好；不依赖于其它系统外设备；

(2)导航范围可控：采用两级导航方式，使得系统导航范围可控，在必要时可以形成很大的导航范围；

(3)使用灵活：该系统布站灵活，使用前几个小时部署，使用后几个小时内撤销，不需要额外的维护和保养；

(4)费效比较高：实现范围较小的区域导航时，费效比较高。

附图说明

图1为本发明例临时陆基导航系统示意图；

图2为本发明主控中继机临时陆基导航模块示意图；

图3为本发明非主控中继机临时陆基导航模块示意图；

图4为本发明地面站临时陆基导航模块示意图；

图5为本发明用户临时陆基导航模块示意图；

图6为本发明临时陆基导航方法实现对用户导航定位过程示意图；

图7为本发明中迭代算法流程图。

图中：                0.第一主控中继机    1.第一非主控中继机

2.第二非主控中继机    3.第三非主控中继机  4.第一地面站

5.第二地面站          6.第三地面站        7.用户

8.第二主控中继机      9.第四非主控中继机  10.第五非主控中继机

11.第六非主控中继机   12.第七非主控中继机 13.第八非主控中继机

14.第四地面站         15.第五地面站       16.第六地面站

17.第七地面站         18.第八地面站       19.铷原子钟

20.第一测距码生成器   21.第一接收发射设备 22.第一信号回发设备

23.第一高度计         24.第一导航解算设备 25.第一中心处理器

26.第二测距码生成器   27.第二接收发射设备 28.第二信号回发设备

29.第二高度计         30.第二导航解算设备 31.第一同步模块

32.第二中心处理器     33.第一普通原子钟   34.第三测距码生成器

35.第三接收发射设备   36.第三信号回发设备 37.第二同步模块

38.第三中心处理器     39.第二普通原子钟   40.第四接收发射设备

41.第四信号回发设备   42.第四中心处理器

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行说明。

为方便描述临时陆基导航系统组成和结构，在本发明中Z值取二，M值取八，N值取八。实际布设系统时，根据需求的变化可以扩大和缩小系统的规模。如附图1所示，为本发明中构建临时陆基导航系统示意图，系统由第一主控中继机0、第二主控中继机8、第一非主控中继机1、第二非主控中继机2、第三非主控中继机3、第四非主控中继机9、第五非主控中继机10、第六非主控中继机11、第七非主控中继机12、第八非主控中继机13、第一地面站4、第二地面站5、第三地面站6、第四地面站14、第五地面站15、第六地面站16、第七地面站17、第八地面站18，以及用户7组成。其中：

假定在布设临时陆基导航系统时，第一主控中继机0视距范围内的中继机包括第一非主控中继机1、第二非主控中继机2、第三非主控中继机3和第四非主控中继机9，第二主控中继机8视距范围内的中继机包括第三非主控中继机3、第五非主控中继机10、第六非主控中继机11、第七非主控中继机12和第八非主控中继机13；第一主控中继机0和第一非主控中继机1视距范围内的地面站包括第一地面站4、第二地面站5和第三地面站6；用户7处于第一主控中继机0、第一非主控中继机1、第二非主控中继机2、第三非主控中继机3、第八非主控中继机13的视距范围内；

第一主控中继机0、第二主控中继机8包含主控中继机临时陆基导航模块，该主控中继机临时陆基导航模块包括高精度的铷原子钟19、第一测距码生成器20、第一接收发射设备21、第一信号回发设备22、第一高度计23、第一导航解算设备24和第一中心处理器25，如附图2所示。具体信号流程，以第一主控中继机0上的主控中继机临时陆基导航模块为例：第一铷原子钟19作为整个模块的时间基准；第一测距码生成器20产生测距信号；第一接收发射设备21用于接收来自第一非主控中继机1、第二非主控中继机2、第三非主控中继机3、第四非主控中继机9、第一地面站4、第二地面站5、第三地面站6和用户7的信号，并且发射第一主控中继机0上来自第一导航解算设备24和第一测距码生成器20的信号；第一信号回发设备22用于回发来自第一非主控中继机1、第二非主控中继机2、第三非主控中继机3、第四非主控中继机9和第一地面站4、第二地面站5、第三地面站6的信号；第一高度计23用于计算第一主控中继机0至地面的绝对高度；第一导航解算设备24用于解算第一主控中继机0和用户7的位置信息；第一中心处理器25用于控制整个主控中继机临时陆基导航模块的信号流程。

第一非主控中继机1、第二非主控中继机2、第三非主控中继机3、第四非主控中继机9、第五非主控中继机10、第六非主控中继机11、第七非主控中继机12、第八非主控中继机13上的非主控中继机临时陆基导航模块，包括第二测距码生成器26、第二接收发射设备27、第二信号回发设备28、第二高度计29、第二导航解算设备30、第一同步模块31、第二中心处理器32，第一普通原子钟33，如附图3所示。具体信号流程，以第一非主控中继机1上的非主控中继机临时陆基导航模块为例：第二测距码生成器26产生测距信号；第二接收发射设备27用于接收来自第一主控中继机0、第一地面站4、第二地面站5、第三地面站6和用户7的信号，并发射第一非主控中继机1上来自第二导航解算设备30和第二测距码生成器26的信号；第二信号回发设备28用于回发来自第一地面站4、第二地面站5、第三地面站6的信号；第二高度计29用于计算本机至地面的绝对高度；第二导航解算设备30用于解算本机的位置信息和计算本机至用户7的距离信息；第一同步模块31用于修正本机的时钟信息，以保持与第一主控中继机0的时钟同步；第二中心处理器32用于控制本机上的整个非主控中继机临时陆基导航模块的信号流程；第一普通原子钟33本身不能提供高精度的时间基准，在第一同步模块31的配合下，提供与第一主控中继机0同步的高精度时间信息。

第一地面站4、第二地面站5、第三地面站6、第四地面站14、第五地面站15、第六地面站16、第七地面站17、第八地面站18上的地面站临时陆基导航模块包括第三测距码生成器34、第三接收发射设备35、第三信号回发设备36、第二同步模块37，第三中心处理器38，第二普通原子钟39，如附图4所示。具体信号流程，以第一地面站4上的地面站临时陆基导航模块为例：第三测距码生成器34产生测距信号，并发送给第三接收发射设备35；第三接收发射设备35用于接收第一主控中继机0和第一非主控中继机1、第二非主控中继机2、第三非主控中继机3回发的测距信号，并用于发送第一地面站4的位置信息和来自第三测距码生成器34的测距信息；第三信号回发设备36用于回发来自第一主控中继机0和第一非主控中继机1的测距信号；第二同步模块37用于修正本地面站的时钟信息，以保持与第一主控中继机0的时钟同步；第三中心处理器38用于控制本地面站临时陆基导航模块的信号流程；第二普通原子钟39本身提供普通精度的时间基准，在第二同步模块37的配合下，提供与第一主控中继机0同步的高精度时间信息。

用户7上的用户临时陆基导航模块包括第四接收发射设备40、第四信号回发设备41、第四中心处理器42，如附图5所示。具体信号流程，以用户7上的用户临时陆基导航模块为例：第四接收发射设备40用于接收第一主控中继机0发送的用户位置信息；第四信号回发设备41用于回发第一主控中继机0和第一非主控中继机1、第二非主控中继机2、第三非主控中继机3、第四非主控中继机9发送的测距信号；第四中心处理器42用于控制本机上的整个用户临时陆基导航模块的信号流程。

如附图6所示，本发明临时陆基导航方法实现对用户导航定位具体步骤如下：

步骤(a)构建临时陆基导航系统，系统由第一主控中继机0、第二主控中继机8、第一非主控中继机1、第二非主控中继机2、第三非主控中继机3、第四非主控中继机9、第五非主控中继机10、第六非主控中继机11、第七非主控中继机12、第八非主控中继机13、第一地面站4、第二地面站5、第三地面站6、第四地面站14、第五地面站15、第六地面站16、第七地面站17、第八地面站18以及用户7组成。

步骤(b)建立时钟同步：

(b1)非主控中继机发送测距信号至主控中继机：

第一非主控中继机1、第二非主控中继机2、第三非主控中继机3、第四非主控中继机9以设定的频率发射测距信号至第一主控中继机0，第五非主控中继机10、第六非主控中继机11、第七非主控中继机12和第八非主控中继机13以设定的频率发射测距信号至第二主控中继机8；

(b2)非主控中继机获得时钟同步：

以第一非主控中继机1为例，非主控中继机的时钟同步过程如下：

第一主控中继机0接收第一非主控中继机1的测距信号后，将自身的回发时间和硬件延迟信息编码后调制在信号上并回发，第一非主控中继机1接收并经过解算得出精准时间后将自身时钟校正；解算方法：设第一非主控中继机1发射信号时刻为t₁，第一主控中继机0硬件延迟为t_d，回发时刻为t_z，对流层大气传播延迟、中继机与地球间的相对运动等修正模型等效时间为t_g，第一主控中继机0至第一非主控中继机1的单程传播时间为t_c，第一非主控中继机1接收时刻为t₂，在非主控中继机端，可知t_z＝t₁+t_d+t_g+t_c，而 $t_c=\frac{t_2-t_1-t_d-2t_g}{2},$ 利用这两个式子便可以校正第一非主控中继机1的时间基准，经过校准后的第一非主控中继机1时钟可以认为是与基准时钟一致的；同理，第二非主控中继机2、第三非主控中继机3、第四非主控中继机9也按此步骤实现时间同步；而第五非主控中继机10、第六非主控中继机11、第七非主控中继机12和第八非主控中继机13在与第二主控中继机9的信息交互过程中实现同步，同步过程如同第一非主控中继机1的同步过程；

(b3)中继机向地面站发送测距信号：

实现同步后的中继机开始向地面广播时钟已同步的消息；

(b4)地面站获得时钟同步：

地面站在接收到时钟已同步消息后，发送测距码至发送时钟同步消息的中继机，该中继机接收后将自身的回发时间和硬件延迟信息编码后调制在信号上并发送至地面，地面站选择接收一个信号并解算此信号得出精准时间，校准自身时钟，解算原理同步骤(b2)；

整个系统完成时钟同步。

步骤(c)中继机定位：

地面站的位置已知，以第一非主控中继机1为例，实现中继机定位过程的步骤如下：

(c1)中继机接收两个地面站发送的位置信息：

第一非主控中继机1接收第一地面站4、第二地面站5发送的地面站位置信息；

(c2)中继机计算与两个地面站的距离：

第一非主控中继机1向第一地面站4、第二地面站5、第三地面站6发送测距信息，三个地面站接收测距信息后调制上自身硬件延迟并回发，第一非主控中继机仅利用第一地面站4、第二地面站5的回发信息，而第三地面站6的回发信息作为备份，仅在无法接收到第一地面站4或第二地面站5的回发信息时才参与运算。假定第一非主控中继机1发射测距码，时刻为t₁，第一地面站4接收后调制上自身硬件延迟t_d4，第二地面站5接收后调制上自身硬件延迟t_d5，回发至第一非主控中继机1，第一非主控中继机1接收第一地面站4回发信号的时刻为t₄₁，接收第二地面站5回发信号的时刻为t₅₁，设信号从第一非主控中继机1至第一地面站4的传播时间为t_c14，大气延迟、地球自转等因素影响的等效时间为t_g1。求解得 $t_{c14}=\frac{t_{41}-t_1-2t_{g1}-t_{d4}}{2},$ 第一非主控中继机1至第一地面站4的距离为ct_c14，设信号从第一非主控中继机1至第二地面站5的传播时间为t_c15，大气延迟、地球自转等因素影响的等效时间为t_g2，求解得 $t_{c15}=\frac{t_{51}-t_1-2t_{g2}-t_{d5}}{2},$ 第一非主控中继机1至第二地面站5的距离为ct_c15；

(c3)中继机通过高度计计算出距地面绝对高度：

第一非主控中继机1利用第一高度计23测出距地面绝对高度h；

(c4)中继机利用迭代算法计算出自身位置信息：

如果已知第一非主控中继机1的坐标，即可得到第一非主控中继机1的经、纬度B、L，在高程数据库的支持下，可以根据经、纬度B、L读取该点高程和地心距，地心矢径是该点高程和地心距之和，距地面绝对高度与地心矢径之和就是第一非主控中继机1距地心距离S3，但在定位解算中，已知第一地面站4、第二地面站5的坐标，而通过观测只能得到第一非主控中继机1到第一地面站4、第二地面站5的距离S1、S2，只有已知第一非主控中继机1距地心距离S3时才可解得第一非主控中继机1坐标，问题归结为已知第一非主控中继机1距地心距离S3才能解算坐标，而求第一非主控中继机1距地心距离时又需已知坐标，对于这样的问题我们采用迭代解法，如附图7所示，在空间直角坐标系下，根据第一非主控中继机1的大概位置设定一个初始地心距r₀和近似高程H0，得到一个初始地心矢径，初始地心矢径加上第一非主控中继机1测得的距地面绝对高度h从而得到第一非主控中继机1距地心距离S3，结合已知量S1、S2、第一地面站4的坐标、第二地面站5的坐标，解算第一非主控中继机1的坐标(x，y，z)，将此坐标转换成大地坐标系下的坐标(B，L，H)；这样的位置显然是不精确的，再以此位置在高程数据库中查取对应的高程和地心矢径，从而得出比前一次更精确的位置，如此迭代，直到所解的位置与前一次位置解的差值小于所设定的一个值ε，如ε取导航精度的三分之一。

同理，第一主控中继机0、第二主控中继机8、第二非主控中继机2、第三非主控中继机3、第四非主控中继机9、第五非主控中继机10、第六非主控中继机11、第七非主控中继机12和第八非主控中继机13均可得到自己的位置。

在中继机位置确定后，用户7视距范围内的各架中继机，包括第一主控中继机0、第一非主控中继机1、第二非主控中继机2、第三非主控中继机3、第八非主控中继机13，开始向用户7发送测距码。用户接收后调制上自身硬件延迟回发至中继机，该中继机对数据进行处理，得出至用户7的距离。各非主控中继机，包括第一非主控中继机1、第二非主控中继机2、第三非主控中继机3、第八非主控中继机13，将各自测得的与用户7距离信息进行编码，发送给第一主控中继机0。第一主控中继机0汇集各非主控中继机发送过来的距离信息，解调后对用户7进行定位解算。得出解算结果后发送给用户。在此过程之前，用户7需要通过系统识别，被授予一个固定的识别码。

步骤(d)用户定位：

以用户7为例，具体定位步骤如下：

(d1)中继机向用户发送测距码：

用户7视距范围内的各架中继机，包括第一主控中继机0、第一非主控中继机1、第二非主控中继机2、第三非主控中继机3、第八非主控中继机13，开始向用户7发送测距码；

(d2)中继机计算与用户的距离：

用户7接收信号后，调制上自身硬件延迟t_d，并回发此信号至发送信号的中继机。中继机接收后，根据信号往返时间差t_Δ和大气延迟、地球自转等因素影响造成的等效时间t_g，中继机至第用户7的单程传播时间为t_cs，得出中继机至用户7的距离为ct_cs，其中 $t_{\mathrm{cs}}=\frac{t_{\mathrm{\Δ}}-2t_g-t_d}{2}.$

(d3)非主控中继机发送信息至主控中继机：

第一非主控中继机1、第二非主控中继机2、第三非主控中继机3、第四非主控中继机9将各自得到的ct_cs和自身的位置信息发送至第一主控中继机0；

(d4)主控中继机计算用户的位置并发送给用户：

第一主控中继机0接收第一非主控中继机1、第二非主控中继机2、第三非主控中继机3、第四非主控中继机9发送过来的数据，解调后对用户7进行定位解算；由于解算过程只需要三架非主控中继机的数据，在这里我们将第四非主控中继机9的数据作为备份，只有在第一主控中继机0无法接收第一非主控中继机1、第二非主控中继机2、第三非主控中继机3当中某一架发送的数据时，参与运算；

设第一非主控中继机1至用户7的距离s17＝ct_cs1，第二非主控中继机2至用户7的距离s27＝ct_cs2，第三非主控中继机3至用户7的距离s37＝ct_cs3，第一主控中继机0至用户7的距离s47＝ct_cs4，采用空间直角坐标系，用户7的位置为(x0，y0，z0)，设第一非主控中继机1、第二非主控中继机2、第三非主控中继机3的坐标分别为(x1，y1，z1)，(x2，y2，z2)，(x3，y3，z3)，第一主控中继机0的位置(x4，y4，z4)，考虑到原子钟钟差、对流层实时传输误差等因素的影响，并将这些误差等效为一个时间误差Δt_u

由空间两点间的距离公式可得

$s17=\sqrt{{(x0-x1)}^2+{(y0-y1)}^2+{(z0-z1)}^2}+\mathrm{c\Δ}{t}_u---\left(1\right)$

$s27=\sqrt{{(x0-x2)}^2+{(y0-y2)}^2+{(z0-z2)}^2}+\mathrm{c\Δ}{t}_u---\left(2\right)$

$s37=\sqrt{{(x0-x3)}^2+{(y0-y3)}^2+{(z0-z3)}^2}+\mathrm{c\Δ}{t}_u---\left(3\right)$

$s47=\sqrt{{(x0-x4)}^2+{(y0-y4)}^2+{(z0-z4)}^2}+\mathrm{c\Δ}{t}_u---\left(4\right)$

将以上方程组线性化并采用迭代算法即可确定用户7坐标(x0，y0，z0)。

Claims (5)

1.一种临时陆基导航系统，该系统由Z架主控中继机、M架非主控中继机、N个地面站及用户组成，其中M大于等于三，N大于等于二，Z大于等于一，Z为M的四分之一，不能整除时向上取整；其特征在于：

中继机，包括Z架主控中继机、M架非主控中继机，均位于平流层及平流层以下的空中，相邻的中继机彼此之间处于视距范围内；Z架主控中继机，是临时陆基导航系统的核心：为整个临时陆基导航系统提供时间基准，解算用户的位置；

M架非主控中继机，配合主控中继机实现对用户的定位：测量视距范围内的用户至非主控中继机的距离，并将此距离信息和非主控中继机位置信息编码发送至最近主控中继机；

N个地面站，置于中继机下方平坦区域，且彼此间隔一定距离D，根据中继机高度的不同，D的范围取几千米至几千千米；N个地面站的位置已知，中继机利用N个地面站的位置信息实现定位；

所述的Z架主控中继机包含主控中继机临时陆基导航模块，该主控中继机临时陆基导航模块包括高精度的铷原子钟(19)、第一测距码生成器(20)、第一接收发射设备(21)、第一信号回发设备(22)、第一高度计(23)、第一导航解算设备(24)和第一中心处理器(25)；

铷原子钟(19)作为整个主控中继机临时陆基导航模块的时间基准；第一测距码生成器(20)产生测距信号；第一接收发射设备(21)接收视距范围内的非主控中继机、地面站和用户的信号，并且发射主控中继机上来自第一导航解算设备(24)和第一测距码生成器(20)的信号；第一信号回发设备(22)回发来自视距范围内的非主控中继机和地面站的信号；第一高度计(23)计算主控中继机至地面的绝对高度；第一导航解算设备(24)解算主控中继机和用户的位置信息；第一中心处理器(25)控制整个主控中继机临时陆基导航模块的信号流程；

所述的M架非主控中继机均包含非主控中继机临时陆基导航模块，该非主控中继机临时陆基导航模块包括第二测距码生成器(26)、第二接收发射设备(27)、第二信号回发设备(28)、第二高度计(29)、第二导航解算设备(30)、第一同步模块(31)、第二中心处理器(32)、第一普通原子钟(33)；

第二测距码生成器(26)产生测距信号；第二接收发射设备(27)接收来自视距范围内的主控中继机、地面站和用户的信号，并发射非主控中继机上来自第二导航解算设备(30)和第二测距码生成器(26)的信号；第二信号回发设备(28)回发来自视距范围内的地面站的信号；第二高度计(29)计算非主控中继机至地面的绝对高度；第二导航解算设备(30)解算非主控中继机的位置信息和计算非主控中继机至用户的距离信息；第一同步模块(31)修正非主控中继机的时钟信息；第二中心处理器(32)控制非主控中继机上的整个非主控中继机临时陆基导航模块的信号流程；第一普通原子钟(33)本身不提供高精度的时间基准，在第一同步模块(31)的配合下，提供与视距范围内的主控中继机同步的高精度时间信息；

所述的N个地面站均包含地面站临时陆基导航模块，该地面站临时陆基导航模块包括，第三测距码生成器(34)、第三接收发射设备(35)、第三信号回发设备(36)、第二同步模块(37)，第三中心处理器(38)、第二普通原子钟(39)；

第三测距码生成器(34)产生测距信号，并发送给第三接收发送设备(35)；第三接收发射设备(35)接收视距范围内的主控中继机或非主控中继机回发的测距信号，并向空中发送本地面站的位置信息和来自第三测距码生成器(34)的测距信息；第三信号回发设备(36)回发来自主控中继机或和非主控中继机的测距信号；第二同步模块(37)修正本地面站的时钟信息；第三中心处理器(38)用于控制本地面站临时陆基导航模块的信号流程；第二普通原子钟(39)本身不提供高精度的时间基准，在第二同步模块(37)的配合下，提供与主控中继机视距范围内同步的高精度时间信息；

所述的用户包含用户临时陆基导航模块，该用户临时陆基导航模块包括第四接收发射设备(40)、第四信号回发设备(41)、第四中心处理器(42)；

第四接收发射设备(40)接收视距范围内主控中继机发送的用户位置信息；第四信号回发设备(41)接收视距范围内中继机发送的测距信号，在该测距信号上调制自身硬件延迟，然后回发；第四中心处理器(42)控制本机上的整个临时陆基导航模块的信号流程。

2.一种临时陆基导航方法，该方法包括：

步骤(a)构建临时陆基导航系统：

包括Z架主控中继机、M架非主控中继机、N个地面站以及用户，其中M大于等于三，N大于等于二，Z大于等于一，Z为M的四分之一，不能整除时向上取整；

其特征在于，该方法还包括：

步骤(b)建立时钟同步：

所有主控中继机装载的高精度时钟是时钟同步的；按照主控中继机和非主控中继机数量为一比四的关系，保证每架非主控中继机视距范围内都有一架主控中继机，所有非主控中继机通过和主控中继机交换信息实现时钟同步；地面站通过和中继机交换信息实现时钟同步；

步骤(c)中继机定位：

各地面站向空中的中继机广播自己的位置信息，所述中继机包括所有主控中继机和非主控中继机；每架中继机向视距范围内距离最近的三个地面站发送测距码，通过信号往返时间差得出与地面站的距离；中继机通过自带的高度计计算出距地面绝对高度，利用迭代算法从而得到中继机的位置信息；

步骤(d)用户定位：

用户视距范围内的所有中继机均向用户发送测距码，用户接收后将自身硬件延迟信息调制于信号上并回发，中继机接收此回发信号并根据时间差得出至用户的距离；非主控中继机将非主控中继机至用户距离信息和自身位置信息汇总至主控中继机，主控中继机汇总信息进行解算，得出用户的位置信息，发送给用户。

3.根据权利要求2所述的一种临时陆基导航方法，其特征在于，所述步骤(b)中包括如下步骤：

(b1)非主控中继机发送测距信号到主控中继机：

非主控中继机以设定的频率发射测距信号至视距范围内的主控中继机，主控中继机接收后将自身的回发时间和硬件延迟信息调制在信号上并回发至非主控中继机；

(b2)非主控中继机获得时钟同步：

非主控中继机接收主控中继机的回发信号后经过解算得出精准时间，将自身时钟校正，经过校准后的非主控中继机时钟与基准时间一致；

(b3)中继机向地面站发送测距信号：

各主控和非主控中继机向地面站广播中继机时钟已同步的信息，地面站接收到某架中继机的信息后发射测距信号到该中继机；

(b4)地面站获得时钟同步：

收到地面站测距信号的中继机将自身的回发时间和硬件延迟信息调制在测距信号上并回发至地面站，地面站接收并解算此信号得出精准时间，校准自身时钟。

4.根据权利要求2所述的一种临时陆基导航方法，其特征在于，所述步骤(c)中包括如下步骤：

(c1)中继机接收两个地面站发送的位置信息：

地面站向空中广播自己的位置信息，空中的中继机接收地面站的位置信息，并选择两个最先到达的地面站位置信息参与运算；

(c2)中继机计算与两个地面站的距离：

中继机向距离最近的三个地面站发送微波测距信号，地面站接收后调制上自身硬件延迟并回发，中继机选择接收两个最先到达的信号并计算往返时间差，得到距两个地面站的距离；

(c3)中继机通过高度计计算出到地面绝对高度；

(c4)中继机利用迭代算法计算出自身位置信息。

5.根据权利要求2所述的一种临时陆基导航方法，其特征在于，所述步骤(d)中包括如下步骤：

(d1)中继机向用户发送测距码：

用户视距范围内有多架中继机，包括至少一架主控中继机，它们均向用户发送测距码；用户接收来自中继机的测距信号，包括一架主控中继机的测距信号，调制上用户自身硬件延迟后并回发信号至中继机；

(d2)中继机计算与用户的距离：

中继机接收到用户回发的信号，计算出与用户之间的距离；

(d3)非主控中继机发送信息至主控中继机：

所有非主控中继机将非主控中继机距用户距离信息和自身位置信息发送至视距范围内的主控中继机，该主控中继机也就是(d1)中向用户发送测距信号的主控中继机；

(d4)主控中继机计算用户的位置并发送给用户：

主控中继机汇总所有中继机的位置信息和所有中继机与用户的距离信息，计算出用户位置，并发给用户。

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