CN101458322B - 局域定位系统及其定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种局域定位系统。该系统在同一发射定位台的同一垂直地面的轴线上装设的一部广播天线和一部雷达天线，广播天线和雷达天线在发射时使用同一频率；或者在预定距离的(A)、(B)两点分别设立两个不同频率的发射定位台，两定位台天线架上的扫描天线均按顺时针方向旋转。本发明是在地面上解决地面目标的定位技术，适用于几十至一千公里内的局域范围，具有精度高、设备易于制造和成本较低的特点。

Description

局域定位系统及其定位方法

技术领域

本发明涉及一种基于无线电定位技术实现的局域定位系统，同时也涉及该局域定位系统实现定位的方法，属于无线电定位技术领域。 

背景技术

二十多年来，美国GPS推广普及，方便了军民使用，带来了巨大的经济利益。在车船定位、导航、电子地图、事故救助、工程施工、灾害预防等方面应用极为广泛。随后诞生的还有俄罗斯GLONASS、欧盟伽利略以及中国北斗卫星定位系统。但GPS在推广使用中发现存在许多不足之处，现简略分析说明。 

1.GPS属于测距定位(实质为测时定位。时间同步后，按四颗卫星的信号传到被测点的时间差分别乘以光速，然后计算被测点的立体三维坐标)，要求精确计时。一般的接收设备，特别是车载或手持设备计时精度不够，所以测距精度较差，现为5-50米。在车载导航仪中，有时汽车在马路上行驶，图标却显示在40米外居民区处，这样的精度，分不清是在马路哪边、小河哪边、或者院里院外。目前的GPS有信号中断2。5-2。8分钟的停顿问题。这是因为卫星布局不合理引起的。GPS卫星为六轨道，每轨道四颗，造成前面卫星已落后面卫星还未升起，引起信号中断。第三代GPS将改为三轨道，每轨道10颗卫星，以与伽利略系统兼容，消除信号中断，并提高精度至4-40米。 

2.GPS使用频率为分米波，波长16-27cm，频率1100-1900MHz，属于直射波，但不易穿透云雾。穿透云雾效果较好的是厘米波段，波长3cm-10cm，频率1G-3000MHz，故GPS因频率问题和精度问题不能用来为汽车、轮船全天候导航，特别是不能解决飞机起降的全天候导航问题。 

3.GPS信号直射时方能定位。在卫星位置处于斜射状态时，信号易为障碍物、建筑物遮挡。故在城市电子地图使用中，室内收不到信号，无法定位。有时在楼群及高墙下也无信号。 

4.易受干扰。由于定位卫星运行的轨道距地面21000-23000公里，信号强度较低，易受干扰。4w的干扰器对GPS干扰范围达200公里。 

5.GPS全球定位系统反应速度较低，标称0。25米/秒，难以精确测定高速运动物体的即时速度。 

6.卫星定位系统技术复杂程度高。美国GPS经过20多年尚未完善，俄罗斯20多年未完成组网，欧洲伽利略至今未发射正式定位卫星。 

7.GPS系统耗资巨大，成本较高。 

综上所述，由于卫星定位系统存在诸多不足之处，引发创立局域定位系统的研究。 

发明内容

本发明的首要目的在于提供一种局域定位系统。该局域定位系统基于无线电定位技术实现，是卫星定位系统的有力补充。 

本发明的另外一个目的在于提供一种上述局域定位系统实现局域定位的具体方法。 

为实现上述的发明目的，本发明采用下述的技术方案： 

一种局域定位系统，其特征在于： 

所述局域定位系统包括在同一定位台的同一垂直地面的轴线上装设的一部广播天线和一部雷达天线； 

所述广播天线和雷达天线在发射时使用同一频率。 

所述广播天线由雷达天线替代，在此情况下，两部雷达天线的转速不同。 

所述雷达天线为水平旋转聚焦扫描天线，所述广播天线为固定式广播散射天线。 

一种局域定位系统，其特征在于：     

所述局域定位系统中，在预定距离的(A)、(B)两点分别设立两个不同频率的定位台，两定位台天线架上的扫描天线均按顺时针方向旋转。 

所述局域定位系统还包括接收器，所述接收器由天线、高放电路、检波电路、分离电路、脉冲开关计数器、显示屏、电子地图、经纬度计算电路组成，其中，天线接收上述两个定位台天线所发来的信号，将其分离后分别进入两组高放电路、检波电路、分离电路进行处理直至分解成正尖脉冲和负尖脉冲，所述正尖脉冲和负尖脉冲分别进入正脉冲开关计数器和负脉冲开关计数器进行处理，计算出相对角度。所述电子地图提供两个定位台的距离以及当地(A台)的经纬度参数，通过经纬度计算电路计算出待测点的经纬度，并在显示屏上进行显示。 

所述局域定位系统还包括备用台，所述备用台安排在两个定位台同一直线上并在两个定位台外侧对称位置。 

一种局域定位方法，基于上述的局域定位系统实现，其特征在于基于如下公式计算待测点的坐标： 

本发明所提供的局域定位系统及其定位方法，对于GPS，是在地面上解决地面目标的定位技术，适用于几十至一千公里内的局域范围，具有精度高、设备易于制造和成本较低的特点。 

当采用右旋系定位方式时，最高精度线是一条以(A)、(B)的中点为中心，以AB/2为半径的圆弧。 

当采用对旋系定位方式时，最高精度线是一条垂直且平分AB的直线。 

本发明所提供的局域定位系统及其定位方法相对于GPS，是在地面上解决地面目标的定位技术，适用于几十至一千公里内的局域范围，具有精度高、设备易于制造和成本较低的特点。 

附图说明

图1为双天线发射的示意图； 

图2为广播散射天线与雷达天线在0至90内发射信号示意图； 

图3为A站两天线在0°至90°内的发射情况； 

图4为双雷达天线发射信号示意图； 

图5为ΔABM中，已知：c，α，β，求M点的坐标(x，y)的示意图； 

图6为ΔABM中，已知：AB＝c，∠A＝90°-α，∠B＝β， 

求解：M点的坐标(x，y)的示意图； 

图7为接收器的完整结构示意图； 

图8为局域定位系统的标准定位范围计算图； 

图9为单个雷达天线不同转数扫描情况及相邻转数天线扫描90°的最大取样时间示意图； 

图10为右旋系最高精度线的示意图； 

图11为对旋系最高精度线的示意图； 

图12为备用台设置位置示意图； 

图13为视距点(切点)的确定，直射区和绕射区的划分示意图； 

图14为发射平台高度与视距关系计算图 

图15为绕射波传播中在地球表面产生误差示意图。 

具体实施方式

本发明所提供的局域定位系统是基于无线电领域内的无线电定位技术，在地面上解决测定待测区内各点的坐标的技术。该系统所采用的定位方法是利用已知角边角条件解三角形而计算该三角形顶点坐标的方法，故局域定位系统是测角定位技术；同时，因需预知边长的长度，从而限定了待测区的范围，故称为局域定位系统。 

局域定位系统使用测角定位法，首先需要快速精确测定待测点的两个方位角。为此，本发明首创对该待测点二次扫描，精确测定该点方位角的方法。采用缩短二次扫描时间间隔的办法提高系统对高速运动物体的速度变化反应能力，能精确测定3马赫/每秒的速度。 

在实践中，局域定位系统受无线电波传播规律的影响，和受地球曲率的限制，故在使用中分为1.X、C、S波段直射区，即视距传播区。主要应用于50公里内的车辆、舰艇及飞机起降的全天候导航；2.V波段(直射区加绕射区)，主要用于小范围定位(100公里内)和远距离定位(100公里外)。 

下面，首先介绍本局域定位系统实现局域定位的关键方法之一-双天线同频同弧测角法。 

参见图1所示，在局域定位的原点(以下简称A点)设置一个天线架，在此天线架垂直地面的同一轴线上装设两部天线，一部为固定式广播散射天线；一部为水平旋转聚焦扫描雷达天线，按顺时针方向旋转。这种型式，称为广播天线+雷达天线发射型式。 

参见图2所示，当雷达天线转至0°方向时，两部天线同时用相同载波频率发射一个起始信号。此后，扫描天线在5°-85°范围内连续发射载波信号，散射天线不发射信号。当雷达天线转至90°方向时，两部天线又同时发射一个终止信号。 

信号接收器装有微型定频天线，接收A站发出的载波信号(见图3)。只有在0°方向(D点在0°线上)，接收器才能同时接受A站两部天线同时发出的起始信号。图中圆弧都是以A点(A站)为圆心的同心圆弧。根据无线电波传播速度为一恒定值(V＝299792458米/秒)，在D点、M点以及DM弧上任何一点，接收器均能在同一时刻T_D 收到散射天线发出的起始信号。 

这样，在M点，先是在T_D时刻收到散射天线发出的起始信号，再经过时间T，即在T_M时刻收到雷达天线发出的扫描信号，则 

T＝T_M-T_D

上式说明，采用双天线、同频、同弧的方式，为确定M点的方位，找到了一个起始时刻T_D和一个被扫描时刻T_M，并且已知扫描波从D点扫描到M点所用的时间为T。根据雷达天线的扫描周期，计算出扫描1°的时间为t，那么，T/t即为DM的度数及DM弧所对的圆心角∠A的度数： 

对于T_M、T_D的具体时间数据不需测量(经过短暂时间间隔后又会有一组新数据)，只需用代表T_D的脉冲开启计数器，用代表T_M的脉冲关闭计数器。如果计数器计得的数值为m，扫描1°所对应的时间t内脉冲数为n，则m/n便等于∠A的度数。若考虑使用脉冲的前沿计数和后沿计数，可以得到两组数据而取其平均值，这样对∠A将计算得更加精确。这个过程也完成了从模拟方式到数字方式的转换。 

在前述广播天线+雷达天线型式下，如果对雷达转速进行改变，仍能完成对M点的精确测量。这就引发考虑：如果将广播天线也改为雷达天线，两个不同转速的雷达天线扫过M点的时刻是不同的，但相互间存在着一定的关系。利用先后两次对M点的扫描，可测得M点所对应的角度。 

这样，在A站设置的天线架上，在垂直地面的同一轴线上装设A₁、A₂两部型号和功率相同、使用频率相同的雷达天线。这种型式称为双雷达天线型式。天线A₁，以1转/秒的转速扫描，只在每周第一个90°内工作；天线A₂以2倍标准转速(2转/秒)扫描，只在单周的第一个90°内工作。两天线覆盖区域相同，且同时起动，但不再发射起始信号。 

见图4，在M点，接收器先是在T_M2时刻收到天线A₂发射的信号；接着在T_M1时刻收到天线A₁发射的信号。两信号的间隔时间为T。因天线A₂转速为天线A₁的2倍，所以： 

T＝T_M1-T_M2   T_M1＝2T_M2  T_M1＝2T＝2(T_M1-T_M2) 

对于T、T_M1、T_M2等具体时间数据不需测量，只需用代表T_M2的脉冲开启计数器，用代表T_M1的脉冲关闭计数器。所得数值除以计数器设计的1°内包含的脉冲数，再乘以2，即得到M点所对应的∠A的度数。 

综上所述，在选定地点建立发射定位台，在垂直于地面的同一轴线上，按上下位置装设两部天线，两部天线使用同一频率工作，只是转速不同。按同弧的原理，可以测得待测区内各点的方位角。这种以同一轴线上两天线、以同频、同弧的方式对被测点进行二次扫描来测定该点的方位角的方法，本发明人将其命名为双天线同频同弧测角法(也称二次扫描测角法)。其中，广播天线+雷达天线型式和双雷达天线型式，都符合双天线同频同弧测角法的要求和特征，并且可以认为，前者是后者的特殊型式。 

从两种型式的比较中，可以看出广播天线+雷达天线型式，只具有精确测定固定物体的功能，且广播天线要比雷达天线耗能较高，因此不易做到二者功率匹配及传播距离上的一致。双雷达天线型式具有两天线容易做到功率匹配、信号传播距离匹配、制造安装方便的优点。同时，双雷达天线型式还具有快速准确测定高速运动物体瞬时位置的功能。 

下面继续介绍本局域定位系统实现局域定位的关键方法之一——定距双台双频测双角定位法。 

从平面几何及三角函数教科书中可知，对一个三角形，知道它的一条边和夹着这条边的两个角(a·s·a)即可解这个三角形。 

如图5，在ΔABM中，已知：AB＝c，∠MAB＝α，∠MBA＝β，由M点向AB做垂线，垂足为N，则有 

$Y=\frac{c}{\cot \mathrm{\α}+\cot \mathrm{\β}}=\mathrm{MN}$

$X=Y\·\frac{c\·\cot \mathrm{\α}}{\cot \mathrm{\α}+\cot \mathrm{\β}}=\mathrm{AN}$

如果在直角坐标系中，A点为坐标原点，AB在X轴上，Y轴过A点且垂直于AB，则M点的坐标为 

$\left\{\begin{array}{c}X=\frac{c\·\cot \mathrm{\α}}{\cot \mathrm{\α}+\cot \mathrm{\β}}\\ Y=\frac{c}{\cot \mathrm{\α}+\cot \mathrm{\β}}\end{array}\right.$

依据双天线同频同弧测角法，在距离为c^KM的A、B两点，设立两个不同频率的定位台，两定位台的天线架上的扫描天线均按顺时针方向旋转。如图6所示。接收器装设有可同时接收A、B两台的双频天线及相应的双通道计算装置。在M点分别测得∠A＝90-α，∠B＝β，由图5中可知，∠A和α互为余角；∠B＝β，β和(90-∠B)互为余角，则cot α＝tan ∠A，cot β＝tan(90-∠β)，所以，M点坐标可化为： 

上述公式就是定距双台双频测双角定位法的核心公式。 

为达到较高精度，对A、B两定位台轴线间距离c应进行激光测距。至此。M点坐标得到精确测定。 

图6显示了本局域定位系统的接收器硬件结构图。如图6所示，该接收器由天线、高放电路、检波电路、分离电路、脉冲开关计数器、显示屏、电子地图、经纬度计算电路等部分组成。其中，天线接收上述两个定位台天线所发来的定位信号F_A和F_B，将其分离后分别进入两组高放电路、检波电路、分离电路进行处理，直至分解成正尖脉冲和负尖脉冲。然后，该正尖脉冲和负尖脉冲分别进入正脉冲开关计数器和负脉冲开关计数器进行处理，通过上述的公式计算出相对距离。电子地图负责提供当地两定位台的距离c以及当地A定位台的经纬度参数。将电子地图输出的经纬度参数和相对距离进行叠加，即可通过经纬度计算电路计算出待测点的经纬度参数，并在显示屏上进行显示。 

下面具体介绍在使用本局域定位系统时，确定定位范围的具体计算方法。具体而言，计算A、B两台距离及计算天线发射功率和定位范围最远处的场强，必须制作局域定位系统标准定位范围计算图，参见图7。具体的计算过程如下： 

(1)选定定位中心O点； 

(2)以O点为中心，作边长为a^km的正方形□GEFH； 

(3)作对角线HE、GF，并延长； 

(4)从G点作射线使与GE成5°角，并交HE延长线于A点(A台位置)； 

(5)从H点作射线使与HF成5°角，并交GF延长线于B点(B台位置)； 

(6)连结AB，AB＝c^km。 

标准定位范围计算图制作完成后，由图可知： 

(1)定位中心为O点； 

(2)定位矩形边长为a^km； 

(3)定位面积为a²平方公里；可据此设计电子地图范围； 

(4)两发射定位台距离为AB＝c^km＝1.191754a^km(选A、B台址用；设计电路需精测)； 

(5)AH＝1.5498a^km(设计发射天线功率、求定位范围最远处场强用)。 

下面继续讨论一些提高本局域定位系统定位精度的技术措施。 

1.缩短取样时间，使对高速运动物体的测角更精确。 

根据双天线同频同弧测角法(二次扫描定角原理)，对定位区内的静态物体可以精确测定其所处位置的角度。但是，对动态物体，特别是高速运动物体，二次扫描的时间间隔将影响所测角度的精度。这个“二次扫描的时间间隔”称为“取样时间”。运动物体的位置时刻在变化，其位置所在角度也相应变化。所以，必须尽可能缩短二次扫描的时间间隔，也就是缩短取样时间，才能使测得的角度更精确。 

每个雷达天线每秒内所扫描的第一个90°定为有效扫描范围(定位区)，其余为无效扫描区。在图8中画出了雷达天线从1转/秒到10转/秒的单独扫描前90°时的情况。并且也画出了两个相邻转数天线扫描前90°时的比较差。因为扫描有效范围最大为90°，故将两个相邻转数天线扫描前90°时的比较差称为“最大取样时间”。 

表1列出了单个雷达天线每秒n转数时，扫描90°所用的时间。 

表2列出了同一定位台两雷达天线转数比为n∶n+1时，组合雷达天线各扫描90°时的最大取样时间。 

表1 

表2 

表3列出了转数比为n∶n+1时的最大取样时间差(秒)和各种速度下的最大取样误差(米)。 

表3 

从表3可以看出，城市电子地图中，汽车限速80公里，高速公路限速130公里，应选用转数比为2∶3，精度小于1米；机场飞机起飞及降落速度为100米/秒，选用天线转数比为5∶6，精度小于1米；在运动速度3马赫时，应选用天线转速比为7∶8，精度小于5米。 

表3所列最大取样误差，是在最大取样时间下的数据。如果物体位置在60°、45°、30°、22.5°，且速度同样是100米/秒时，其取样误差将变小，如表4为所选T₄∶T₅及T₅∶T₆条件下的比较说明。 

物体所在角度	转速比为4∶5  取样时间s    取样误差M	转速比为5∶6  取样时间s   取样误差M
			90°	1/80         1.25	1/120       0.83
60°	1/120        0.83	1/180       0.55
			45°	1/160        0.625	1/240       0.42
30°	1/240        0.417	1/360       0.28
			22.5°	1/320        0.3125	1/480       0.21

表4 

2.待测区最高精度线的概念及应用 

待测区最高精度线，是指两定位台中相应天线(A₁与B₁；A₂与B₂)转动中，同一时刻扫描线交点的连线称为“最高精度线”。其中的“同一时刻”，意味着两天线应同时起步，这样，经过同一时刻，转过的角度才是相等的。因此，必须以有线、无线或者光纤的方式，传递一个同步脉冲，指挥、校正两天线的同步转动，也就是使其同步。当然，绝对同步是不可能的，需要给出一个最低的同步精度。 

在前文中，对A、B两个定位台的天线均采用顺时针方向旋转。在同一时刻两台的转速相同的两个天线(A₁与B₁；A₂与B₂)扫过的角度相等。两同速天线同一时刻的扫描线的交点连线，是一个以A、B两定位台距离中点为圆心，以A B距离c的二分之一为半径的半圆，如图10所示。这条圆弧称为右旋系待测区最高精度线。最高精度线的本意，就是对在待测区内，最高精度线上的点，测定的角度、坐标数据精度最高；反之，离这条线越远的点，测定的角度、坐标数据精度越低、误差越大。右旋系的最高精度线是一条圆弧。对于海港、大坝、大桥、城市电子地图比较合适，特别是对于静物、低速运动测位的电子地图较为合适。 

使两定位台的天线的旋转方向，A台保持右旋不变，B台天线的旋转方向改为左旋，也就是使两定位台的天线相对旋转，这种方式称为对旋系。在同一时刻，两台中转速相同的两个天线(A₁与B₁；A₂与B₂)扫过的角度相等。扫描线交点的连线，是一条垂直并平分两台连线的直线，如图11所示。对旋系最高精度线是一条向远方伸展的直线。如果把机场主降跑道中心线与这条对旋系最高精度线重合，并采用坐标变换方法，变跑道 的坐标成为x＝0，这对于飞机起降将是十分有利的。相比之下，主降跑道的精度要求是最高的。 

上述将直角坐标系内的坐标转换为右旋系或对旋系的坐标是本领域一般技术人员都能胜任的常规计算，在此就不详细说明了。 

接下来讨论定位台发生故障或遭到破坏时的应急措施。如果定位台发生故障或遭到破坏时，尤其是大型民用机场或军用机场，此时必须采用应急措施，应急预案就是建立备用台。如图12所示，备用台应建立在A B的延长线上。具体而言，应在A、B定位台停止信号发射3-5分钟后起动备用台。对于准备降落的飞机，应在通话时告知飞行员，改变飞机上接收器的有关参数。所有接收器都应在使用前进行调试，包括为备用方案设计的软硬件。 

下面讨论地球曲率对局域定位系统的影响 

众所周知，地球是南北两极稍扁、赤道略鼓的椭圆球体。地球极半径为6356.755km；赤半径为6378.137km；平均半径为6371.004km。 

通常认为曲率为360°/(6371×2π)＝8.9932×10^-3度/公里 

＝8.9932×10^-6度/米 

＝8.9932度/千公里 

电波与光波一样具有绕射(衍射)作用。高于300MHz，绕射作用较弱；定为直线传播或视距方式传播；低于这个频率，绕射作用较强，定为近似直线传播，或认为可作超视距传播。其视距点为视线与地面圆弧的″切点″，如图13所示。 

很明显，直射区部分受到发射平台高度(AA′)的影响。即视距AP(或AP′)与AA′(r)的高度有一定关系(见图14)。 

$\cos \mathrm{\α}=\frac{R}{R+r},$ $\mathrm{\α}=\arccos \frac{R}{R+r}$

$\≈A^{\′}P$

在本局域定位系统中，使用视距传播区(直射)部分的应用中，选用″全天候频段″最佳。其应用将分为两种： 

A.机场飞机起降的全天候导航。此时所用的波段，完全是与气象雷达使用的波段相同。要求对云、雾、雨雪有较强的穿透力，又要有足够的灵敏度。使用C波段，可以达到较好的效果，使用频率6000MHz-5350MHz或波长5cm-5.6cm。 

B.海港港区内船舶的全天候导航。此时所用的波段，要求有很强的抗海杂波干扰和抗雨雪等恶劣气象干扰的能力，要求具有较高的精度和较高的分辨率。具体来说，使用X频段中频率9500MHz-8820MHz或波长3.1cm-3.4cm。 

在图13中， 

所代表的是视距外的地面部分，是直射波不能照射到的(即雷达照射盲区)。但是，具有较强绕射作用的V波段电波却可对 

进行覆盖。一般以V波段中80MHz～120MHz频段范围为例。由于此频段电波是以绕射方式在具有一定曲率的地面上传播的，相比之下，它具有两个特点：一.在地面上传播最远；二.对发射平台高度无严格要求，只要前面无遮挡即可。

绕射波部分的代表性应用是局域定位系统的地面和水面电子地图。根据绕射波的特点，定位信号发射平台高度可取30米高，切点位置约在20公里处，小范围定位可使用较低的定位平台，如流动雷达车，平台高度10-15米。 

从局域定位系统的定位原理来看，是基于空间理想平面上两点间距离的计算。但在实际应用中却是计算球体(地球)表面上两点间的距离，这当然会产生误差。如图15，P点为切点，R₁为空间一点；以PR₁为半径画弧，交 

于R₂点，则PR₁＝PR₂，但 

即 

误差 

通过上式，计算得到百公里内的误差，如表5所示。 

δ(cm)	1KM	2KM	3KM	4KM	5KM	6KM	7KM	8KM	9KM	10KM
											0KM	0.0001	0.001	0.003	0.007	0.01	0.02	0.04	0.05	0.07	0.10
10KM	0.13	0.18	0.23	0.28	0.35	0.42	0.50	0.60	0.70	0.82
											20KM	0.95	1.09	1.25	1.42	1.60	1.80	2.02	2.25	2.50	2.77
30KM	3.06	3.36	3.69	4.04	4.40	4.79	5.20	5.63	6.09	6.57
											40KM	7.08	7.61	8.16	8.75	9.36	10.00	10.66	11.36	12.08	12.84
50KM	13.62	14.44	15.29	16.17	17.08	18.03	19.02	20.04	21.09	22.18
											60KM	23.31	24.47	25.68	26.92	28.21	29.52	30.88	32.29	33.73	35.22
70KM	36.75	38.33	39.95	41.61	43.32	45.08	46.88	48.73	50.63	52.58
											80KM	54.57	56.62	58.72	60.86	63.06	65.32	67.62	69.99	72.39	74.86
90KM	77.38	79.96	82.60	85.29	88.04	90.85	93.72	96.65	99.64	102.70

表5 

表6表示100～1050公里误差表单位：米 

距离	误差	距离	误差	距离	误差	距离	误差
								100	1.0269	150	3.4659	600	222.0227	650	282.3314
200	8.2158	250	16.0474	700	352.6912	750	433.8822
								300	27.7321	350	44.0440	800	526.6858	850	631.8850
400	65.7480	450	93.6249	900	750.2647	950	882.6116
								500	128.4462	550	170.9867	1000	1029.7143	1050	1192.3634

表6 

从表5和表6可以看出，百公里精度1米，150公里3.5米。显然在100公里范围内误差大约1米，可不用考虑。百公里外误差逐渐增大，可按公式进行调整。 

本发明所提供的局域定位系统主要应用在三个方面：1.电子地图，特别是城市电子地图；2.海港港区内船舶的全天候定位导航管理；3.机场飞机起降的全天候导航管理。 

1.城市电子地图 

以城市电子地图为代表。 

(1)定位范围。65^KM×65^KM，α＝65^KM  AH＝65×1.55＝100.75 

(2)频率：V波段中95-115MHz(全国统一) 

(3)天线型式：多单元组合式抛物面天线 

(4)天线平台高度30米 

(5)发射功率：以距台100^KM处接收器灵敏度-85dB计算 

(6)天线转数比：以城市限速80^KM/h为标准，选2∶3。 

(7)精度：1米 

(8)坐标系：直角坐标系，以城市子午线为Y轴，以子午线上标志点为(0，0)点。 

(9)坐标标注：按四象限标注：坐标X±XXXXX米，Y±XXXXX米 

2.港区内船舶的定位导航管理 

船舶的导航方式，已由灯塔导航、浮标导航、雷达导航进入到GPS导航。但因都是粗糙的、孤立的导航方式，不能把海况及周围环境有机地结合起来，所以不能防止搁浅、触礁、相撞、侧翻等导致海难发生。 

局域定位系统可以使进港船舶在港区内得到高精度定位、准确及时收到导航信号，依据港区精确电子地图，避免搁浅、触礁；在气象情况较差的情况下，收到港方管理部门的警示、警告，避免相撞，在海况发生变化时，提醒避免侧翻；在发生其他事故时也能得到及时救助。 

以大连新港为例。选大连新港前5公里处为中心，画出边长为17公里的正方形定位区。港前9.25公里(51海里)处为锚地，事故多发生在锚地。根据定位计算图确定A、B两点，在A、B两点建高60米的天线平台，安装天线。 

对港区约300平方公里范围制作电子地图。对230平方公里水面以图形和符号标明水深、礁石、浅滩、水上及水下障碍物及航标。航道、码头、泊位、锚地等。对60平方公里陆区地面按城市电子地图标准，以图形及符号标明建筑物、仓库、货场、道路及其他设施。 

船用大型接收设备，包括已集成化的接收机，并有显示屏显示以本港电子地图为背景的本船位置、状态。船舶一般为四天线接收，在输入本船长宽数据后，只要有两天线工作，就不影响位置、状态的显示。在电子地图上，代表本船的图形能随本船的坐标改变而相应改变地图背景，实际是相应背景反向移动。 

配合电子地图能显示航速、航向，提示最近障碍物、浅滩、礁石距离，可根据电子地图水深数据发布本船吃水深度警告。 

本船进港前，开启接收机，及其他附属电信设备，与港口管理设备自动链接，听取进港指令，并自动报告本船种类、船型、舷号、班次、本船坐标、航向、航速、吃水深度；自动接收港口管理部门发布的指令、警告、警报，运动目标接近警告及他船接近应予避让指示。 

港口管理设备包括显示港区水面的指挥管理屏幕及其附属设备。显示屏是一幅大型全景电子地图，能根据在港进港各船只发来的信息显示这些船只的位置、状态、运动情况。管理设备能发布导航指令、停驶指令、停泊锚地或泊位指令，能自动发布两船距离接近警报，向双方传递接近模拟图，提示避让。能发布天气预报、灾害警报，对在港船舶实施风、雨、雾、雪、夜全天候、全天时管理。 

3.机场飞机起降的全天候导航 

机场飞机起降的全天候导航是局域定位系统的重要应用之一。它能够解决GPS创立以来20年这个没有能解决的问题。美国弃GPS不用，转而研究使用机载微波雷达解决飞机在天气能见度极低时的″盲降″问题。美国政府发布对华禁售设备名单就包括这个微波机载雷达。局域定位系统以立面电子地图的方式，解决机场飞机起降的全天候导航。 

(1)定位范围：17^KM×17^KM a＝17^KM AH＝27.7M 

(2)频率：全天候电子地图C波段，波长5-5.6cm，频率6000MHz-5350MHz(全国统一)；附属地面电子地图(有别于城市电子地图使用频率)V波段100-120MHz(全国统一) 

(3)天线型式：双频抛物柱面多单元组合式(C、V发射单元相间) 

(4)机场定位台发射设备按对旋系设计 

(5)天线平台高度60米 

(6)发射功率：以距台30公里处场强-85dBm为准 

(7)天线转数比：5∶6，测速精度：0.83米 

(8)电子地图精度：1米 

(9)坐标系：立体直角坐标系：直角坐标系，以发射定位台A、B连线(X轴)与主降跑道中心线(Y轴)交点为坐标原点(0，0)，主降跑道上空飞机高度表所测高度(h)为H，构成三维立体坐标系。但在使用中，只使用平面坐标投影(x，y)和立面坐标投影(y，h)，由两个液晶显示屏显示坐标数据。 

(10)机场全景电子地图应包括机场附近的山峰、森林、河流及高楼、铁塔等地形、地物，对影响飞行的障碍要特别提示。 

每架飞机上都安装有精度达到1米的高度表，其所测高度数据为H，它和局域定位系统接收器所测定的X、Y数据构成三维坐标； 

在定位台A、B连线(X轴)和主降跑道中心线(Y轴)的交点为坐标原点(0，0)，Y轴的坐标为(0，Y)。从坐标原点向外看，Y轴左侧为负，Y轴右侧为正。在X Y平面上，飞机坐标的投影，将显示在平面投影液晶显示器上。飞机降落的主跑道中心线，坐标为(0，Y)，而Y与飞机高度表数据H构成一组立面投影数据，由立面投影液晶显示器显示出来。必须注意，Y、H数据永为正值。 

飞机在进入机场时，已与机场管控部门取得联系，同意进入机场空域盘旋待降。飞机应打开电讯系统与机场有关设备链接，听取导航指令；按管理程序要求，自动发送以时间顺序为基准的定位坐标、飞行高度、飞行速度及其他资料(航班、人员、载重、现有燃油、设备完好情况、故障情况等)； 

降落前在跑道左侧指定空域盘旋待降，高度在5000米以下，1500米以上；接到降 落指令，迅速对准跑道，降低高度，始降高度为1000米(3280英尺)。 

飞机仪表盘上方设两块显示屏，一块显示平面投影图，一块显示立面投影图。在飞机降至1000米后，平飞至指定俯冲降落点时，电子地图提醒开始俯冲，并将电子地图自动切换至放大状态，以利于对准跑道。飞机落地后将电子地图切换回一般状态。 

机场可根据自己的情况确定始降位置(Y_J、H_J)和飞机降落后驶离跑道的路线(始降位置可用电子地图显示；驶离跑道的路线可临时发送指令)。 

在飞机降落过程中，立面显示器每秒显示一个新坐标点并保留下来，构成一组完整降落轨迹数据，留作设计或检验降落数据时参考。 

降落区立面放大投影电子地图具有记录本次降落轨迹的功能，同时也具有记录并显示本次降落过程中的各种参数的功能，如平飞速度、俯冲角度、降落轨迹各点坐标、降至多少高度时将机头拉起，拉起时仰角不得超过12°，以免擦尾等等。 

以上对本发明所述的局域定位系统及其定位方法进行了详细的说明，但显然本发明的具体实现形式并不局限于此。对于本技术领域的一般技术人员来说，在不背离本发明的权利要求范围的情况下对它进行的各种显而易见的改变都在本发明的保护范围之内。 

Claims (9)

1.一种基于无线电定位技术的局域定位系统，其特征如下，

在预定距离的(A)、(B)两点分别设立两个不同频率的定位台，同一定位台的同一垂直地面的轴线上装设一部广播天线和一部雷达天线，所述广播天线和雷达天线在发射时使用同一频率；两定位台四部天线有规律地向待测区发射无线电波，接收器在待测点接收到无线电波，利用‘双天线同频同弧测角法’和‘定距双台双频测双角定位法’，并以每定位台的先后二次信号求得待测点两个方位角，进而根据两个方位角和两定位台之间的已知距离依据公式求出待测点的位置坐标。

2.如权利要求1所述的局域定位系统，其特征在于：

所述雷达天线为水平旋转聚焦扫描天线，所述广播天线为固定式广播散射天线。

3.如权利要求1所述的局域定位系统，其特征在于：

所述广播天线由雷达天线替代，同一轴线上的两部雷达天线转速不同，但两定位台的相应雷达天线(A1与B1，A2与B2)转速相同。

4.如权利要求1所述的局域定位系统，其特征在于：所述局域定位系统还包括备用台，安排在与两个定位台同一直线上，并在两个定位台外侧对称位置。

5.一种局域定位系统，其特征在于：

所述局域定位系统中，在预定距离的(A)、(B)两点分别设立两个不同频率的定位台；同一定位台的同一垂直地面的轴线上装设一部广播天线和一部雷达天线，所述广播天线和雷达天线在发射时使用同一频率；只有在0°方向上，接收器才能同时接受两部天线同时发出的起始信号，此后，按照“双天线同频同弧测角法”，分别测出待测点的两个方位角；所述局域定位系统中，两定位台天线架上的雷达天线均按顺时针方向匀速旋转。

6.如权利要求1或5所述的局域定位系统，其特征在于：

所述局域定位系统还包括接收器，所述接收器由天线、高放电路、检波电路、分离电路、脉冲开关计数器、显示屏、电子地图、经纬度计算电路组成；其中，接收器天线接收上述两个定位台天线所发来的定位信号，将其分离后分别进入两组高放电路、检波电路、分离电路进行处理，直至分解成正尖脉冲和负尖脉冲；所述正尖脉冲和负尖脉冲分别进入正脉冲开关计数器和负脉冲开关计数器进行处理，计算出相对角度；所述电子地图提供两个定位台的距离以及当地(A点)的经纬度参数，通过经纬度计算电路计算出待测点的经纬度参数，并在显示屏上进行显示。

7.一种局域定位方法，基于如权利要求1-6中任意一项所述的局域定位系统实现，其特征是由发射天线在机械运动中发出电子信号，接收器接收定位信号，精确计算待测点的两个方位角并完成基于如下公式计算，采用右旋系，即雷达天线均按顺时针方向旋转，从而完成模拟信号到数字信号的转变；在定位台A、定位台B和待测点M构成的三角形中：∠A、∠B为测得的方位角，c为已知的A、B间距离，待测点的坐标M(X，Y)是：

8.如权利要求7所述的局域定位方法，其特征在于：

两定位台的相应雷达天线(A1与B1，A2与B2)转速相同，当两雷达天线顺时针旋转，采用右旋系定位方法时，最高精度线是一条以AB中点为中心，以AB/2为半径的圆弧。

9.如权利要求7所述的局域定位方法，其特征在于：

两定位台的相应雷达天线(A1与B1，A2与B2)转速相同，当两雷达天线，左侧的顺时针旋转，右侧的逆时针旋转，采用对旋系定位方法时，最高精度线是垂直且平分AB的一条直线。

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