CN101629999A - 利用卫星对目标进行通信和定位的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用卫星对目标进行通信和定位的方法，包括：在目标上装置一至少具有发射功能的微小型终端，该微小型终端具有微小型天线、基带设备、变频设备和接口设备；微小型终端上的基带设备将收集的测量数据信息扩频调制后，通过微小型天线向多个卫星发射，扩频调制信号经卫星转发后向地面中心站广播；安装有大口径天线的地面中心站接收多个卫星的下行信号，经低噪声放大、下变频、解扩解调解码，测量得到微小型终端经卫星至地面中心站天线之间的伪距；根据测量的伪距，计算得到目标的三维坐标值和微小型终端上的时钟偏差，实现对目标的通信和定位。利用本发明，实现了在通信的过程中对目标进行定位。

Description

利用卫星对目标进行通信和定位的方法

技术领域

本发明涉及卫星定位技术领域，尤其涉及一种利用卫星对目标进行通信和定位的方法。

背景技术

对目标定位，以及把定位信息、时间信息以及其它测量数据等信息及时收集起来，是众多领域迫切需要解决的课题。如海洋浮标测量数据回传、对危险品车辆行进状态的监控、飞行器轨迹的实时监测、科考人员野外考察活动行踪的控制、渔船安全生产管理以及对登山运动员的活动指导，这些领域均需要有一种可对目标进行定位，又可以把定位和时间等多种信息回传至控制中心的传输系统。其中能在广域范围内很好地实现这一功能的是卫星通信定位系统，国外有Argos、COSPAS-SARSAT等，中国有BD-1、CAPS等系统。这些系统都需要有一个卫星定位系统实现定位功能，又需要有一个通信传输系统实现信息传输功能。

是否还能构建更简单的系统，在通信的过程中就能够实现对目标的定位呢？

发明内容

(一)要解决的技术问题

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种利用卫星对目标进行通信和定位的方法，以实现在通信的过程中对目标进行定位。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明提供了一种利用卫星对目标进行通信和定位的方法，该方法包括：

在目标上装置一至少具有发射功能的微小型终端，该微小型终端具有微小型天线、基带设备、变频设备和接口设备；

微小型终端上的基带设备将收集的测量数据信息扩频调制后，通过微小型天线向多个卫星发射，扩频调制信号经卫星转发后向地面中心站广播；

安装有大口径天线的地面中心站接收多个卫星的下行信号，经低噪声放大、下变频、解扩解调解码，测量得到微小型终端经卫星至地面中心站天线之间的伪距；

根据测量的伪距，计算得到目标的三维坐标值和微小型终端上的时钟偏差，实现对目标的通信和定位。

上述方案中，所述根据测量的伪距，计算得到目标的三维坐标值和微小型终端上的时钟偏差，实现对目标的通信和定位包括：在卫星转发器时延已知的情况下，测得微小型终端经四颗卫星至地面中心站天线之间的四段伪距，然后求解测量方程组，得到目标的三维坐标值和微小型终端上的时钟偏差，实现对目标的通信和定位。

上述方案中，所述根据测量的伪距，计算得到目标的三维坐标值和微小型终端上的时钟偏差，实现对目标的通信和定位包括：若目标在海面上，高度已知，则通过测得微小型终端经三颗卫星至地面中心站天线之间的三段伪距，然后求解测量方程组，得到目标的三维坐标值和微小型终端上的时钟偏差，实现对目标的通信和定位。

上述方案中，所述根据测量的伪距，计算得到目标的三维坐标值和微小型终端上的时钟偏差，实现对目标的通信和定位包括：若卫星转发器时延未知，则须有两个地面站上的天线同时接收，通过位于两个地面站的两面天线同时接收经一颗卫星传输的信号，消去这颗卫星上的转发器时延的影响后，再通过经四颗卫星的消除了转发器时延的四段伪距，求解测量方程组得到目标的三维坐标值和微小型终端上的时钟偏差，实现对目标的通信和定位。

上述方案中，所述微小型终端具有的微小型天线，采用宽波束赋形波束天线，且该微小型终端功放功率小。

上述方案中，该方法中利用的多个卫星具有同一频段，该多个卫星之间具有一定的间隔距离，且该间隔距离越大越好。

上述方案中，该方法中测量微小型终端经卫星至地面中心站天线之间的伪距，采用伪码相关技术，或者采用载波相位测量技术。

上述方案中，所述地面中心站安装的大口径天线，口径在9米至16米范围内，可视仰角在5度以上。

上述方案中，所述微小型终端采用扩频通信方式，信息传输速率为低信息速率，扩频码分公码和个码两种，公码用于捕获，个码用于跟踪，在捕获和跟踪时，均可实现测距。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

1、本发明提供的这种利用卫星对目标进行通信和定位的方法，是通过在目标上装置微小型终端，当该微小型终端将收集的测量数据等信息，通过扩频调制后向卫星发射，经卫星转发后，由地面中心站接收，地面站接收的信号经解扩解调解码后，在得到传输信息的同时，也测得了终端经不同卫星至地面站大天线的伪距和伪距差，通过解伪距或伪距差测量方程就可以求得目标的三维坐标位置，实现了在通信的过程中对目标进行定位。

2、本发明提供的这种利用卫星对目标进行通信和定位的方法，特别适用于对海洋浮标测量数据的收集和对浮标位置的定位；对车辆运行管理特别是危险品车辆实行监测和监控等领域，也有较广泛的应用价值。

3、本发明提供的这种利用卫星对目标进行通信和定位的方法，具有系统简单、功能全、投资小、组建周期短、可换频寄生达到抗干扰性能好等长处，有广泛的应用价值。

附图说明

图1是本发明提供的利用卫星对目标进行通信和定位的方法流程图；

图2是单站接收系统的原理示意图；

图3是双站接收系统的原理示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

本发明的核心思想是：通过在目标上装置微小型终端，当该微小型终端将收集的测量数据等信息，通过扩频调制后向卫星发射，经卫星转发后，由地面中心站接收，地面站接收的信号经解扩解调解码后，在得到传输信息的同时，也测得了终端经不同卫星至地面站大天线的伪距和伪距差，通过解伪距或伪距差测量方程就可以求得目标的三维坐标位置。

如图1所示，图1是本发明提供的利用卫星对目标进行通信和定位的方法流程图，该方法包括：

步骤101：在目标上装置一至少具有发射功能的微小型终端，该微小型终端具有微小型天线、基带设备、变频设备和接口设备；

步骤102：微小型终端上的基带设备将收集的测量数据信息扩频调制后，通过微小型天线向多个卫星发射，扩频调制信号经卫星转发后向地面中心站广播；

步骤103：安装有大口径天线的地面中心站接收多个卫星的下行信号，经低噪声放大、下变频、解扩解调解码，测量得到微小型终端经卫星至地面中心站天线之间的伪距；

步骤104：根据测量的伪距，计算得到目标的三维坐标值和微小型终端上的时钟偏差，实现对目标的通信和定位。

上述步骤104中，所述根据测量的伪距，计算得到目标的三维坐标值和微小型终端上的时钟偏差，实现对目标的通信和定位包括：

在卫星转发器时延已知的情况下，测得微小型终端经四颗卫星至地面中心站天线之间的四段伪距，然后求解测量方程组，得到目标的三维坐标值和微小型终端上的时钟偏差，实现对目标的通信和定位；或者

若目标在海面上，高度已知，则通过测得微小型终端经三颗卫星至地面中心站天线之间的三段伪距，然后求解测量方程组，得到目标的三维坐标值和微小型终端上的时钟偏差，实现对目标的通信和定位；或者

若卫星转发器时延未知，则须有两个地面站上的天线同时接收，通过位于两个地面站的两面天线同时接收经一颗卫星传输的信号，消去这颗卫星上的转发器时延的影响后，再通过经四颗卫星的消除了转发器时延的四段伪距，求解测量方程组得到目标的三维坐标值和微小型终端上的时钟偏差，实现对目标的通信和定位。

本发明提供的这种利用卫星对目标进行通信和定位的方法，适用于需要实施监控的目标，适用于有信息回传的目标，由通信控制管理中心对这些目标的位置和状态等参量实时实施检测，对目标的测量信息进行实时收集。这一方法可利用同步轨道上的商用同步卫星和其它通信卫星，包括倾斜同步轨道卫星、大倾角同步轨道卫星和中轨道卫星和低轨道卫星等，当各卫星转发器时延已知时，至少需要四颗有同一频率转发器的卫星，四颗卫星之间应有一定的间隔距离(如经度相差5～10度以上)，卫星的间隔距离应越大越好，而且要求地面站天线的可视仰角在5度以上。当目标在海平面上时，最少需要三颗同频段的卫星。当各颗卫星转发器时延未知时，则需要增加一个地面站。两个地面站内都装有大天线。两个地面站上的两面大天线同时对着一颗卫星实施伪距测量，得到的两个测量值相减便能消去未知的卫星转发器时延，就可以对目标实现定位，称这一方法为多星多天线测定目标定位方法，其原理示意图见图2和图3。

本发明提供的这种利用卫星对目标进行通信和定位的方法，所需的几颗卫星需要有同一个频段，这频段可以租用，也可以不租用。因为终端发送的扩频信号，功率谱密度低，发射至卫星时，信号已淹没在噪声之中，它不会影响频段上原信号的传输，也不易觉察到，所以可以不租用卫星转发器，但一般希望至少租用一颗卫星转发器，因为租用的转发器其使用频段上没有其它传输信号，这样有利于保证信号传输的质量好，误码率低，可靠性高。

本发明提供的这种利用卫星对目标进行通信和定位的方法，采用扩频通信方式，信息传输速率为低信息速率，扩频码分公码和个码两种。公码用于捕获，个码用于跟踪，在捕获和跟踪时，均可实现测距。

本发明提供的这种利用卫星对目标进行通信和定位的方法，微小型终端采用微小型通信定位终端，包括微小型天线、功放、上变频、基带、晶振和接口等模块或部件，其中微小型天线为宽波束赋形天线，微小型终端功放功率小。终端分类设公用码，每个终端还设有个码和ID号，字符和数据编码后，经扩频调制上变频，从终端天线发射出去。

本发明提供的这种利用卫星对目标进行通信和定位的方法，在中心地面站应设置大口径天线，天线口径以9米至16米为宜。除大天线外，还配有低噪声放大器、下变频器、解扩解调解码的基带装置，得到的伪距测量值和其它信息送至计算机实时解算，或存储起来。

本发明提供的这种利用卫星对目标进行通信和定位的方法，可以只有入站链路，但也可以有出站链路，构成双向卫星信息传输，有了出站链路可以由中心站向终端发指令，用于改变终端参数的设置，如改变终端发射的信息速率，改变发射时间的间隔，改变发射电文的种类和电文长度，甚至可以实现遥控自毁终端设备等功能。

本发明在目标上必须装置一个微小型终端，可以有发射和接收功能，但至少应有发射功能，该微小型终端由微小型天线、基带设备、变频设备、晶振设备和接口设备等组成。其中，微小型天线是宽波束赋形波束天线，基带设备把要发送的信息扩频调制后，通过天线向卫星发射，扩频调制信号经卫星转发后，又向地面中心站广播。地面中心站安装有大口径天线，地面中心站大口径天线接收卫星的下行信号后，经低噪声放大、下变频、解扩解调解码，便可以得到传输的信息。在伪码相关解扩时，伪码相关还可以测得时间差，测得终端经卫星转发至地面中心站天线之间的伪距。但是只测得一个伪距是无法求得目标位置的，由于信号传输是扩频通信，有高的扩频增益，信号很微弱，功率谱密度很低，经卫星上转发后，信号已淹没在噪声底下，所以寄生在其它卫星上时已不影响其它卫星上同频信号的传输，不构成干扰，但可以利用它。由于发射小终端的天线是宽波束天线，它在向指定卫星发射时，信号也向其它卫星发射，经其它卫星上的同频转发器频道的转发，这些寄生有同样频段的卫星上的信号下行广播后，经大口径天线接收，通过解扩解调同样可以接收到终端发出的信号，同样可以通过伪码相关解扩测得伪距。为此，一般至少测得通过四颗卫星的四段伪距，就可以解下列方程，得到目标终端的位置信息

$\sqrt{{(x_S^i-x_0)}^2+{(y_S^i-y_0)}^2+{(z_S^i-z_0)}^2}+\sqrt{{(x_f^j-x_S^i)}^2+{(y_f^j-y_S^i)}^2+{(z_f^j-z_S^i)}^2}$

$=c({t^i}_f-t_0)+\mathrm{\Δ}{t}_0+\mathrm{\Δ}{t}_S$ i＝1，2，...，n  j＝1，2    (1)

式中，Δt₀为终端与系统时的偏差，Δt_s为转发器时延，x_S ⁱ，y_S ⁱ，z_S ⁱ分别为第i颗卫星的三维坐标值，x_f ^j，y_f ^j，z_f ^j分别为第j个地面中心站的三维坐标值，x₀，y₀，z₀为目标的三维坐标值，t₀为目标发射时间，tⁱ _f为大天线接收时间。

为了提高目标定位精度，除了在地面中心站有性能好的射频基带外，还必须考虑终端时钟与系统时的偏差，以及卫星转发器的时延，为此，若卫星转发器时延已知或已测得，则只要有四面天线求得四段伪距，便可以测得目标的三维坐标和终端的时钟偏差。若卫星转发器时延不知道或未测得，则必须有八面以上天线，测得八段以上的伪距才能求解得到四颗卫星的时延、目标的三维坐标值和时钟偏差(共8个未知数)。

有了伪距测量值以后，求解测量方程(1)时，还必须注意求解方法，可以采用二次求差方法，即把对着同一颗卫星接收的两面天线的测量方程相减，便能消去这颗卫星转发器的时延，使八个方程变成四个方程，再以这四个方程中的一个方程为基础，与其它三个方程相减后，得三个方程，这时方程中已经消去了终端时钟偏差，解留下的三个方程，便可以求得目标的三维坐标值，由于消去了终端的时钟偏差和卫星转发器时延，许多传输误差也已经消去，所以可以得到好的定位精度。

对于海上目标，由于海平面高度知道，这样就可以减少了一个未知数，最后求解的方程组也可以再减少一个，观测的卫星颗数也可以再减少一颗。

目标上的终端可以采取盲发体制，地面中心站大天线通过公码捕获后，从解调解码的电文中得到终端的ID号，从而可以检索到这个用户终端的个码，用个码解扩便可以得到通信电文，这种码的设置和解调的设计方法能解决多用户问题，也解决了传输信息的安全接收问题，避免数据被随便截获，实际上这种方法完全可以采用寄生在其它卫星上实现的做法，不需要租用任何转发器的频段。但在这里我们还是认为最好能租用一颗卫星上的转发器为宜，主要理由是希望有一路接收信道没有被干扰，这样信号接收质量好，可以保证传输的多种信息安全可靠，误码率低。

根据分析，目标定位精度可以达到50米量级以内，精度好坏与扩频码码频、卫星布局、卫星定轨精度等因素有关。

扩频码可以采用GOLD码，也可以采用其它码，但应选择自相关和互相关特性好的码，码速率应为MHz量级为宜。传输的信息速率应以低信息速率为宜，使扩频增益达到30dB以上，或40dB以上，扩频信号经自由空间传输时，信号已淹没在噪声中，从而使通信系统具有极好的抗干扰能力。

可以对各项传输误差(电离层、对流层、发射通道、接收通道、转发器通道的传输时延)进行精密测量和标定，或用误差修正模型进行修正，这样可以使目标定位精度提高到几十米量级。若在海域中的岛屿上，设置固定标校站或者气象测量站，则可以修正信号传输链路中的多项时延误差，从而提高目标的定位精度至米量级。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1、一种利用卫星对目标进行通信和定位的方法，其特征在于，该方法包括：

在目标上装置一至少具有发射功能的微小型终端，该微小型终端具有微小型天线、基带设备、变频设备和接口设备；

微小型终端上的基带设备将收集的测量数据信息扩频调制后，通过微小型天线向多个卫星发射，扩频调制信号经卫星转发后向地面中心站广播；

安装有大口径天线的地面中心站接收多个卫星的下行信号，经低噪声放大、下变频、解扩解调解码，测量得到微小型终端经卫星至地面中心站天线之间的伪距；

根据测量的伪距，计算得到目标的三维坐标值和微小型终端上的时钟偏差，实现对目标的通信和定位。

2、根据权利要求1所述的利用卫星对目标进行通信和定位的方法，其特征在于，所述根据测量的伪距，计算得到目标的三维坐标值和微小型终端上的时钟偏差，实现对目标的通信和定位包括：

在卫星转发器时延已知的情况下，测得微小型终端经四颗卫星至地面中心站天线之间的四段伪距，然后求解测量方程组，得到目标的三维坐标值和微小型终端上的时钟偏差，实现对目标的通信和定位。

3、根据权利要求1所述的利用卫星对目标进行通信和定位的方法，其特征在于，所述根据测量的伪距，计算得到目标的三维坐标值和微小型终端上的时钟偏差，实现对目标的通信和定位包括：

若目标在海面上，高度已知，则通过测得微小型终端经三颗卫星至地面中心站天线之间的三段伪距，然后求解测量方程组，得到目标的三维坐标值和微小型终端上的时钟偏差，实现对目标的通信和定位。

4、根据权利要求1所述的利用卫星对目标进行通信和定位的方法，其特征在于，所述根据测量的伪距，计算得到目标的三维坐标值和微小型终端上的时钟偏差，实现对目标的通信和定位包括：

若卫星转发器时延未知，则须有两个地面站上的天线同时接收，通过位于两个地面站的两面天线同时接收经一颗卫星传输的信号，消去这颗卫星上的转发器时延的影响后，再通过经四颗卫星的消除了转发器时延的四段伪距，求解测量方程组得到目标的三维坐标值和微小型终端上的时钟偏差，实现对目标的通信和定位。

5、根据权利要求1所述的利用卫星对目标进行通信和定位的方法，其特征在于，所述微小型终端具有的微小型天线，采用宽波束赋形波束天线，且该微小型终端功放功率小。

6、根据权利要求1所述的利用卫星对目标进行通信和定位的方法，其特征在于，该方法中利用的多个卫星具有同一频段，该多个卫星之间具有一定的间隔距离，且该间隔距离越大越好。

7、根据权利要求1所述的利用卫星对目标进行通信和定位的方法，其特征在于，该方法中测量微小型终端经卫星至地面中心站天线之间的伪距，采用伪码相关技术，或者采用载波相位测量技术。

8、根据权利要求1所述的利用卫星对目标进行通信和定位的方法，其特征在于，所述地面中心站安装的大口径天线，口径在9米至16米范围内，可视仰角在5度以上。

9、根据权利要求1所述的利用卫星对目标进行通信和定位的方法，其特征在于，所述微小型终端采用扩频通信方式，信息传输速率为低信息速率，扩频码分公码和个码两种，公码用于捕获，个码用于跟踪，在捕获和跟踪时，均可实现测距。

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