CN102213764A - 双向卫星导航通信定位方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双向卫星导航通信定位方法和系统，涉及卫星技术，该系统具有出局和入局的定位链路和通信链路。由卫星地面站(主站、副站)、同步通信卫星与各类用户终端组成，是高度集成导航定位与通信一体化的双向信息系统，具有双向测伪距、定位、测速、测姿、测向、授时、呼救、监控、监测、通信、搜救、勤务等多种功能，还具有精度高(相对定位精度：毫米量级(1σ)；测量频度：50Hz；测速精度：0.01毫米/秒；双向授时精度优于0.1ns，通信信息传输速率：50bps～2400bps)、投资少、建设周期短、完好性和可靠性高等特点。

Description

双向卫星导航通信定位方法和系统

技术领域

本发明涉及卫星导航定位和卫星通信技术领域，是一种双向卫星导航通信系统，可应用于科学研究、交通运输、国家安全、工程建设、农业耕种、地震监测、救灾减灾及日常生活等众多领域。

背景技术

世界上现有的卫星导航定位系统，有美国的全球卫星定位系统GPS，俄罗斯的全球卫星导航系统GLONASS，中国的北斗(BD)卫星定位系统，以及中国区域卫星定位系统CAPS。在这些定位系统中，GPS和GLONASS以及欧盟正在研发的伽利略(Galileo)系统，均是卫星直播式导航定位系统，定位的时频基准都在导航卫星上，即导航卫星上装置了高准确度和高稳定度的星载原子钟，向用户播发的测距码和导航电文都是在卫星上生成的，这类卫星导航定位系统是无源导航定位系统，因用户无限、不暴露用户位置、定位精度较高、用户终端简单、功能多样，深受人们的青睐。除了这类直播式卫星导航系统外，1982年7月，美国三位科学家L.A.Lvarez，C.Trophy，F.Rose曾提出主动式卫星导航系统概念，定名为Geostar。Geostar是一类问询式卫星导航系统，它的卫星定位体制是利用二颗位于赤道上空同步轨位(GEO)上的导航卫星，地面导航中心站通过卫星向用户发出问询信号，当用户同时向两颗卫星发送响应信号后，经卫星转发回导航中心站，导航中心站接收并解调用户响应信号，测出两路信号的时延，并利用电子地图作为高程约束，解算出用户位置。解算后中心站把用户位置再通过出局链路经卫星转发告知用户终端。这类卫星导航定位系统因信号需多次传输、难于测速、用户数量有限等原因，它的应用受到了限制。特别是因为当年研发这类系统时，正处于冷战时期，军方认为主动导航定位会暴露用户目标，所以不被接受。为此，美国的Geostar和欧洲的Locstar系统，因用户少，很快相继关闭，最终被遗弃。只有中国的北斗1号(BD-1号)至今一直在使用。但它的大多数用户对它的卫星短信通信功能更感兴趣。2002年，中国科学院艾国祥院士等几位天文学家创立了基于商用同步通信卫星的新一类卫星定位系统，称为转发式卫星导航定位系统((2004年6月，艾国祥、施浒立、吴海涛等申请了发明专利：转发器卫星通信导航定位系统，2009年获专利证书，发明专利号为200410046064.1)，(2003年12月，李志刚、施浒立、艾国祥、杨旭海等，申请了发明专利：转发器卫星测轨定轨方法，2005年获专利证书，专利号为200310102197.1，解决了通信卫星的高精度测定轨)，(2002年，施浒立、颜毅华、王安国等申请了发明专利：天体射电测量天文导航方法和定位装置，2005年获专利证书，专利号：0.101392.6))。这类转发式卫星导航系统利用地面原子钟作为时频基准，由地面导航站发出测距码和导航电文，经商用同步通信卫星转发后，向地面广播。这类卫星导航定位系统是无源卫星导航定位系统，具有投入少、精度高、功能多、研制周期短、用户无限、在系统内能同时实现导航和通信等长处，被大家关注。

从本质上说，所有上述的卫星导航定位系统都是单向卫星测距定位系统。但在BD-1系统和CAPS系统里利用和保留了卫星通信中的短信传输功能，这样使他们与GPS和GLONASS系统有很大区别，GPS类卫星导航定位系统只解决了用户终端自身的导航定位问题，但定位导航授时等信息在系统内难于交流、沟通和传输。随着GPS的广泛应用，出现了通过其他通信系统进行位置信息传输的应用。而BD-1和CAPS则不同，他们在系统内保留了通信传输链路，可以把各用户终端的时空等信息在系统内及时地进行传输、沟通和交流(2006年5月，尚俊娜、施浒立等申请了基于时间、位置和状态信息的导航通信一体化系统专利，发明专利申请号：200610012056.4)。专利陈述的系统中，导航中心站可以掌握各终端的时空信息，这样把系统只能实现用户单体导航定位推进到可以实现用户群体导航定位和中心导航定位。这一功能对某些应用特别有用处，如危险品运输车辆出行后，运输中心可以随时掌握每辆车辆的位置和状况；如船舶出海后，航运中心可以随时掌握船舶的航运情况，还可以向各船舶及时发布指令和气象海况等各类消息。总之，系统的双向通信功能使卫星导航系统的时空信息活起来了，使时空信息能产生和发挥更大的作用。2008年7月，施浒立、宁春林等提出和申请了发明专利：利用卫星对目标进行通信和定位的方法(专利申请号：200810116829.2)。2008年12月，施浒立，韩延本，李志刚等提出了用入局链路解决地壳毫米量级振动和板块毫米量级漂移的监测问题，也申报了发明专利：地壳毫米级位移的实时精密监测网(专利申请号：200810240073.2)，以及卫星等飞行器轨道和位置的精密测量方法(专利申请号：200810226676.7)。上述这些专利较系统地提出了一系列的实现卫星定位和通信一体化的关键技术问题，也全面地解决了高精度入局定位问题。2009年4月，施浒立、崔君霞、韩延本、裴军等申请了发明专利：导航和通信一体化的信号结构(专利申请号：200910084033.8)，把导航通信一体化发展提高到信号结构层面上，从而开创了导航通信一体化的新局面。

在这些探索过程中，已提出了和逐步解决了以下几个课题：

(1)导航定位如何与通信更好地相结合？

(2)出局定位如何与入局定位相结合？

(3)卫星导航的功能和作用如何进一步发展扩大？

(4)如何使卫星导航系统的投入和维持运行廉价化？

(5)卫星导航定位的精度与分辨率如何进一步提高，直至发展到分辨率能达到毫米量级的实时高频度动态定位监测功能？

也就是说，提出了卫星导航发展的方向问题，即探讨下一代卫星导航系统将是一个什么样的系统的问题。

发明内容

本发明提供了一种双向卫星导航通信定位方法和系统，在地球表面和空中可全天候连续使用的，具有精确的定位、测速、授时、测姿、测向、监控、监测的，又能实现实时呼叫，及时搜救和较全的勤务功能的导航通信一体化能力。特别是具有双向导航定位能力，有别于现有的只有单向导航定位能力的系统。

为达到上述目的，本发明的技术解决方案是：

一种双向卫星通信导航定位方法，其包括：

a)包括空间段、地面段：空间段包括具有转发器的商用同步通信卫星、小倾角倾斜同步卫星或移动通信卫星；地面段包括地面中心站、副站和用户终端；

b)地面中心站内设有高稳定度的地面原子钟、7米以上口径的天线、收发信机、导航基带和通信基带，它生成扩频伪码和导航通信电文，经扩频调制后由天线发射上行，经卫星转发，再广播下行，最后由用户终端实现无源出向定位，这条链路称为出局定位通信链路；

c)地面副站与主站一样，发射扩频伪码测量信号和导航通信电文，以形成由多站发射导航定位信号与电文的局面；

d)用户终端为微小型低功耗终端，终端具有收发功能，当终端生成扩频伪码和导航通信电文，经扩频调制后由微小天线发射上行，再经卫星转发下行，最后由地面主站或副站中的7米以上口径天线通过扩频码相关接收分辨，从而构成入局定位通信链路；

e)出局定位通信链路与入局定位通信链路一起组成双向定位通信链路，同时，在中心站、副站和用户终端之间实现卫星双向多频时间比对，从而实现时间基准的高精度同步；开展双向多频伪距测量和位置及伪距的等效比对，形成双向系统链路的闭环测量和参数的冗余测量；从而使系统成为双向可变频、变码或实现寄生的卫星导航定位通信系统。

所述的双向卫星通信导航定位方法，其在继续开展单向测伪距、单向定位和单向授时时，采用双向链路，利用双向系统测量出多条伪距值，进行冗余测量、比对测量、多频冗余伪距测量、闭合伪距测量；在双向系统中含有多个不同地域和不同区域应用的局域导航定位通信系统，多个区域系统拼合重叠起来组成大区域甚至全球系统；不同的导航定位系统采用不同的扩频码，既有公用码以利捕获，又有个码以区别各类用户的使用权限，或使系统拓展成为多类用户分级享用的系统；采用导航定位通信组合电文和导航定位通信的一体化信号格式。

所述的双向卫星通信导航定位方法，其所述现有通信卫星转发下行全向辐射功率EIRP已大于40dBw，一个卫星转发器具有同时转发多路导航定位通信信号和电文的能力，已经形成多站、多频或多码发布导航定位通信信号和电文的能力。

所述的双向卫星通信导航定位方法，其所述空间段的通信卫星，至少有四个。

所述的双向卫星通信导航定位方法，其通过终端设备改变发射频率和扩频码，实现频率和码的及时变换，或利用宽带扩频技术把微弱信号寄生在其他卫星通信信道上实现传输。

本发明的双向卫星通信导航定位系统的特点和长处是：

1.系统功能多，整个系统不但具有卫星导航系统的定位、测速、测姿、定向、授时等功能，而且实现这些功能时不是单向的，是双向的；系统还具有呼叫、搜救、监测、监控、传输、勤务等功能，而且也是双向的，这样极大地丰富了卫星导航定位系统的功能，使系统能承担更多的工作内容。

2.由于具有双向链路，可以做到信息充分的交换和交流，这样做对误差修正具有特别重要的意义，如：系统可以实现双向时间比对，双向测伪距、双向测用户位置，这样系统不但可以授时，而且可以校时，可以校频，定时精度可以优于亚纳秒量级，达到了一个新的精度高度；也使定位精度发生了很大的变化，测点的相对定位精度能达到毫米量级，卫星测轨精度达到厘米量级。

3.系统投资少、投入产出效益高。主要是因为它可以少采用专用导航卫星，可以利用商用同步通信卫星上的转发器，或者把透明转发器搭载在其它卫星上，提高了卫星的综合利用水平。它甚至可以利用处于寿命末期的将退役的同步通信卫星，通过调整燃料的使用方式，使它调控成小倾角倾斜同步轨道(SIGSO)卫星，延长卫星的使用寿命约10倍。这时星上丰富的转发器资源就可以开发出低信息速率的通信传输，开启寿命末期同步通信卫星导航通信一体化再利用的应用新周期。这样不但使频带使用费用大幅下降，而且由于作为时频基准的原子钟安置在地面上，使性能提高、易于维修、容易制造、便于更新、投入也比星载原子钟低；由于系统内含监测网，所以系统可以不专门设置测轨站、差分站，使辅助系统或支撑系统投入减小，所以本专利提出的双向导航通信系统具有投入小、投入产出效益好等的优点。

4.建设周期短，卫星导航定位系统制造专用导航卫星的周期较长，现可以少制造或不制造专用导航卫星，只租用商用同步通信卫星即可；地面设备也可以通过改造现有的卫星地面站，增加少量的设置和设备来实现，从而使系统的建设周期大为缩短。

5.适用性强，不但可以组建区域系统，也可以由区域系统拼接重叠组建全球系统；系统容易变化和扩展，还可以采用换码、换频和寄生等方法，提高系统的抗干扰能力。系统内的各种应用网也很容易满足各种应急需要，如抗灾、减灾、救灾和反恐等应急需要。

6.可靠性、完好性、完整性好。因系统具有双向定位链路，而且又拥有通信传输链路，从而可以实时监测系统中设备的工作状态，实时了解整个系统的工作状态。即使系统出现问题也能及时处理和解决，这样必然能提高系统的可靠性。系统实现多频定位，也必然会在提高系统性能的同时提高可靠性。

附图说明

图1为本发明的多站发播导航定位信号示意图；

图2为本发明的入站导航定位通信链路示意图；

图3为本发明的主站和副站互发信号示意图；

图4为本发明的双向卫星导航通信定位方法和系统示意图。

具体实施方式

本发明的双向卫星导航通信定位系统如附图1所示，由空间段、地面段组成。空间段采用通信卫星，最合适的是商用同步通信卫星(还包括由寿命晚期卫星漂移成的小倾角倾斜同步卫星)，移动通信卫星和其他合适的卫星组成。强调利用通信卫星是因为通信卫星上有转发器，可以通过它们组成经卫星转发的传输链路。地面段由主导航通信站、辅助导航通信站及用户终端组成。主导航站内必须装置有高稳定度的地面原子钟、7米以上口径的天线、收发信机、导航基带和通信基带，它生成扩频伪码和导航通信电文，经扩频调制后由天线上行，经卫星转发，再广播下行，最后由用户终端实现无源出向定位，这条链路称为出局定位通信链路。除了主导航通信站外，系统还建辅助导航通信站，这些辅助副站与主站一样，也能发射扩频伪码测量信号和导航通信电文，这样便形成由多站发射导航定位信号与电文的新局面。根据现在发射的通信卫星转发下行全向辐射功率EIRP已大于40dBw的情况，经链路分析计算获知，一个卫星转发器已可以满足同时转发多路导航定位通信信号和电文的能力，从而可以形成多站多频或多码发布导航定位通信信号和电文的能力。

除了出站导航定位以外，用户终端也可以发射伪码扩频的入向导航定位通信信号与入向电文，也经卫星转发，由定位主站和副站接收，形成入站导航定位通信链路，如附图2所示。入站导航定位通信链路可以实现中心导航和系统导航，也可以把出向链路在用户站获得的出向定位信息及时回传，从而使定位信息及时实现双向传输、交流和沟通，使定位信息活起来，可以使定位等信息发挥出更大的作用，产生更大的意义。

由于设置了主站和若干副站，主站可以接收自己发射的信号，也可以接收副站发播的信号；副站也可以接收主站的导航定位信号的电文，副站之间也可以相互接收其他副站的导航定位信号和电文，这样便形成了可以精密实时测量卫星轨位的测轨功能系统，实现卫星精确测轨，从而高精度解决了卫星导航定位系统中一个十分重要的基本功能要求。(见附图3)

本发明的导航定位系统，已不同于国际及国内已有的单向卫星导航定位系统，是吸取了国际上现有的单向(出向)卫星导航定位系统和我们提出的单向(入向)卫星导航定位系统的基础上，吸取和发挥了卫星通信的双向传输能力，创新集成自主发明的新的导航定位系统。其最大的特点是“双向”。既能双向测伪距，双向修正传输误差，双向实现定位导航，以及双向传输定位误差和通信信息。

首先讲述双向测伪距：在本发明所指的导航定位系统中，因为导航定位信号是多源的，主站、副站和用户终端都可以发射伪码扩频的测量码和时间等信息，这些源又都能实现接收其他源发播信号的能力，所以不象GPS那样，只能测量出卫星至用户终端之间的一条伪距；而CAPS也只能测地面中心站至卫星最后到用户的单向出向伪距；BD可以测由用户应答的信号，经两颗卫星转发至中心站的距离。而本发明所述的系统可以测量出多条伪距值，其中有：

(1)主站发，经卫星，至用户终端收的伪距；

(2)各副站发，经卫星，至用户终端收的伪距；

(3)各用户终端发，经卫星转发，至主站收的伪距；

(4)各用户终端发，经卫星转发，至各副站收的伪距；

(5)主站发，经卫星转发，仍由主站收的伪距；

(6)主站发，经卫星转发，由各副站收的伪距；

(7)各副站发，经卫星转发，由主站收的伪距；

(8)当卫星EIRP很大时或用户天线增益高时，还可以由用户发，

经卫星转发，再由终端站自收的伪距。

从这些可以测量的伪距值中，可以看出本发明系统的伪距测量已明显地不同于现有的卫星导航定位系统。它首先实现了冗余测量伪距。冗余测量可以平滑随机误差，提高伪距测量精度；冗余测量又有利于分离传输误差，可以剔除大误差测量值和异常测量值，提高测量可靠性。其次，多伪距测量可以形成比对测量，特别是当采用多频冗余伪距测量时，可以消除电离层等频变误差，也可以消除偏差，及实现差分测量处理。

此外，双向测量可以成为闭合伪距测量。从前述几种测量的伪距中可见，有些伪距测量值组合后，便可以实现伪距闭合测量，闭合测量不同于GPS类卫星定位系统中的开环测量，发送端无法接收接收端反馈的信息，成开环状态，开环较难修正误差，而且由于测距分别依靠两端各自的时频基准，所以测量精度较差。而闭合测量时，可用同一个时频基准度量，这样测量精度会很高，避免了由于利用两个时频基准所出现的两个时频基准之间偏差的影响。即使是由出向伪距和入向伪距两段伪距累加，在累加时也可以消除用户晶振的偏差影响。闭合测量可以提高测量精度，也可以消除部分误差的影响。

现令ρ₁＝T₁-(t₁+Δt₁)

ρ₂＝(t₁+Δt₁)-T₂

ρ₁+ρ₂＝T₁-(t₁+Δt₁)+(t₁+Δt₁)-T₂

＝T₁-T₂

式中，ρ₁为出向伪距，ρ₂为入向伪距，T₁为发端时刻，T2为发端收时刻，t₁为终端转发时刻，Δt₁为终端时钟偏差。

多伪距测量中，包括双向同步对传。双向对传时，可以抵消传输通道上的误差，实现两站之间双向时间比对，现已能达到的时间同步精度优于0.1ns，这对利用时间测量伪距的系统来说，十分重要，可以明显影响伪距测量精度。

上述测量方法能提高测量的精度，提高定位解算精度，由于是冗余测量，当某个测量伪距数据不正确，或不能获得时，仍能保证定位的正确性和连续性。

本发明系统的双向定位包含出向定位和入向定位，出向定位是无源定位，入站定位是有源定位。所以本发明系统可以根据不同的应用，选择不同的定位方式。如需要隐蔽用户自身位置时，采用出站无源定位。用户中心需要监控用户时，可以采用入向主动定位，当同时采用两种定位方式时，则可以进一步提高定位精度，提高系统的可靠性、可用性与完好性。双向定位时，为了求解用户三维坐标值，至少需要三颗卫星，若考虑用户钟偏差Δt_u，则需要四颗卫星，但四颗卫星的布局，按常理必须拉开距离和处于不同方位上，使四颗卫星与用户组成的多面体体积变大。

双向传输时，要采取双向传输链路，从而能使定位信息可进行交流与传输，使信息活起来。特别是对信号体制实行导航通信一体化时，则可以把出向导航定位与出向通信合成一个链路；把入向导航定位与入向通信链路合成一个链路，使系统极其简化，也可以这么说，就是利用通信链路在实现双向通信时，同时实现导航定位，可以采用I、Q不同支路，I支路传输定位信息，Q支路传输通信支路。或有一个码道实现传送定位信息，其他码道仍传送通信信息。有些只要利用导频帧即可，无需增加信道负担。但都应采用伪码扩频体制，或部分内容必须有扩频信号(如导频帧)。

也可以采用在通信电文中插入一部分定位电文实现。

双向链路中的入向链路不但可以把用户终端定位信息回传，而且也可以把用户端的测量信息回传，而出向链路则可以对用户发布指令，指挥和控制用户终端的功能。

双向传输链路可以实现用户终端的无人值守，特别在边缘地区、沙漠、高山沟壑等荒凉和偏僻地区应用时尤为实用。

系统主要技术指标：

1).卫星：GEO卫星+SIGSO卫星+IGSO卫星(定位时不应少于三颗卫星)

2).频段：C波段(或S波段、L波段、X波段、Ku波段)

3).使用带宽：36MHz

4).扩频码速率：2Mcps～15Mcps

5).传输速率：50bps～2400bps

6).地面主站天线口径：5m～15m

7).地面主站天线数量：至少3面

8).副站天线口径：1m～7m

9).副站数量：5～20个

10).出局定位精度(1σ)：分米级(实时)；厘米级(事后处理)

11).入局定位精度(1σ)：毫米级(实时，相对)；厘米级(实时，绝对)

12).双向时间比对精度：＜0.1ns

13).测速精度：0.01m/s

14).实时精密时间同步分辨率：0.1ns

15).调制方式：BPSK，DBPSK，QPSK

16).时频基准：在中心地面站安装氢原子钟或铯原子钟，时间稳定度可以达到1×10^-13～1×10^-15；终端研制时应购买高稳定度晶振(OSA，8607超稳恒温晶振，短稳0.2s～30s，5×10^-13，环境工作温度：-30℃～60℃)。副站配微小型铷原子钟或CPT原子钟频标(时间稳定度可以达到1×10^-11～1×10^-13)，这样可以保证频率分辨率达到1×10^-12。

Claims (5)

1.一种双向卫星通信导航定位方法，其特征在于，包括：

a)包括空间段、地面段：空间段包括具有转发器的商用同步通信卫星、小倾角倾斜同步卫星或移动通信卫星；地面段包括地面中心站、副站和用户终端；

b)地面中心站内设有高稳定度的地面原子钟、7米以上口径的天线、收发信机、导航基带和通信基带，它生成扩频伪码和导航通信电文，经扩频调制后由天线上行，经卫星转发，再广播下行，最后由用户终端实现无源出向定位，这条链路称为出局定位通信链路；

c)地面副站与主站一样，发射扩频伪码测量信号和导航通信电文，以形成由多站发射导航定位信号与电文的局面；

d)用户终端为微小型低功耗终端，终端具有收发功能，当终端生成扩频伪码和导航通信电文，经扩频调制后由微小天线发射上行，再经卫星转发下行，最后由地面主站或副站中的7米以上口径天线通过扩频码相关接收分辨，从而构成入局定位通信链路；

e)出局定位通信链路与入局定位通信链路一起组成双向定位通信链路，同时，在中心站、副站和用户终端之间实现卫星双向多频时间比对，从而实现时间基准的高精度同步；开展双向多频伪距测量和位置及伪距的等效比对，形成双向系统链路的闭环测量和参数的冗余测量；从而使系统成为双向可变频、变码或实现寄生的卫星导航定位通信系统。

2.如权利要求1所述的双向卫星通信导航定位方法，其特征在于，在继续开展单向测伪距、单向定位和单向授时时，采用双向链路，利用双向系统测量出多条伪距值，进行冗余测量、比对测量、多频冗余伪距测量、闭合伪距测量；在双向系统中含有多个不同地域和不同区域应用的局域导航定位通信系统，多个区域系统拼合重叠起来组成大区域甚至全球系统；不同的导航定位系统采用不同的扩频码，既有公用码以利捕获，又有个码以区别各类用户的使用权限，或使系统拓展成为多类用户分级享用的系统；采用导航定位通信组合电文和导航定位通信的一体化信号格式。

3.如权利要求1所述的双向卫星通信导航定位方法，其特征在于，所述现有通信卫星转发下行全向辐射功率EIRP已大于40dBw，一个卫星转发器具有同时转发多路导航定位通信信号和电文的能力，已经形成多站多频或多码发布导航定位通信信号和电文的能力。

4.如权利要求1所述的双向卫星通信导航定位方法，其特征在于，所述空间段的通信卫星，至少有四个。

5.如权利要求1所述的双向卫星通信导航定位方法，其特征在于，通过终端设备改变发射频率和扩频码，实现频率和码的及时变换，或利用宽带扩频技术把微弱信号寄生在其他卫星通信信道上实现传输。

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