CN102435194B - 一种基于地面移动通信网络的通用航空导航系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种基于地面移动通信网络的通用航空导航系统，包括通用航空导航基站，通过地面移动通信信道向预定空域范围发射导航信号，预定空域范围为0-3000米的空域；通用航空器；通用航空机载设备，设置在通用航空器上利用导航信号、通用航空导航基站的三维坐标信息以及通用航空器的姿态数据和高度信息解算得到通用航空器的位置信息，其中，导航占用的通信信道为单向传输方式，以广播的形式发射导航信号。本发明实施例的导航系统建设周期短、建设成本低，可满足高效的通用航空导航定位需求。另外，由于本发明采用了专门的地面移动通信信道和天线设计，导航系统既不会与民航导航系统产生干扰，也不会与地面移动通信用户和系统产生干扰。

Description

一种基于地面移动通信网络的通用航空导航系统

技术领域

本发明涉及航空导航技术领域，特别涉及一种基于地面移动通信网络的通用航空导航系统(GAMAS，General Aviation Mobile Navigation System)。

背景技术

通用航空(GA，General Aviation)是指除军事、警务、海关缉私飞行和公共航空运输飞行以外的航空活动，包括从事工业、农业、林业、渔业和建筑业的作业飞行以及医疗卫生、抢险救灾、气象探测、海洋监测、科学实验、教育训练、文化体育等方面的飞行活动。近年来，GA在世界范围内发展极为迅猛，目前，世界上共有32万架GA飞行器，而民航航线飞行只有6万多架。在GA最受欢迎的北美地区，可以使用的GA机场多达6300多个，而民航机场只有560多个。据美国的航空器拥有者和飞行员协会(AOAP，Aircraft Ownersand Pilots Association)称，GA产业占到美国GDP总量的1％以上，并为公共服务和制造业提供130万个就业岗位。AOAP估计目前美国有超过65万名GA飞行员。

我国绝大部分空域属于军管，一直以来，我国的低空空域是不开放的，即使在有限的民航管理的空域，对GA也限制得非常严格。中国GA整体发展尚处于较低水平，并严重滞后于中国运输航空的发展。目前国内尚无GA专用的导航系统及相应设备，而民航现有导航系统VOR、DME及ILS等主要用于航路导航及民航机场进近引导，难以覆盖通航活动的低空空域。同时，未来几年通航飞机数量、规模将迅速扩大，而VOR、DME等需分配给每一个飞行器一个独立的频道进行导航，可用频道数有限。如VOR用于航路导航的频率112.00～118.00MHz，频道间隔0.05MHz，共计120个频道；用于终端引导飞机进近的频率范围108.00～112.00MHz，频道间隔0.05MHz，共计40个频道，在承载民航繁重的飞行任务的同时，难以满足GA飞行需求。因此，国内的GA飞行器目前多以目视导航为主，仅少量配有二次雷达、仪表导航等电子设备，严重制约了GA的发展及政策的开放。

美国有专用于GA的万能电台数据链(UAT，Universal Access Transceiver)，采用自动相关监视(ADS-B，Automatic Dependent Surveillance Broadcast)，为通用航空器提供天气、地形、空域限制、周围其他飞机动态等飞行信息，使机组清晰地了解周边情况，提供情景意识，通过地面服务站和传输网络对私人飞机的运行进行有效的监控和管理。但UAT采用广播方式将飞机自身信息发出，任何人都能够接收到ADS-B信号，存在安全保障问题。同时，UAT工作在978MHz上，会对DME地面设施产生严重干扰。

发明内容

本发明旨在至少解决上述技术问题之一。

为此，本发明的目的在于提出一种基于地面移动通信网络的通用航空导航系统。

为了实现上述目的，本发明实施例提出的一种基于地面移动通信网络的通用航空导航系统包括：通用航空导航基站，所述通用航空导航基站通过地面移动通信信道向预定空域范围发射导航信号，其中所述预定空域范围为高度位于0-3000米的空域；通用航空器；和通用航空机载设备，所述通用航空机载设备设置在所述通用航空器上用于接收所述导航信号，并利用所述导航信号、所述通用航空导航基站的三维坐标信息以及所述通用航空器的姿态数据和高度信息进行解算得到所述通用航空器的位置信息，其中，所述通用航空导航基站向所述通用航空机载设备发射的所述导航信号所占用的地面移动通信信道为单向传输方式，所述通用航空导航基站以广播的形式向所述预定空域范围发射导航信号。

根据本发明实施例的基于地面移动通信网络的通用航空导航系统，实现通用航空器在低空(0-3000米高空)飞行过程中的定位导航功能，弥补现有航空导航体系低空覆盖盲区。基于地面移动通信网络的通用航空导航系统GAMAS依托地面移动通信网络架构，直接利用现有地面移动基站和数据链路，而无需专用的导航基站和导航数据链，极大地缩短了该系统的建设周期短、且建设成本低。本发明实施例的通用航空导航基站是对普通地面移动基站增加垂直天线形成，该垂直天线提供向3000米以下低空空域发射导航信号的功能，导航通信信道是在地面移动通信信道频段划出一条信道作为导航专用，并在此导航通信信道上以广播形式覆盖导航信号于整个低空空域，此导航通信信道同时为所有通用航空器提供导航定位功能，提供高效的通用航空导航定位需求。另外，该导航通信信道为单向收发，通用航空器仅接收导航信号而无应答，并由通用航空机载设备自身进行定位解算，从而避免对现有民航导航系统(如DME)地面设施产生干扰。本发明实施例的定位算法利用目前地面移动通信网络成熟的基站布局和蜂窝结构能够提高定位的精确性，误差可降低至10米范围。

另外，根据本发明上述实施例的基于地面移动通信网络的通用航空导航系统还可以具有如下附加的技术特征：

在本发明的一个实施例中，所述通用航空机载设备还包括：天线阵列，所述天线阵列设置在所述通用航空器上用于接收所述导航信号，其中，所述天线阵列包括正交的第一天线阵列和第二天线阵列；处理单元，用于对所述天线阵列的导航信号进行解码，并对解码后的导航信号进行分类以得到分类结果和所述通用航空导航基站编号；位置信息获取单元，用于根据所述分类结果计算所述解码后的导航信号的传播方向与所述天线阵列的夹角或所述通用航空导航基站与所述天线阵列之间的距离；基站信息库，用于根据所述通用航空导航基站编号获取相应的通用航空导航基站的三维坐标信息；机载信息采集单元，用于获取所述通用航空器的姿态数据和高度信息；和定位算法单元，用于根据所述机载信息采集单元的姿态数据和高度信息、所述基站信息库的三维坐标信息和所述位置信息获取单元的夹角或距离得到所述通用航空器的位置信息。

根据本发明的一个实施例，所述位置信息获取单元包括夹角计算模块和伪码测距模块，其中，所述夹角计算模块用于计算所述解码后的导航信号的传播方向与所述天线阵列的夹角，所述伪码测距模块用于根据所述解码后的导航信号的伪码序列的达到时间或相位变化得到所述解码后的导航信号由通用航空导航基站传播至所述天线阵列的时间，并根据所述时间得到所述通用航空导航基站与所述天线阵列之间的距离。

根据本发明的一个实施例，所述处理单元包括信号处理单元和算法前处理单元，其中，所述信号处理单元用于对所述天线阵列的导航信号进行放大、混频、解调和解码，所述算法前处理单元对解码后的导航信号进行识别、分类以得到导航信号的类型，并根据所述类型选择夹角计算模块或伪码测距模块。

根据本发明的一个实施例，所述导航信号的类型包括GSM、CDMA或LTE类型。

根据本发明的一个实施例，当所述导航信号的类型为GSM或LTE时，选择所述夹角计算模块计算所述解码后的导航信号的传播方向与所述天线阵列之间的夹角。

根据本发明的一个实施例，所述定位算法单元通过多基站来波方向定位算法M-DOA，并根据所述机载信息采集单元的姿态数据和高度信息、所述基站信息库的三维坐标信息和所述位置信息获取单元的夹角计算所述通用航空器的位置信息。

根据本发明的一个实施例，当所述导航信号的类型为CDMA时，选择所述伪码测距模块计算得到所述通用航空导航基站与所述天线阵列之间的距离。

根据本发明的一个实施例，所述定位算法单元通过来波时差定位算法TDOA，并根据所述机载信息采集单元的姿态数据和高度信息、所述基站信息库的三维坐标信息和所述位置信息获取单元的距离计算所述通用航空器的位置信息。

根据本发明的一个实施例，所述通用航空机载设备还包括：显示装置，所述显示装置用于对所述位置信息进行显示。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为本发明实施例的基于地面移动通信网络的通用航空导航系统的结构图；

图2为本发明实施例的M-DOA算法中的几何关系图；

图3为本发明一个实施例的通用航空导航基站的蜂窝布局示意图；

图4为本发明一个实施例的三个通用航空导航基站的M-DOA算法误差分布示意图；

图5为本发明一个实施例的四个通用航空导航基站的M-DOA算法误差分布示意图；

图6为本发明一个实施例的五个通用航空导航基站的M-DOA算法误差分布示意图；

图7为本发明实施例的M-DOA算法中心定位误差与测角精度关系示意图；

图8为本发明实施例的M-DOA算法定位误差标准差与测角精度关系示意图；

图9为本发明实施例的M-DOA算法中心定位误差与飞行高度关系示意图；

图10为本发明实施例的四个通用航空导航基站下TDOA算法误差分布示意图；

图11为本发明实施例的五个通用航空导航基站下TDOA算法误差分布示意图；

图12为本发明实施例的六个通用航空导航基站下TDOA算法误差分布示意图；

图13为本发明实施例的TDOA算法中心定位误差与测角精度关系示意图；

图14为本发明实施例的TDOA算法定位误差标准差与测角精度关系示意图；以及

图15为本发明实施例的TDOA算法中心定位误差与飞行高度关系示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

以下结合附图描述根据本发明实施例的基于地面移动通信网络的通用航空导航系统。

本发明实施例的导航系统的部分解释如下：

通用航空导航基站是在地面移动基站的基础上改装形成。普通移动基站仅包含水平天线，而通用航空导航基站增加一根垂直天线用于A/G数据链(导航信道)发射端，其水平天线仍用于地面移动通信。

A/G数据链(导航信道)由地面移动通信信道划出一条信道，通用航空导航基站在此信道上发射公共导航信号为所有通用飞行器提供导航业务。A/G数据链所采用的协议栈的物理层和链路层与地面移动网络(如GSM、IS95、WCDMA、CDMA2000、TD-SCDMA和LTE等)的物理层和链路层完全相同，但并不沿用地面移动网络传输层、网络层和应用层协议，其上层协议仅包含导航业务。

如图1所示，根据本发明实施例的基于地面移动通信网络的通用航空导航系统，包括通用航空导航基站110、通用航空器121和通用航空机载设备120。

通用航空导航基站110通过地面移动通信信道130向预定空域范围发射导航信号，其中所述预定空域范围为高度位于0-3000米的空域。通用航空机载设备120设置在通用航空器121上用于接收导航信号，并利用所述导航信号、所述通用航空导航基站110的三维坐标信息以及所述通用航空器121的姿态数据和高度信息进行解算得到所述通用航空器121的位置信息。其中，通用航空导航基站110向通用航空机载设备120发射的导航信号所占用的地面移动通信信道(图中所示的导航信道)为单向传输方式，通用航空导航基站110以广播的形式向预定空域范围发射导航信号。

根据本发明实施例的基于地面移动通信网络的通用航空导航系统，实现通用航空器121在低空(0-3000米高空)飞行过程中的定位导航功能，弥补现有航空导航体系低空覆盖盲区。基于地面移动通信网络的通用航空导航系统GAMAS依托地面移动通信网络架构，直接利用现有地面移动基站和数据链路，而无需专用的导航基站和导航数据链，极大地缩短了该系统的建设周期短、且建设成本低。本发明实施例的通用航空导航基站110是对普通地面移动基站增加垂直天线形成(如图1所示)，该垂直天线提供向3000米以下低空空域发射导航信号的功能，导航通信信道(图1中的导航信道)是在地面移动通信信道130上划出一条信道作为导航专用，并在此导航通信信道上以广播形式覆盖导航信号于整个低空空域，此导航通信信道同时为所有通用航空器121提供导航定位功能，提供高效的通用航空导航定位需求。另外，该导航信道为单向传输，通用航空器121仅接收导航信号而无应答，并由通用航空机载设备120自身进行定位解算，从而避免对现有民航导航系统(如DME)地面设施产生干扰。本发明实施例的定位算法利用目前地面移动通信网络成熟的基站布局和蜂窝结构能够提高定位的精确性，误差可降低至10米范围。

如图1所示，通用航空机载设备120包括天线阵列122、处理单元123、位置信息获取单元124、基站信息库125、机载信息采集单元126和定位算法单元127。

所述天线阵列122设置在所述通用航空器121上用于接收所述导航信号，其中，所述天线阵列122包括正交的第一天线阵列和第二天线阵列。如图1所示，第一天线阵列(轴向)沿机腹布置，第二天线阵列(横向)沿机翼下方布置，两个阵列方向分别与飞行器的轴向和横向重合。天线阵列122用于接收导航信号并为位置信息获取单元124提供导航信号副本。

处理单元123用于对所述天线阵列122的导航信号进行解码，并对解码后的导航信号进行分类以得到分类结果和所述通用航空导航基站编号，结合图1，在本发明的一个实施例中，处理单元123包括信号处理单元1231和算法前处理单元1232。信号处理单元1231用于对所述天线阵列122的导航信号进行放大、混频、解调和解码。算法前处理单元1232对解码后的导航信号进行识别、分类以得到导航信号的类型，根据所述类型选择夹角计算模块或伪码测距模块，将包含通用航空导航基站编号信息的部分送入基站信息库125。

位置信息获取单元124用于根据所述分类结果计算所述解码后的导航信号的传播方向与所述天线阵列122的夹角或所述通用航空导航基站110与所述天线阵列122之间的距离。结合图1，在本发明的具体示例中，位置信息获取单元124包括夹角计算模块(图1中的DOA模块)和伪码测距模块，其中，所述夹角计算模块用于计算所述解码后的导航信号的传播方向与所述天线阵列的夹角，即DOA模块根据天线阵列122收到的导航信号副本解算出来波方向与天线阵列122方向的夹角，并将此计算的夹角送入定位算法单元127。伪码测距模块用于根据所述解码后的导航信号的伪码序列的达到时间或相位变化得到所述解码后的导航信号由通用航空导航基站110传播至所述天线阵列122的时间，并根据所述时间得到所述通用航空导航基站110与所述天线阵列122之间的距离，即伪码测距模块分析接收到的伪码序列的时间或相位变化，得到导航信号由通用航空导航基站110传播至通用飞行器121所历经时间，进而解算出相对距离，并将此计算的相对距离距送入定位算法单元127。

基站信息库125用于根据所述通用航空导航基站编号获取相应的通用航空导航基站110的三维坐标信息。其中，基站信息库125包含所有地面通用航空导航基站110的三维坐标信息。

机载信息采集单元126用于获取所述通用航空器121的姿态数据和高度信息。即机载信息采集单元126接收通用飞行器121姿态传感器及高度表等信息，并将姿态数据和高度信息送入定位算法单元127。

定位算法单元127用于根据所述机载信息采集单元的姿态数据和高度信息、所述基站信息库126的三维坐标信息和所述位置信息获取单元124的夹角或距离得到所述通用航空器121的位置信息。在本发明的一个实施例中，定位算法单元127包括多基站来波方向定位算法M-DOA单元1271和来波时差定位算法TDOA单元1272。所述导航信号的类型包括GSM、CDMA或LTE类型。

进一步地，当所述导航信号的类型为GSM或LTE时，选择所述夹角计算模块，如DOA模块，计算所述解码后的导航信号的传播方向与所述天线阵列122之间的夹角。接着，定位算法单元127通过多基站联合定位算法M-DOA(如图1的M-DOA单元1271)，并根据所述机载信息采集单元126的姿态数据和高度信息、所述基站信息库125的三维坐标信息和所述位置信息获取单元124的夹角计算所述通用航空器的位置信息。

此外，如果所述导航信号的类型为CDMA时，选择所述伪码测距模块计算得到所述通用航空导航基站110与所述天线阵列122之间的距离。接着，所述定位算法单元127通过来波时差定位算法TDOA(如图1的TDOA单元1272)，并根据所述机载信息采集单元126的姿态数据和高度信息、所述基站信息库125的三维坐标信息和所述位置信息获取单元124的距离计算所述通用航空器的位置信息。

根据本发明的一个实施例，所述通用航空机载设备还包括显示装置(图中未示出)，所述显示装置用于对所述位置信息进行显示。

本发明实施例的导航系统中的算法实现如下，其中，导航定位算法中涉及以下两种坐标系：

如图2所示，地平导航坐标系(g系)：原点位于当地导航参考点，x轴指向航线方向，z轴沿球面法线方向指向天顶，y轴与其他两轴构成右手坐标系。

飞机载体坐标系(b系)：原点位于通航飞机质心，x轴指向载体的纵轴方向向前，z轴沿载体的竖轴方向向上，y轴与其他两轴构成右手坐标系。

从g系向b系转换只需乘飞机姿态矩阵H。假设整个飞行过程中无滚转，飞机的俯仰角和偏航角分别为

和θ_b，于是姿态矩阵表示为：

多基站联合DOA定位算法(M-DOA)的具体实现如下：

结合图1，当天线阵列122接收某一通用航空导航基站110的导航信号时，可以对来波方向进行估计，得到来波与阵列方向的夹角。由于机载设备布置沿x和y两个轴向的天线阵列，因此该导航基站来波相对b系x和y轴夹角可以得到。然后通过对飞行器姿态分析及坐标变换，可以得到g系下飞行器相对该通用航空导航基站110的俯仰角

和偏航角θ。联合通用飞行器121相对多个通用航空导航基站110的方位，进行最小二乘分析，即可得到最终的定位结果。算法分析中所用角度的几何关系如图2所示。

假设通过天线阵列122的DOA估计，两个来波方向角α和β，这时第三个方向角γ满足如下关系：

cos²α+cos²β+cos²γ＝1           (1)

然后飞行器的俯仰角

和偏航角θ由下式确定，

分析图2中角度和坐标的几何关系可以得到，

xtanθ-y＝x_Btanθ-y_B              (3)

当通用飞行器121同时接收到n个通用航空导航基站110的信号时，分别对各基站做DOA，并经公式2和3分别得到公式4的表达。将n个表达式写为如下矩阵形式，

$B\left[\begin{array}{c}x\\ y\end{array}\right]=b---\left(4\right)$

其中，

$B=\left[\begin{array}{cc}{\tan \mathrm{\θ}}_1& -1\\ .& .\\ .& .\\ .& .\\ {\tan \mathrm{\θ}}_n& -1\end{array}\right],$ $b=\left[\begin{array}{c}{x}_1{\tan \mathrm{\θ}}_1-y_1\\ .\\ .\\ .\\ x_n{\tan \mathrm{\θ}}_n-y_n\end{array}\right]$

式5为超定方程组，应求其最小二乘解，即

$\left[\begin{array}{c}x\\ y\end{array}\right]={\left(B^{\text{T}}\text{B}\right)}^{-1}{B}^{T}b---\left(5\right)$

于是得到飞行器水平位置坐标，其高度坐标通过各基站俯仰角关系并取平均得到

TDOA算法的实现如下：

当地面移动网络为CDMA网络时，飞行器接收到的信号中包含伪码序列，分析该序列时间或相位变化可以得到飞行器与该基站的相对距离。由于飞行器与地面基站的时钟不能严格同步，该相对距离包钟差带来的测距误差，因此不能直接利用该距离进行定位解算。然而，飞行器与两个基站之间的伪码测距之差消除了由与飞行器时钟不同步引起的误差。于是，联立飞行器与多个基站之间的测距差可以求解其位置坐标。

将基站i和i+1的测距差记为Δr_i＝r_i-r_i+1，其中，r_i和r_i+1分别表示飞行器到基站i和i+1的测距。

f_i(x，y，z)＝||x-x_i||₂-||x-x_i+1||₂-Δr_i       (7)

其中，x是飞行器当前坐标(g系下的坐标，下同)，x_i和x_i+1分别是基站i和i+1的坐标。

当飞机接收到k个(不小于4)基站测距信号时，可以得到k-1个如公式8的表达式。定义如下方程组，

$\left\{\begin{array}{c}{f}_1(x,y,z)=0\\ .\\ .\\ .\\ f_{k-1}(x,y,z)=0\end{array}\right.---\left(8\right)$

式9包含飞行器x、y、z坐标三个未知数，而通常方程个数多于三个，因此，方程组9是一个超定的非线性方程组，直接求解非常困难。此类非线性最小二乘问题通常采用高斯-牛顿法求解。记

f(x，y，z)＝(f₁，…，f_k-1)^T            (9)

对f求偏微分，有

$\mathrm{Df}{\left(x\right)}^T=\left[\begin{array}{ccccc}\frac{{\∂f}_1}{\∂x}& .& .& .& \frac{{\∂f}_{k-1}}{\∂x}\\ \frac{{\∂f}_1}{\∂y}& .& .& .& \frac{{\∂f}_{k-1}}{\∂y}\\ \frac{{\∂f}_1}{\∂z}& .& .& .& \frac{{\∂f}_{k-1}}{\∂z}\end{array}\right]---\left(10\right)$

根据高斯-牛顿法原理，式9的迭代解为：

x^*＝x-G(x)^-1g(x)       (11)

其中，x是上一次迭代结果，且G(x)＝Df(x)^TDf(x)，g(x)＝Df(x)^Tf(x)。

多次迭代后，当||x*-x||₂小于某一门限(如10-3m)时，即可将本次迭代解作为最终定位结果。

对于上述两种定位算法精度的测量如下：

在定位过程中，系统误差和随机误差同时存在，通常随机误差如高斯随机噪声等可以通过多次测量取平均的方法消除，而系统误差总是存在并影响最终的定位精度。这里，系统误差仅考虑DOA估计误差dα或伪码测距误差dr。采用几何精度因子(GDOP，Geometrical Dilution of Precision)描述定位误差的几何分布。定义

GDOP＝||x-x′||₂            (12)

其中，x是飞行器真实坐标，x′是定位结果。

通常，通用飞行器121的飞行高度可以由多种测量方式(如气压式高度表)，得到较高的测量精度，且航空中飞行高度参考标准与基站定位得到的绝对高度不同。因此，z方向的误差对于GA导航不具有实际参考意，只考虑x-y平面内的误差。

假设有n个基站参与飞行器的定位，在M-DOA算法中，系统输入为每个基站的2个波达方向角α_i，β_i，i＝1，2，…n，共计2n个系统输入。将定位结果定义为

x′＝g(α₁±dα，β₁±dα，…，α_n±dα，β_n±dα)         (13)

由于有2n个系统误差项，于是x′有2²ⁿ种取值可能。

同样，TDOA算法中，系统输入为n-1个测距差Δr_i，i＝1，2，…n-1，将定位结果定义为

x′＝h(Δr₁±dr，…，Δr_n-1±dr)          (14)

由于有n-1个系统误差项，x′有2^n-1种取值可能。

于是由公式13可以得到多个GDOP值，最终的GDOP定义为最大误差，即

GDOP＝max||x-x′||₂          (15)

【实施例】

对于7个移动基站构成的标准移动蜂窝结构，如图3所示，7个基站坐标分别为O(0，0，0)、A(4.33，2.5，0)、B(4.33，-2.5，0)、C(0，-5，0)、D(-4.33，-2.5，0)、E(-4.33，2.5，0)和F(0，5，0)，单位km。由于通用航空导航基站110覆盖绝大部分地区，基站A～F亦可与其周围基站构成如图3所示的标准蜂窝结构，因此仅对基站O覆盖区域进行定位精度的仿真，其他区域可以用同样的方法得到类似结果。

假设一架GA飞行器在基站O覆盖区域飞行，飞行高度为1000m，可以正常接收所有基站信号，并自动选择信噪比(SNR)较高的导航信号进行定位解算。认为SNR仅与距离有关，即距离飞行器越近的基站SNR越高。设DOA测角精度为0.1°。

图4～图6表示选择连接基站数不同时M-DOA算法的GDOP。可以看出，此算法定位精度达到10m量级，满足通航导航需求，并且仅在基站中心位置定位误差达到峰值，远离基站时误差呈衰减趋势。同时，图4所示的三基站定位算法中心误差最大，且不同几何位置误差起伏也最大。而图5所示的四基站定位算法较之三基站有明显改善，不仅表现在中心误差衰减，更重要的是误差曲面非常平滑，这意味着飞行过程中避免了因误差突然增大而导致导航失效的情况发生。从图6可以看出，五基站定位算法与四基站定位精度基本相同，无明显改善。由以上分析可知，M-DOA算法在连接基站数不少于四个时，定位精度达到最高，继续增加基站数达不到明显的效果。同时，连接基站越多，算法复杂度越高，且信号较弱的基站加入算法甚至有降低定位精度的可能性。因此，不建议采取多于五个基站的定位算法。

图7显示了不同测角精度下中心定位误差的变化情况。从图中可以看出，随着测角误差增大，中心定位误差呈近似线性增长。三基站定位时，测角误差每增大0.1°，中心定位误差增大约20m；而四个或四个以上基站定位时，此误差只有约15m甚至更小。

图8显示了不同测角精度下定位误差标准差的变化情况。从图中可以看出，随着测角误差的增大，标准差同样呈近似线性增长。同时，三基站定位的变化速率明显快于其他情形，而四基站定位时标准差变化最为平缓。因此，四基站下的M-DOA算法为最优选择。

图9是四基站M-DOA算法定位误差随飞行高度变化情况。从图中可以看出，随飞行高度增大，中心定位误差缓慢增长，且增长速率呈加快趋势。同时，测角误差越大，增长趋势越快。如测角0.1°误差时，飞行高度从0至3km，误差增大仅5m，而测角0.5°误差时，误差增长变为20m。

当地面移动网络为CDMA网络时，GA飞行器可以采用TDOA算法进行定位。图10～15显示了TDOA算法的仿真和分析结果。从图中可以看出，TDOA算法的GDOP与M-DOA算法基本类似，其变化趋势也基本相同。然而，两种算法仍然存在一些差异，具体表现在：

1、TDOA算法至少需要四个基站参与定位解算，且五个或五个以上基站的定位精度明显优于四个基站的情况。

2、TODA算法定位精度要优于DOA算法，在伪码测距误差3m时定位精度达到3～5m。

3、TDOA算法中心误差随测距误差的变化幅度小于M-DOA算法，如五基站定位时，测距误差每增大1m，中心误差增大5m。

4、TDOA算法误差标准差几乎不随测距误差的增大而改变，即误差分布的平滑性不会因环境变化而突变。

5、TDOA算法中心误差随飞行高度变化的幅度远小于M-DOA算法，当飞行高度从0到3km变化时，中心误差变化只有1～2m。

综上所述，TDOA算法在定位精度上要优于M-DOA算法，在地面移动网络为CDMA网络且飞行器连接基站数不少于五个时，采用TDOA算法进行定位。而TDOA算法执行条件不满足时，采用M-DOA算法进行定位，并且四基站下的M-DOA算法可以到达最好的定位效果。

流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本发明的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本发明的实施例所属技术领域的技术人员所理解。

在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备(如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统)使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，″计算机可读介质″可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。计算机可读介质的更具体的示例(非穷尽性列表)包括以下：具有一个或多个布线的电连接部(电子装置)，便携式计算机盘盒(磁装置)，随机存取存储器(RAM)，只读存储器(ROM)，可擦除可编辑只读存储器(EPROM或闪速存储器)，光纤装置，以及便携式光盘只读存储器(CDROM)。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得所述程序，然后将其存储在计算机存储器中。

应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。

本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。

此外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。

上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同限定。

Claims (10)

1.一种基于地面移动通信网络的通用航空导航系统，其特征在于，包括：

通用航空导航基站，所述通用航空导航基站通过地面移动通信信道向预定空域范围发射导航信号，所述通用航空导航基站通过在地面移动基站的基础上增加一根垂直天线而形成，并用该垂直天线作为A/G数据链发射端向3000米以下低空空域发射导航信号，而地面移动基站的水平天线仍用于地面移动通讯，其中所述预定空域范围为高度位于0-3000米的空域；

通用航空器；和

通用航空机载设备，所述通用航空机载设备设置在所述通用航空器上用于接收所述导航信号，并利用所述导航信号、所述通用航空导航基站的三维坐标信息以及所述通用航空器的姿态数据和高度信息进行解算得到所述通用航空器的位置信息，

其中，所述通用航空导航基站向所述通用航空机载设备发射的所述导航信号所占用的地面移动通信信道为单向传输方式，所述通用航空导航基站以广播的形式向所述预定空域范围发射导航信号。

2.根据权利要求1所述的通用航空导航系统，其特征在于，所述通用航空机载设备包括：

天线阵列，所述天线阵列设置在所述通用航空器上用于接收所述导航信号，其中，所述天线阵列包括正交的第一天线阵列和第二天线阵列；

处理单元，用于对所述天线阵列的导航信号进行解码，并对解码后的导航信号进行分类以得到分类结果和所述通用航空导航基站编号；

位置信息获取单元，用于根据所述分类结果计算所述解码后的导航信号的传播方向与所述天线阵列的夹角或所述通用航空导航基站与所述天线阵列之间的距离；

基站信息库，用于根据所述通用航空导航基站编号获取相应的通用航空导航基站的三维坐标信息；

机载信息采集单元，用于获取所述通用航空器的姿态数据和高度信息；和

定位算法单元，用于根据所述机载信息采集单元获取的通用航空器的姿态数据和高度信息、所述基站信息库根据所述通用航空导航基站编号获取的通用航空导航基站的三维坐标信息和所述位置信息获取单元根据分类结果计算获得的解码后的导航信号的传播方向与所述天线阵列的夹角或所述通用航空导航基站与所述天线阵列之间的距离得到所述通用航空器的位置信息。

3.根据权利要求2所述的通用航空导航系统，其特征在于，所述位置信息获取单元包括夹角计算模块和伪码测距模块，

其中，所述夹角计算模块用于计算所述解码后的导航信号的传播方向与所述天线阵列的夹角，所述伪码测距模块用于根据所述解码后的导航信号的伪码序列的达到时间或相位变化得到所述解码后的导航信号由通用航空导航基站传播至所述天线阵列的时间，并根据所述时间得到所述通用航空导航基站与所述天线阵列之间的距离。

4.根据权利要求3所述的通用航空导航系统，其特征在于，所述处理单元包括信号处理单元和算法前处理单元，

其中，所述信号处理单元用于对所述天线阵列的导航信号进行放大、混频、解调和解码，所述算法前处理单元对解码后的导航信号进行识别、分类以得到导航信号的类型，并根据所述类型选择夹角计算模块或伪码测距模块。

5.根据权利要求4所述的通用航空导航系统，其特征在于，所述导航信号的类型包括GSM、CDMA或LTE类型。

6.根据权利要求5所述的通用航空导航系统，其特征在于，当所述导航信号的类型为GSM或LTE时，选择所述夹角计算模块计算所述解码后的导航信号的传播方向与所述天线阵列之间的夹角。

7.根据权利要求6所述的通用航空导航系统，其特征在于，所述定位算法单元通过多基站来波方向定位算法M-DOA，并根据所述机载信息采集单元获取的通用航空器的姿态数据和高度信息、所述基站信息库根据所述通用航空导航基站编号获取的通用航空导航基站的三维坐标信息和所述位置信息获取单元根据分类结果计算获得的解码后的导航信号的传播方向与所述天线阵列的夹角或所述通用航空导航基站与所述天线阵列之间的距离得到所述通用航空器的位置信息。

8.根据权利要求5所述的通用航空导航系统，其特征在于，当所述导航信号的类型为CDMA时，选择所述伪码测距模块计算得到所述通用航空导航基站与所述天线阵列之间的距离。

9.根据权利要求8所述的通用航空导航系统，其特征在于，所述定位算法单元通过来波时差定位算法TDOA，并根据所述机载信息采集单元获取的通用航空器的姿态数据和高度信息、所述基站信息库根据所述通用航空导航基站编号获取的通用航空导航基站的三维坐标信息和所述位置信息获取单元根据分类结果计算获得的解码后的导航信号的传播方向与所述天线阵列的夹角或所述通用航空导航基站与所述天线阵列之间的距离得到所述通用航空器的位置信息。

10.根据权利要求1-9任一项所述的通用航空导航系统，其特征在于，所述通用航空机载设备还包括：

显示装置，所述显示装置用于对所述位置信息进行显示。

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