CN104062895A

CN104062895A - 伪卫星时间同步及其定位方法

Info

Publication number: CN104062895A
Application number: CN201410295510.6A
Authority: CN
Inventors: 孙希延; 纪元法; 孙希刚; 邓洪高; 符强; 严素清; 吴孙勇; 王守华; 肖建明; 廖桂生
Original assignee: Guilin University of Electronic Technology
Current assignee: Guilin University of Electronic Technology
Priority date: 2014-06-26
Filing date: 2014-06-26
Publication date: 2014-09-24

Abstract

本发明公开一种伪卫星时间同步及其定位方法，其基准站配备有高精度时钟，如铷原子钟，基准站发射同步信号；伪卫星站同步接收基准站发来的信号，经信号处理和授时计算，得到高精度的授时结果，并对伪卫星站的本地时钟进行修正；各个伪卫星站在本地时钟的控制下，发射测距信号。伪卫星用户定位过程中，伪卫星用户接收伪卫星站发射的信号，经信号处理后得到用户的定位结果。本发明实现简单且硬件成本较低。

Description

伪卫星时间同步及其定位方法

技术领域

本发明涉及卫星导航领域，具体涉及一种伪卫星时间同步及其定位方法。

背景技术

由于卫星导航系统本身的一些先天性因素制约，造成了某些难以克服的弱点。比如卫星导航信号很弱，容易受到有意和无意的干扰；其次，卫星导航完全依赖于对卫星无线电信号的接收，在卫星分布不良或健康状况不佳时，整个系统的稳定性和可靠性就会受到影响；特别是卫星始终保持在接收机天线上方较高的高度角，造成卫星集合图形结构不尽合理，从根本上限制了测高的精度。伪卫星就是在这种情况下提出的，采用伪卫星这些问题都可以解决。伪卫星可以广泛应用于室内、隧道、地下停车场等。

但是，伪卫星一般采用精度不是很高的时钟，而且随着时间还会产生钟漂误差，在采用时间里各个伪卫星站就不能精确同步，从而带来定位误差。目前，伪卫星站的同步技术有光纤同步技术、双向时间比对技术等。但是，这些技术有些成本较高，有些技术复杂，实现起来比较困难。

此外，伪卫星用户要实现实时三维定位，需要同时接收3个以上的伪卫星信号，用户接收到伪卫星信号后，经下变频、信号捕获、信号跟踪、电文解码、伪距提取和定位解算，从而实现用户的实时定位。在此过程中，如何保证伪卫星到用户的伪距同步提取和精确测定是伪卫星用户高精度定位的关键所在。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种实现简单，且硬件成本较低的一种伪卫星时间同步及其定位方法。

为解决上述问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

一种伪卫星时间同步方法，包括如下步骤：

步骤1，在空间内增设一个基准站；该基准站的位置固定，且三维位置预先已知；

步骤2，基准站的原子钟产生精确的基准时间；基准站的信号处理模块把原子钟产生的基准时间、基准站的三维位置和基准站的编号进行信息编码，编码后的信息与基准站的扩频码进行扩频调制，经扩频后的基准信号再经过载波调制和上变频；最后经基准站的发射天线发射出去；

步骤3，位置固定且三维位置预先已知的伪卫星站接收基准站发来的基准信号；

步骤4，伪卫星站将基准信号下变频，并对下变频后的基准信号进行基带信号处理和信号捕获及跟踪后，实现对基准站的基准信号的连续跟踪；通过信息解码模块得到基准站的三维位置、基准站的编号和基准时间信息；

步骤5，计算伪卫星站到基准站的距离，并换算为时间差，从而得到伪卫星站的精确时间；并用所得的伪卫星站的精确时间去校正本地伪卫星站的本地时钟；其中

t_{i} = t_{0} + \sqrt{{(x_{g} - x_{i}^{p})}^{2} + {(y_{g} - y_{i}^{p})}^{2} + {(z_{g} - z_{i}^{p})}^{2}} / c - - - (1)

式中，t_i为伪卫星站的精确时间；(x_g,y_g,z_g)为基准站的三维位置；为伪卫星站的三维位置，其中i(i＝1,2,3,…,n)表示伪卫星的站号；t₀为基准站发射信号的时间，c为光速。

上述方案中，基准站和伪卫星站的三维位置均采用GNSS载波相位实时动态差分方法预先确定。

上述方案中，基准站的信息编码格式采用GPS或BD2的导航电文编码格式。

上述方案中，基准站的产生的扩频码的码形、码长和码速率都与GPS或BD2的一样，而扩频码的序列与GPS和BD2在轨卫星不同。

上述方案中，基准站的扩频调制采用BPSK或BOC扩频调制。

一种伪卫星时间同步定位方法，包如下步骤：

步骤3，3个或3个以上的伪卫星站同时接收同一个基准站发来的基准信号；上述伪卫星站的位置固定，且三维位置均预先已知；

步骤4，每个伪卫星站将基准信号下变频，并对下变频后的基准信号进行基带信号处理和信号捕获及跟踪后，实现对基准站的基准信号的连续跟踪；通过信息解码模块得到基准站的三维位置、基准站的编号和基准时间信息；

步骤5，分别计算每个伪卫星站到基准站的距离，并换算为时间差，从而得到伪卫星站的精确时间；并用所得的伪卫星站的精确时间去校正该伪卫星站的本地时钟的本地时间；其中

t_{i} = t_{0} + \sqrt{{(x_{g} - x_{i}^{p})}^{2} + {(y_{g} - y_{i}^{p})}^{2} + {(z_{g} - z_{i}^{p})}^{2}} / c - - - (1)

式中，t_i为伪卫星站的精确时间；(x_g,y_g,z_g)为基准站的三维位置；为伪卫星站的三维位置，其中i(i＝1,2,3,…,n)表示伪卫星的站号；t₀为基准站发射信号的时间，c为光速；

步骤6，在本地时钟的控制下，每个伪卫星站把伪卫星站的本地时间、伪卫星站的三维位置和伪卫星站的站号进行编码，编码后的信息与伪卫星站的扩频码扩频调制，扩频后的信号经载波调制和上变频，由伪卫星站的发射天线出去；

步骤7，伪卫星用户同时接收3个或3个以上的伪卫星站发来的信号；

步骤8，伪卫星用户先将伪卫星站发来的射频信号下变频为基带信号；并对基带信号进行信号的捕获，以区别来自不同伪卫星站的信号；后对捕获信号进行连续跟踪；再把信号中的把伪卫星站的本地时间、伪卫星站的三维位置和伪卫星站的站号解码出来；

步骤9，计算伪卫星站到伪卫星用户的时间差，从而得到伪卫星站到用户的距离；当同时接收到3个以上伪卫星站发来的信号后，即可进行定位解算，即

\{\begin{matrix} ρ_{1} = \sqrt{{(x_{u} - x_{1}^{p})}^{2} + {(y_{u} - y_{1}^{p})}^{2} + {(z_{u} - z_{1}^{p})}^{2}} + {cdt}_{u} \\ ρ_{2} = \sqrt{{(x_{u} - x_{2}^{p})}^{2} + {(y_{u} - y_{2}^{p})}^{2} + {(z_{u} - z_{2}^{p})}^{2}} + {cdt}_{u} \\ \cdot \\ \cdot \\ \cdot \\ ρ_{n} = \sqrt{{(x_{u} - x_{n}^{p})}^{2} + {(y_{u} - y_{n}^{p})}^{2} + {(z_{u} - z_{n}^{p})}^{2}} + {cdt}_{u} \end{matrix} - - - (2)

式中，(x_u,y_u,z_u)是伪卫星用户的三维位置；是伪卫星站的位置，通过信息解码得到；ρ_i是伪卫星用户对第i伪卫星站观测的伪距测量值；cdt_u是伪卫星用户时钟引起的测距误差。

上述方案中，基准站和伪卫星站的信息编码格式采用GPS或BD2的导航电文编码格式。

上述方案中，基准站和伪卫星站的产生的扩频码的码形、码长和码速率都与GPS或BD2的一样，而扩频码的序列与GPS和BD2在轨卫星不同。

上述方案中，基准站和伪卫星站的扩频调制采用BPSK或BOC扩频调制。

与现有技术相比，本发明的伪卫星站同时接收基准站发送的扩频信号，伪卫星站通过信号接收、基带信号处理、伪距提取和解算，完成了伪卫星站的高精度授时，并用授时结果校正本地伪卫星站的原子钟，从而实现伪卫星站之间的时间的同步和时间溯源。这样在进行定位时，由于3个或3个以上的伪卫星站均与基准站进行了时间同步，因而在伪卫星站同步的基础上进行的定位，能够更加精确。可见，本方法不仅实现简单，而且硬件成本较低。

附图说明

图1是本发明伪卫星时间同步定位方法的原理图。

图2是基准站信号处理过程额原理图。

图3是伪卫星站信号处理过程的原理图。

图4是伪卫星用户定位过程的原理图。

具体实施方式

本发明一种伪卫星时间同步定位方法的原理图如图1所示，包括伪卫星时间同步过程和伪卫星用户定位过程。即：

步骤5，分别计算每个伪卫星站到基准站的距离，并换算为时间差，从而得到伪卫星站的精确时间；并用所得的伪卫星站的精确时间去校正该伪卫星站的本地时钟的本地时间；

步骤9，计算伪卫星站到伪卫星用户的时间差，从而得到伪卫星站到用户的距离；当同时接收到3个以上伪卫星站发来的信号后，即能进行定位解算。

伪卫星时间同步过程中，基准站配备有高精度时钟，如铷原子钟，基准站发射同步信号；伪卫星站同步接收基准站发来的信号，经信号处理和授时计算，得到高精度的授时结果，并对伪卫星站的本地时钟进行修正；各个伪卫星站在本地时钟的控制下，发射测距信号。伪卫星用户定位过程中，伪卫星用户接收伪卫星站发射的信号，经信号处理后得到用户的定位结果。下面详细介绍其组成：

基准站

如附图2所示，基准站配备有高精度的原子钟、信号处理模块和发射天线。其中，高精度原子钟可以采用成本和体积较小的铷原子钟；基带信号处理模块负责信息编码、扩频码产生、扩频调制、载波产生、载波调制和上变频；天线负责把调制好的信号发射出去。

基准站位置是固定的，且位置预先高精度测量得到，如采用GNSS载波相位RTK技术，以保证定位精度在cm级以上。基准站把本地时间、三维位置、基准站编号等信息进行信息编码，为了简化伪卫星站硬件结构，其编码格式可以采用GPS或BD2的导航电文编码方式。编码后的信息与基准站的扩频码进行扩频调制，基准站的扩频码也可参考GPS或BD2的扩频码，即码形、码长和码速率都与GPS或BD2的一样，为了与在轨GPS或BD2卫星区分开来，采用的扩频码序列与GPS和BD2在轨卫星不一样，扩频方式可以采用BPSK或BOC等，经扩频后的信号再经过载波调制和上变频，最后经天线发射出去。

伪卫星站

为了完成伪卫星用户的实时定位，一般配置3个以上的伪卫星站。每个伪卫星站的位置事先精确测定，采用的测定方法与基准站的测定方法一样。如附图3所示，伪卫星站配备有收发天线、基带信号处理模块、解调模块、测距模块、授时模块、时钟校正模块、信息编码模块、扩频调制模块、载波调制模块和上变频模块。

接收天线接收基准站发来的信号，经基带信号处理(包括信号捕获很跟踪)实现对基准站信号的连续跟踪；通过信息解码模块得到基准站的位置、基准站号和时间等信息；伪卫星站预先测得，计算伪卫星站到基准站距离，并换算为时间差，从而得到伪卫星站的精确时间。

设基准站的位置为(x_g,y_g,z_g)，t₀时刻发射信号。伪卫星站的位置为其中i(i＝1,2,3,…,n)表示伪卫星站号，基准站信号在t_i时刻到达第i个伪卫星站，则伪卫星站的时间t_i为：

t_{i} = t_{0} + \sqrt{{(x_{g} - x_{i}^{p})}^{2} + {(y_{g} - y_{i}^{p})}^{2} + {(z_{g} - z_{i}^{p})}^{2}} / c - - - (1)

用该精度时间校正本地伪卫星站的时钟；在本地时钟的控制下，把时间、伪卫星站位置等信息进行编码，编码格式可以参考GPS或BD2电文编码方式；编码后的信息与伪卫星站的扩频码扩频调制，扩频码可以参考GPS或BD2的扩频码，同样，选用的码序列与在轨的GPS或BD2卫星的码序列也不同；扩频后的信号经载波调制和上变频，由天线发射出去。

伪卫星用户

如附图4所示，伪卫星用户由下变频模块、信号捕获模块、信号跟踪模块、解码模块、测距模块和用户PVT解算模块组成。用户天线同时接收3个以上的伪卫星站发来的信号；下变频模块对信号实现下变频，把信号从射频信号变为基带信号；信号捕获模块完成信号的捕获，并区别来自不同伪卫星站的信号；跟踪模块实现对捕获信号的连续跟踪；解码模块把信号的伪卫星站站号、伪卫星站位置、时间等信号解码出来；计算伪卫星站到用户的时间差，从而得到伪卫星站到用户的距离；到同时接收到3个以上伪卫星站发来的信号后，就可以进行定位解算。

\{\begin{matrix} ρ_{1} = \sqrt{{(x_{u} - x_{1}^{p})}^{2} + {(y_{u} - y_{1}^{p})}^{2} + {(z_{u} - z_{1}^{p})}^{2}} + {cdt}_{u} \\ ρ_{2} = \sqrt{{(x_{u} - x_{2}^{p})}^{2} + {(y_{u} - y_{2}^{p})}^{2} + {(z_{u} - z_{2}^{p})}^{2}} + {cdt}_{u} \\ \cdot \\ \cdot \\ \cdot \\ ρ_{n} = \sqrt{{(x_{u} - x_{n}^{p})}^{2} + {(y_{u} - y_{n}^{p})}^{2} + {(z_{u} - z_{n}^{p})}^{2}} + {cdt}_{u} \end{matrix} - - - (2)

式中，(x_u,y_u,z_u)是用户的三维位置；是伪卫星站的位置，通过信息解码得到；ρ_i是用户对第i伪卫星站观测的伪距测量值；cdt_u是用户时钟引起的测距误差。

在上述方程(2)中，未知量有4个，分别是x_u,y_u,z_u,cdt_u，当观测量大于3个时，上述方程就可以解算。

首先，方程(2)泰勒线性展开为，

\{\begin{matrix} 0 = a_{1} δ x_{u} + b_{1} δ y_{u} + c_{1} δ z_{u} + {cdt}_{u} + R_{1}^{0} - ρ_{1} \\ 0 = a_{2} δ x_{u} + b_{2} δ y_{u} + c_{2} δ z_{u} + {cdt}_{u} + R_{0}^{2} - ρ_{2} \\ \cdot \\ \cdot \\ \cdot \\ 0 = a_{n} δ x_{u} + b_{n} δ y_{u} + c_{n} δ z_{u} + {cdt}_{u} + R_{n}^{0} - ρ_{n} \end{matrix} - - - (3)

式中，是用户概率位置，(δx_u,δy_u,δz_u)是用户真实位置与概率位置的位置差，则

{δx}_{u} = x_{u} - x_{u}^{0}, {δy}_{u} = y_{u} - y_{u}^{0}, {δz}_{u} = z_{u} - z_{u}^{0} - - - (4)

(a_i,b_i,c_i)是用户到伪卫星站的方向余弦，则

a_{i} = - \frac{x_{i}^{p} - x_{u}^{0}}{R_{i}^{0}}, b_{i} = - \frac{y_{i}^{p} - y_{u}^{0}}{R_{i}^{0}}, c_{i} = - \frac{z_{i}^{p} - z_{u}^{0}}{R_{i}^{0}} - - - (5)

是第i个伪卫星站到用户概率位置的距离，则

R_{i}^{0} = \sqrt{{(x_{u}^{0} - x_{i}^{p})}^{2} + {(y_{u}^{0} - y_{i}^{p})}^{2} + {(z_{u}^{0} - z_{i}^{p})}^{2}} - - - (6)

当用户观测到3个以上的伪卫星站发来的信号，方程(3)就可以解算了，即计算得到(δx_u,δy_u,δz_u,cdt_u)，并用该值修正用户的概率坐标，即

x_{u}^{1} = x_{u}^{0} + {δx}_{u}, y_{u}^{1} = y_{u}^{0} + {δy}_{u}, z_{u}^{1} = z_{u}^{0} + {δz}_{u} - - - (7)

把代替方程(3)中的继续下一步迭代计算，假如迭代了k次，(δx_u,δy_u,δz_u)值足够小，迭代计算结束，此时，用户的位置为

x_{u} \overset{\cdot}{=} x_{u}^{k}, y_{u} \overset{\cdot}{=} y_{u}^{k}, z_{u} \overset{\cdot}{=} z_{u}^{k},

这就是伪卫星用户最后解算位置。

Claims

1.伪卫星时间同步方法，其特征是，包括如下步骤：

步骤5，计算伪卫星站到基准站的距离，并换算为时间差，从而得到伪卫星站的精确时间；并用所得的伪卫星站的精确时间去校正本地伪卫星站的本地时钟。

2.根据权利要求1所述的伪卫星时间同步方法，其特征是，基准站和伪卫星站的三维位置均采用GNSS载波相位实时动态差分方法预先确定。

3.根据权利要求1所述的伪卫星时间同步方法，其特征是，基准站的信息编码格式采用GPS或BD2的导航电文编码格式。

4.根据权利要求1所述的伪卫星时间同步方法，其特征是，基准站的产生的扩频码的码形、码长和码速率都与GPS或BD2的一样，而扩频码的序列与GPS和BD2在轨卫星不同。

5.根据权利要求1所述的伪卫星时间同步方法，其特征是，基准站的扩频调制采用BPSK或BOC扩频调制。

6.伪卫星时间同步定位方法，其特征是，包如下步骤：

7.根据权利要求6所述的伪卫星时间同步方法，其特征是，基准站和伪卫星站的三维位置均采用GNSS载波相位实时动态差分方法预先确定。

8.根据权利要求6所述的伪卫星时间同步方法，其特征是，基准站和伪卫星站的信息编码格式采用GPS或BD2的导航电文编码格式。

9.根据权利要求6所述的伪卫星时间同步方法，其特征是，基准站和伪卫星站的产生的扩频码的码形、码长和码速率都与GPS或BD2的一样，而扩频码的序列与GPS和BD2在轨卫星不同。

10.根据权利要求6所述的伪卫星时间同步方法，其特征是，基准站和伪卫星站的扩频调制采用BPSK或BOC扩频调制。