CN104133221B - 一种基于通用接收机的伪卫星定位系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于通用接收机的伪卫星定位系统，包含导航接收机、时钟/频率模块、微处理器及卫星信号模拟器，微处理器包含选星模块、及与选星模块信号连接的电文生成模块，导航接收机接收在轨卫星的可视卫星信号，其输出端分别与时钟/频率模块、选星模块、电文生成模块相信号连接，时钟/频率模块、选星模块、电文生成模块分别与卫星信号模拟器相信号连接。本发明适用于通用接收机，实现伪卫星和在轨卫星联合定位，伪卫星采用在轨卫星相同的电文格式，支持现有的普通卫星导航定位接收机，根据信号覆盖区域自动选择转发卫星，精确控制信号发射时间，伪卫星发射信号和真实信号的伪距转发误差不超过20ns，设计合理，伪距误差小、定位精度高。
Description
技术领域
本发明涉及卫星导航定位领域，特别涉及一种基于通用接收机的伪卫星定位系统。
背景技术
卫星导航定位系统在各个领域得到了广泛的应用，但卫星导航存在卫星信号到达地面的功率较低，对于植被茂密或山体遮挡严重的范围较大(达到公里量级)区域的定位，现有的Wi-Fi定位、移动通信网络定位等技术难以应用，最有效可行的方式伪卫星定位方式。伪卫星定位方式是指通过在地面架设信号发射器，发射与卫星信号相似的导航信号，辅助接收机完成定位和导航。
现有的基于伪卫星的定位技术都需要对接收机进行改进，主要的原因是卫星导航定位系统里的卫星位置的星历都是采用的开普勒六参数的方式发布，接收机根据开普勒六参数及其修正参数实时计算出卫星的位置，而伪卫星的位置无法直接用开普勒六参数来表示，一般都采用地球协议坐标的方式来表示，所以普通的接收机无法解析这部分参数，也就无法获得卫星的位置。为了使用伪卫星，接收机必须要开辟专门的通道来解析伪卫星的电文信息，这就限制了通用接收机利用伪卫星来进行定位。特别是对于目前广泛使用的移动终端的接收机来说，无法利用这种伪卫星的信号进行定位，也就限制了伪卫星技术的应用；而传统的卫星转发器是通过对卫星信号频段内的信号放大后转发的方式来转发卫星信号的，其只能转发频段内的所有卫星信号，并不能区分卫星通道，这种转发器如果发射功率较大，会严重干扰接收机正常接收天上的卫星信号。
发明内容
针对现有技术中的不足，本发明提供一种伪卫星和在轨卫星联合定位、伪卫星发射信号和在轨卫星信号同步，不需要对接收机进行任何改动，伪距误差小、定位精度高的基于通用接收机的伪卫星定位系统，。
按照本发明所提供的设计方案，一种基于通用接收机的伪卫星定位系统，包含导航接收机、时钟/频率模块、微处理器及卫星信号模拟器，微处理器包含选星模块、及与选星模块信号连接的电文生成模块，导航接收机接收在轨卫星的可视卫星信号，其输出端分别与时钟/频率模块、选星模块、电文生成模块相信号连接，时钟/频率模块、选星模块、电文生成模块分别与卫星信号模拟器相信号连接。
上述的，时钟/频率模块采用能够产生GPS/UTC时间、高精度1pps及高精度、高稳定性的时钟信号的高稳晶振。
上述的，卫星信号模拟器包含与电文生成模块连接的扩频模块、与扩频模块连接的调制模块、与调制模块连接的射频模块、与射频模块连接的天线、与选星模块连接的PN码发生器，PN码发生器输出端与扩频模块连接，卫星信号模拟器还包含多普勒频偏计算模块，多普勒频偏计算模块通过控制软件实现卫星星历存储及多普勒频偏计算，并将计算结果传输给调制模块。
上述的，该伪卫星定位系统还包含伪距误差修正模块。
优选的，伪距误差修正模块包含测量从基带信号产生到信号发射的时间差的时延测试设备、进行伪距测量的测试用卫星信号接收机。
一种基于通用接收机的伪卫星定位方法，包含如下步骤：
步骤1.导航接收机接收可视卫星信号，将UTC/GPS时间及1pps发送给时钟/频率模块，将获得的原始导航电文编帧，并将编帧后的导航电文、UTC/GPS时间及该卫星的位置信息发送给选星模块和电文生成模块；
步骤2.根据用户终端所在位置及所接收可视卫星信号的在轨卫星分布情况，选择转发卫星；
步骤3.电文生成模块将该可视卫星的导电航文提取，并进行导电航文的递推和再生成；
步骤4.模拟信号的生成和发射；
步骤5.伪距误差测试及修正。
所述步骤3中导电航文的递推和再生成包含如下步骤：精确计算卫星信号模拟器的每帧信号发射时间，并根据计算结果加入修正值测试；根据当前的时间递推出新的导航电文，在接收到新的导航电文后，和递推的导航电文进行比对，得出误差范围值。
优选的，所述步骤3中导电航文的递推内容包含开普勒六参数、轨道摄动九参数和时间二参数。
所述步骤4包含如下步骤：卫星信号模拟器根据选星模块的选星结果生成该卫星的PN码，用该PN码调制电文生成模块再生成的导航电文，并产生基带导航信号；根据卫星的位置和速度，计算多普勒频移，将基带导航信号调制到发射的信号频率并发射出去。
所述步骤5中伪距误差包含折现误差、内部处理时延误差、在轨卫星和伪卫星位置误差、模拟卫星运动误差、有限字段长度误差。
本发明基于通用接收机的伪卫星定位系统的有益效果：
1.本发明适用于通用接收机，实现伪卫星和在轨卫星联合定位，实现伪卫星所发射的信号和在轨卫星的信号同步，伪卫星采用在轨卫星相同的电文格式，不需要对接收机进行任何改动，支持现有的普通卫星导航定位接收机，在不干扰接收机能够正常接收的信号的情况下，根据信号覆盖的区域自动选择转发卫星，精确控制信号的发射时间，伪卫星发射的信号和真实信号的伪距转发误差不超过20ns，实现能够根据选择的转发卫星位置、卫星信号模拟器位置、用户终端的位置范围进行伪距误差的修正。
2.本发明对于一些遮挡区域的定位需求，能够在不干扰正常接收的卫星信号的前提下，使得接收机能够接收到大于等于4颗卫星的信号进行定位解算，伪卫星发射的信号对定位结果的影响小，设计更合理，伪距误差小、定位精度更高。
附图说明：
图1为本发明基于通用接收机的伪卫星定位系统的组成结构示意图；
图2为本发明的伪卫星模块原理框图；
图3为本发明的选星示意图；
图4为本发明的选星模块原理框图；
图5为本发明的导航电文递推示意图；
图6为本发明的电文生成模块原理框图；
图7为本发明的时钟/频率模块原理框图；
图8为本发明的卫星信号模拟器原理框图；
图9为本发明的折线误差示意图。
具体实施方式：
下面结合附图和技术方案对本发明作进一步详细的说明，并通过优选的实施例详细说明本发明的实施方式，但本发明的实施方式并不限于此。
实施例：一种基于通用接收机的伪卫星定位系统，伪卫星系统包含导航接收机、时钟/频率模块、微处理器及卫星信号模拟器，微处理器包含选星模块、及与选星模块信号连接的电文生成模块，导航接收机接收在轨卫星的可视卫星信号，其输出端分别与时钟/频率模块、选星模块、电文生成模块相信号连接，时钟/频率模块、选星模块、电文生成模块分别与卫星信号模拟器相信号连接。导航接收机具备授时功能，能够输出UTC或GPS时间，输出高精度的1pps，误差小于100ns。
上述的，时钟/频率模块采用能够产生GPS/UTC时间、1pps及高精度的时钟信号的高稳晶振，输出时间信号主要是GPS/UTC时间及1pps，频率信号主要是10MHz时钟信号。
上述的，卫星信号模拟器包含与电文生成模块连接的扩频模块、与扩频模块连接的调制模块、与调制模块连接的射频模块、与射频模块连接的天线、与选星模块连接的PN码发生器，PN码发生器输出端与扩频模块连接，卫星信号模拟器还包含多普勒频偏计算模块，多普勒频偏计算模块通过控制软件实现卫星星历存储及多普勒频偏计算，并将计算结果传输给调制模块。根据选星模块的选星结果，生成该颗卫星的PN码，并用该PN码调制电文生成模块给出的电文，在给定的时刻产生基带导航信号；然后根据卫星的位置和速度，计算多普勒频移，将基带导航调制到发射的信号频率，并将信号发射出去。由于要尽可能减少对周边区域正常卫星信号的影响，需要采用定向天线；将天线的主波束对准需要进行定位服务的区域，以减少对周边区域及天空飞行物的影响，控制信号的精确发射时间，通过1pps和10MHz，在给定的时刻产生发射信号，控制精确度能够达到10ns，加上1pps的误差，总的发射时刻的误差小于30ns，对应的伪距误差小于9米。
上述的，该伪卫星定位系统还包含伪距误差修正模块。
优选的，伪距误差修正模块包含测量从基带信号产生到信号发射的时间差的时延测试设备、进行伪距测量的测试用卫星信号接收机。
导航接收机接收到可视的卫星信号，将UTC/GPS时间及1pps发送给时钟/频率模块；时钟/频率模块采用高稳定晶振，如双恒温槽晶振，产生高稳定的10MHz时钟信号和高精度的1pps；同时，导航接收机将编帧过的原始导航电文、UTC/GPS时间及经过平差和修正后的位置信息发送给电文生成模块和选星模块，电文生成模块和选星模块结合外部设置的参数进行转发卫星的选择和电文的递推，并生成所选卫星的递推星历，将这些信息发送到卫星信号模拟器；卫星信号模拟器结合时钟/频率模块的时频信号模拟所选择的卫星信号，并发射出去。
一种基于通用接收机的伪卫星定位方法，包含如下步骤：
步骤1.导航接收机接收可视卫星信号，将UTC/GPS时间及1pps发送给时钟/频率模块，将获得的原始导航电文编帧，并将编帧后的导航电文、UTC/GPS时间及该卫星的位置信息发送给选星模块和电文生成模块；
步骤2.根据用户终端所在位置及所接收可视卫星信号的在轨卫星分布情况，选择转发卫星，选择非可视区域且折线角度尽可能小的区域的卫星；
步骤3.电文生成模块将该可视卫星的导电航文提取，并进行导电航文的递推和再生成；
步骤4.模拟信号的生成和发射；
步骤5.伪距误差测试及修正。
所述步骤3中导电航文的递推和再生成包含如下步骤：由于伪卫星产生的信号要和可视的在轨卫星联合定位，所以要求模拟的信号要和真实信号尽可能一致，这就需要精确计算卫星信号模拟器的每帧信号发射时间，并根据计算结果加入修正值测试；由于要延迟发射本帧信号，所以需要根据当前的时间递推出新的导航电文，在接收到新的导航电文后，和递推的导航电文进行比对，得出误差范围值。
优选的，所述步骤3中导电航文的递推内容包含开普勒六参数、轨道摄动九参数和时间二参数。
所述步骤4包含如下步骤：卫星信号模拟器根据选星模块的选星结果生成该卫星的PN码，用该PN码调制电文生成模块再生成的导航电文，并产生基带导航信号；根据卫星的位置和速度，计算多普勒频移，将基带导航信号调制到发射的信号频率并发射出去。
所述步骤5中伪距误差包含折现误差、内部处理时延误差、在轨卫星和伪卫星位置误差、模拟卫星运动误差、有限字段长度误差。
伪卫星实际是延迟转发不可视的卫星信号，相对于可视卫星信号来说，用户终端接收到的信号实际上相当于折线传输，会带来和直线传输相比的三角形折线误差。服务的区域是已知的，但是用户的具体位置是未知的，所以折线误差可以进行一定程度的修正，如针对服务区域的质心位置进行折线误差修正，那么在质心位置附近的用户的折线误差较小，离质心位置越远，误差越大。折线误差的修正主要在选星的时候，根据外部输入的服务区域和卫星的位置进行修正，当服务区域和伪卫星位置确定后，修正值和图9所示中的角度θ相关，假设卫星到伪卫星的距离为20200Km，伪卫星到服务区域质心的距离为2Km，那么折线误差和角度θ相关。由于伪卫星到服务区域质心的距离为2Km，所以θ是很小的一个角度，折线误差是较小的，当α大于90°时，误差小于即折线误差一般小于0.1m。当α小于90°时，相当于反射信号，折线误差会急剧增加。
通过实际测试的方法减少从基带信号到发射之间的内部处理时延误差及在轨卫星和伪卫星位置误差、模拟卫星运动误差、有限字段长度误差等，或通过实时监控递推的导航电文和导航接收机实时接收的导航电文的误差，及时修正电文递推的结果，通过时间差的时延测试设备、进行伪距测量的测试用卫星信号接收机进一步提高定位精度。
本发明并不局限于上述具体实施方式，本领域技术人员还可据此做出多种变化，但任何与本发明等同或者类似的变化都应涵盖在本发明权利要求的范围内。
Claims (10)
1.一种基于通用接收机的伪卫星定位系统，其特征在于：包含导航接收机、时钟/频率模块、微处理器及卫星信号模拟器，微处理器包含选星模块、及与选星模块信号连接的电文生成模块，导航接收机接收在轨卫星的可视卫星信号，其输出端分别与时钟/频率模块、选星模块、电文生成模块相信号连接，时钟/频率模块、选星模块、电文生成模块分别与卫星信号模拟器相信号连接，选星模块根据用户终端所在位置及所接收可视卫星信号的在轨卫星分布情况选择转发卫星，选择非可视区域且折线角度尽可能小的区域的卫星。
2.根据权利要求1所述的基于通用接收机的伪卫星定位系统，其特征在于：时钟/频率模块采用能够产生GPS/UTC时间、1pps及时钟信号的高稳晶振。
3.根据权利要求1所述的基于通用接收机的伪卫星定位系统，其特征在于：卫星信号模拟器包含与电文生成模块连接的扩频模块、与扩频模块连接的调制模块、与调制模块连接的射频模块、与射频模块连接的天线、与选星模块连接的PN码发生器，PN码发生器输出端与扩频模块连接，卫星信号模拟器还包含多普勒频偏计算模块，多普勒频偏计算模块通过控制软件实现卫星星历存储及多普勒频偏计算，并将计算结果传输给调制模块。
4.根据权利要求1所述的基于通用接收机的伪卫星定位系统，其特征在于：该伪卫星定位系统还包含伪距误差修正模块。
5.根据权利要求4所述的基于通用接收机的伪卫星定位系统，其特征在于：伪距误差修正模块包含测量从基带信号产生到信号发射的时间差的时延测试设备、进行伪距测量的测试用卫星信号接收机。
6.一种基于如权利要求1所述的伪卫星定位系统的基于通用接收机的伪卫星定位方法，其特征在于：包含如下步骤：
步骤1.导航接收机接收可视卫星信号，将UTC/GPS时间及1pps发送给时钟/频率模块，将获得的原始导航电文编帧，并将编帧后的导航电文、UTC/GPS时间及该卫星的位置信息发送给选星模块和电文生成模块；
步骤2.根据用户终端所在位置及所接收可视卫星信号的在轨卫星分布情况，选择转发卫星，选择非可视区域且折线角度尽可能小的区域的卫星；
步骤3.电文生成模块将该可视卫星的导电航文提取，并进行导电航文的递推和再生成；
步骤4.模拟信号的生成和发射；
步骤5.伪距误差测试及修正。
7.根据权利要求6所述的基于通用接收机的伪卫星定位方法，其特征在于：所述步骤3中导电航文的递推和再生成包含如下步骤：精确计算卫星信号模拟器的每帧信号发射时间，并根据计算结果加入修正值测试；根据当前的时间递推出新的导航电文，在接收到新的导航电文后，和递推的导航电文进行比对，得出误差范围值。
8.根据权利要求6所述的基于通用接收机的伪卫星定位方法，其特征在于：所述步骤4包含如下步骤：卫星信号模拟器根据选星模块的选星结果生成该卫星的PN码，用该PN码调制电文生成模块再生成的导航电文，并产生基带导航信号；根据卫星的位置和速度，计算多普勒频移，将基带导航信号调制到发射的信号频率并发射出去。
9.根据权利要求6所述的基于通用接收机的伪卫星定位方法，其特征在于：所述步骤5中伪距误差包含折现误差、内部处理时延误差、在轨卫星和伪卫星位置误差、模拟卫星运动误差、有限字段长度误差。
10.根据权利要求7所述的基于通用接收机的伪卫星定位方法，其特征在于：
所述步骤3中导电航文的递推内容包含开普勒六参数、轨道摄动九参数和时间二参数。
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