CN104392108A - 一种采用迭代差分算法的远程定位系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及远程定位领域，具体涉及一种采用迭代差分算法的远程定位系统及方法，包括地面控制中心、远程网络和用户终端；远程网络由两个空间目标及一个空间备用目标构成，其中，空间目标上载荷有变频转发器、两个波束的S频段天线和L频段天线，两颗卫星的4个S频段波束分区覆盖全服务区，空间目标的两个L频段波束分区覆盖全服务区，本发明的有益效果：可实现授时、定位、GPS授时、GPS定位的功能，以摆脱对GPS的以来，提高我国民用基础行业的安全性和稳定性。
Description
技术领域
[0001] 本发明属于远程定位领域，具体涉及一种采用迭代差分算法的远程定位系统及方 法。
背景技术
[0002] 目前全球的导航卫星主要有美国的全球卫星导航系统GPS (Global Positioning System)、俄罗斯的全球导航卫星系统 GLONASS (Global Navigation Satellite System)、 中国的北斗卫星导航定位系统（Compass Navigation Satellite System)和欧盟的伽利略 全球导航定位系统（European Satellite Navigation System)。现阶段，GPS定位以及授 权功能在我国的交通、电力、通信、金融、水利、石油等领域有着广泛的应用；但因 GPS受美 国限制，采用单一的GPS存在风险，其安全可靠性低，自主性差。采用迭代差分算法的远程 定位系统是我国正在实施的自主发展、独立运行的全球卫星导航系统。
发明内容
[0003] 本发明是所要解决的技术问题是针对现有技术的不足提供一种采用迭代差分算 法的远程定位系统及方法。
[0004] 一种采用迭代差分算法的远程定位系统，所述系统包括：
[0005] 控制中心：连接远程网络，同时管理整个系统及采用迭代差分算法进行导航定位 解算；
[0006] 远程网络：覆盖全服务区，用于转发控制中心与用户终端之间的双向信号传输；
[0007] 用户终端：连接远程网络，向远程网络接收及发送信息。
[0008] 进一步地，所述远程网络包括两个工作单元及一个备用单元。
[0009] 进一步地，所述两个空间目标及一个空间备用目标均载荷有变频转发设备、两个 波束的S频段天线及L频段天线。
[0010] 进一步地，所述控制中心包括信号收发子系统、信息处理分系统、时间分系统、监 控子系统及轨道监控分系统。
[0011] 一种采用迭代差分算法的远程定位方法，应用上述的系统，包括以下步骤：
[0012] a)建立一个位置已知的空间参考系，测量待定位点到各参考点的相对位置，其中 控制中心及远程网络的空间目标为参考点，用户终端为待定位点；
[0013] b)创建待定位点观测量，定位系统中的控制中心采集获得用户终端的信号强度、 载波相位、信号到达角度和时间观测量，创建待定位点观测量，表示为：
4ft *處
[0015] f为待定位点的观测量；E为控制中心到空间目标i的几何距离；^待定位 点到空间目标i的几何距离；空间目标i的转发延迟；t接收机钟差:c光速信号 的空间传输延迟；，测量误差及噪声；
[0016] c)获得空间目标到待定位点的几何距离为：
[0021] e)通过气压计及高度计测量得到高度信息后，d)步骤公式可解，获得定位结果。
[0022] 进一步地，所述空间参考系包括地心惯性坐标系和地心地球固连坐标系。
[0023] 进一步地，当e)步骤中无法通过气压计及高度计测量得到高度信息时，可构造方 程，包括椭球观测方程及虚拟卫星观测方程，并通过线性迭代的方法求解，获得定位结果。
[0024] 进一步地，所述椭球观测方程为：
[0026] 其中高度为h ;a，b分别为地球椭球形的长轴和短轴。
[0027] 进一步地，所述虚拟卫星观测方程为：
[0028] 。
[0029] 本发明的有益效果：可实现北斗卫星授时、北斗定位、GPS授时、GPS定位的功能， 以摆脱对GPS的以来，提高我国民用基础行业的安全性和稳定性。
附图说明
[0030] 图1为本发明系统的结构示意图；
[0031] 图2为本发明的授时示意图；
[0032] 图3为本发明的BD1+GPS联合授时策略框图。
具体实施方式
[0033] 以下结合附图和具体实施例，对本发明进行详细说明。
[0034] 本部分的发明内容是对空射击手持终端中的一种采用迭代差分算法的远程定位 系统及方法。
[0035] 定位系统是由地面控制中心（地面段）、远程网络（空间段）和大量用户终端（用 户段）三部分构成。空间段由两个空间目标及一个空间备用目标组成，其空间目标及备用 目标可为三颗地球赤道同步轨道卫星，其中，两颗工作星，一颗备用星，但不限于为卫星，两 颗工作星分别定点于东经80°和120°，轨道高度为35,000km。卫星的主要功能是转发地 面控制指挥中心和用户机之间的双向信号传输。因而卫星上的主要载荷为变频转发器、两 个波束的S频段天线和L频段天线。两颗卫星的4个S频段波束分区覆盖全服务区，每颗 卫星的两个L频段波束分区覆盖全服务区。
[0036] 地面控制中心是整个系统的控制、管理及导航定位解算的核心，负责整个系统的 信息生成、收集、处理及系统状况的检测，不仅要完成对卫星及用户的管理，还要完成定位 解算及授时等业务。主要包括信号收发子系统，信息处理分系统，时间分系统，监控子系统 及轨道监控分系统等。
[0037] 根据导航定位的基本原理，建立一个位置已知的空间参考系，测量待定位点到各 参考点的相对位置，从而确定待测点在空间参考系中的位置。因而首先需要一个空间参考 基准，在远程定位系统中即为卫星网络。一般要把空间参考系级待测点放到一定的空间坐 标系中，以便于描述它们的空间位置。采用的空间坐标系包括地心惯性坐标系（ECI)和地 心地球固连坐标系（ECEF)。因为无论是卫星的位置还是用户的位置都可能随着时间发生 变化，因而精确描述卫星位置或用户位置均需要一个精确的时间基准。可提供的时间参考 基准包括世界时系统、使用原子钟提供的地方原子时及国际原子时、以及协调世界时（UTC) 等，各个不同的卫星定位系统也有自己的时间参考系统，作为整个系统的时间同步标准。 [0038] 定位系统可以利用控制中心获得的信号强度（SS:Signal Strength)、载波相 位（CP:Carrier Phase)、信号到达角度（A0A:Angle Of Arrival ;D0A:Direction Of Arrival)和时间测量值（TOA:Time Of Arrival ;TD0A:Time Difference Of Arrival)以 及它们的组合进行定位估算。在卫星定位系统中，多利用时间测量值（可换算为待测点与 参考点间的相对距离）实现定位，由于观测点时间无法与系统时间完全同步，因此测量值 中包含观测点钟差信息，观测量一般称为伪距。通常伪距可以表示为：
[0040] 待定位点r(i)到卫星i的伪距离；待定位点r(i)到卫星i的几何距离，T接收机钟 差；T(i)卫星i的钟差；c光速；;信号的空间传输延迟；v(i)测量误差及噪声。
[0041] 由公式可见，如果卫星位置已知的情况下，观测方程中包含观测点位置和钟差在 内的四个未知量，卫星钟差传输延迟等都当作测量误差，其中有一些量是可以进行校正的。 对于四个未知量的方程组，需要四个观测量才可得解，即需要至少四颗卫星，也就是通常卫 星定位系统的工作模式。如果不仅高程已知，测量点时间也与系统钟同步，知需两个观测量 即可，此为北斗一代系统中有源定位模式。如果高程信息已知，则只需要三颗卫星，为本文 中面临的模式。
[0042] 如图2所示，北斗系统中，信号在地面站生成，上行至空间段，卫星进行变频转发， 用户机的测距观测量实际是地面站到卫星再到用户的传输延迟。
[0043] 用户机观测量可以表示为：
[0045] s(i)为待定位点的观测量；为地面站到卫星i的几何距离，系统通过广播信号 上行延迟来描述此项；2^"观测点到卫星i的几何距离；卫星i的转发延迟；t接收机钟 差；c光速；信号的空间传输延迟；v(i)测量误差及噪声。由于所有卫星信号都来自地 面站信号，因此系统时钟是同步的。卫星到用户的几何距离可以表示为：
[0047] (Xi，yi，Zi)为卫星 i 的坐标。在（2. 2)和（2. 3)中、C、（Xi，yi，Zi) 均可通过系统广播信息和本地估计得到。公式（2.2)变为：
[0049] (2. 4)
[0050] 当高程已知的情况下，（2.4)可解。
[0051] 用户位置信息中，高度是最有可能通过高度计、气压计等方式获取的。并且在有 些应用中，例如海上用户，高度信息基本不变。高度是经纬高坐标系的描述，而式（2.4)中 未知量（X，y, z, t)中的位置信息是ECEF坐标系的描述,两种坐标系不正交,因此高度信息 不能直接在公式（2.4)中作为已知量使用。利用高度，可以构造出一个观测方程，与公式 (2.4)联立即可得解。
[0052] 观测方程构造方法有两种：椭球方程、虚拟卫星。
[0053] 椭球方程。地球可以模拟化成一个椭球，高度如果为零，则用户应该位于地球面 上。高度为h时，观测方程可以近似为公式（2.5)。a，b分别为地球椭球模型的长轴和短 轴。
[0055] 构造虚拟卫星。与建立椭球方程在本质上是一样的。这种方法的基本思想为：过 观测点作地球表面的垂线，与赤道面产生交点，交点即虚拟卫星位置。对于椭球模型，交点 一般并不位于椭球中心。根据虚拟卫星位置和用户位置估计值可得几何距离。有了虚拟卫 星的位置及"伪距"值，则可以构造与式（2.4)类似的观测方程，如下：
[0057] 线性化迭代的方法求解方程（2. 5) (2. 6)，即可获得定位结果。
[0058] 用户机将在位置已知和未知两种模式下工作，通过用户界面实现切换。
[0059] 用户机接收天线相位中心的位置是精确已知的，信号从地面站发出时其含有时间 标志与系统时是一致的。经过地面站到卫星、卫星到用户机的两段空间延迟及卫星的转发 延迟后，到达用户机接收天线，此时信号包含的时间信息相对系统时是延后的。地面站到卫 星的空间延迟、卫星转发延迟均包含在导航电文中。而卫星到用户机的空间延迟需要利用 卫星位置和用户机位置计算得到。因此授时的关键都是要获知用户机的位置。位置已知的 模式下，用户机位置通过用户界面置入；位置未知模式下，用户机位置用定位解算得到。
[0060] 另外，用户机输出的授时结果包含由线延迟、处理延迟等组成的设备零值，在天线 馈线、用户机硬件结构不改变的情况下，设备零值为常数，可通过用户界面进行调整。
[0061] 用户机配备较高精度频标,如恒温晶振或高精度温补晶振,分频产生本地Ipps信 号。将其作为授时的参考时标，伪距及载波相位等的测量均基于参考时标进行。本地Ipps 信号与地面控制中心Ipps存在钟差t，t校正本地Ipps信号，产生授时结果。未知位置授 时模式，通过PVT解算，得到本地钟差项，当做校正项t。已知位置授时模式下，可以得到用 户机与卫星的几何距离，校正项t包括：地面站到卫星的上行延迟，卫星转发延迟，用户机 到卫星的几何距离造成的延迟，下行大气延迟，用户机零值延迟。利用时间延迟电路将本地 Ipps延迟t，使得通过延迟输出产生的Ipps信号与系统Ipps信号同步对齐。年、月、日、时、 分、秒可以从导航电文中得到。未知及已知位置授时原理如图2所示。
[0062] (3)BD1+GPS联合授时调度策略
[0063] 单独使用BDl或GPS进行授时均存在的一定的局限性，信号容易被遮挡、系统不可 用等因素均可能导致授时中断。对于需要连续授时服务的用户来说，授时中断是不允许的。 如果采用BD1+GPS联合的方式，授时可靠性将得到极大的增强。
[0064] BDl与GPS既可以在信号处理阶段进行融合，也可以在各自产生最终结果后再进 行融合。融合节点越靠前称融合愈紧，节点越靠后称融合愈松。更紧的融合对于软硬件的 改动都很大，要在设计之初进行统一考虑；如果两种系统下的设备都已经成型，则适合采用 松融合的方式。
[0065] 具体见图3所示，本方法采用的是一种板级联合的松融合方式，已有的BDl无源终 端设备与第三方提供的GPS授时设备作为两块背板，统一受控制板的管理。
[0066] BDl无源授时终端、GPS授时终端、BDl天线、GPS天线均为已有模块，需要重新设 计控制板。控制板完成的功能分为三个部分：
[0067] (1)为BDl无源授时终端、GPS授时终端供电。
[0068] (2)BDl无源授时终端、GPS授时终端可以通过控制板与外部实现数据交互。
[0069] (3)选择BDl无源授时终端、GPS授时终端之中的一路Ipps进行输出，选择规则如 下：
[0070] 选取规则1 :根据外部设定的对象输出。
[0071] 选取规则2 :当发生异常时，选择非异常的Ipps输出。
[0072] 选取规则3 :当两路Ipps均正常，且外部没有设定输出对象时，按照默认选择输 出。
Claims (9)
1. 一种采用迭代差分算法的远程定位系统，其特征在于，所述系统包括： 控制中心：连接远程网络，同时管理整个系统、采用迭代差分算法进行导航定位解算； 远程网络：覆盖全服务区，用于转发控制中心与用户终端之间的双向信号传输； 用户终端：连接远程网络，向远程网络接收及发送信息。
2. 根据权利要求1所述的远程定位系统，其特征在于，所述远程网络包括两个空间目 标及一个空间备用目标。
3. 根据权利要求2所述的远程定位系统，其特征在于，所述两个工作单元及一个备用 单元均载荷有变频转发设备、两个波束的S频段天线及L频段天线。
4. 根据权利要求1所述的远程定位系统，其特征在于，所述控制中心包括信号收发子 系统、信息处理分系统、时间分系统、监控子系统及轨道监控分系统。
5. -种采用迭代差分算法的远程定位方法，应用权利要求1-4之一的系统，其特征在 于，包括以下步骤： a) 建立一个位置已知的空间参考系，测量待定位点到各参考点的相对位置，其中控制 中心及远程网络的工作单元为参考点，用户终端为待定位点； b) 创建待定位点观测量，定位系统中的控制中心采集获得用户终端的信号强度、载波 相位、信号到达角度和时间观测量，创建待定位点观测量，表示为：
s(i)为待定位点的观测量；为控制中心到空间目标i的几何距离；待定位点到 空间目标i的几何距离；空间目标i的转发延迟；t接收机钟差；c光速；信号的 空间传输延迟；V(i)测量误差及噪声； c) 获得空间目标到待定位点的几何距离为：
(Xpypzi)为空间目标i的坐标； d) 将步骤b)中的公式变换得到：
e) 通过气压计及高度计测量得到高度信息后，d)步骤公式可解，获得定位结果。
6. 根据权利要求5所述的定位方法，其特征在于，所述空间参考系包括地心惯性坐标 系和地心地球固连坐标系。
7. 根据权利要求5所述的方法，其特征在于，当e)步骤中无法通过气压计及高度计测 量得到高度信息时，可构造方程，包括椭球观测方程及虚拟卫星观测方程，并通过线性迭代 的方法求解，获得定位结果。
8. 根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述椭球观测方程为：
其中高度为h ;a，b分别为地球椭球形的长轴和短轴。
9. 根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述虚拟卫星观测方程为：
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