CN104570005A - 一种用于隧道内的实时同步卫星导航信号模拟系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于隧道内的实时同步卫星导航信号的模拟系统，属于卫星导航技术领域，本发明的模拟系统解决了长大隧道内车辆的安全行驶和预警监控问题，实现了隧道内车辆运行状态等信息的实时获取，为隧道事故应急救援提供了信息保障，预防了二次事故，降低了隧道内重大事故风险。

Description

一种用于隧道内的实时同步卫星导航信号模拟系统

技术领域

本发明属于卫星导航技术领域，尤其涉及一种用于隧道内的实时同步卫星导航信号的模拟系统。

背景技术

我国作为一个多山国家，隧道在缩短行车距离、提高车速、保护环境等方面发挥了积极的作用。但由于隧道视觉暗适应效应及其道路和交通环境的特殊性，隧道内交通事故的发生也越显突出。在隧道中，卫星导航信号被遮蔽，车载卫星定位装置无法正常工作，当车辆出现运行异常时，监控系统无法及时感知，存在严重的安全隐患。

对于卫星导航系统而言，隧道属于相对封闭的空间，对隧道内卫星导航的实现可参考室内卫星导航技术。目前，研究室内卫星导航技术的国家主要包括美国、加拿大、日本、俄罗斯以及欧洲的国家等。其中，日本宇宙航空研究开发机构提出了IMES(室内信息系统)，其基本原理是通过一些预置在室内的信号发射器(IMES发射机)发出具有与GPS卫星所发射信号结构相同的信号，配合相应的定位设备对该信号进行接收，实现室内的3维定位。但针对狭长的隧道空间，其长度远大于宽度，IMES发射机只能近似分布在同一条直线上，这种几何分布结构不符合卫星导航定位系统中对卫星信号源的几何分布要求，无法实现正常定位。因此，该系统并不适用于狭长的隧道空间。国外其他室内导航相关产品采用了“伪卫星系统+专用车载终端”的方式，利用布设于室内的伪卫星发射类似GPS的信号，代替空中的GPS卫星以实现车辆的定位，该方式的工作原理与GPS卫星导航定位系统相同。但是，这一方式需对车辆进行改造，成本较高，不便于推广应用。

在隧道内行车状态检测系统研制方面，国内普遍采用磁感应和视频监测技术，并依靠人工值班监测隧道状态，但由于监控系统不便于覆盖整个隧道区域且需要人工监测，使得该方式存在“监控盲区”大、无法自动判别并实时上报事故等问题。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种用于隧道内的实时同步卫星导航信号的模拟系统，解决了长大隧道内车辆的安全行驶和预警监控问题，实现了隧道内车辆运行状态等信息的实时获取，为隧道事故应急救援提供了信息保障，预防了二次事故，降低了隧道内重大事故风险。

本发明的用于隧道内的实时同步卫星导航信号模拟系统，其包括：接收单元、数据仿真单元和信号生成单元；

接收单元，通过设置于隧道外的接收天线准确接收真实卫星导航信号，根据所述真实卫星导航信号得到原始电文流、系统时间、1PPS秒脉冲和10MHz基准信号，并将原始电文流和系统时间送入数据仿真单元，系统时间、1PPS秒脉冲和10MHz基准信号送入信号生成单元；

其中，原始电文流包括卫星星历、卫星钟差、电离层参数及卫星历书；

数据仿真单元，通过串口接收真实的系统时间和原始电文流，从原始电文流解出卫星星历、卫星钟差、电离层参数以及卫星历书，根据卫星星历、卫星钟差、电离层参数以及卫星历书并以系统时间为基准进行仿真，生成观测数据和导航电文，并送入信号生成单元；

且数据仿真单元中要及时更新卫星星历，更新条件：真实的卫星星历发生更新或可见星的卫星号或数目发生变化；

数据仿真单元在仿真时要获取隧道中预设的信号生成单元中的发射端位置信息，并根据卫星星历获取导航卫星位置，利用导航卫星位置、发射端位置信息、已知的电离层参数以及标准大气环境参数对空间环境延迟、伪距、载波相位及其高阶变化量进行仿真；

以系统时间为基准即根据系统时间构建数据仿真单元的时间系统，构建方式：将系统时间加上协调世界时与导航系统时间之间的跳秒，得到数据仿真单元的导航系统时间；

信号生成单元，将接收单元输出的10MHz基准信号进行锁频得到10.23MHz基频信号，利用1PPS秒脉冲作为时钟参考，根据10.23MHz基频信号、观测数据和导航电文生成携带导航电文信息的射频信号，并通过设置在隧道内的发射端天线发送给隧道内行驶到该发射端覆盖范围内的行驶车辆上的用户终端；

且信号生成单元需通过在伪距值上加入固定修正值来对导航系统标准时间与发射给用户的信号所包含的授时时间之差进行调节至授时时间之差为零。

有益效果：

本发明能够克服现有方法车辆改造成本高以及需要人工监控的缺点，具有无需改造车辆，对人工的依赖性低，便于推广应用等优点，能够实现长隧道内实时卫星导航信号的覆盖。

附图说明

图1为本发明的用于隧道内的实时同步卫星导航信号的模拟系统示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明的用于隧道内的实时同步卫星导航信号的模拟系统包括：接收单元、数据仿真单元和信号生成单元。其中：

一、接收单元

接收单元接收真实卫星导航信号，从真实卫星导航信号中获取原始电文流、系统时间、1PPS秒脉冲以及10MHz基准信号，将其用于数据仿真单元及信号生成单元，以达到从信息同步和信号同步这两个方面保证仿真系统与真实导航系统之间的高精度同步的目的。

具体的，接收单元利用设置于隧道外的接收天线准确接收真实卫星导航信号并进行低噪声放大，根据这一真实卫星导航信号，利用设置于隧道内的基于高精度铷原子钟的高精度授时接收机来获取原始电文流以及系统时间，并得到1PPS秒脉冲和10MHz基准信号。其中，系统时间和原始电文流送入数据仿真单元，系统时间、1PPS秒脉冲和10MHz基准信号一同给入信号生成单元。

原始电文流包括卫星星历、卫星钟差、电离层参数及卫星历书，利用其中的信息进行数据仿真，能够保证卫星导航数据同步。同时，根据真实的卫星导航信号调整接收机内部的时钟源，使得授时接收机本地时钟源输出的时钟信号与真实的卫星导航系统时钟同步，从而保证仿真系统产生的卫星导航信号同步。

该接收单元设置的主要目的包含以下两个方面。一是保证数据仿真单元所得到的模拟卫星导航信号与真实卫星导航信号的数据准确同步及时间精确同步。通过接收真实导航电文数据并以此为数据仿真依据，能够保证仿真所得到的电文与真实电文的一致性，实现导航电文数据同步；同时保证在进行数据仿真时，能够获得一个与当前实际卫星导航系统严格同步的系统时间作为仿真时间依据。二是保证信号生成单元中信号的同步。在信号生成单元的信号生成层面，为保证信号的同步，需要以1PPS秒脉冲作为物理时钟参考信号，并以10MHz为基准通过锁频得到10.23MHz的基频信号来进一步得到可播发的卫星导航信号。

二、数据仿真单元

数据仿真单元通过串口接收由接收单元发送来的系统时间和原始电文流，从原始电文流解出卫星星历、卫星钟差、电离层参数以及卫星历书，根据这些参数信息并以系统时间为基准进行仿真，包括时间系统维护、空间环境效应仿真、导航电文实时填充、系统完好性仿真及观测数据生成等内容，能够完成导航星座运行、用户终端、信号传输环境的仿真，最终生成信号生成单元所需要的观测数据以及导航电文。其中，观测数据包括伪距、载波相位及其高阶变化量信息，其生成需要利用卫星星历、卫星钟差以及电离层参数。

为保证观测数据的精确性，在仿真观测数据时，考虑到空间环境效应对导航信号的影响，首先，根据卫星星历实时获取导航卫星的位置，然后，根据获取的导航卫星位置、隧道中预设的用户终端位置信息、电离层参数以及标准大气环境参数对空间环境延迟和伪距、载波相位及其高阶变化量进行仿真，从而生成高精度的观测数据。

导航电文的生成需要利用卫星星历、卫星钟差、电离层参数以及卫星历书。为实现与当前真实电文一致的电文的实时仿真生成，还需要生成卫星完好性信息数据并根据当前仿真时间信息结合接口控制文件填写电文。需要指出的是，对于观测数据及电文的生成均以系统时间为基准，从而保证系统数据层面上信息的同步性。最终解决实时同步卫星导航信号覆盖的问题，实现隧道内卫星导航的连续定位。

数据仿真单元的重点在于保证信息层面上的同步，同时完成仿真系统的管理、控制、实时信息显示、数据传输和存储等功能(利用现有技术实现)。为实现信息同步，一方面需要利用从真实卫星导航系统实时获取的原始电文流进行仿真，并保证仿真过程中星历的及时更新，使得长时间运行过程中的仿真更为逼真。为实现星历的及时更新，需要对当前时刻是否为星历更新时刻或可见星的卫星号、数目等信息是否发生变化进行检测，当检测到真实卫星星历更新或可见星的卫星号或数目发生变化时，及时对仿真所用星历进行更新，并用于后续仿真。另一方面需要建立时间基准，根据系统时间构建仿真单元的导航系统时间，将系统时间加上UTC(协调世界时)与导航系统时间之间的跳秒作为仿真采用的本地时间，实现对系统时间的修正以保证时间准确性，并根据仿真单元的本地铷原子频标维持本地仿真时间。

三、信号生成单元

信号生成单元主要包括参数解算和信号生成这两个部分。参数解算部分的主要功能是对数据仿真单元提供的观测数据以及电文进行处理，将其转换成信号生成模块所需要的参数形式，转换包括浮点数到定点数的转换以及信号功率、伪码、数据码、多普勒频率以及初相值的计算与获取。信号生成部分根据参数解算部分提供的参数以及系统时间、10MHz基准信号和1PPS秒脉冲信号等生成可以通过发射端天线播发的卫星导航信号。

在该信号生成单元中，需要保证信号层面上的时间同步。将接收单元输出的1PPS秒脉冲信号以及10MHz基准信号作为本信号生成单元的输入，利用该1PPS秒脉冲信号作为时钟参考，保证了系统脉冲信号的准确性；利用该10MHz基准信号锁频得到10.23MHz基频信号，并以此为基础产生携带导航电文信息的可播发的射频信号。

理想情况下，当伪距为零时，信号生成模块生成的信号应当与发射天线播发的信号在时间上严格同步，相应的1PPS秒脉冲信号应当完全对齐，但在实际的系统中，两者间可能存在一定的时间差，这就是伪距零值误差。为保证电文在时间上的同步，在该单元中对伪距零值进行修正：根据测量出的1PPS秒脉冲信号偏差，计算出相应的伪距偏差值，将其加在各颗可见星原有的伪距上。

当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (1)

1.一种用于隧道内的实时同步卫星导航信号模拟系统，其特征在于，包括：接收单元、数据仿真单元和信号生成单元；

接收单元，通过设置于隧道外的接收天线准确接收真实卫星导航信号，根据所述真实卫星导航信号得到原始电文流、系统时间、1PPS秒脉冲和10MHz基准信号，并将原始电文流和系统时间送入数据仿真单元，系统时间、1PPS秒脉冲和10MHz基准信号送入信号生成单元；

其中，原始电文流包括卫星星历、卫星钟差、电离层参数及卫星历书；

数据仿真单元，通过串口接收真实的系统时间和原始电文流，从原始电文流解出卫星星历、卫星钟差、电离层参数以及卫星历书，根据卫星星历、卫星钟差、电离层参数以及卫星历书并以系统时间为基准进行仿真，生成观测数据和导航电文，并送入信号生成单元；

且数据仿真单元中要及时更新卫星星历，更新条件：真实的卫星星历发生更新或可见星的卫星号或数目发生变化；

数据仿真单元在仿真时要获取隧道中预设的信号生成单元中的发射端位置信息，并根据卫星星历获取导航卫星位置，利用导航卫星位置、发射端位置信息、已知的电离层参数以及标准大气环境参数对空间环境延迟、伪距、载波相位及其高阶变化量进行仿真；

以系统时间为基准即根据系统时间构建数据仿真单元的时间系统，构建方式：将系统时间加上协调世界时与导航系统时间之间的跳秒，得到数据仿真单元的导航系统时间；

信号生成单元，将接收单元输出的10MHz基准信号进行锁频得到10.23MHz基频信号，利用1PPS秒脉冲作为时钟参考，根据10.23MHz基频信号、观测数据和导航电文生成携带导航电文信息的射频信号，并通过设置在隧道内的发射端天线发送给隧道内行驶到该发射端覆盖范围内的行驶车辆上的用户终端；

且信号生成单元需通过在伪距值上加入固定修正值来对导航系统标准时间与发射给用户的信号所包含的授时时间之差进行调节至授时时间之差为零。