CN107219535B - 一种动态补偿的卫星导航定位增强系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及卫星导航领域，公开一种动态补偿的卫星导航定位增强系统及方法，包括依次连接的可接收外部卫星信号的基准单元、卫星导航增强设备、发射天线，还包括与卫星导航增强设备连接的动态补偿单元，卫星导航增强设备根据基准单元和动态补偿单元分别提供的时间信息、星座参数信息以及运动载体的位置与动态补偿信息实时再生动态卫星导航定位增强信号，并通过发射天线进行播发。本发明通过卫星导航增强设备实时再生动态卫星导航定位增强信号，解决了无需对现有导航终端进行任何改动即可实现卫星导航，尤其满足高速运动载体在没有卫星导航信号环境下实现精准定位，对隧道内交通事故应急救援、预防二次事故、降低重大事故风险具有重要应用价值。

Description

一种动态补偿的卫星导航定位增强系统及方法
技术领域
本发明主要涉及卫星导航领域，尤其涉及一种动态补偿的卫星导航定位增强系统及方法。
背景技术
在隧道等室内环境下，由于卫星导航信号被遮蔽，导致隧道内车辆无法接收卫星导航信号进行定位，隧道内交通事故的发生也越显突出。当列车运行进入后，会出现无法正常定位的问题，给机车定位和调度指挥带来很大麻烦，一旦车辆出现紧急制动等运行异常而没有完全停靠入预停位置时，后续进隧道的列车无法准确智能判断，存在严重的安全隐患。
目前常见解决手段有基于伪卫星增强技术及导航信号转发技术等，由于需要采用专用导航终端以及工程实施难度大等问题，且卫星导航信号全部是静态信号，如图1所示现有技术中室内导航信号示意图，例如在等间距100m的位置布置发射天线，发射卫星导航信号，与真实行进中的车辆无法实时匹配，导致卫星导航信号的突变，进而无法满足高速列车在隧道内的卫星导航定位需求。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种安装方便、且不改变导航终端的一种动态补偿的卫星导航定位增强系统及方法。具体采用以下技术方案：
一种动态补偿的卫星导航定位增强系统，包括依次连接的可接收外部卫星信号的基准单元、卫星导航增强设备、发射天线，还包括一动态补偿单元，所述动态补偿单元与卫星导航增强设备连接，所述卫星导航增强设备根据所述基准单元和动态补偿单元提供的时间信息和运动载体的位置与动态补偿信息实时再生动态卫星导航定位增强信号，并通过所述发射天线进行播发。
本发明还提供一种动态补偿的卫星导航定位增强方法，包括以下步骤：
实时接收真实GNSS卫星导航信号，解算真实GNSS卫星导航信号中的时间信息和星座参数信息，将时间信息送至时频单元，将星座参数信息送至数仿单元；
检测运动载体的位置与动态补偿信息，将所述位置与动态补偿信息送至数仿单元；
时频单元同步触发数仿单元和信号生成单元，所述数仿单元根据所述星座参数信息和位置与动态补偿信息计算所需再生卫星导航信号的仿真数据；
根据所述仿真数据实时再生卫星导航定位增强信号，并进行播发。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
本发明通过增设动态补偿单元为卫星导航增强设备提供运动载体的位置和动态等补偿信息，进而构建运动载体的位置和动态补偿信息与卫星导航增强设备的再生动态卫星导航定位增强信号形成实时闭环，解决了无需对现有运动载体上的导航终端进行任何改动，尤其满足高速运动载体实现隧道环境下精准卫星导航定位的问题，对隧道内交通事故应急救援、预防二次事故以及降低隧道内重大事故风险具有重要应用价值。
附图说明
图1为现有技术中卫星导航信号示意图；
图2本发明实施例所示的系统示意图；
图3为本发明实施例所示的系统原理示意图；
图4为本发明实施例所示的时频单元结构示意图；
图5为本发明实施例所示的数仿单元至信号生成示意图；
图6为本发明实施例所示的方法流程示意图；
图7为本发明实施例所示的卫星导航信号示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。
本发明实施例所示的系统示意图见图2，一种动态补偿的卫星导航定位增强系统，包括依次连接的可接收外部卫星信号的基准单元、卫星导航增强设备、发射天线，还包括一动态补偿单元，所述动态补偿单元与卫星导航增强设备连接，所述卫星导航增强设备根据所述基准单元和动态补偿单元分别提供的时间信息和运动载体的位置与动态补偿信息实时再生动态卫星导航定位增强信号，并通过所述发射天线进行播发。运动载体的位置与动态补偿信息，通常包括运动载体的位置和速度。本发明通过增设动态补偿单元为卫星导航增强设备提供运动载体的位置与动态补偿，运动载体在运动方向上以V速度行进，通过动态补偿单元不断连续跟踪其位置与动态补偿信息给卫星导航增强设备，进而构建运动载体的位置与动态补偿信息与卫星导航增强设备的再生动态卫星导航定位增强信号形成实时闭环，在运动载体方向上通过发射天线1、发射天线2……发射天线N不断连续发射动态的再生卫星导航定位增强信号，以对运动载体进行精准定位，解决了无需对现有运动载体上的导航终端进行任何改动，尤其满足高速运动载体实现隧道内精准卫星导航定位的问题，对隧道内交通事故应急救援、预防二次事故以及降低隧道内重大事故风险具有重要应用价值。
结合图2和图3所示，本实施例中的基准单元包括GNSS信号接收模块，其GNSS信号接收模块为设置在隧道口外的无源接收天线，无源接收天线用于接收真实GNSS信号，通过射频接口与卫星导航增强设备连接，即把相关的GNSS信号发送给卫星导航增强设备中的即时接收单元，即时接收单元通过对GNSS信号进行解析，优选的，无源接收天线可以为双模接收天线，在我国机车上的导航终端通常为BDS系统或GPS系统，因此能满足接收BDS信号，和/或GPS信号，即可满足本系统的需求。本实施例中，GNSS信号接收模块也可以认为内置在卫星导航增强设备中。
本实施例中的基准单元也可以安装在室内，且包括网络模块，通过互联网请求GNSS数据服务器获取星历、历书等星座参数信息和基准时间信息，并将星座参数信息和基准时间信息转发至卫星导航增强设备中，通过互联网首次获取的星历、历书等星座参数信息和基准时间信息的速度快于无源接收天线的速度，而且能获取全部的卫星信息，以供卫星导航增强设备进行多个卫星的选星组合，快速再生卫星导航定位增强信号。
本实施例中，卫星导航增强设备包括时频单元、数仿单元、信号生成单元，所述时频单元触发数仿单元进行卫星信号数据仿真，且时频单元同时注入到信号生成单元对接收到卫星信号仿真数据进行卫星导航定位增强信号实时再生，在本实施例中进一步地描述，如图4所示本发明的时频单元示意图，时频单元包括依次连接的GNSS信号时钟驯服模块、本地时钟产生模块，GNSS信号时钟驯服模块内置GNSS信号接收机和驯服控制子单元和频率发生器件，GNSS信号接收机实时接收GNSS卫星时间信息，输出至驯服控制子单元，驯服控制子单元根据所述时间信息对频率发生器件生成的本地时频基准信号进行驯服，有效提升了频率发生器件的频率准确性；频率发生器件输出驯服后的本地时频基准信号至所述本地时钟产生模块，本地时钟产生模块同步产生本地时钟信号，并驱动和分频生成如数仿单元、信号生成单元、发射单元所需的频标信号，可以保障再生的卫星导航定位增强信号同步的可靠性，保证生成的本地时频基准信号(10MHz和1PPS)与外部真实GNSS卫星系统的时间同步，通过时频传递，从而保证再生的卫星导航定位增强信号与外部真实GNSS卫星信号同步。此外，GNSS信号时钟驯服模块还可以内置接口，方便用户查询工作状态、授时质量等，以保证导航终端实现连续导航。
在本实施例中，时频单元还包括控制模块，所述控制模块分别与GNSS信号时钟驯服模块、本地时钟产生模块连接，可以通过控制模块发送频偏指令调节本地时频基准信号的频偏，以及发送触发启动指令给数仿单元以开始计算再生卫星导航信号所需的仿真数据。例如，可以通过网络程控实现对时频基准信号频率的精密微调，实现偏移调整范围±3×10-6，最小调制步进1×10-13。通过精密微调信号生成参考频率，间接实现再生的卫星导航信号的时间偏移，可有效实现对发射区域或终端的授时精度的渐变精确控制，且不会造成授时结果的波动或大跳动，进一步保证如隧道内外等室内、外的导航终端设备实现连续导航。
本实施例中，动态补偿单元是一种可以测量运动载体位置和速度等补偿信息的装置，通过数据接口与所述卫星导航增强设备中的数仿单元连接。动态补偿单元可以为激光测速仪、雷达测速仪或超声波测速仪，只要能实现快速对运动载体进行位置和速度测量的仪器都在本发明保护的范围内。在高速行进列车的隧道内卫星导航定位增强应用中，尤其重要，因为高速列车与普通列车或者公路汽车不同，高速运行的列车行驶速度按300～400km/h来估算的话，单秒行走距离约80～120米左右。在如此高速运动下，为了保证再生的卫星导航信号能够被其有效接收，且要保证定位精度满足定位需求，常规的室内定位增强方案无法满足其需求。通过本动态补偿单元实时对行进高速列车轨迹进行连续探测跟踪，然后将获取到高速列车的位置和速度等补偿信息反馈至卫星导航增强设备中的数仿单元，即卫星导航增强设备将依据收到的补偿信息进行实时解算与调整后，构建与其相一致的动态场景信号，从而形成一个隧道内的再生的动态卫星导航增强信号的实时闭环系统。高速列车最终的定位误差与该动态补偿单元所测误差为同一量级。本动态补偿单元可以在隧道入口处或者与卫星导航增强设备组合进行布设，例如在隧道内距离隧道入口的300m或500m左右对即将进入隧道的高速列车进行速度、位置检测，并将该300m或500m内的高速列车的动态补偿信息及时发送给卫星导航增强设备中的数仿单元，数仿单元根据该补偿信息进行实时动态闭环调整与高速列车上相匹配的BDS或GPS信号再生所需的卫星导航观测数据模拟量，以此默认在隧道内，该高速列车作匀速运动，根据匀速的运动速度信息、位置信息实时闭环生成BDS或GPS的卫星导航信号仿真数据，即信号生成单元根据该卫星导航信号仿真数据再生为卫星导航定位增强信号。当然，由于隧道有弯曲路线或者隧道内有上下高度差的情况，高速列车在隧道内做变速运动，因此最优方式，是在全隧道内，间隔布置多个动态补偿单元，以实时检测高速列车在隧道内行进的位置和位置等动态信息，实现再生出更加精确的卫星导航定位增强信号，满足动态高速列车在隧道内的精准定位，为车站指挥调动、监管提供了精准位置信息。
本实施例中，卫星导航增强设备可以与N个发射天线通过网络直接或间接连接，N个发射天线将所述卫星导航增强设备再生的N个卫星导航信号往隧道内等室内发射，即该卫星导航增强设备中有多个射频通道，通过对不同道道与不同发射天线的匹配，可实现一个卫星导航增强设备可以与多个发射天线进行连接，从而减少卫星导航增强设备的配置与安装成本。
优选地，N个所述发射天线呈间距线性分布、或呈网格矩阵式分布，发射天线间隔300m～500m，间距也可以都是等距的，也可以根据现场布置需求而定。具体的，可以通过与运动载体的位置与动态补偿信息进行匹配，分发精准的再生卫星导航定位增强信号，即发射天线虽然是间距固定设置的，但再生的卫星导航定位增强信号是随运动的高速列车实时随动的，因此通过本发明实施，本隧道内再生的卫星导航定位增强信号是实时连续的，实现高速列车在隧道内的精准定位。本系统建设具有难度小、成本低、通用化以及支持北斗、GPS多系统，导航定位精度高等优点。
如图5所示本发明实施例的数仿单元至信号生成单元示意图，信号生成单元包括N个基带信号单元，N个所述基带信号单元对应N个射频输出端口，所述基带信号单元根据所述时频单元提供的同一时钟进行上变频直接输出射频信号由N个发射天线进行播发。数仿单元根据卫星星座参数信息和发射天线所在的位置信息进行组合计算仿真，更为优选的是，将相邻的发射天线对应不同的卫星星座参数信息，以此减少相邻卫星导航信号之间的干扰，数仿将民码序列生成N路仿真数据至N个基带信号单元，其中N个发射天线，与N个射频输出端口一一对应，以此实现N个卫星导航信号既同步又不相干扰的独立输出，实现室内环境下的卫星导航信号的连续导航。具体的，1≤N≤16。优先选择8通道多路信号输出。
进一步地，数仿单元可根据N个发射天线的位置结合N种选星组合进行数据仿真，所述信号生成单元根据N个仿真数据生成N个卫星导航信号。
本实施例中，一个数仿单元对应N个基带信号单元，当数仿单元为M个时，则对应M*N个基带信号单元，比如数仿单元可任意选择BDS、GPS、GLONASS、Galileo任意一种或多种卫星导航体系组合计算仿真数据，从而生成M*N个任意GNSS信号，即任意一种GNSS信号可以选择多个通道并行独立输出，以满足多个体制信号发射的需要，能满足隧道内装有BDS、GPS、GLONASS、Galileo任意体系的车载导航终端，均能进行连续导航，不存在盲区与死区，进一步的，由于本实施例中，数仿单元是根据动态补偿单元实时提供的运动载体的位置与动态等补偿信息构建动态的卫星导航观测数据，即信号生成单元再生的卫星导航定位增强信号也是不同的，根据不同通道输出，即间隔布置的发射天线之间的卫星导航定位增强信号是不同的，因此也克服了发射天线之间的远近效应、串扰和邻扰等问题。
本发明还提供一种动态补偿的卫星导航定位增强方法，如图6所示，包括以下步骤：实时接收真实GNSS卫星导航信号，解算真实GNSS卫星导航信号中的时间信息和星座参数信息，将所得的时间信息送至时频单元，将所得的星座参数信息送至数仿单元；检测运动载体的位置和动态等补偿信息，将所述补偿信息送至数仿单元；时频单元同步触发数仿单元和信号生成单元，所述数仿单元根据所述星座参数信息和补偿信息计算所需再生卫星导航信号的仿真数据；根据所述仿真数据实时再生卫星导航定位增强信号，并进行播发。本实施例中，可以通过无源接收天线接收外部真实的GNSS信号，可以将实时解算GNSS信号中的时间信息用于给时频单元提供与真实卫星信号的时间频率一致的时频基准，以此保证隧道等环境下的N个卫星导航定位增强信号是与室外的卫星信号保持同步的，实现隧道内外导航信号无缝切换，特别是通过对运动载体的位置和动态等补偿信息进行检测，可实时将该运动载体的补偿信息与接收的星座参数信息构成实时闭环的卫星导航仿真数据，信号生成单元根据该仿真数据实时再生卫星导航定位增强信号，并在隧道室内进行播发，从而保证了隧道室内外的导航信号的动态连续性，因此，本实施例中，运动载体导航终端因导航信号动态连续实现精准定位。
如图7所示，例如在等间距100m位置布设发射天线，与动态补偿单元，通过对行进中的车辆进行位置与动态补偿，实时构建卫星导航仿真动态场景，以高速列车为100m/s的速度匀速行进为例，根据P动＝P0+V*T，其中P0视为列车被检测到的初始位置，P动是随时都在动态变化的，根据列车的速度，得出动态位置信息，从而为卫星导航增强设备构建实时闭环动态场景的卫星导航仿真数据，即生成连续的与列车随动的动态的卫星导航定位增强信号，即高速行驶的车辆在任何时间段都能接收到连续的动态的卫星导航定位增强信号。
本实施中，还可通过互联网获取GNSS信号中的时间信息以及星历、历书等星座参数信息，将所述星座参数信息送至数仿单元，将所述时间信息送至时频单元。其中星座参数信息精确地描述了卫星的轨道参数信息，用于数仿单元的仿真导航电文数据；检测运动载体的位置和动态信息以及星座参数信息在数仿单元中仿真导航观测数据，导航电文数据与导航观测数据形成所要再生的卫星导航定位增强信号的仿真数据，进而信号生成单元根据该仿真数据实时再生卫星导航定位增强信号，并在隧道室内进行播发，从而保证了隧道室内外的导航信号的动态连续性。
进一步地，还设有监测所述再生卫星导航定位增强信号播发状态的步骤，以验证运动载体位置与动态补偿信息到再生动态卫星导航定位增强信号的正确性，根据监测反馈所需的再生动态卫星导航定位增强信号的正确性，可对各信号产生环节及时进行调整，以形成更大的实时闭环。当然，也可以为了对该隧道内增强系统运行状态进行实时监控和远程维护，布设监控软件平台，该平台可与铁路监控系统进行集成应用，可以实时掌握隧道内的列车运行状况，在紧急情况下可以及时制定指挥策略。
当然，本实施例还设有调节卫星导航信号的功率，以增大或衰减播发的卫星导航信号的功率，用于在信号播发前调节卫星导航仿真信号强度，以确保隧道内行驶车辆接收卫星导航定位增强信号强度的一致性和平稳性。
综上，本发明适用于所有隧道等室内环境下需对运动载体如高速列车、列车、汽车提供有效的卫星导航定位增强，实现精准定位。通过本发明的卫星导航定位增强系统，导航突变引发的不连续问题都迎刃而解，应用前景非常广泛。
虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围的情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。

Claims (10)

1.一种动态补偿的卫星导航定位增强系统，包括依次连接的可接收外部卫星信号的基准单元、卫星导航增强设备、发射天线，其特征在于：还包括一动态补偿单元，所述动态补偿单元与卫星导航增强设备连接，所述卫星导航增强设备根据所述基准单元提供的时间信息、星座参数信息，及所述动态补偿单元提供的运动载体的位置与动态补偿信息，实时再生动态卫星导航定位增强信号，并通过所述发射天线进行播发。
2.根据权利要求1所述的一种动态补偿的卫星导航定位增强系统，其特征在于：所述基准单元包括GNSS信号接收模块，所述GNSS信号接收模块为设置在室外的无源接收天线，通过射频接口与所述卫星导航增强设备连接。
3.根据权利要求1所述的一种动态补偿的卫星导航定位增强系统，其特征在于：所述基准单元包括网络模块，通过互联网获取星座参数信息和时间信息，并发至所述卫星导航增强设备。
4.根据权利要求2或3所述的一种动态补偿的卫星导航定位增强系统，其特征在于：所述卫星导航增强设备包括时频单元、数仿单元、信号生成单元，所述时频单元根据基准单元提供的时间信息同步触发数仿单元进行卫星信号仿真，且同时注入到信号生成单元进行卫星信号实时生成，其中所述时频单元包括依次连接的GNSS信号时钟驯服模块、本地时钟产生模块，GNSS信号时钟驯服模块内置驯服控制子单元和频率发生器件，驯服控制子单元根据所述时间信息对频率发生器件生成的本地时频基准信号进行驯服。
5.根据权利要求4所述的一种动态补偿的卫星导航定位增强系统，其特征在于：所述动态补偿单元为测量运动载体的位置与动态补偿信息的装置，通过数据接口与所述卫星导航增强设备中的数仿单元连接。
6.根据权利要求5所述的一种动态补偿的卫星导航定位增强系统，其特征在于：所述卫星导航增强设备与N个发射天线通过数据链路直接或间接连接，N个发射天线将所述卫星导航增强设备再生的N个卫星导航信号往室内发射。
7.根据权利要求6所述的一种动态补偿的卫星导航定位增强系统，其特征在于：N个所述发射天线呈间距线性分布、或呈网格矩阵式分布。
8.一种动态补偿的卫星导航定位增强方法，其特征在于：包括以下步骤：
实时接收真实GNSS卫星导航信号，解算真实GNSS卫星导航信号中的时间信息和星座参数信息，将所得的时间信息送至时频单元，将所得的星座参数信息送至数仿单元；
检测运动载体的位置与动态补偿信息，并将所述位置与动态补偿信息送至数仿单元；
时频单元同步触发数仿单元和信号生成单元，所述数仿单元根据所述星座参数信息和所述位置与动态补偿信息计算所需再生卫星导航信号的仿真数据；
根据所述仿真数据实时再生卫星导航定位增强信号，并进行播发。
9.根据权利要求8所述的一种动态补偿的卫星导航定位增强方法，其特征在于：在接收真实GNSS卫星导航信号步骤中，可通过互联网获取时间信息和星座参数信息，将所述星座参数信息送至数仿单元，将所述时间信息送至时频单元。
10.根据权利要求9所述的一种动态补偿的卫星导航定位增强方法，其特征在于：还设有监测所述再生卫星导航定位增强信号播发状态的步骤，以验证运动载体位置与动态补偿信息到再生动态卫星导航定位增强信号的正确性。
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