CN107505645A - 一种导航定位系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种导航定位系统及方法，导航定位系统包括多个数字电视发射台均发射承载有导航信息的数字电视信号；接收机接收多个数字电视发射台的数字电视信号，根据数字电视信号分别测量其与多个数字电视发射台之间的伪距，利用三星定位算法对测量的伪距进行处理，获取导航定位信息。相对现有技术，本发明信号强度高，抗干扰能力强，在室内环境或卫星信号受到遮挡的情况下，接收机可以持续接收承载有导航信息的数字电视信号，通过承载有导航信息的数字电视信号进行导航定位，提升导航定位精度。

Description

一种导航定位系统及方法
技术领域
本发明涉及导航技术领域，特别涉及一种导航定位系统及方法。
背景技术
中国北斗卫星导航系统(BeiDou Navigation Satellite System，BDS)是中国自行研制的全球卫星导航系统。是继美国全球定位系统(GPS)、俄罗斯格洛纳斯卫星导航系统(GLONASS)之后第三个成熟的卫星导航系统。北斗卫星导航系统(BDS)和美国GPS、俄罗斯GLONASS、欧盟GALILEO，是联合国卫星导航委员会已认定的供应商。
北斗卫星导航系统由空间段、地面段和用户段三部分组成，可在全国范围内全天候、全天时为各类用户提供高精度、高可靠定位、导航、授时服务，并具短报文通信能力，已经初步具备区域导航、定位和授时能力，定位精度10米，测速精度0.2米/秒，授时精度10纳秒。空间段即空间星座，它由5颗地球静止轨道(GEO)卫星、27颗中圆地球轨道(MEO)卫星和3颗倾斜地球同步轨道(IGSO)卫星组成。地面段的作用是对卫星进行维护并维持其正常功能，包括将卫星保持在正确的轨道位置和监测卫星子系统的健康与状况。用户段由用户接收机设备组成，用于接收处理卫星发射的伪随机码信号，进而确定用户位置、速度和时间。一般来说，在中国区域内，只要接收到四颗以上卫星的信号，即可完成上述导航功能。
中国北斗卫星导航系统虽然已经广泛的应用在国民经济的各个领域，但是卫星导航系统的应用范围也受到一定的限制。比如说，卫星信号以相对较低的发射功率传输很远的距离，接收信号的强度较弱，很容易受到干扰，而且在室内或有遮挡的情况下，很难定位或无法定位。所以有必要对这些问题进行解决。
发明内容
本发明的目的是提供一种导航定位系统及方法，所要解决的技术问题是：卫星信号以相对较低的发射功率传输很远的距离，接收信号的强度较弱，很容易受到干扰，而且在室内或有遮挡的情况下，很难定位或无法定位。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种导航定位系统，包括：
多个数字电视发射台，均用于发射承载有导航信息的数字电视信号；
接收机，用于接收多个数字电视发射台的数字电视信号，根据数字电视信号分别测量其与多个数字电视发射台之间的伪距，利用三星定位算法对测量的伪距进行处理，获取导航定位信息。
本发明的有益效果是：通过多个数字电视发射台发射承载有导航信息的数字电视信号，数字电视信号的信号传输距离远，信号强度高，抗干扰能力强，在室内环境或卫星信号受到遮挡的情况下，接收机可以持续接收承载有导航信息的数字电视信号，通过承载有导航信息的数字电视信号进行导航定位，提升导航定位精度。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
进一步，所述接收机还用于利用多个导航信息获取授时信息，根据授时信息进行时间确定。
采用上述进一步方案的有益效果是：通过承载有导航信息的数字电视信号，还可以进行授时，提升时间精度。
进一步，所述数字电视发射台设置有三个，三个所述数字电视发射台均用于发射承载有导航信息的数字电视信号。
采用上述进一步方案的有益效果是：三个所述数字电视发射台向接收机发射承载有导航信息的数字电视信号，便于接收机接收不同方位的三个数字电视发射台的数字电视信号，分别测量其与多个数字电视发射台之间的伪距，能有效提升定位精度。
进一步，所述数字电视发射台发射承载有导航信息的数字电视信号具体为：
所述数字电视发射台生成承载了导航信息的导航信息帧，导航信息帧经过基带后处理转换为基带输出信号，基带输出信号经正交上变频转换为射频信号，将射频信号发射至接收机。
采用上述进一步方案的有益效果是：能实现将导航信息承载在射频信号上，使得数字电视信号以射频信号的形式发射至接收机，射频信号传输距离远，信号强度高，抗干扰能力强，在室内环境或卫星信号受到遮挡的情况下，能使接收机持续进行导航定位。
进一步，所述导航信息包括导航扩频序列、数字电视发射台的坐标和授时信息。
采用上述进一步方案的有益效果是：导航扩频序列和数字电视发射台的坐标便于接收机进行伪距测量，提升导航定位精度。
进一步，当多个数字电视发射台中一个数字电视发射台发射承载有导航信息的数字电视信号时，与该数字电视发射台处于同一单频网的其它数字电视发射台，或者对该数字电视发射台发射的数字电视信号产生干扰的其它数字电视发射台，均发射零填充序列的数字电视信号。
采用上述进一步方案的有益效果是：每个数字电视发射台的导航扩频序列各不相同，实现多个数字电视发射台保持同步发射，各导航信号帧间不会产生干扰，从而顺利进行导航定位，提升导航定位精度。
进一步，对于各数字电视发射台发射的数字电视信号，其承载的数字电视发射台的坐标、授时信息及单频网的网号相同，各数字电视发射台采用同步方式广播发送；对于各数字电视发射台发射的数字电视信号，其承载的导航扩频序列不同，各数字电视发射台相应采取轮流形式发送。
采用上述进一步方案的有益效果是：通过采用同步方式广播发送或轮流形式发送，能有效避免信号干扰，提升信号传输效率。
进一步，所述接收机中利用三星定位算法对测量的伪距进行处理，获取导航定位信息的具体实现为：根据数字电视信号中的导航扩频序列和数字电视发射台的坐标分别测量其与多个数字电视发射台之间的伪距，获取地心地固坐标系下的近似位置；将地心地固坐标系下的近似位置转换为大地坐标系下的经纬度数据和近似椭球高度数据；利用高度计测量本地椭球高度数据，将本地椭球高度数据替换近似椭球高度数据；将经纬度数据和本地椭球高度数据进行坐标转换，得到地心地固坐标系下的估计位置；利用方向余弦矩阵对地心地固坐标系下的估计位置进行处理，得接收机的本地位置修正量和钟差修正量；判断所得本地位置修正量和钟差修正量是否满足收敛条件，如果满足则输出本地位置和钟差；否则，重新进行对地心地固坐标系下的近似位置进行转换。
采用上述进一步方案的有益效果是：通过一系列的信号处理，能实现精准定位导航。
本发明解决上述技术问题的另一技术方案如下：一种导航定位方法，包括以下步骤：
步骤1：多个数字电视发射台均发射承载有导航信息的数字电视信号；
步骤2：接收机接收多个数字电视发射台的数字电视信号，根据数字电视信号分别测量其与多个数字电视发射台之间的伪距，利用三星定位算法对测量的伪距进行处理，获取导航定位信息。
本发明的有益效果是：通过多个数字电视发射台发射承载有导航信息的数字电视信号，数字电视信号的信号传输距离远，信号强度高，抗干扰能力强，在室内环境或卫星信号受到遮挡的情况下，接收机可以持续接收承载有导航信息的数字电视信号，通过承载有导航信息的数字电视信号进行导航定位，提升导航定位精度。
附图说明
图1为本发明一种导航定位系统的模块框图；
图2为本发明一种导航定位方法的流程图；
图3为本发明数字电视发射台、接收机和虚拟发射台定位原理图。
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
1、数字电视发射台，2、接收机，3、虚拟发射台。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
如图1所示，一种导航定位系统，包括：
多个数字电视发射台1，均用于发射承载有导航信息的数字电视信号；
接收机2，用于接收多个数字电视发射台1的数字电视信号，根据数字电视信号分别测量其与多个数字电视发射台1之间的伪距，利用三星定位算法对测量的伪距进行处理，获取导航定位信息。
上述实施例中，通过多个数字电视发射台1发射承载有导航信息的数字电视信号，数字电视信号的信号传输距离远，信号强度高，抗干扰能力强，在室内环境或卫星信号受到遮挡的情况下，接收机2可以持续接收承载有导航信息的数字电视信号，通过承载有导航信息的数字电视信号进行导航定位，提升导航定位精度。
可选的，作为本发明的一个实施例：所述接收机2还用于利用多个导航信息获取授时信息，根据授时信息进行时间确定。
上述实施例中，通过承载有导航信息的数字电视信号，还可以进行授时，提升时间精度。
可选的，作为本发明的一个实施例：所述数字电视发射台1设置有三个，三个所述数字电视发射台1均用于发射承载有导航信息的数字电视信号。
上述实施例中，三个所述数字电视发射台1向接收机2发射承载有导航信息的数字电视信号，便于接收机2接收不同方位的三个数字电视发射台1的数字电视信号，分别测量其与多个数字电视发射台1之间的伪距，能有效提升定位精度。
可选的，作为本发明的一个实施例：所述数字电视发射台1发射承载有导航信息的数字电视信号具体为：
所述数字电视发射台1生成承载了导航信息的导航信息帧，导航信息帧经过基带后处理转换为基带输出信号，基带输出信号经正交上变频转换为射频信号，将射频信号发射至接收机2。
上述实施例中，能实现将导航信息承载在射频信号上，使得数字电视信号以射频信号的形式发射至接收机2，射频信号传输距离远，信号强度高，抗干扰能力强，在室内环境或卫星信号受到遮挡的情况下，能使接收机2持续进行导航定位。
可选的，作为本发明的一个实施例：所述导航信息包括导航扩频序列、数字电视发射台1的坐标和授时信息。
上述实施例中，导航扩频序列和数字电视发射台1的坐标便于接收机2进行伪距测量，提升导航定位精度。
可选的，作为本发明的一个实施例：当多个数字电视发射台1中一个数字电视发射台1发射承载有导航信息的数字电视信号时，与该数字电视发射台1处于同一单频网的其它数字电视发射台1，或者对该数字电视发射台1发射的数字电视信号产生干扰的其它数字电视发射台1，均发射零填充序列的数字电视信号。
上述实施例中，每个数字电视发射台1的导航扩频序列各不相同，实现多个数字电视发射台1保持同步发射，各导航信号帧间不会产生干扰，从而顺利进行导航定位，提升导航定位精度。
可选的，作为本发明的一个实施例：对于各数字电视发射台1发射的数字电视信号，其承载的数字电视发射台1的坐标、授时信息及单频网的网号相同，各数字电视发射台1采用同步方式广播发送；对于各数字电视发射台1发射的数字电视信号，其承载的导航扩频序列不同，各数字电视发射台1相应采取轮流形式发送。
上述实施例中，通过采用同步方式广播发送或轮流形式发送，能有效避免信号干扰，提升信号传输效率。
可选的，作为本发明的一个实施例：所述接收机2中利用三星定位算法对测量的伪距进行处理，获取导航定位信息的具体实现为：根据数字电视信号中的导航扩频序列和数字电视发射台1的坐标分别测量其与多个数字电视发射台1之间的伪距，获取地心地固坐标系下的近似位置；将地心地固坐标系下的近似位置转换为大地坐标系下的经纬度数据和近似椭球高度数据；利用高度计测量本地椭球高度数据，将本地椭球高度数据替换近似椭球高度数据；将经纬度数据和本地椭球高度数据进行坐标转换，得到地心地固坐标系下的估计位置；利用方向余弦矩阵对地心地固坐标系下的估计位置进行处理，得接收机2的本地位置修正量和钟差修正量；判断所得本地位置修正量和钟差修正量是否满足收敛条件，如果满足则输出本地位置和钟差；否则，重新进行对地心地固坐标系下的近似位置进行转换。
上述实施例中，通过一系列的信号处理，能实现精准定位导航。
如图3所示，如果令ρi表示接收机2与第i个地面数字电视发射台1之间的伪距，接收机2位置坐标为(xu,yu,zu)，接收机2钟差引起的距离偏差为ctu，其中c表示光速；伪距的测量误差为ερi，则可以得到伪距观测方程为：
将高程辅助方程加入到三个伪距测量方程中组成方程组：
其中，表示接收机2估算位置u＝(ux,uy,uz)与一个虚拟电视台v＝(0,0,0)之间的几何距离，εalt表示本地椭球高度测量的误差。
对于上面的一个非线性方程组，可以采用牛顿法求解非线性方程或方程组，牛顿法从一个初始的近似值开始，经过反复迭代不断修正近似值，最终得到方程组的解；但是牛顿法需要先将方程组对于近似位置和近似钟差进行线性化处理，利用线性化方程组求解得本地位置修正量和钟差修正量，处理后的线性化方程组如下：
其中，
在上式右边第一个矩阵通常被称作方向余弦矩阵，现记作G；
Δu＝(Δux,Δuy,Δuz)和Δtu分别为上面提到的本地位置修正量和钟差修正量；在牛顿算法的每一次迭代中都会更新上式中估算位置u＝(ux,uy,uz)和相应的估算伪距ρ。计算新的估算位置需要两步如下所示：
(1)、将在地心地固坐标系下的近似位置转换为用户大地坐标系下的经纬度和椭球高
(2)、将测量得到的椭球高h替换得到然后将该位置转换为用户地心地固坐标系下的估算位置(ux uy uz)。
实施例2：
如图2所示，一种导航定位方法，包括以下步骤：
步骤1：多个数字电视发射台1均发射承载有导航信息的数字电视信号；
步骤2：接收机2接收多个数字电视发射台1的数字电视信号，根据数字电视信号分别测量其与多个数字电视发射台1之间的伪距，利用三星定位算法对测量的伪距进行处理，获取导航定位信息。
上述实施例中，通过多个数字电视发射台1发射承载有导航信息的数字电视信号，数字电视信号的信号传输距离远，信号强度高，抗干扰能力强，在室内环境或卫星信号受到遮挡的情况下，接收机2可以持续接收承载有导航信息的数字电视信号，通过承载有导航信息的数字电视信号进行导航定位，提升导航定位精度。
可选的，作为本发明的一个实施例：所述接收机2还利用多个导航信息获取授时信息，根据授时信息进行时间确定。
上述实施例中，通过承载有导航信息的数字电视信号，还可以进行授时，提升时间精度。
可选的，作为本发明的一个实施例：所述数字电视发射台1设置有三个，三个所述数字电视发射台1均用于发射承载有导航信息的数字电视信号。
上述实施例中，三个所述数字电视发射台1向接收机2发射承载有导航信息的数字电视信号，便于接收机2接收不同方位的三个数字电视发射台1的数字电视信号，分别测量其与多个数字电视发射台1之间的伪距，能有效提升定位精度。
可选的，作为本发明的一个实施例：步骤1中，所述数字电视发射台1发射承载有导航信息的数字电视信号具体为：
所述数字电视发射台1生成承载了导航信息的导航信息帧，导航信息帧经过基带后处理转换为基带输出信号，基带输出信号经正交上变频转换为射频信号，将射频信号发射至接收机2。
上述实施例中，能实现将导航信息承载在射频信号上，使得数字电视信号以射频信号的形式发射至接收机2，射频信号传输距离远，信号强度高，抗干扰能力强，在室内环境或卫星信号受到遮挡的情况下，能使接收机2持续进行导航定位。
可选的，作为本发明的一个实施例：所述导航信息包括导航扩频序列、数字电视发射台1的坐标和授时信息。
上述实施例中，导航扩频序列和数字电视发射台1的坐标便于接收机2进行伪距测量，提升导航定位精度。
可选的，作为本发明的一个实施例：步骤1中，当多个数字电视发射台1中一个数字电视发射台1发射承载有导航信息的数字电视信号时，与该数字电视发射台1处于同一单频网的其它数字电视发射台1，或者对该数字电视发射台1发射的数字电视信号产生干扰的其它数字电视发射台1，均发射零填充序列的数字电视信号。
上述实施例中，每个数字电视发射台1的导航扩频序列各不相同，实现多个数字电视发射台1保持同步发射，各导航信号帧间不会产生干扰，从而顺利进行导航定位，提升导航定位精度。
可选的，作为本发明的一个实施例：步骤1中，对于各数字电视发射台1发射的数字电视信号，其承载的数字电视发射台1的坐标、授时信息及单频网的网号相同，各数字电视发射台1采用同步方式广播发送；对于各数字电视发射台1发射的数字电视信号，其承载的导航扩频序列不同，各数字电视发射台1相应采取轮流形式发送。
上述实施例中，通过采用同步方式广播发送或轮流形式发送，能有效避免信号干扰，提升信号传输效率。
可选的，作为本发明的一个实施例：步骤2中，所述接收机2中利用三星定位算法对测量的伪距进行处理，获取导航定位信息的具体实现为：
根据数字电视信号中的导航扩频序列和数字电视发射台1的坐标分别测量其与多个数字电视发射台1之间的伪距，获取地心地固坐标系下的近似位置；
将地心地固坐标系下的近似位置转换为大地坐标系下的经纬度数据和近似椭球高度数据；
利用高度计测量本地椭球高度数据，将本地椭球高度数据替换近似椭球高度数据；
将经纬度数据和本地椭球高度数据进行坐标转换，得到地心地固坐标系下的估计位置；
利用方向余弦矩阵对地心地固坐标系下的估计位置进行处理，得接收机2的本地位置修正量和钟差修正量；
判断所得本地位置修正量和钟差修正量是否满足收敛条件，如果满足则输出本地位置和钟差；否则，重新进行对地心地固坐标系下的近似位置进行转换。
上述实施例中，通过一系列的信号处理，能实现精准定位导航。
如图3所示，如果令ρi表示接收机2与第i个地面数字电视发射台1之间的伪距，接收机2位置坐标为(xu,yu,zu)，接收机2钟差引起的距离偏差为ctu，其中c表示光速；伪距的测量误差为ερi，则可以得到伪距观测方程为：
将高程辅助方程加入到三个伪距测量方程中组成方程组：
其中，表示接收机2估算位置u＝(ux,uy,uz)与一个虚拟电视台v＝(0,0,0)之间的几何距离，εalt表示本地椭球高度测量的误差。
对于上面的一个非线性方程组，可以采用牛顿法求解非线性方程或方程组，牛顿法从一个初始的近似值开始，经过反复迭代不断修正近似值，最终得到方程组的解；但是牛顿法需要先将方程组对于近似位置和近似钟差进行线性化处理，利用线性化方程组求解得本地位置修正量和钟差修正量，处理后的线性化方程组如下：
其中，
在上式右边第一个矩阵通常被称作方向余弦矩阵，现记作G；
Δu＝(Δux,Δuy,Δuz)和Δtu分别为上面提到的本地位置修正量和钟差修正量；在牛顿算法的每一次迭代中都会更新上式中估算位置u＝(ux,uy,uz)和相应的估算伪距ρ。计算新的估算位置需要两步如下所示：
(1)、将在地心地固坐标系下的近似位置转换为用户大地坐标系下的经纬度和椭球高
(2)、将测量得到的椭球高h替换得到然后将该位置转换为用户地心地固坐标系下的估算位置(ux uy uz)。
地面数字电视产业是近几年蓬勃发展起来的新型产业，我国已经于2006年8月颁布了《数字电视地面广播传输系统帧结构、信道编码和调制》国家标准，于2007年8月1日开始实施。目前，我国也同世界上许多国家一样，正在积极地推动地面数字电视广播系统的建设及其相关产业的发展，除了完成其基本功能以外，地面数字电视广播信号作为一种无线电辐射资源与所有射频辐射源一样，可以被考虑应用于各种军事和民事应用。地面数字电视网的优点是电视发射台遍布全国各各县市，而且频谱资源丰富、发射功率大、覆盖范围广，与导航卫星相比，利用地面数字电视广播信号承载导航定位信号，可以抵抗更强的干扰，在室内环境及卫星信号受到遮挡的条件下，仍然可以顺利完成导航定位功能，是卫星导航定位系统的有益补充。
本发明在不影响地面数字电视广播的前提下，根据我国DTMB信号的特点，充分利用地面数字电视发射台1的现有设备和资源，对数字电视信号进行适当的改造，并借助一种高程辅助的三星定位算法实现导航定位功能。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种导航定位系统，其特征在于，包括：
多个数字电视发射台(1)，均用于发射承载有导航信息的数字电视信号；
接收机(2)，用于接收多个数字电视发射台(1)的数字电视信号，根据数字电视信号分别测量其与多个数字电视发射台(1)之间的伪距，利用三星定位算法对测量的伪距进行处理，获取导航定位信息。
2.根据权利要求1所述一种导航定位系统，其特征在于，所述导航信息包括导航扩频序列、数字电视发射台(1)的坐标和授时信息。
3.根据权利要求2所述一种导航定位系统，其特征在于，所述接收机(2)还用于利用多个导航信息获取授时信息，根据授时信息进行时间确定。
4.根据权利要求1所述一种导航定位系统，其特征在于，所述数字电视发射台(1)设置有三个，三个所述数字电视发射台(1)均用于发射承载有导航信息的数字电视信号。
5.根据权利要求1所述一种导航定位系统，其特征在于，所述数字电视发射台(1)发射承载有导航信息的数字电视信号具体为：
所述数字电视发射台(1)生成承载了导航信息的导航信息帧，导航信息帧经过基带后处理转换为基带输出信号，基带输出信号经正交上变频转换为射频信号，将射频信号发射至接收机(2)。
6.根据权利要求5所述一种导航定位系统，其特征在于，当多个数字电视发射台(1)中一个数字电视发射台(1)发射承载有导航信息的数字电视信号时，与该数字电视发射台(1)处于同一单频网的其它数字电视发射台(1)，或者对该数字电视发射台(1)发射的数字电视信号产生干扰的其它数字电视发射台(1)，均发射零填充序列的数字电视信号。
7.根据权利要求5所述一种导航定位系统，其特征在于，对于各数字电视发射台(1)发射的数字电视信号，其承载的数字电视发射台(1)的坐标、授时信息及单频网的网号相同，各数字电视发射台(1)采用同步方式广播发送；对于各数字电视发射台(1)发射的数字电视信号，其承载的导航扩频序列不同，各数字电视发射台(1)相应采取轮流形式发送。
8.根据权利要求6所述一种导航定位系统，其特征在于，所述接收机(2)中利用三星定位算法对测量的伪距进行处理，获取导航定位信息的具体实现为：根据数字电视信号中的导航扩频序列和数字电视发射台(1)的坐标分别测量其与多个数字电视发射台(1)之间的伪距，获取地心地固坐标系下的近似位置；将地心地固坐标系下的近似位置转换为大地坐标系下的经纬度数据和近似椭球高度数据；利用高度计测量本地椭球高度数据，将本地椭球高度数据替换近似椭球高度数据；将经纬度数据和本地椭球高度数据进行坐标转换，得到地心地固坐标系下的估计位置；利用方向余弦矩阵对地心地固坐标系下的估计位置进行处理，得接收机(2)的本地位置修正量和钟差修正量；判断所得本地位置修正量和钟差修正量是否满足收敛条件，如果满足则输出本地位置和钟差；否则，重新进行对地心地固坐标系下的近似位置进行转换。
9.一种导航定位方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：多个数字电视发射台(1)均发射承载有导航信息的数字电视信号；
步骤2：接收机(2)接收多个数字电视发射台(1)的数字电视信号，根据数字电视信号分别测量其与多个数字电视发射台(1)之间的伪距，利用三星定位算法对测量的伪距进行处理，获取导航定位信息。
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