CN108919370B - 一种基于引力场测量的定位装置及方法 - Google Patents
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Abstract
为了解决现有自主定位导航依赖外部信号的问题，本发明提供一种不依赖于无线电信号，不受其他外部干扰的基于引力场测量的定位装置及方法，可应用在卫星导航定位以及深空深海导航定位应用领域。基于引力场测量的定位装置及方法，将1号标准钟和2号标准钟位于待定位位置处，1号标准钟和2号标准钟在黎曼空间或等效的引力场中，其频率信号变化具有互补的变化率；从1号标准钟输出的频率信号与2号标准钟的频率信号提取出I路差频信号I(t)、Q路差频信号Q(t)和参考时钟f0；根据I路差频信号I(t)和Q路差频信号Q(t)，获得1号标准钟和2号标准钟的频率变化△f，再根据获得引力场半径r，根据该半径r进行定位导航，2m表示史瓦西半径。
Description
技术领域
本发明涉及一种定位装置及方法，特别涉及一种基于引力场测量的定位装置及方法，可应用在卫星导航定位以及深空深海导航定位应用领域。
背景技术
卫星或潜艇自主导航具有极其重要的工程应用价值和战略研究意义，不仅可以减轻地面测控系统或指挥系统的工作负担，而且可以减少卫星或潜艇对指挥测控系统的依赖，增加系统的抗干扰和自主生存能力。
现有的自主导航多采用GPS导航系统，GPS导航系统依赖于无线电信号，易受外部干扰。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有自主定位导航依赖外部信号的问题，本发明提供一种不依赖于无线电信号，不受其他外部干扰的基于引力场测量的定位装置及方法。
本发明的基于引力场测量的定位装置，所述定位装置包括：1号标准钟、2 号标准钟、差频信号提取电路和处理器；
所述1号标准钟和2号标准钟位于待定位位置处，所述1号标准钟和2号标准钟在黎曼空间或等效的引力场中，其频率信号变化具有互补的变化率；
1号标准钟输出的频率信号与2号标准钟的频率信号输入至差频信号提取电路，差频信号提取电路提取出I路差频信号I(t)、Q路差频信号Q(t)和参考时钟f0；
处理器根据I路差频信号I(t)和Q路差频信号Q(t)，获得1号标准钟和2 号标准钟的频率变化△f，再根据获得引力场半径r，根据该半径r进行定位导航，2m表示史瓦西半径。
优选的是，所述处理器，获得1号标准钟和2号标准钟的频率变化△f的方法为：
将I路差频信号I(t)、Q路差频信号Q(t)进行数字合成，获得差频数字信号X(t)：
其中，A0是包括初始相位的复常数。j表示虚部，t表示时间，fatc表示1号标准钟的频率，fstc表示2号标准钟的频率；
提取X(t)的相位信号：
对相位信号微分有：
优选的是，所述差频信号提取电路包括混频电路、I路数字信号提取电路、 Q路数字信号提取电路和参考时钟提取电路；
1号标准钟输出的频率信号与2号标准钟的频率信号输入至混频电路进行混频，混频电路分别输出同相差频信号、同相和频信号、正交差频信号和正交和频信号；
所述同相差频信号输入至I路数字信号提取电路，经I路数字信号提取电路提取出I路差频信号I(t)；
所述同相和频信号输入至I路参考时钟提取电路，经I路参考时钟提取电路提取出I路参考时钟信号f0；
所述正交差频信号输入至Q路数字信号提取电路，经Q路数字信号提取电路提取出Q路差频信号Q(t)；
所述同相和频信号或正交和频信号输入至参考时钟提取电路，经参考时钟提取电路提取出参考时钟信号f0。
优选的是，所述混频电路包括：
1号标准钟输出频率信号cos(2πfatct)分成两路，2号标准钟输出频率信号 cos(2πfstct)和sin(2πfstct)；一路cos(2πfatct)与cos(2πfstct)经混频电路混频之后，输出同相差频信号cos[2π(fatc-fstc)t]和同相和频信号cos[2π (fatc+fstc)t]；另一路cos(2πfatct)与sin(2πfstct)经混频电路混频之后，输出正交差频信号-sin[2π(fatc-fstc)t]和正交和频信号sin[2π(fatc+fstc)t]；
I路数字信号提取电路包括串联的低通滤波器LPF和ADC转换器；
I路数字信号提取电路与Q路数字信号提取电路结构相同；
同相差频信号cos[2π(fatc-fstc)t]和正交差频信号-sin[2π(fatc-fstc)t]分别输入至I路数字信号提取电路和Q路数字信号提取电路结构，经低通滤波器 LPF和ADC转换器后，输出I路差频信号I(t)和Q路差频信号Q(t)；
参考时钟提取电路包括串联的带通滤波器和二分频器；
同相和频信号cos[2π(fatc+fstc)t]或正交和频信号sin[2π(fatc+fstc)t]输入至参考时钟提取电路，经带通滤波器和二分频器之后，输出参考时钟信号f0。
优选的是，所述1号标准钟为原子钟，2号标准钟为时空表。
一种基于引力场测量的定位方法，所述方法包括如下步骤：
S1、获取待定位位置处的1号标准钟和2号标准钟的频率变化△f和参考时钟f0；
所述1号标准钟和2号标准钟在黎曼空间或等效的引力场中，其频率信号变化具有互补的变化率；
S2、根据频率变化△f，根据获得引力场半径r，2m表示史瓦西半径；
S3、根据获得引力场半径r，进行定位导航。
优选的是，所述S1包括：
S11、对1号标准钟和2号标准钟的输出频率进行混频，提取出1号标准钟和2号标准钟的差频信号的I路差频信号I(t)、Q路差频信号Q(t)和参考时钟 f0；
S12、将I路差频信号I(t)、Q路差频信号Q(t)进行数字合成，获得差频数字信号X(t)：
其中，A0是包括初始相位的复常数。j表示虚部，t表示时间，fatc表示1 号标准钟的频率，fstc表示2号标准钟的频率；
S13、提取X(t)的相位信号：
S14、对相位信号微分有：
上述技术特征可以各种适合的方式组合或由等效的技术特征来替代，只要能够达到本发明的目的。
本发明的有益效果在于，本发明利用不同类型的标准钟在黎曼空间中具有不同引力延时效应机理，标准钟输出的频率信号具有引力红移及引力蓝移特点，通过测量红移及蓝移频差获得空间引力半径参数，并根据引力半径参数实现自主定位导航，不依赖于外部信号。
附图说明
图1为本发明具体实施方式的原理示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的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。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
黎曼空间是描述引力场的等效数学模型，根据等效原理，时空间隔可以表达为
ds2＝c2dt2＝g00c2 dt2 +2g0jcdtdx2+gijdxidxj (1)
其中dt为时间坐标，dxj为空间坐标(表示dx,dy,dz)，gij＝ gij(t,x,y,z)为度规参数，是坐标的函数，i,j＝1,2,3。当dxj＝0时，时间间隔为固有时，即
对于光信号ds2＝0，根据(1)式有
cdτ＝dl (3)
其中
为纯空间度规下的固有长度，c为光速。
史瓦西度规是球对称分布引力场的数学模型，其直角坐标系下的度规参数为
其中2m为史瓦西半径，r为坐标半径参数，且r2＝x2+y2+z2。将度规参数分别带入(2)式及(4)式有
地球的史瓦西半径2m＝8.9×10-3米，实际应用中半径参数r＞＞2m，因此 (6)式及(7)式可近似为(精度为10-19量级)
当r→∞时，dτ＝dt，其固有时即为坐标时，固有长度即为坐标测量长度。根据等效原理，在引力场中，其固有时dτ≤dt，而固有长度
原子钟给出的时间为
时空表给出的时间为：
其中dt∞表示无穷远处或平直空间的固有时，并可以调整为
由于原子钟与时空表在远离引力场的地方已经调准同步，因此当两种标准钟引入引力场时将产生不同的变化，其变化量为
根据频率变化率对应时间变化率的关系有
本实施方式根据建立的数学模型公式(13)确定，两种不同的标准钟输出的频率信号其变化率在引力场中为互补规律变化，其相对频率变化正比于引力势，且两种标准钟输出频率信号的差频与半径参数成反比，而半径参数增量与频差增量成正比。所以根据引力半径参数可由相对频率变化获得，从而具有定位导航功能。从而本实施方式提出了基于引力场测量的定位装置及方法，利用不同标准钟的不同作用机理，通过标准钟的频率信号和差运算实现引力势的测量，将引力场半径参数解算实现定位导航。
本实施方式的一种基于引力场测量的定位装置，1号标准钟、2号标准钟、差频信号提取电路和处理器；
所述1号标准钟和2号标准钟位于待定位位置处，所述1号标准钟和2号标准钟在黎曼空间或等效的引力场中，其频率信号变化具有互补的变化率；
1号标准钟输出的频率信号与2号标准钟的频率信号输入至差频信号提取电路，差频信号提取电路提取出I路差频信号I(t)、Q路差频信号Q(t)和参考时钟f0；
处理器根据I路差频信号I(t)和Q路差频信号Q(t)，获得1号标准钟和2 号标准钟的频率变化△f，再根据获得引力场半径r，根据该半径r进行定位导航，2m表示史瓦西半径。
本实施方式利用不同类型的标准钟在黎曼空间中具有不同引力延时效应机理，标准钟输出的频率信号具有引力红移及引力蓝移特点，通过测量红移及蓝移频差获得空间引力半径参数，并根据引力半径参数实现自主定位导航，不依赖于外部信号。
优选实施例中，本实施方式的处理器，获得1号标准钟和2号标准钟的频率变化△f的方法为：
将I路差频信号I(t)、Q路差频信号Q(t)进行数字合成，获得差频数字信号X(t)：
其中，A0是包括初始相位的复常数。j表示虚部，t表示时间，fatc表示1 号标准钟的频率，fstc表示2号标准钟的频率；
提取X(t)的相位信号：
对相位信号微分有：
优选实施例中，本实施方式的差频信号提取电路包括混频电路、I路数字信号提取电路、Q路数字信号提取电路和参考时钟提取电路；
1号标准钟输出的频率信号与2号标准钟的频率信号输入至混频电路进行混频，混频电路分别输出同相差频信号、同相和频信号、正交差频信号和正交和频信号；
所述同相差频信号输入至I路数字信号提取电路，经I路数字信号提取电路提取出I路差频信号I(t)；
所述正交差频信号输入至Q路数字信号提取电路，经Q路数字信号提取电路提取出Q路差频信号Q(t)；
所述同相和频信号或正交和频信号输入至参考时钟提取电路，经参考时钟提取电路提取出参考时钟信号f0。
本实施方式将两种标准钟频率信号进行正交混频处理，从和频信号中提取出参考时钟，将差频信号通过IQ处理，提取出数字差频信号，和频信号与差频信号在处理器中进行解算，获得引力场半径参数。
优选实施例中，如图1所示，本实施方式的混频电路包括：
1号标准钟输出频率信号cos(2πfatct)分成两路，一路为I路，一路为Q路。 2号标准钟输出频率信号cos(2πfstct)和sin(2πfstct)，为两路正交信号；其中 cos(2πfstct)为I路，sin(2πfstct)为Q路；
在I路分支中，cos(2πfatct)与cos(2πfstct)经混频电路混频之后，输出同相差频信号cos[2π(fatc-fstc)t]和同相和频信号cos[2π(fatc+fstc)t]；同相差频信号cos[2π(fatc-fstc)t]经低通滤波器LPF提取、ADC转换器转换后，输出I路差频信号I(t)进入处理器；同相和频信号cos[2π(fatc+fstc)t]经过带通滤波器 BPF提取及二分频后输出I路参考时钟信号f0；
在Q路分支中，cos(2πfatct)与sin(2πfstct)经混频电路混频之后，输出正交差频信号-sin[2π(fatc-fstc)t]和正交和频信号sin[2π(fatc+fstc)t]；正交差频信号-sin[2π(fatc-fstc)t]经低通滤波器LPF提取、ADC转换器转换后，输出Q路差频信号I(t)进入处理器；同相和频信号sin[2π(fatc+fstc)t]经过带通滤波器 BPF提取及二分频后输出Q路参考时钟信号f0；
两个参考时钟信号f0是相同的，选择一个f0用于计算引力场半径r；
本实施方式的1号标准钟为原子钟，2号标准钟为时空表。
本实施方式还提供一种基于引力场测量的定位方法，包括如下步骤：
S1、获取待定位位置处的1号标准钟和2号标准钟的频率变化△f和参考时钟f0；
所述1号标准钟和2号标准钟在黎曼空间或等效的引力场中，其频率信号变化具有互补的变化率；
S2、根据频率变化△f，根据获得引力场半径r，2m表示史瓦西半径；
S3、根据获得引力场半径r，进行定位导航。
S1包括：
S11、对1号标准钟和2号标准钟的输出频率进行混频，提取出1号标准钟和2号标准钟的差频信号的I路差频信号I(t)、Q路差频信号Q(t)和参考时钟 f0；
S12、将I路差频信号I(t)、Q路差频信号Q(t)进行数字合成，获得差频数字信号X(t)：
其中，A0是包括初始相位的复常数。j表示虚部，t表示时间，fatc表示1号标准钟的频率，fstc表示2号标准钟的频率；
S13、提取X(t)的相位信号：
S14、对相位信号微分有：
本实施方式应用在卫星或潜艇的定位中，引力场与空间位置具有严格的函数关系，这种关系不依赖于卫星或潜艇的状态，因此可为卫星或潜艇提供位置信息，并为速度测量等惯测组合部件提供标校基准，从而提高定位导航精度，具有重要的科学意义与工程应用价值。基于引力场测量的卫星潜艇定位装置是通过不同标准钟在黎曼空间(或引力空间)中的不同时间作用机理，其标准钟输出的频率信号具有引力红移及引力蓝移特点，通过测量红移及蓝移频差获得空间引力半径参数，并根据引力半径参数实现定位的。从以上分析可知，基于引力场测量的卫星定位装置是实现卫星或潜艇导航系统的基础部件，相比于GPS导航系统，基于引力场测量的卫星潜艇定位装置不依赖于无线电信号，不受其他外部干扰，适合于自主导航定位应用。
虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。
Claims (7)
1.一种基于引力场测量的定位装置，其特征在于，所述定位装置包括：1号标准钟、2号标准钟、差频信号提取电路和处理器；
所述1号标准钟和2号标准钟位于待定位位置处，所述1号标准钟和2号标准钟在黎曼空间或等效的引力场中，其频率信号变化具有互补的变化率；
1号标准钟输出的频率信号与2号标准钟的频率信号输入至差频信号提取电路，差频信号提取电路提取出I路差频信号I(t)、Q路差频信号Q(t)和参考时钟f0；
处理器根据I路差频信号I(t)和Q路差频信号Q(t)，获得1号标准钟和2号标准钟的频率变化△f，再根据获得引力场半径r，根据该半径r进行定位导航，2m表示史瓦西半径。
2.根据权利要求1所述的基于引力场测量的定位装置，其特征在于，所述处理器，获得1号标准钟和2号标准钟的频率变化△f的方法为：
将I路差频信号I(t)、Q路差频信号Q(t)进行数字合成，获得差频数字信号X(t)：
其中，A0是包括初始相位的复常数,j表示虚部，t表示时间，fatc表示1号标准钟的频率，fstc表示2号标准钟的频率；
提取X(t)的相位信号：
对相位信号微分有：
3.根据权利要求2所述的基于引力场测量的定位装置，其特征在于，所述差频信号提取电路包括混频电路、I路数字信号提取电路、Q路数字信号提取电路和参考时钟提取电路；
1号标准钟输出的频率信号与2号标准钟的频率信号输入至混频电路进行混频，混频电路分别输出同相差频信号、同相和频信号、正交差频信号和正交和频信号；
所述同相差频信号输入至I路数字信号提取电路，经I路数字信号提取电路提取出I路差频信号I(t)；
所述同相和频信号输入至I路参考时钟提取电路，经I路参考时钟提取电路提取出I路参考时钟信号f0；
所述正交差频信号输入至Q路数字信号提取电路，经Q路数字信号提取电路提取出Q路差频信号Q(t)；
所述同相和频信号或正交和频信号输入至参考时钟提取电路，经参考时钟提取电路提取出参考时钟信号f0。
4.根据权利要求3所述的基于引力场测量的定位装置，其特征在于，所述混频电路包括：
1号标准钟输出频率信号cos(2πfatct)分成两路，2号标准钟输出频率信号cos(2πfstct)和sin(2πfstct)；一路cos(2πfatct)与cos(2πfstct)经混频电路混频之后，输出同相差频信号cos[2π(fatc-fstc)t]和同相和频信号cos[2π(fatc+fstc)t]；另一路cos(2πfatct)与sin(2πfstct)经混频电路混频之后，输出正交差频信号-sin[2π(fatc-fstc)t]和正交和频信号sin[2π(fatc+fstc)t]；
I路数字信号提取电路包括串联的低通滤波器LPF和ADC转换器；
I路数字信号提取电路与Q路数字信号提取电路结构相同；
同相差频信号cos[2π(fatc-fstc)t]和正交差频信号-sin[2π(fatc-fstc)t]分别输入至I路数字信号提取电路和Q路数字信号提取电路结构，经低通滤波器LPF和ADC转换器后，输出I路差频信号I(t)和Q路差频信号Q(t)；
参考时钟提取电路包括串联的带通滤波器和二分频器；
同相和频信号cos[2π(fatc+fstc)t]或正交和频信号sin[2π(fatc+fstc)t]输入至参考时钟提取电路，经带通滤波器和二分频器之后，输出参考时钟信号f0。
5.根据权利要求1或4所述的基于引力场测量的定位装置，其特征在于，所述1号标准钟为原子钟，2号标准钟为时空表。
6.一种基于引力场测量的定位方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
S1、获取待定位位置处的1号标准钟和2号标准钟的频率变化△f和参考时钟f0；
所述1号标准钟和2号标准钟在黎曼空间或等效的引力场中，其频率信号变化具有互补的变化率；
S2、根据频率变化△f，根据获得引力场半径r，2m表示史瓦西半径；
S3、根据获得引力场半径r，进行定位导航。
7.根据权利要求6所述的一种基于引力场测量的定位方法，其特征在于,所述S1包括：
S11、对1号标准钟和2号标准钟的输出频率进行混频，提取出1号标准钟和2号标准钟的差频信号的I路差频信号I(t)、Q路差频信号Q(t)和参考时钟f0；
S12、将I路差频信号I(t)、Q路差频信号Q(t)进行数字合成，获得差频数字信号X(t)：
其中，A0是包括初始相位的复常数,j表示虚部，t表示时间，fatc表示1号标准钟的频率，fstc表示2号标准钟的频率；
S13、提取X(t)的相位信号：
S14、对相位信号微分有：
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Non-Patent Citations (1)
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|---|
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| CN108919370A (zh) | 2018-11-30 |
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