CN109307875A - 空中目标多站交会实时导航定位方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种空中目标多站交会实时导航定位的方法,利用本发明可有效解决传统地基导航系统导航定位精度差、覆盖范围小不足的缺陷。本发明通过下述技术方案予以实现:各地面导航站基于自身配备的参考时钟产生上行扩频测距信号;空中目标基于自身配备的参考时钟形成下行测距帧,各地面导航站将各类采样信息放入下行测距帧,对自身形成的上行测距信号进行采样,利用下行测量帧解调出的测量信息及上行测距信号,求取各地面导航站相对于导航终端的伪距,将修正后的伪距测量值放入各地面导航站下一时刻的上行测量帧中,并发射到空中目标导航终端,利用伪距测量值及各站的精确坐标信息,基于几何定位实现对空中目标的高精度实时导航定位。
Description
技术领域
本发明涉及一种空中目标多站交会实时导航定位方法,该方法可应用于各类区域目标的实时高精度导航定位。
背景技术
随着我国北斗卫星导航系统的快速建设,预计到2020年即可实现全球覆盖,并在全球范围内的各行各业获得广泛应用。以美国全球卫星导航系统GPS为代表的卫星导航系统已成为世界上应用最广泛的导航定位系统。然而卫星导航系统也存在滋生的诸多不足,如发射功率较弱,易受电磁干扰,尤其在复杂电磁环境下几何无法使用。
各国为了摆脱对卫星导航系统的过度依赖,提出了多种新的导航理念,并开发了多种新的导航方法。在新导航理念方面,美国DARPA提出了全源定位导航(ALLSourcePositioning and Navigation,ASPN)的概念,英国BAE公司提出了随机信号导航(NAVSOP)的概念。在新技术方面,美国DARPA开展了“定位、导航与授时未技术”(即Micro-PNT)项目。同时各国也在积极开展与建设地基区域导航系统,如增强型罗兰陆基导航定位系统(eLoran),澳大利亚Locata地基区域导航系统。
传统的地基区域导航系统其基本工作原理是,首先在在局部区域部署若干地面导航站,同时对每个地面导航站的站址进行精确标定,各地面导航站通过高精度的时间频率同步技术实现站间高精度频率同步,如基于光纤的双向时间频率传递;然后各地面导航站基于自身的高精度参考时钟,产生导航信号,并经过天线辐射到导航覆盖区域;最后空中目标导航终端接收多站的导航信号,并完成捕获、跟踪与测量,目前应用较多的且较为成熟的测距方法为扩频伪码测距,导航终端利用多站的测距信息及精确的站址信息采用几何定位法实现对目标的实时导航定位。
相对于卫星导航系统的导航信号源,地面导航站部署在经精确标定的固定位置上,因此其导航信号源的位置误差(对应导航卫星的轨道误差)可忽略;地面导航站的参考时钟部署于地球表面且可通过高精度时间频率传递技术实现站间的高精度时间频率传递,因此地面导航网络的钟差(对应导航卫星钟差)可忽略。因此当目标与地面导航网络形成较好的几何分布时,其导航性能较好,在某些场合甚至比卫星导航的导航性能更优,同时由于传统地基导航系统采用的是单向测量技术,因此其所支持的目标数不受限制。然而,由于传统地基区域导航采用的单向测距技术,因此在实现导航定位时与卫星导航定位类似,需考虑导航终端的钟差,即导航终端钟差作为未知量需同时求解。同时由于在伪距测量中存在钟差的影响,当目标飞行高度较高时,导航终端与地面导航网络形成的GDOP值将急剧增大,甚至会导致系统无法对目标实现导航定位。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术存在的不足之处,提供一种空中目标多站交会实时导航定位方法,该方法可有效解决传统基于单向测量的地基导航系统导航定位精度差、覆盖范围小等不足。
本发明解决现有技术问题所采用的方案是:一种空中目标多站交会实时导航定位的方法,具有如下技术特征:首先,根据空中目标的飞行区域,部署若干地面导航站组成地基导航系统;各地面导航站配备高精度的GNSS测量型接收机,利用该GNSS接收机完成对各地面导航站站址的精确位置标定;其次,各地面导航站基于自身配备的参考时钟,产生上行扩频测距信号;空中目标导航终端接收各地面导航站的上行扩频测距信号,并进行解扩、解调和帧同步,基于自身配备的参考时钟,形成下行测距帧,并利用测距帧帧头对各地面导航站的上行测距信号进行采样,提取上行测距信号测距帧的位计数、扩频码码片计数和码相位,将各类采样信息放入空中目标导航终端下行测距帧,测距帧与扩频伪码异或实现扩频,扩频信号通过双向移相键控BPSK对空中目标导航终端的下行载波进行调制生成下行测距信号;空中目标导航终端通过导航天线将测距信号发射到各地面导航站,各地面导航站接收下行测距信号进行解扩、解调、位同步及帧同步后提取下行测量帧同步信号,再利用获得的下行测距帧同步头对自身形成的上行测距信号进行采样,提取各地面导航站上行测距帧的帧计数、位计数、扩频码码片计数和码相位;各地面导航站利用空中目标导航终端下行测量帧解调出的测量信息及对地面导航站上行测距信号的采样信息,求取各地面导航站相对于导航终端的伪距,并对其中的大气延时误差项进行修正,将修正后的伪距测量值放入各地面导航站下一时刻的上行测量帧中,并发射到空中目标导航终端,空中目标导航终端利用伪距测量值及各站的精确坐标信息,基于几何定位实现对空中目标的高精度实时导航定位。
本发明相比于现有技术具有如下有益效果:
1)本发明各地面导航站基于自身的高精度参考时钟,产生导航信号,并经过天线辐射到导航覆盖区域;空中目标导航终端与各地面导航站通过非相干双向测量实现伪距测量,空中目标导航终端利用多站伪距测量值实现交会实时导航定位,相对于卫星导航系统的导航信号源,地面导航站部署在经精确标定的固定位置上,因此其导航信号源的位置误差(对应导航卫星的轨道误差)可忽略;地面导航站的参考时钟部署于地球表面且可通过高精度时间频率传递技术实现站间的高精度时间频率传递,因此地面导航网络的钟差(对应导航卫星钟差)可忽略。因此当目标与地面导航网络形成较好的几何分布时,其导航性能较好,在某些场合甚至比卫星导航的导航性能更优。
2)本发明根据空中目标的空中目标区域,部署若干地面导航站组成地基区域交会导航系统;各地面导航站基于非相干模式实现双向伪距测量;伪距测量值中不包括导航终端钟差项,因此仅需部署三个地面导航站通过三站交会即可实现对空中目标的实时导航定位,实现的设计难度小,成本低,并且非相干模式技术简单,能够满足现代航天器的降低成本、简化设备和提高可靠性等要求。
3)各地面导航站基于自身配备的参考时钟,产生上行扩频测距信号,空中目标导航终端接收各站的上行扩频测距信号,并进行解扩、解调和帧同步,再利用空中目标导航终端自身形成的下行测距帧帧同步对各站的上行测距信号进行采样,提取上行测距信号测距帧的位计数、扩频码码片计数和码相位,将各类采样信息放入空中目标导航终端下行测距帧,测距帧与扩频伪码异或实现扩频,该扩频信号通过双向移相键控BPSK对空中目标导航终端的下行载波进行调制生成下行测距信号,空中目标导航终通过导航天线将该测距信号发射到各地面导航站。各地面导航站站间不需要高精度的时间频率同步;同时由于没有导航终端钟差的影响,地面导航网络在相同的几何部署情况下,其GDOP值远小于传统的单向测量的地基导航系统,且有效导航的覆盖范围更广。
4)本发明各地面导航站接收下行测距信号进行解扩、解调、位同步及帧同步后提取下行测量帧同步信号,再利用获得的下行测距帧同步头对自身形成的上行测距信号进行采样,提取下行测距帧帧计数、位计数、扩频码码片计数和码相位,地面导航站基带设备利用空中目标导航终端下行测量帧解调出的测量信息及对上行测距信号的采样信息,求取各地面导航站相对于导航终端的伪距,并对其中的误差项进行修正,将修正后的伪距测量值通过上行测量帧发射到导航终端,导航终端利用伪距测量值及各站的精确坐标信息,基于几何定位实现对空中目标的高精度实时导航定位。可有效解决传统基于单向测量的地基导航系统导航定位精度差、覆盖范围小等不足。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明的空中目标多站交会实时导航定位示意图。
图2是图1地面导航站n与目标m的相对距离测量流程框图。
具体实施方式
参阅图1。根据本发明,首先,根据待测目标的飞行区域,优化部署若干地面导航站,包括地面导航站1、地面导航站2、地面导航站3、…、地面导航站n,且,且每个地面导航站天线采用球面相控阵天线来实现对多目标的支持。空中目标包括目标1、目标2、…、目标m。不失一般性,这里以目标m的多站交会实时导航定位来阐述,首先各地面导航站利用自身配备的高精度GNSS接收机完成对站址的精确标定;各地面导航站与目标m通过上行链路与下行链路实现非相干双向伪距测量,并通过多站交会实现对空中目标n的实时导航定位。其中上行链路包括:各地面导航站基于自身配备的参考时钟,产生上行扩频测距信号,通过地面导航站天线发射到空中目标m,目标m的导航终端接收各站的上行扩频测距信号进行解扩、解调、帧同步,再利用自身形成的下行测距帧同步对各站的上行测距信号进行采样,提取位计数、扩频码码片计数、码相位。下行链路包括:目标m导航终端将各类采样信息放入的下行测距帧,并将该测距帧与扩频伪码异或实现扩频,并通过BPSK对载波进行调制,通过导航天线发射到各地面导航站,各地面导航站接收下行测距信号进行解扩、解调、位同步及帧同步提取下行测量帧同步信号,再利用获得的下行测距帧同步头对自身形成的上行测距信号进行采样,提取帧计数、位计数、扩频伪码计数、码相位等,地面导航站利用下行测量帧解调出的测量信息及对上行测距信号的采样信息,求取各地面导航站相对于导航终端的伪距,并对其中的误差项进行修正,将修正后的伪距测量值通过上行测量帧发射到目标m的导航终端,目标m的导航终端利用伪距测量值及各站的精确坐标信息基于几何定位实现对目标的高精度实时导航定位。
参阅图2。这里不失一般性,以地面导航站n与目标m来阐述地面导航站与目标导航终端的相对距离测量流程,首先,k时刻地面导航站n的产生上行测距帧k,帧长为500bit,并通过扩频码进行扩频,其中扩频码码速率选择为1.023Mcps,扩频后利用上行扩频链路发射到目标m,目标m接收到上行扩频信号后进行解扩、解调、帧同步,并利用自身产生的下行测距帧k的帧头对接收的上行测距帧k进行采样,提取位计数、扩频伪码码片计数和码相位,将这些采样信息实时放入目标m下行测距帧k,下行测距帧k通过扩频码扩频,其中扩频码码速率选择为1.023Mcps,并利用下行链路发射到地面导航站n,地面导航站n收到下行测距帧k进行解扩、解调及帧同步,并利用下行测距帧k的帧头对地面导航站n的上行测距帧进行采样,提取帧计数、位计数、扩频伪码码片计数和码相位等信息,地面导航站n利用上述信息获取双向测距值,地面导航站n利用配备的GNSS双频接收机及气象设备求取地面导航站与导航终端信号传输路径的电离层及对流层大气误差修正值,利用该修正值修正地面导航站n的测距值来获取校正后的单向测距值。并将该单向测距值编入地面导航站n的上行测距帧k+1中,通过上行链路发射到目标m的导航终端,用户导航终端实现导航定位。依次类推地面导航站n产生上行测距帧k+2,k+3,…,k+j;目标m产生下行测距帧k+2,k+3,…,k+j。
以上对本发明实施例进行了详细介绍,本文中应用了具体实施方式对本发明进行了阐述;同时,对于本领域的一般技术人员,依据本发明的思想,在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处,综上所述,本说明书实施例的内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (10)
1.一种空中目标多站交会实时导航定位的方法,具有如下技术特征:首先,根据空中目标的飞行区域,部署若干地面导航站组成地基导航系统;各地面导航站配备高精度的GNSS测量型接收机,利用该GNSS接收机完成对各地面导航站站址的精确位置标定;其次,各地面导航站基于自身配备的参考时钟,产生上行扩频测距信号;空中目标导航终端接收各地面导航站的上行扩频测距信号,并进行解扩、解调和帧同步,基于自身配备的参考时钟,形成下行测距帧,并利用测距帧帧头对各地面导航站的上行测距信号进行采样,提取上行测距信号测距帧的位计数、扩频码码片计数和码相位,将各类采样信息放入空中目标导航终端下行测距帧,测距帧与扩频伪码异或实现扩频,扩频信号通过双向移相键控BPSK对空中目标导航终端的下行载波进行调制生成下行测距信号;空中目标导航终端通过导航天线将测距信号发射到各地面导航站,各地面导航站接收下行测距信号进行解扩、解调、位同步及帧同步后提取下行测量帧同步信号,再利用获得的下行测距帧同步头对自身形成的上行测距信号进行采样,提取各地面导航站上行测距帧的帧计数、位计数、扩频码码片计数和码相位;各地面导航站利用空中目标导航终端下行测量帧解调出的测量信息及对地面导航站上行测距信号的采样信息,求取各地面导航站相对于导航终端的伪距,并对其中的大气延时误差项进行修正,将修正后的伪距测量值放入各地面导航站下一时刻的上行测量帧中,并发射到空中目标导航终端,空中目标导航终端利用伪距测量值及各站的精确坐标信息,基于几何定位实现对空中目标的高精度实时导航定位。
2.如权利要求1所述的空中目标多站交会实时导航定位的方法,其特征在于:根据待测目标的飞行区域,部署包括地面导航站1、地面导航站2、地面导航站3、…、地面导航站n,且的若干地面导航站。
3.如权利要求1所述的空中目标多站交会实时导航定位的方法,其特征在于:每个地面导航站天线采用球面相控阵天线来实现对多目标的支持。
4.如权利要求1所述的空中目标多站交会实时导航定位的方法,其特征在于:各地面导航站利用自身配备的高精度GNSS接收机完成对站址的精确标定;各地面导航站与目标m通过上行链路与下行链路实现非相干双向伪距测量,并通过多站交会实现对空中目标n的实时导航定位。
5.如权利要求1所述的空中目标多站交会实时导航定位的方法,其特征在于:各地面导航站通过地面导航站天线发射到空中目标m,目标m的导航终端接收各站的上行扩频测距信号进行解扩、解调、帧同步,再利用自身形成的下行测距帧同步对各站的上行测距信号进行采样,提取位计数、扩频码码片计数、码相位。
6.如权利要求1所述的空中目标多站交会实时导航定位的方法,其特征在于:地面导航站利用下行测量帧解调出的测量信息及对上行测距信号的采样信息,求取各地面导航站相对于导航终端的伪距,并对其中的误差项进行修正,将修正后的伪距测量值通过上行测量帧发射到目标m的导航终端,利用伪距测量值及各站的精确坐标信息基于几何定位实现对目标的高精度实时导航定位。
7.如权利要求1所述的空中目标多站交会实时导航定位的方法,其特征在于:k时刻地面导航站n的产生帧长为500bit的上行测距帧k,并通过扩频码进行扩频,将扩频码码速率选择为1.023Mcps,扩频后利用上行扩频链路发射到目标m,目标m接收到上行扩频信号后进行解扩、解调、帧同步,并利用自身产生的下行测距帧k的帧头对接收的上行测距帧k进行采样,提取位计数、扩频伪码码片计数和码相位,将这些采样信息实时放入目标m下行测距帧k。
8.如权利要求7所述的空中目标多站交会实时导航定位的方法,其特征在于:下行测距帧k通过扩频码扩频,将扩频码码速率选择为1.023Mcps,并利用下行链路发射到地面导航站n,地面导航站n收到下行测距帧k进行解扩、解调及帧同步,利用下行测距帧k的帧头对地面导航站n的上行测距帧进行采样,提取帧计数、位计数、扩频伪码码片计数和码相位信息,并利用上述信息获取双向测距值。
9.如权利要求8所述的空中目标多站交会实时导航定位的方法,其特征在于:地面导航站n利用配备的GNSS双频接收机及气象设备求取地面导航站与导航终端信号传输路径的电离层及对流层大气误差修正值,利用该修正值修正地面导航站n的测距值来获取校正后的单向测距值。
10.如权利要求9所述的空中目标多站交会实时导航定位的方法,其特征在于:地面导航站n并将单向测距值编入地面导航站n的上行测距帧k+1中,通过上行链路发射到目标m的导航终端,用户导航终端实现导航定位,依次类推地面导航站n产生上行测距帧k+2,k+3,…,k+j;目标m产生下行测距帧k+2,k+3,…,k+j。
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