CN110018505A - 一种利用通信卫星干涉测量实现舰船定位的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种利用通信卫星干涉测量实现舰船定位的方法，通过地面VLBI观测网同时接收至少三颗通信卫星的辐射源信号，获得卫星信号到达各天线的时延差，对通信卫星进行精密测定轨获取通信卫星的位置信息；舰船上采用阵列天线观测相同通信卫星，获得卫星信号到达舰船和VLBI观测网中任一测站的时延差；通过联立定位方程解算舰船的位置信息和钟差。本发明不依赖于现有卫星导航系统，在不影响现有卫星导航系统服务的情况下，仍能实现对舰船的高精度定位服务，形成对现有定位技术的补充和备份。

Description

一种利用通信卫星干涉测量实现舰船定位的方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，涉及一种通信卫星定位方法。

背景技术

干涉测量技术是一种被动的卫星跟踪技术，该技术在观测方向角方面具有较高的精度，可用于地球同步轨道卫星的精确跟踪与测量以及地面卫星干扰源的定位。甚长基线干涉测量(VLBI)是通过相距甚远、具有“独立本振”的两台或多台天线，同时观测和外射电源。根据观测目的的不同，观测的数据既可用于天文的高分辨率成像，也可用于精确测量天体和台站的坐标。由于上述技术的测站设备庞大，技术复杂度高，目前所涉及的定位目标主要为静态目标(发射卫星干扰信号的地面站或VLBI台站)的高精度定位。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种利用通信卫星干涉测量实现舰船定位的方法，不依赖于现有卫星导航系统，在不影响现有卫星导航系统服务的情况下，仍能实现对舰船的高精度定位服务，形成对现有定位技术的补充和备份。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：通过地面VLBI观测网同时接收至少三颗通信卫星的辐射源信号，获得卫星信号到达各天线的时延差，对通信卫星进行精密测定轨获取通信卫星的位置信息；舰船上采用阵列天线观测相同通信卫星，获得卫星信号到达舰船和VLBI观测网中任一测站的时延差；通过联立定位方程解算舰船的位置信息和钟差。

所述的舰船配备高精度原子钟，其频率准确度优于10-¹²s，通过接收网络授时信号或BPM授时信号，实现舰船与测站的时间同步。

所述的VLBI观测网中任一测站选取距离舰船最近的测站。

所述的VLBI观测网中任一测站标记为测站A，舰船与测站A观测第i颗卫星的时差测量为Δτ_i，舰船的钟差为Δt_u，第i颗卫星坐标为(X_0i,Y_0i,Z_0i)(i＝1,2,3......)，舰船的坐标为(x，y，z)，观测方程

式中，

得到三个辐射源的观测方程组

其中h为舰船上的接收机离地球基准椭球的高度；a和b分别为地球基准椭球的半长轴和半短轴；通过对方程线性化迭代求解即可求取舰船位置坐标。

本发明的有益效果是：借鉴VLBI技术，对现有在轨通信卫星进行被动观测，通过干涉测量技术求取信号到达不同接收天线的相位差进而获取测距信息，实现对舰船的定位服务。对于卫星信号，由于带宽受限，上述观测中群时延的测量精度在纳秒量级，若卫星的定轨径向误差为1米，考虑其他误差源引入的测量误差，对于DOP值为10的卫星星座，舰船的定位精度在20米左右。

附图说明

图1是本发明系统工作原理示意图。

图2是本发明基于卫星的VLBI测量原理图。

图3是本发明观测卫星的VLBI测轨原理图。

图4是本发明VLBI测量技术原理图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。

本发明提供一种基于通信卫星干涉测量实现定位的方法(Positioning Systembased on Interferometry，简称为IPS)，借鉴VLBI技术，通过对通信卫星进行干涉测量，最终实现对舰船的定位。

本发明借鉴VLBI技术的思想，在保证定位精度的前提下，根据接收信号的特点，通过技术改进，采用小型阵列天线接收信号简化定位目标的设备配置，通过干涉测量实现对舰船(移动目标)的定位。本发明被动观测通信卫星，自身并不发射专用导航信号，隐蔽性强，所以具有优良的抗干扰性能。本发明充分利用在轨通信卫星资源，能为舰船提供一种高精度的定位服务。本发明既是现代战争中高精度定位服务的应用需求，也对扩充和丰富我国导航定位服务体系具有重要的意义。

本发明借鉴干涉测量对射电源的精密定位原理，以相距甚远、具有独立本振的多台天线同时观测通信卫星。首先，通过地面VLBI观测网同时接收三颗及以上的卫星辐射源信号，获得卫星信号到达两天线的时延差，对通信卫星进行精密测定轨获取观测卫星的位置信息；其次，舰船上采用小型阵列天线，便于用户的移动，其以同种方式观测卫星，获得三颗卫星信号分别到达舰船和VLBI网中一测站的时延差；最后通过联立定位方程，解算舰船的位置信息和钟差。通过解算钟差，降低系统对舰船同步精度的要求，简化系统的复杂度，提高目标定位精度。本发明的具体技术方案由下述步骤组成：

(1)舰船对卫星信号的接收

现有的VLBI观测网中，其观测对象为射电源，射电源信号太弱，接收一般使用大口径抛物面天线，不适合船上的安装和使用。本发明利用在轨的通信卫星作为观测对象，其所辐射的信号比射电源信号强很多，对天线增益要求降低，因此，船上只需安装约2m的小型阵列天线，即可实现对卫星信号的接收。

(2)系统的时间同步

地面VLBI观测网的各测站由高精度氢原子钟提供独立原子频标，氢原子钟秒稳精度为2.9*10^-13s，同时各测站间通过卫星双向比对实现与标准时间UTC(NTSC)的远程时间同步，同步精度优于1ns。

舰船上同样需要在配备高精度原子钟(Cs钟或氢钟)，其频率准确度需优于10^-12，以提供高稳定度与高准确度的频率本振信号，同时为了确保观测数据的相关性，降低后续相关处理长度，提高系统的实时性，通过接收网络授时信号或BPM授时信号，实现舰船与测站的时间粗同步。

(3)利用干涉测量技术实现对通信卫星的被动测距

将所接收的卫星射频信号与本振信号进行混频，下变频为中频信号后经基带转换器，再进行数字化采样，记录在数据记录设备上，数据记录设备对观测数据要标记上观测时间，然后将观测数据统一送往数据处理中心，通过相关处理进行同一辐射源同一观测时刻两路信号的相位检测，求取卫星信号到两个接收天线的相位延迟、群延迟和(相位)延迟率，进而获取信号到达时间差。

(4)卫星的精密定轨

卫星的轨道采用陆地VLBI网进行精密测定轨。VLBI测站的选取主要从可覆盖的卫星数量、系统指标实现、轨道快速恢复能力、数据传输及实验便利性等角度综合考虑。而卫星的定轨精度受测距测量误差和测站几何分布的位置精度衰减因子等的影响。因此，本发明应在国内选择东西和南北基线较长的测站组成VLBI网，以确保卫星定轨的精度。

VLBI网中的测站A、测站B、测站C通过13m的卫星天线接收来自卫星的下行信号，经过步骤(3)，获得卫星发射信号的同一个波前到达各个观测站的时间差。假设卫星的位置为地面站的坐标为任意两站与卫星的距离差可以表示为：

其中，τ_i,j为卫星信号到达两站之间的时间差，i＝A,B,C，j＝A,B,C。

以上为基于干涉测量的卫星精密定轨的观测方程。根据式(1)可得方程组：

式中，(X,Y,Z)为卫星坐标，各测轨站坐标为(X_i,Y_i,Z_i)，i＝A,B,C，c为光速。

根据上式可测定空间卫星的轨道，并根据测轨数据与动力学方程，外推预测卫星的轨道，形成卫星的轨道位置数据。

(5)舰船定位的实现

舰船为海面目标，因此其高程已定，即高程为零，因此，相当于二维定位，则为了实现对舰船的定位至少需要3颗卫星。在舰船上安装2m的小型阵列天线，与VLBI网中的某测站同时观测相同的卫星，为了保证定位精度，这里的VLBI测站应在VLBI网中选取与用户位置相距较近的测站A，即为短基线时，卫星位置误差、电离层延迟与对流层延迟的影响则被很好的对消。对舰船及测站A的观测数据做相关处理，在相关处理结果中，同一信号不同天线的互相关相位与频率呈线性关系，斜率就是舰船与测站A接收到的同一信号的时延τ，由此得到所观测的卫星到测站A与舰船的传播距离差cτ，由于卫星轨道已知，观测卫星到测站A(该站坐标已提前标定)的距离ρ₀可以通过计算得到，这样就可以获取到舰船到观测卫星的伪距(含有舰船的钟差)ρ₁＝ρ₀+cτ；同卫星导航定位原理一样，通过后方交汇的方式可以得到舰船的位置和钟差，从而实现对舰船的定位。假设待测舰船与测站A观测第i颗卫星的时差测量为Δτ_i，舰船的钟差为Δt_u，第i颗卫星坐标为(X_0i,Y_0i,Z_0i)(i＝1,2,3......)，舰船的坐标为(x，y，z)则可以列出如下观测方程：

式中，

根据式(3)得三个辐射源的观测方程组：

其中h为用户接收机离地球基准椭球的高度；a和b分别为地球基准椭球的半长轴和半短轴。通过对方程线性化迭代求解即可求取位置坐标(x,y,z)，数据处理中心将定位结果发送给舰船，从而实现舰船的定位服务。

从定位原理上讲，本发明的观测频段为2～9GHz。本实施例中选用C波段卫星信号，即频段为4～8GHz。选择我国南海某一已标定位置的目标作为舰船定位试验验证对象。

(1)舰船对卫星信号的接收

本发明摒弃了干涉测量中的射电源弱信号，利用在轨的亚太7号、中星10号、中星12号卫星作为观测对象，对天线增益要求降低，因此，船上只需安装约2m的小型阵列天线，即可实现对卫星信号的接收。

(2)系统的时间同步

地面VLBI观测网的各测站由高精度氢原子钟提供独立原子频标，氢原子钟秒稳精度为2.9*10^-13s，同时各测站间通过卫星双向比对实现与标准时间UTC(NTSC)的远程时间同步，同步精度优于1ns。

舰船同VLBI测站，配备高精度原子钟(Cs钟或氢钟)，其频率准确度优于10^-12，以提供高稳定度与高准确度的频率本振信号；配备网络或BPM定时接收机，接收网络授时信号或BPM授时信号实现舰船与陆地VLBI站的时间粗同步。

(3)利用干涉测量技术实现对通信卫星的被动测距

VLBI测站将所接收的卫星射频信号与本振信号进行混频，下变频为中频信号后经基带转换器，进行数字化采样，后记录在数据记录设备上，数据记录设备对观测数据要标记上观测时间，然后将观测数据统一送往数据处理中心，通过相关处理进行同一辐射源同一观测时刻两路信号的相位检测，求取卫星信号到两个接收天线的相位延迟、群延迟和(相位)延迟率，进而获取信号到达时间差。

(4)卫星的精密定轨

根据VLBI测站的选取规则，选择VLBI网中的测站三亚站、长春站、喀什站，利用VLBI2010系统3套13米VLBI2010天线和一个数据处理中心，其工作频段为2～9GHz，3套天线实现对卫星的VLBI测量，本实施例中对亚太7号、中星10号、中星12号进行精密定轨，亚太7号定轨过程如下：

测站三亚站、测站长春站、测站喀什站接收亚太7号卫星的信号，通过对两两观测站记录的通信信号进行相关处理，求得该卫星发射信号的同一个波前到达各个观测站的时间差。卫星的位置为(X,Y,Z)，各测轨站坐标为(X_i,Y_i,Z_i)，i＝A,B,C，，卫星坐标可通过如下方程组计算：

其中，τ_i,j为两站之间的时间差，i＝A,B,C，j＝A,B,C，c为光速。

方程组(1)为基于VLBI干涉测量的通信卫星精密定轨的观测方程。由此测定亚太7号卫星的轨道，并根据测轨数据与动力学方程，外推预测卫星的轨道，形成卫星的轨道位置数据。重复上述步骤，对中星10号和中星12号卫星进行测定轨。目前对卫星的定轨精度10米左右，其中径向约1米。

(5)舰船定位的实现

为了实现对舰船的定位，选择观测3颗在轨卫星，分别为亚太7号，中星10号和中星12号，在舰船上安装2m小型阵列天线，与三亚站天线接收同一通信卫星的下行信号，将本振信号与所接收的观测目标信号进行混频，将接收的射频信号通过混频转换为中频信号，进而转化为基带信号数字化后记录在数据记录设备上，所记录的观测目标信号标记上数据观测的本地时间，测站观测数据统一送给数据处理中心，数据处理中心根据数据观测时间进行数据时间同步、相关处理及后处理，最终得到观测目标的时延和时延率，联立定位方程求解舰船的位置信息，陆地VLBI数据处理中心进行统一处理后，将定位结果发送给舰船，从而实现舰船的定位服务。

Claims (4)

1.一种利用通信卫星干涉测量实现舰船定位的方法，其特征在于包括以下步骤：通过地面VLBI观测网同时接收至少三颗通信卫星的辐射源信号，获得卫星信号到达各天线的时延差，对通信卫星进行精密测定轨获取通信卫星的位置信息；舰船上采用阵列天线观测相同通信卫星，获得卫星信号到达舰船和VLBI观测网中任一测站的时延差；通过联立定位方程解算舰船的位置信息和钟差。

2.根据权利要求1所述的利用通信卫星干涉测量实现舰船定位的方法，其特征在于：所述的舰船配备高精度原子钟，其频率准确度优于10^-12s，通过接收网络授时信号或BPM授时信号，实现舰船与测站的时间同步。

3.根据权利要求1所述的利用通信卫星干涉测量实现舰船定位的方法，其特征在于：所述的VLBI观测网中任一测站选取距离舰船最近的测站。

4.根据权利要求1所述的利用通信卫星干涉测量实现舰船定位的方法，其特征在于：所述的VLBI观测网中任一测站标记为测站A，舰船与测站A观测第i颗卫星的时差测量为Δτ_i，舰船的钟差为Δt_u，第i颗卫星坐标为(X_0i,Y_0i,Z_0i)(i＝1,2,3......)，舰船的坐标为(x，y，z)，观测方程

式中，

得到三个辐射源的观测方程组

其中h为舰船上的接收机离地球基准椭球的高度；a和b分别为地球基准椭球的半长轴和半短轴；通过对方程线性化迭代求解即可求取舰船位置坐标。