CN110082785A - 一种导航增强信号生成方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及卫星导航领域，公开一种导航增强信号生成方法，包括S1：实时接收真实GNSS卫星导航信号；S2：获取真实GNSS卫星导航信号中的时间信息、位置信息、导航电文信息，将时间信息送至时间频率单元，将位置信息、导航电文信息送至导航信号再生单元；S3：时间频率单元为导航信号再生单元提供时间和频率基准；S4：导航信号再生单元依据位置信息、导航电文信息生成导航增强信号，并在区域内播发。还提供一种导航增强信号生成系统，本发明所生成的卫星导航增强信号与真实的卫星导航信号保持时间同步、信号格式一致，增强信号再生单元配置有组合导航单元，生成的卫星导航增强信号在隧道、地下停车场等室内环境下提供连续定位服务。

Description

一种导航增强信号生成方法和系统

技术领域

本发明涉及卫星导航领域，尤其涉及一种导航信号增强的定位方法及系统。

背景技术

以GPS、GLONASS、北斗、Galileo为代表的卫星导航系统，通过中高轨卫星发射射频信号，可为用户提供廉价的、24小时不间断的定位服务，已经深入到人们生活中的方方面面，是智能手机和穿戴设备的基础组成部分，成为人们出行、获取位置信息和基于位置服务的基础手段，用户基础极为庞大。

但是卫星导航系统固有的局限性使卫星导航服务存在着明显的能力不足与缺口，如在室内、地下、隧道、水下、高山或城市峡谷等环境，微弱的卫星导航信号不足以穿透各种物理遮蔽物，导航终端用户无法使用卫星导航定位服务，使得这些区域成为“空白区域”，既不能实时导航、不能连续导航、也不能监控定位，还属于救援盲区，容易造成救援延迟甚至二次危害。

因此，亟需一种兼容现有卫星导航终端、安全可信且成本可控的技术手段来解决以上问题。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种卫星导航系统信号无法覆盖或信号较弱无法提供可靠定位的区域内，通过卫星导航增强信号为具有北斗/GNSS导航定位能力的各种终端设备提供持续定位能力的一种导航增强信号的生成方法和系统，且无需改动设备。本发明采用以下技术方案：

本发明提供一种导航增强信号生成方法，包括以下步骤：

S1：实时接收真实北斗/GNSS卫星导航信号；

S2：获取真实北斗/GNSS卫星导航信号中的时间信息、位置信息、导航电文信息，将所得的时间信息送至时间频率单元，将所得的位置信息、导航电文信息送至导航信号再生单元；

S3：时间频率单元为导航信号再生单元 提供时间基准和频率基准；

S4：导航信号再生单元依据位置信息、导航电文信息生成导航增强信号；

S5：在区域内播发导航增强信号。

进一步地，在步骤S2中，将所述时间信息、位置信息传送至组合导航单元，所述组合导航单元将位置信息解算后传递至导航信号再生单元，在步骤S4中：导航信号再生单元依据解算后的位置信息、导航电文信息生成导航增强信号。

进一步地，在步骤S2中，还获取真实GNSS卫星导航信号中的速度信息、原始观测数据，并将所述时间信息、位置信息、速度信息、原始观测数据、导航电文信息传送至组合导航单元，所述组合导航单元将位置信息、速度信息解算后传递至导航信号再生单元，在步骤S4中：导航信号再生单元依据解算后的位置信息、导航电文信息、和/或速度信息生成导航增强信号。

进一步地，在步骤S2中，所述位导航电文信息还可通过互联网获取。

进一步地，在步骤S2中，所述位置信息还包括位置预设数据或外部注入数据。

进一步地，在步骤S2中，所述组合导航单元包括卫星导航，还包括惯性导航、地磁导航、重力导航、里程计信息、地理信息匹配中至少一种。

本发明还提供一种导航增强信号生成系统，包括依次连接的北斗/GNSS信号接收天线、北斗/GNSS卫星导航接收终端、时间频率基准单元、一个或多个导航信号再生单元及发射天线。

进一步地，北斗/GNSS卫星导航接收终端获取真实北斗/GNSS卫星导航信号中的时间信息、位置信息、导航电文信息，将所述时间信息送至时间频率基准单元，将所述导航电文信息送至导航信号再生单元。

进一步地，时间频率基准单元完成本地时钟与北斗/GNSS时钟的同步和驯服，并将时间和频率信息传递给导航信号再生单元。

进一步地，导航信号再生单元生成的位置信息可为预设位置或外部注入。

进一步地，还包括组合导航单元，所述组合导航单元通过北斗/GNSS卫星导航接收终端获取导航电文信息、速度信息、原始观测数据，与惯性导航、地磁导航、重力导航、里程计信息、地理信息匹配中至少一种数据融合后，解算得到速度位置信息，传递至导航信号再生单元。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、采用并播发与真实北斗/GNSS系统格式相同、导航电文或主要导航电文一致的增强导航信号，现有导航终端无需进行任何修改即可使用，不会给用户增加硬件成本；

2与真实北斗/GNSS信号时间同步，可以实现用户从导航信号良好区域到非导航信号覆盖区域的无缝导航。

附图说明

图1为本发明一种实施例所示的方法流程示意图；

图2为本发明一种实施例所示的方法流程示意图；

图3为本发明一种实施例所示的方法流程示意图；

图4为本发明一种实施例所示的系统原理示意图；

图5为本发明一种实施例所示的系统原理示意图；

图6为本发明一种实施例所示的时间频率单元结构示意图；

图7为本发明一种实施例所示的仿真计算单元至信号生成示意图。

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。图1所示本发明方法流程示意图，本发明提供一种导航增强信号生成方法，包括以下步骤：

S1：实时接收真实GNSS卫星导航信号；

S2：获取真实GNSS卫星导航信号中的时间信息、位置信息、导航电文信息，将所得的时间信息送至时间频率单元，将所得的位置信息、导航电文信息送至导航信号再生单元；

S3：时间频率单元为导航信号再生单元提供时间基准和频率基准；

S4：导航信号再生单元依据位置信息、导航电文信息生成导航增强信号，并在区域内播发。

在本实施例中，通过实时接收真实GNSS卫星导航信号，即设置一接收天线接收GNSS卫星导航信号，通过射频线与导航信号再生装置进行连接，提供卫星导航再生装置所需的时间信息、位置信息、导航电文信息，将所得的时间信息送至时间频率单元，将所得的位置信息、导航电文信息送至导航信号再生单元；在步骤S3中，时间频率单元为导航信号再生单元提供时间基准和频率基准；S4：导航信号再生单元依据位置信息、导航电文信息生成导航增强信号，并在区域内播发导航增强信号。本发明可有效提供在不改变已有的标准卫星导航接收终端的条件下，实现室内或暗室环境或深山峡谷的卫星导航定位服务，避免了由于室内环境下收不到真实卫星导航信号造成导航接收终端迷航的痛点。

在该区域内，卫星导航接收终端通过接收导航信号再生单元播放的导航增强信号，可以实现在区域内的定位。

本发明另一实施例中，在步骤S2中，将所述时间信息、位置信息传送至组合导航单元，所述组合导航单元将位置信息解算后传递至导航信号再生单元，在步骤S4中：导航信号再生单元依据解算后的位置信息、导航电文信息生成导航增强信号，通过组合导航单元将位置信息解算，再生成的导航增强信号，可有效提供移动载体从室外到室内环境下的连续导航服务。

具体，移动载体可以是车辆，船舶，飞机等，通过在这些移动载体区域内部再生导航增强信号，为该移动载体区域内的多个卫星导航终端提供定位服务。

本发明另一实施例中，在步骤S2中，还获取真实GNSS卫星导航信号中的速度信息、原始观测数据，并将所述时间信息、位置信息、速度信息、原始观测数据、导航电文信息传送至组合导航单元，所述组合导航单元将位置信息、速度信息解算后传递至导航信号再生单元，在步骤S4中：导航信号再生单元依据解算后的位置信息、导航电文信息、和/或速度信息生成导航增强信号，通过组合导航单元将位置信息与速度信息解算，再生成的导航增强信号，可有效提供移动载体从室外到室内环境下的连续导航服务。根据个性化选择可以输入位置信息和速度信息至组合导航单元，然后组合导航单元解算得到位置信息、导航电文信息，或速度信息，也可以包括速度信息一起，传递至导航信号再生单元，进行导航增强信号的再生。本发明通过所生成的卫星导航增强信号与真实的卫星导航信号保持时间同步、信号格式一致，增强信号再生单元配置有组合导航单元，生成的卫星导航增强信号在隧道、地下停车场等室内环境下提供连续定位服务，提高导航增强信号的应用。

本发明另一实施例中，在步骤S2中，所述位导航电文信息还可通过互联网获取，通过网络模块向SUPL服务器发出辅助申请指令，获取完整的卫星状态信息如星历、历书等，通过不同途径获取卫星信息，例如：同时通过接收北斗/GNSS卫星信息得到1PPS秒脉冲信号，将其作为NTP时间服务器的时钟源，对网络时间进行修正。

本发明另一实施例中，在步骤S2中，所述位置信息还包括位置预设数据或外部注入数据。位置预设数据可以固化为一个数据，也可以是一个任意随机配置的数据，也可以是系统自动选择的，当然也可以是来自外部接口注入的数据，灵活性强，可以配置任意虚拟的位置，也可以是真实的位置信息。

具体地，在步骤S2中，所述组合导航单元包括卫星导航，还包括惯性导航、地磁导航、重力导航、里程计信息、地理信息匹配中至少一种。例如，可以将卫星导航与惯性导航一起组合，也可以与地磁导航组合，或者惯性导航、地磁导航、重力导航、里程计信息、地理信息匹配全部都可以组合。

本发明还提供一种导航增强信号生成系统，包括依次连接的GNSS信号接收天线、GNSS卫星导航接收终端、时间频率基准单元、一个或多个导航信号再生单元及发射天线。如图4所示固定区域应用场景原理图，GNSS信号接收天线为设置在遮挡区域外的接收天线，用于对天接收本地GNSS信号；GNSS卫星导航接收终端利用所接收本地信号获取真实GNSS卫星导航信号中的时间信息、导航电文信息，并将时间信息送至时间频率单元，导航电文信息送至导航信号再生单元；时间频率基准单元完成本地时钟与GNSS时钟的同步和驯服，并将时间和频率信息也传递给导航信号再生单元；导航信号再生单元依据接收的导航电文信息、时间频率信息，便可生成某一具体位置的GNSS导航信号，位置信息可为预设位置也支持外部注入。

考虑实际应用场景，导航信号再生单元设计为集中式和分布式两种：

集中式主要针对小型区域，通过“1（集中式信号再生单元）＋N（导航信号发射天线）”多输出模式，既节约设备成本，又便于施工布线，经济高效；

分布式主要针对大型区域，采用“1（分布式信号再生单元）＋1（导航信号发射天线）”单路输出模式，既可解决施工难问题，同时还方便后期维护；时间频率信息、和/或导航电文、和/或控制信息通过电缆或者光纤将传递到每一个信号再生单元，连接方式可以采用包括星型网、菊花链式，但不限于以上形式。

在另一实施例中，本系统还包括组合导航单元，如图5所示：本系统包含北斗/GNSS信号接收天线、北斗/GNSS卫星导航接收终端、时间频率基准单元、组合导航单元、导航信号再生单元。组合导航单元通过GNSS卫星导航接收终端获取导航电文信息、位置信息、原始观测数据，包括卫星导航在内的，与惯性导航、地磁导航、重力导航、里程计信息、地理信息匹配中至少一种数据融合后，解算得到速度位置信息，传递至导航信号再生单元。GNSS卫星导航接收终端获取真实北斗/GNSS卫星导航信号中的时间信息、位置信息、导航电文信息，将所述时间信息送至时间频率基准单元，将所述导航电文信息送至导航信号再生单元。北斗/GNSS信号接收天线为设置在遮挡区域外的接收天线，用于对天实时接收当前所处位置北斗/GNSS信号；北斗/GNSS卫星导航接收终端利用所接收本地信号获取真实北斗/GNSS卫星导航信号中的时间信息、导航电文信息、位置信息、速度信息、原始观测数据等，并将时间信息送至时间频率单元，导航电文信息送至导航信号再生单元，位置信息、速度信息、原始观测数据等信息传递至组合导航单元；时间频率基准单元完成本地时钟与北斗/GNSS时钟的同步和驯服，并将时间和频率信息也传递给导航信号再生单元；组合导航单元依据卫星导航信息以及惯性导航、地磁导航、重力导航、里程计信息、地理信息匹配等综合导航信息完成实时位置与速度计算并传递至导航信号再生单元；导航信号再生单元依据接收的导航电文信息、时间频率信息、速度位置信息，便可生成与运动载体时间同步、轨迹一致的北斗/GNSS导航信号，实现通用导航终端的实时定位。

同理，根据移动区域大小不同，导航信号生成单元设计为集中式和分布式两种：集中式主要针对小型运动平台；分布设主要针对大型运动平台。

具体地，在本发明中，如图6所示时间频率单元结构示意图，时间频率基准单元完成本地时钟与北斗/GNSS时钟的同步和驯服，并将时间和频率信息传递给导航信号再生单元。如图所示本发明的时间频率单元示意图，时间频率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，并驱动和分频生成导航信号再生单元所需的频标信号。通过本地时钟产生模块对同一个时间信息同步产生的时钟信号，驱动与分频生成导航信号再生单元所需的频标信号，可以保障了再生的卫星导航信号同步的可靠性，保证生成的本地时频基准信号(10MHz和1PPS)与真实GNSS卫星系统的时间同步，通过时频传递，保证再生的卫星导航信号与真实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。时间频率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导航信号再生单元以开始再生导航增强信号。例如，可以通过以太网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，进一步保证室内与室外的导航终端设备实现连续导航。

在本实施例中，如图7所示导航信号再生单元示意图，导航信号再生单元包括一个仿真计算单元、N个基带信号单元，N个基带信号单元对应N个射频输出端口，基带信号单元根据时间频率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。仿真计算单元根据卫星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参数信息，以此减少相邻卫星导航信号之间的干扰，仿真计算单元将民码序列生成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。

一个仿真计算单元对应N个基带信号单元，当仿真计算单元为M个时， 则对应M*N个基带信号单元，比如仿真计算单元可任意选择GPS、BD、GLONASS、Galileo、QZSS、IRNSS、GAGAN、EGNOS、WAAS中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同时发射的需要。

对于固定区域应用场景，每个基带信号单元所仿真的位置信息一般为固定值，该固定值既可以为预设值，也可以是来自外部接口注入，通常是提供真实的位置信息；对于移动区域应用场景，因轨迹的不确定性，基带信号单元所仿真的位置无法提前预设，只能由组合导航单元实时将位置信息、和/或速度信息注入提供。

综上，通过本发明播发与真实北斗/GNSS系统格式相同、导航电文或主要导航电文一致的导航增强信号，现有导航终端无需进行任何修改即可使用，不会给用户增加硬件成本；通过与组合导航的使用，可以提供用户从导航信号良好区域到非导航信号覆盖区域的无缝连续导航服务。

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 (11)

1.一种导航增强信号生成方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：实时接收真实北斗/GNSS卫星导航信号；

S2：获取真实北斗/GNSS卫星导航信号中的时间信息、位置信息、导航电文信息，将所得的时间信息送至时间频率单元，将所得的位置信息、导航电文信息送至导航信号再生单元；

S3：时间频率单元为导航信号再生单元提供时间基准和频率基准；

S4：导航信号再生单元依据位置信息、导航电文信息生成导航增强信号，并在区域内播发。

2.根据权利要求1所述的一种导航增强信号生成方法，其特征在于，在步骤S2中，将所述时间信息、位置信息传送至组合导航单元，所述组合导航单元将位置信息解算后传递至导航信号再生单元；在步骤S4中：导航信号再生单元依据解算后的位置信息、导航电文信息生成导航增强信号。

3.根据权利要求2所述的一种导航增强信号生成方法，其特征在于，在步骤S2中，还获取真实GNSS卫星导航信号中的速度信息、原始观测数据，并将所述时间信息、位置信息、速度信息、原始观测数据、导航电文信息传送至组合导航单元，所述组合导航单元将位置信息、速度信息解算后传递至导航信号再生单元；在步骤S4中：导航信号再生单元依据解算后的位置信息、导航电文信息、和/或速度信息生成导航增强信号。

4.根据权利要求2或3所述的导航增强信号生成方法，其特征在于，在步骤S2中，所述导航电文信息还可通过互联网获取。

5.根据权利要求4所述的导航增强信号生成方法，其特征在于，在步骤S2中，所述位置信息还包括位置预设数据或外部注入数据。

6.根据权利要求5所述的导航增强信号生成方法，其特征在于，在步骤S2中，所述组合导航单元包括卫星导航，还包括惯性导航、地磁导航、重力导航、里程计信息、地理信息匹配中至少一种。

7.一种导航增强信号生成系统，其特征在于，包括依次连接的北斗/GNSS信号接收天线、北斗/GNSS卫星导航接收终端、时间频率基准单元、一个或多个导航信号再生单元及发射天线。

8.根据权利要求7所述的导航增强信号生成系统，其特征在于，北斗/GNSS卫星导航接收终端获取真实北斗/GNSS卫星导航信号中的时间信息、位置信息、导航电文信息，将所述时间信息送至时间频率基准单元，将所述导航电文信息送至导航信号再生单元。

9.根据权利要求8所述的基于北斗增强信号的定位系统，其特征在于，时间频率基准单元完成本地时钟与北斗/GNSS时钟的同步和驯服，并将时间和频率信息传递给导航信号再生单元。

10.根据权利要求9所述的基于北斗增强信号的定位系统，其特征在于，导航信号再生单元生成的位置信息可为预设位置或外部注入。

11.根据权利要求10所述的基于北斗增强信号的定位系统，其特征在于，还包括组合导航单元，所述组合导航单元通过北斗/GNSS卫星导航接收终端获取导航电文信息、速度信息、原始观测数据，与惯性导航、地磁导航、重力导航、里程计信息、地理信息匹配中至少一种数据融合后，解算得到速度位置信息，传递至导航信号再生单元。