CN111896986A - 一种高速无线通信与导航定位融合的区域增强系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高速无线通信与导航定位融合的区域增强系统和方法，所述系统包括：位于空间的导航卫星层、位于低空的浮空平台层、以及位于地面或近地面的融合终端层；所述导航卫星层包括若干导航卫星，用于提供卫星导航信号；所述浮空平台层包括若干浮动平台和融合基站；所述浮动平台用于承载融合基站进行机动部署；所述融合基站用于接收卫星导航信号，以及向融合终端提供通信导航融合信号；所述融合终端层包括若干融合终端，用于通过接收融合基站提供的通信导航融合信号，实现被干扰区域的高速无线通信和导航定位功能。本发明通过融合基站和融合终端，实现了无线通信网络和导航的融合，能够显著提高受干扰情况下通信与定位能力。

Description

一种高速无线通信与导航定位融合的区域增强系统和方法
技术领域
本发明涉及通信与导航技术领域，尤其是一种高速无线通信与导航定位融合的区域增强系统和方法。
背景技术
当前，适用于无线通信设备的最常用的导航定位技术是卫星导航系统(GNSS，如美国的全球定位系统GPS、中国的北斗导航系统BDS、俄罗斯的格洛纳斯导航系统GLONESS和欧洲的伽利略导航系统Galileo等)。GNSS可提供全天候、全天时、高精度的定位、导航和授时等服务，已广泛应用于交通运输海洋渔业、水文监测、气象预报、测绘地理信息、森林防火、通信时统、电力调度、救灾减灾、应急搜救等领域，逐步渗透到人类社会生产和人们生活的方方面面，具有重要的应用价值、战略意义和经济效益。
然而，卫星定位系统具有如下缺点。
首先，卫星导航系统易被干扰。由于导航卫星距离地面十分遥远，地面卫星信号的接收功率低，且只有有限的几个工作频段，频谱窄且固定，导致信号易被干扰和屏蔽而使服务中断。例如发射功率为1W(瓦特)的干扰机，可以使周边10公里的接收机不能正常工作(约300多平方公里)。
其次，卫星导航信号易被欺骗。由于导航电文的结构是已知的，信号的宽度、强度、调制方式、扩频码、频率等信息都可以公开获取，这使得卫星定位系统易遭到第三方欺骗。
第三，卫星信号易被遮蔽。由于卫星信号穿透能力差，因此缺少复杂地形的适应能力和持续覆盖能力。在例如山谷、峡谷、密林等天空可视性较差的环境下无法精准定位。
第四，导航卫星存在被摧毁的风险。导航卫星的各项信息已知，容易遭到敌方摧毁，使得卫星导航系统在强对抗、复杂环境下，难以提供时空基准。
当卫星定位系统应用于强电子对抗环境时，往往会面临地理地形复杂、电磁环境恶劣等问题，GNSS的可用性问题将变得尤为突出，亟待解决。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：针对上述存在的问题，提供一种高速无线通信与导航定位融合的区域增强系统和方法。
本发明提供的一种高速无线通信与导航定位融合的区域增强系统，包括：位于空间的导航卫星层、位于低空的浮空平台层、以及位于地面或近地面的融合终端层；
所述导航卫星层包括若干导航卫星；所述导航卫星用于向浮空平台层中的融合基站提供卫星导航信号；
所述浮空平台层包括若干浮动平台和融合基站；所述浮动平台用于承载融合基站进行机动部署；所述融合基站形成自组网链路，用于接收卫星导航信号并经过定位精度处理后生成导航定位信号，然后向融合终端层中被干扰区域的融合终端提供包括高速无线通信网络信号和导航定位信号的通信导航融合信号；
所述融合终端层包括若干融合终端；所述融合终端集成高速无线通信与导航定位功能于一体，用于通过接收融合基站提供的通信导航融合信号，实现被干扰区域的高速无线通信和导航定位功能。
进一步地，所述融合基站采用包括接收波束结构和发送波束结构的两层波束结构；所述接收波束结构用于接收卫星导航信号；所述发送波束结构用于发送通信导航融合信号。
进一步地，所述融合基站的两层波束结构均采用大规模天线阵列，通过自适应地调整天线振子的权系数矢量的波束赋形，形成朝向特定方向的窄波束接收和发送，用于实现接收特定方向的导航卫星提供的卫星导航信号，以及向特定方向的融合终端提供通信导航融合信号。
进一步地，所述融合基站包括惯性导航；所述惯性导航用于确定融合基站自身的定位信息；
所述融合基站将接收的卫星导航信号经过定位精度处理后生成导航定位信号，是指：从接收的卫星导航信号中解算出定位信息，然后将从卫星导航信号中解算出的定位信息与惯性导航确定的定位信息进行组合导航，生成导航定位信号。
进一步地，所述融合基站还用于接收来自导航卫星的授时信息，并将授时信息连同通信导航融合信号一起发送至融合终端。
作为优选方式，所述融合终端能够同时接入多个融合基站。
本发明还提供一种高速无线通信与导航定位融合的区域增强方法，所述区域增强方法采用上述的高速无线通信与导航定位融合的区域增强系统实现，所述区域增强方法包括如下步骤：
利用浮动平台承载融合基站进入指定空域；
利用融合基站接收卫星导航信号并经过定位精度处理后生成导航定位信号，然后向融合终端层中被干扰区域的融合终端提供包括高速无线通信网络信号和导航定位信号的通信导航融合信号；
利用融合终端接收通信导航融合信号，进行数据传输和导航定位。
进一步地，所述利用浮动平台承载融合基站进入指定空域的过程，包括：
利用浮动平台承载融合基站升空；
获取被干扰区域中干扰源位置和融合终端位置；
根据被干扰区域中干扰源位置和融合终端位置，动态利用浮动平台调整融合基站的位置，以达到最优的空间布局。
作为优选方式，所述最优的空间布局为：一个融合基站部署于被干扰区域中融合终端的天顶附近，其余融合基站均匀地分散于周边并具有相对较低的仰角。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
1、本发明通过融合基站和融合终端，实现了无线通信网络和导航的融合，能够显著提高受干扰情况下通信与定位能力。
2、本发明通过融合基站进行卫星导航和惯性导航的组合导航，进一步提供融合终端的高精度定位。
3、本发明的融合基站还用于接收和发送授时信息，能够融合终端的实现高精度实时定位。
4、本发明通过大规模天线阵列，实现了一种通过自适应窄波束跟踪锁星方法，可以接收特定方向的导航卫星提供的卫星导航信号。
5、本发明的融合基站通过浮动平台赋予了机动部署能力，能够动态地调整融合基站的位置，达到最优的空间布局，以进一步提高定位能力。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明实施例1的一种高速无线通信与导航定位融合的区域增强系统的原理图。
图2为本发明实施例1的融合基站的两层波束结构示意图。
图3为本发明实施例2的一种高速无线通信与导航定位融合的区域增强方法的流程框图。
图4为本发明实施例2的利用浮动平台承载融合基站进入指定空域的流程框图。
图5为本发明实施例2的融合基站的一种较差的空间布局方式示意图。
图6为本发明实施例2的融合基站的最优的空间布局方式示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即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。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做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。
以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。
实施例1
如图1所示，本实施例提供的一种高速无线通信与导航定位融合的区域增强系统，包括：位于空间的导航卫星层、位于低空的浮空平台层、以及位于地面或近地面的融合终端层；
1、导航卫星层
所述导航卫星层包括若干导航卫星；所述导航卫星用于向浮空平台层中的融合基站提供卫星导航信号；所述导航卫星可以是GPS卫星、北斗导航卫星、伽利略导航卫星等。
2、浮空平台层
所述浮空平台层包括若干浮动平台和融合基站；
所述浮动平台用于承载融合基站进行机动部署；例如，所述浮动平台可以是具有飞行能力的热气球、飞艇、无人机等，可以车载、舰载、背负以及固定方式承载融合基站悬于指定空域中，还可以根据干扰源位置的融合终端位置调整融合基站的空间位置，形成最优的空间布局，提高定位精度。
所述融合基站形成自组网链路，用于接收卫星导航信号并经过定位精度处理后生成导航定位信号，然后向融合终端层中被干扰区域的融合终端提供包括高速无线通信网络信号和导航定位信号的通信导航融合信号。
也就是说，所述融合基站可以融合高速无线通信系统(如4G/LTE和5G等)和导航定位功能，它既可以向被干扰区域提供高速无线数据传输功能，同时又具备向被干扰区域提供导航定位的能力，实现高速无线通信与实时导航定位能力的融合和统一。
如图2所示，所述融合基站采用包括接收波束结构和发送波束结构的两层波束结构；所述接收波束结构用于接收卫星导航信号；所述发送波束结构用于发送通信导航融合信号。进一步地，所述融合基站的两层波束结构均采用大规模天线阵列，通过自适应地调整天线振子的权系数矢量的波束赋形，形成朝向特定方向的窄波束接收和发送，用于实现接收特定方向的导航卫星提供的卫星导航信号，以及向特定方向的融合终端提供通信导航融合信号。通过采用大规模天线阵列的两层波束结构，不但可以获得高增益的卫星导航信号，还可以隔离来自其他方向的无线电干扰，极大地增强融合基站的抗干扰能力，从而可将融合基站部署在干扰源附近，能以较低的功率实现对被干扰区域的全覆盖。
进一步的，所述融合基站包括惯性导航；所述惯性导航用于确定融合基站自身的定位信息；所述融合基站将接收的卫星导航信号经过定位精度处理后生成导航定位信号，是指：从接收的卫星导航信号中解算出定位信息，然后将从卫星导航信号中解算出的定位信息与惯性导航确定的定位信息进行组合导航，生成导航定位信号。也就是说，融合基站要为融合终端提供可用的导航定位服务，需要实时准确地确定自己的位置，这是实现二次定位的基础，在本实施例的融合基站采用卫星导航和惯性导航进行组合导航，更可以提供高精度、高输出频率的导航定位信号，然后借助融合基站的高速无线通信传输能力，将导航定位信号，实现融合终端的高精度定位。
再进一步，所述融合基站还用于接收来自导航卫星的授时信息，并将授时信息连同通信导航融合信号一起发送至融合终端。也就是说，通过获取来组导航卫星的授时信息，连同通信导航融合信号一起，可以实现融合终端的高精度实时定位。
3、融合终端层
所述融合终端层包括若干融合终端；所述融合终端集成高速无线通信与导航定位功能于一体，用于通过接收融合基站提供的通信导航融合信号，实现被干扰区域的高速无线通信和导航定位功能。作为优选方式，所述融合终端能够同时接入多个融合基站，以实现持续地获得通信导航融合信号，进行持续地高精度实时定位。
实施例2
基于实施例1实现的高速无线通信与导航定位融合的区域增强系统，本实施例提供一种高速无线通信与导航定位融合的区域增强方法，如图3所示，所述区域增强方法包括如下步骤：
利用浮动平台承载融合基站进入指定空域；
利用融合基站接收卫星导航信号并经过定位精度处理后生成导航定位信号，然后向融合终端层中被干扰区域的融合终端提供包括高速无线通信网络信号和导航定位信号的通信导航融合信号；
利用融合终端接收通信导航融合信号，进行数据传输和导航定位。
如图4所示，所述利用浮动平台承载融合基站进入指定空域的过程，包括：
利用浮动平台承载融合基站升空，并基于融合基站的大规模天线阵列进行跟踪锁星(即利用大规模天线阵列实现接收特定方向的导航卫星提供的卫星导航信号)；
获取被干扰区域中干扰源位置和融合终端位置；
根据被干扰区域中干扰源位置和融合终端位置，动态利用浮动平台调整融合基站的位置，以达到最优的空间布局。
一种较差的空间布局方式是指，多个融合基站均具有较接近的仰角。如图5所示是这种较差的空间布局方式示意图。
最优的空间布局方式是指，一个融合基站部署于被干扰区域中融合终端的天顶附近，其余融合基站均匀地分散于周边并具有相对较低的仰角。如图6所示是这种最优的空间布局方式示意图，其中，融合基站1部署于被干扰区域中融合终端的天顶附近，具有接近90°的仰角，其余融合基站2、3、4均匀地分散于周边并具有相对较低的仰角。
还要说明的是，实施例1和实施例2中的被干扰区域是为了说明本发明要解决的技术问题，实际上，该被干扰区域是一个特定区域，也就是说，本发明可以向指定的任何一个区域提供通信导航融合信号，而不仅限于被干扰区域。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种高速无线通信与导航定位融合的区域增强系统，其特征在于，包括：位于空间的导航卫星层、位于低空的浮空平台层、以及位于地面或近地面的融合终端层；
所述导航卫星层包括若干导航卫星；所述导航卫星用于向浮空平台层中的融合基站提供卫星导航信号；
所述浮空平台层包括若干浮动平台和融合基站；所述浮动平台用于承载融合基站进行机动部署；所述融合基站形成自组网链路，用于接收卫星导航信号并经过定位精度处理后生成导航定位信号，然后向融合终端层中被干扰区域的融合终端提供包括高速无线通信网络信号和导航定位信号的通信导航融合信号；
所述融合终端层包括若干融合终端；所述融合终端集成高速无线通信与导航定位功能于一体，用于通过接收融合基站提供的通信导航融合信号，实现被干扰区域的高速无线通信和导航定位功能。
2.根据权利要求1所述的高速无线通信与导航定位融合的区域增强系统，其特征在于，所述融合基站采用包括接收波束结构和发送波束结构的两层波束结构；所述接收波束结构用于接收卫星导航信号；所述发送波束结构用于发送通信导航融合信号。
3.根据权利要求2所述的高速无线通信与导航定位融合的区域增强系统，其特征在于，所述融合基站的两层波束结构均采用大规模天线阵列，通过自适应地调整天线振子的权系数矢量的波束赋形，形成朝向特定方向的窄波束接收和发送，用于实现接收特定方向的导航卫星提供的卫星导航信号，以及向特定方向的融合终端提供通信导航融合信号。
4.根据权利要求1所述的高速无线通信与导航定位融合的区域增强系统，其特征在于，所述融合基站包括惯性导航；所述惯性导航用于确定融合基站自身的定位信息；
所述融合基站将接收的卫星导航信号经过定位精度处理后生成导航定位信号，是指：从接收的卫星导航信号中解算出定位信息，然后将从卫星导航信号中解算出的定位信息与惯性导航确定的定位信息进行组合导航，生成导航定位信号。
5.根据权利要求1所述的高速无线通信与导航定位融合的区域增强系统，其特征在于，所述融合基站还用于接收来自导航卫星的授时信息，并将授时信息连同通信导航融合信号一起发送至融合终端。
6.根据权利要求1所述的高速无线通信与导航定位融合的区域增强系统，其特征在于，所述融合终端能够同时接入多个融合基站。
7.一种高速无线通信与导航定位融合的区域增强方法，所述区域增强方法采用如权利要求1-6任一项所述的高速无线通信与导航定位融合的区域增强系统实现，其特征在于，所述区域增强方法包括如下步骤：
利用浮动平台承载融合基站进入指定空域；
利用融合基站接收卫星导航信号并经过定位精度处理后生成导航定位信号，然后向融合终端层中被干扰区域的融合终端提供包括高速无线通信网络信号和导航定位信号的通信导航融合信号；
利用融合终端接收通信导航融合信号，进行数据传输和导航定位。
8.根据权利要求7所述的高速无线通信与导航定位融合的区域增强方法，其特征在于，所述利用浮动平台承载融合基站进入指定空域的过程，包括：
利用浮动平台承载融合基站升空；
获取被干扰区域中干扰源位置和融合终端位置；
根据被干扰区域中干扰源位置和融合终端位置，动态利用浮动平台调整融合基站的位置，以达到最优的空间布局。
9.根据权利要求8所述的高速无线通信与导航定位融合的区域增强方法，其特征在于，所述最优的空间布局为：一个融合基站部署于被干扰区域中融合终端的天顶附近，其余融合基站均匀地分散于周边并具有相对较低的仰角。
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