CN113075702A - 基于伪卫星技术的无人机防御高精度授时方法及系统 - Google Patents

基于伪卫星技术的无人机防御高精度授时方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于伪卫星技术的无人机防御高精度授时方法及系统，涉及卫星导航技术领域。包括以下步骤：接收卫星导航系统的真实卫星射频信号；解析真实卫星射频信号；构建第一伪距方程和第二伪距方程；联立方程，代入无人机的伪位置信息以及四个不同卫星的位置信息，求解本地针对每一卫星的射频信号时延；以所述本地针对每一卫星的射频信号时延修正真实卫星射频信号的发射间隔，向无人机发射伪卫星射频信号；计算钟差补偿值，调整伪卫星射频信号的发射时间用以授时。本发明拥有无人机防御的功能，又能保证对周边设备的高精度实时授时。

Description

基于伪卫星技术的无人机防御高精度授时方法及系统
技术领域
本发明涉及卫星导航技术领域，尤其涉及一种基于伪卫星技术的无人机防御高精度授时方法及系统。
背景技术
当前，基于伪卫星技术的卫星导航诱骗系统普遍被用来作为无人机防御的一种手段。但应用该技术时，却对部署无人机防御设备的周边设施(如基站、电力变电站等)的卫星授时产生了非常不利的影响。
当前采用伪卫星技术的无人机防御装置普遍存在的问题是当开启伪卫星信号发射时，因为同频干扰了接收机的接收，使设备无法在发送信号的同时保持接收，从而本地时钟无法与卫星时钟同步。发射的伪卫星信号时钟随着时间的推移，会产生漂移。对于需要保持长期开启伪卫星设备发射的应用场景，接收到伪卫星信号的卫星授时系统也将产生时钟漂移，从而影响某些正常授时系统的正常工作。比如4G移动通信基站授时系统，电力变电站自动化系统GPS授时系统等。即使在伪卫星设备本地采用原子钟等昂贵的高精度时钟系统，当时间足够长时，也不能满足授时精度要求。因此，需要提出一种新的方法，既能够拥有无人机防御的功能，又能保证对周边设备的高精度实时授时。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于伪卫星技术的无人机防御高精度授时方法及系统，拥有无人机防御的功能，又能保证对周边设备的高精度实时授时。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种基于伪卫星技术的无人机防御高精度授时方法，包括以下步骤：
S1，接收卫星导航系统的真实卫星射频信号；
S2，解析真实卫星射频信号，获得秒脉冲信号、时间信息和基准频率；
S3，以无人机到卫星的距离、本地钟差构建第一伪距方程；
S4，以本地钟差补偿值和本地针对卫星的射频信号时延构建第二伪距方程；
S5，联立所述第一伪距方程和第二伪距方程，代入无人机的伪位置信息以及四个不同卫星的位置信息，求解本地针对每一卫星的射频信号时延；
S6，以所述本地针对每一卫星的射频信号时延修正真实卫星射频信号的发射间隔，向无人机和周边设施发射伪卫星射频信号；
S7，周边设施解算真实卫星射频信号和伪卫星射频信号，给本地反馈真实时间信息和伪时间信息；以所述真实时间信息和伪时间信息的差值作为钟差补偿值，调整伪卫星射频信号的发射时间。
进一步的，所述第一伪距方程的具体内容如下：
Figure BDA0002992634920000021
其中，ρi为伪距；ri为卫星i到无人机的距离；δtue为本地钟差；c为光速；
Figure BDA0002992634920000022
为卫星i的位置，(xue,yue,zue)为无人机的位置。
进一步的，所述第二伪距方程的具体内容如下：
Figure BDA0002992634920000023
其中，
Figure BDA0002992634920000024
为射频信号从卫星i到本地的传输时长；
Figure BDA0002992634920000025
为本地针对卫星i的射频信号处理时长；Δti为本地针对卫星i的射频信号时延；
Figure BDA0002992634920000026
为射频信号从本地到无人机的传输时长；ΔT为本地钟差补偿值。
进一步的，所述S5的具体方法如下：
S51，联立所述第一伪距方程和第二伪距方程：
Figure BDA0002992634920000027
S52，构建无人机的伪位置信息(x′ue,y′ue,z′ue)；
S53，代入无人机的伪位置信息以及四个不同卫星的位置信息，得第一方程组：
Figure BDA0002992634920000031
S53，在第一方程组中，
Figure BDA0002992634920000032
是已知量，
Figure BDA0002992634920000033
的值对不同卫星是相等的；两两相减得第二方程组：
Figure BDA0002992634920000034
S54，求解出本地针对四个不同卫星的射频信号时延Δt1至Δt4。
进一步的，所述S5中，在求解本地针对每一卫星的射频信号时延之前还包括，获取导航卫星星历文件，提取卫星时间、位置、速度信息。
进一步的，所述钟差补偿值以秒脉冲的上升沿计算。
一种基于伪卫星技术的无人机防御高精度授时系统，包括：
GNSS接收模块，接收卫星导航系统的真实卫星射频信号，并解析获得秒脉冲信号、时间信息和基准频率；
管理中心，获取导航卫星星历文件，提取卫星的时间、位置、速度信息；
时间驯服模块，构建第一伪距方程和第二伪距方程，联立方程组并将无人机的伪位置信息以及四个不同卫星的位置代入方程组，求解本地针对每一卫星的射频信号时延；
伪GNSS发射模块，以所述本地针对每一卫星的射频信号时延修正真实卫星射频信号发射间隔，向无人机和周边设施发射伪卫星射频信号。
进一步的，所述时间驯服模块的具体处理方法如下：
XF1，以无人机到卫星的距离、本地钟差构建第一伪距方程：
Figure BDA0002992634920000041
其中，ρi为伪距；ri为卫星i到无人机的距离；δtue为本地钟差；c为光速；
Figure BDA0002992634920000042
为卫星i的位置，(xue,yue,zue)为无人机的位置；
XF2，以本地钟差补偿值和本地针对卫星的射频信号时延构建第二伪距方程：
Figure BDA0002992634920000043
其中，
Figure BDA0002992634920000044
为射频信号从卫星i到本地的传输时长；
Figure BDA0002992634920000045
为本地针对卫星i的射频信号处理时长；Δti为本地针对卫星i的射频信号时延；
Figure BDA0002992634920000046
为射频信号从本地到无人机的传输时长；ΔT为本地钟差补偿值；
XF3，联立所述第一伪距方程和第二伪距方程：
Figure BDA0002992634920000047
XF4，构建无人机的伪位置信息(x′ue,y′ue,z′ue)；
XF5，代入无人机的伪位置信息以及四个不同卫星的位置信息，得第一方程组：
Figure BDA0002992634920000051
XF6，在第一方程组中，
Figure BDA0002992634920000052
是已知量，
Figure BDA0002992634920000053
的值对不同卫星是相等的；两两相减得第二方程组：
Figure BDA0002992634920000054
XF7，求解出本地针对四个不同卫星的射频信号时延Δt1至Δt4。
进一步的，所述伪GNSS发射模块还进行本地时钟校正：
接收周边设施反馈回来的由真实卫星射频信号解算出的真实时间信息和由伪卫星射频信号解算出的伪时间信息；以两者的差值作为钟差补偿值，调整伪卫星射频信号的发射时间。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明引入伪距方程中的钟差补偿值，实现了对伪卫星射频信号发射间隔的修正，从而打乱无人机接收到不同卫星射频信号的顺序，使得其行进路线发生改变，达到对无人机诱骗防御的目的；另一方面，通过对本地晶体振荡器的调整又实现了对周边设施(如基站、电力配电房)的精准卫星授时。解决了现有大多数无人机防御设备采用的方案中，不能对第三方设施授时的问题。
附图说明
图1为本发明的方法流程图。
图2为本发明的系统原理框图。
图3为真实卫星射频信号的传播时序图。
图4为本系统调整后的伪卫星射频信号的传播时序图。
图中：1、卫星导航系统；2、无人机；3、第三方设施。
具体实施方式
下面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。
实施例一：
请参照图1，本实施例提供一种基于伪卫星技术的无人机防御高精度授时方法，包括以下步骤：
S1，接收GPS、GLONASS、GALILEO、BDS中至少一个卫星导航系统中的一个频点的真实卫星射频信号；
S2，解析真实卫星射频信号，获得秒脉冲信号、时间信息和基准频率；
S3，以无人机到卫星的距离、本地钟差构建第一伪距方程：
Figure BDA0002992634920000061
其中，ρi为伪距，卫星i到本地的距离；ri为卫星i到无人机的距离；δtue为本地钟差；c为光速；
Figure BDA0002992634920000062
为卫星i的位置，(xue,yue,zue)为无人机的位置。
S4，以本地钟差补偿值和本地针对卫星的射频信号时延构建第二伪距方程：
Figure BDA0002992634920000063
其中，
Figure BDA0002992634920000064
为射频信号从卫星i到本地的传输时长；
Figure BDA0002992634920000065
为本地针对卫星i的射频信号处理时长；Δti为本地针对卫星i的射频信号时延；
Figure BDA0002992634920000071
为射频信号从本地到无人机的传输时长；ΔT为本地钟差补偿值。
S5，获取导航卫星星历文件，提取卫星时间、位置、速度信息；联立所述第一伪距方程和第二伪距方程，代入无人机的伪位置信息以及四个不同卫星的位置信息，求解本地针对每一卫星的射频信号时延；具体方法如下：
S51，联立所述第一伪距方程和第二伪距方程：
Figure BDA0002992634920000072
S52，构建无人机的伪位置信息(x′ue,y′ue,z′ue)；
S53，代入无人机的伪位置信息以及四个不同卫星的位置信息，得第一方程组：
Figure BDA0002992634920000073
S53，在第一方程组中，
Figure BDA0002992634920000074
是已知量，
Figure BDA0002992634920000075
的值对不同卫星是相等的；两两相减得第二方程组：
Figure BDA0002992634920000076
S54，以上第二方程组，仅有Δt1至Δt4为未知量，即可求解出本地针对四个不同卫星的射频信号时延Δt1至Δt4。
S6，以所述本地针对每一卫星的射频信号时延修正真实卫星射频信号的发射间隔，向无人机和周边设施发射伪卫星射频信号。
无人机的防御原理如图3和图4所示，无人机接收到真实卫星信号时，按照既定的时间间隔D1至D4依次接收卫星1至卫星4的射频信号，并结合射频信号，即可解算处无人机的位置信息，实现定位，从而实现导航。而本实施例，通过对于卫星的射频信号的时延Δt1至Δt4进行控制，用以对无人机发出射频信号的时间间隔进行了修正，修正后的时间间隔依次为D1+Δt1，D2+Δt2，D3+Δt3，D4+Δt4。给出了一个虚拟的无人机位置对应的射频信号发射顺序及时间间隔，无人机接收到射频信号之后，解算出我们设定的虚拟位置(即伪位置信息)，从而将其导航至我们规划的路径上，达到了无人机防御的效果。
S7，周边设施解算真实卫星射频信号(由另一个卫星导航系统发射)和伪卫星射频信号，给本地反馈真实时间信息和伪时间信息；以所述真实时间信息和伪时间信息的差值作为钟差补偿值，调整伪卫星射频信号的发射时间，即在发送伪卫星射频信号的时候进行该钟差补偿值的时延，以便对应的周边设施获取准确的授时时间；结合补偿后的授时时间，达到对第三方设施准确授时的效果。值得一提的是，每一周边设施对应一个钟差补偿值。
实施例二：
如图2所示，本实施例提供了一种基于伪卫星技术的无人机防御高精度授时系统，其特征在于，包括：
GNSS接收模块，接收卫星导航系统1的真实卫星射频信号，并解析获得秒脉冲信号、时间信息和基准频率；
管理中心，获取导航卫星星历文件，提取卫星的时间、位置、速度信息；
时间驯服模块，构建第一伪距方程和第二伪距方程，联立方程组并将无人机的伪位置信息以及四个不同卫星的位置代入方程组，求解本地针对每一卫星的射频信号时延。具体处理方法如下：
XF1，以无人机到卫星的距离、本地钟差构建第一伪距方程：
Figure BDA0002992634920000091
其中，ρi为伪距；ri为卫星i到无人机的距离；δtue为本地钟差；c为光速；
Figure BDA0002992634920000092
为卫星i的位置，(xue,yue,zue)为无人机的位置；
XF2，以本地钟差补偿值和本地针对卫星的射频信号时延构建第二伪距方程：
Figure BDA0002992634920000093
其中，
Figure BDA0002992634920000094
为射频信号从卫星i到本地的传输时长；
Figure BDA0002992634920000095
为本地针对卫星i的射频信号处理时长；Δti为本地针对卫星i的射频信号时延；
Figure BDA0002992634920000096
为射频信号从本地到无人机的传输时长；ΔT为本地钟差补偿值；
XF3，联立所述第一伪距方程和第二伪距方程：
Figure BDA0002992634920000097
XF4，构建无人机的伪位置信息(x′ue,y′ue,z′ue)；
XF5，代入无人机的伪位置信息以及四个不同卫星的位置信息，得第一方程组：
Figure BDA0002992634920000101
XF6，在第一方程组中，
Figure BDA0002992634920000102
是已知量，
Figure BDA0002992634920000103
的值对不同卫星是相等的；两两相减得第二方程组：
Figure BDA0002992634920000104
XF7，求解出本地针对四个不同卫星的射频信号时延Δt1至Δt4。
伪GNSS发射模块，以所述本地针对每一卫星的射频信号时延修正真实卫星射频信号发射间隔，向无人机2和周边的第三方设施3发射伪卫星射频信号，使无人机2解算出用户设定的伪位置信息，从而将其导航至我们规划的路径上，达到了无人机防御的效果。具体原理如实施例一，在此不再赘述。
于本实施例中，为了避免因伪卫星信号时钟随时间的推移，产生漂移，影响对系统周边的周边的第三方设施3的精准授时。伪GNSS发射模块还进行本地时钟校正：接收周边设施反馈回来的由真实卫星射频信号解算出的真实时间信息和由伪卫星射频信号解算出的伪时间信息；以两者的差值作为钟差补偿值，调整伪卫星射频信号，即在发送伪卫星射频信号的时候进行该钟差补偿值的时延，以便对应的周边设施获取准确的授时时间；结合调整后的振荡频率和补偿后的授时时间，达到对第三方设施准确授时的效果。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。

Claims (9)

1.一种基于伪卫星技术的无人机防御高精度授时方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，接收卫星导航系统的真实卫星射频信号；
S2，解析真实卫星射频信号，获得秒脉冲信号、时间信息和基准频率；
S3，以无人机到卫星的距离、本地钟差构建第一伪距方程；
S4，以本地钟差补偿值和本地针对卫星的射频信号时延构建第二伪距方程；
S5，联立所述第一伪距方程和第二伪距方程，代入无人机的伪位置信息以及四个不同卫星的位置信息，求解本地针对每一卫星的射频信号时延；
S6，以所述本地针对每一卫星的射频信号时延修正真实卫星射频信号的发射间隔，向无人机和周边设施发射伪卫星射频信号；
S7，周边设施解算真实卫星射频信号和伪卫星射频信号，给本地反馈真实时间信息和伪时间信息；以所述真实时间信息和伪时间信息的差值作为钟差补偿值，调整伪卫星射频信号的发射时间。
2.根据权利要求1所述的基于伪卫星技术的无人机防御高精度授时方法，其特征在于，所述第一伪距方程的具体内容如下：
Figure FDA0002992634910000011
其中，ρi为伪距；ri为卫星i到无人机的距离；δtue为本地钟差；c为光速；
Figure FDA0002992634910000012
为卫星i的位置，(xue,yue,zue)为无人机的位置。
3.根据权利要求2所述的基于伪卫星技术的无人机防御高精度授时方法，其特征在于，所述第二伪距方程的具体内容如下：
Figure FDA0002992634910000013
其中，
Figure FDA0002992634910000014
为射频信号从卫星i到本地的传输时长；
Figure FDA0002992634910000015
为本地针对卫星i的射频信号处理时长；Δti为本地针对卫星i的射频信号时延；
Figure FDA0002992634910000021
为射频信号从本地到无人机的传输时长；ΔT为本地钟差补偿值。
4.根据权利要求3所述的基于伪卫星技术的无人机防御高精度授时方法，其特征在于，所述S5的具体方法如下：
S51，联立所述第一伪距方程和第二伪距方程：
Figure FDA0002992634910000022
S52，构建无人机的伪位置信息(x′ue,y′ue,z′ue)；
S53，代入无人机的伪位置信息以及四个不同卫星的位置信息，得第一方程组：
Figure FDA0002992634910000023
S53，在第一方程组中，
Figure FDA0002992634910000024
是已知量，
Figure FDA0002992634910000025
的值对不同卫星是相等的；两两相减得第二方程组：
Figure FDA0002992634910000026
S54，求解出本地针对四个不同卫星的射频信号时延Δt1至Δt4。
5.根据权利要求1或4所述的基于伪卫星技术的无人机防御高精度授时方法，其特征在于，所述S5中，在求解本地针对每一卫星的射频信号时延之前还包括，获取导航卫星星历文件，提取卫星时间、位置、速度信息。
6.根据权利要求5所述的基于伪卫星技术的无人机防御高精度授时方法，其特征在于，所述钟差补偿值以秒脉冲的上升沿计算。
7.一种基于伪卫星技术的无人机防御高精度授时系统，其特征在于，包括：
GNSS接收模块，接收卫星导航系统的真实卫星射频信号，并解析获得秒脉冲信号、时间信息和基准频率；
管理中心，获取导航卫星星历文件，提取卫星的时间、位置、速度信息；
时间驯服模块，构建第一伪距方程和第二伪距方程，联立方程组并将无人机的伪位置信息以及四个不同卫星的位置代入方程组，求解本地针对每一卫星的射频信号时延；
伪GNSS发射模块，以所述本地针对每一卫星的射频信号时延修正真实卫星射频信号发射间隔，向无人机和周边设施发射伪卫星射频信号。
8.根据权利要求7所述的基于伪卫星技术的无人机防御高精度授时系统，其特征在于，所述时间驯服模块的具体处理方法如下：
XF1，以无人机到卫星的距离、本地钟差构建第一伪距方程：
Figure FDA0002992634910000031
其中，ρi为伪距；ri为卫星i到无人机的距离；δtue为本地钟差；c为光速；
Figure FDA0002992634910000032
为卫星i的位置，(xue,yue,zue)为无人机的位置；
XF2，以本地钟差补偿值和本地针对卫星的射频信号时延构建第二伪距方程：
Figure FDA0002992634910000033
其中，
Figure FDA0002992634910000034
为射频信号从卫星i到本地的传输时长；
Figure FDA0002992634910000035
为本地针对卫星i的射频信号处理时长；Δti为本地针对卫星i的射频信号时延；
Figure FDA0002992634910000041
为射频信号从本地到无人机的传输时长；ΔT为本地钟差补偿值；
XF3，联立所述第一伪距方程和第二伪距方程：
Figure FDA0002992634910000042
XF4，构建无人机的伪位置信息(x′ue,y′ue,z′ue)；
XF5，代入无人机的伪位置信息以及四个不同卫星的位置信息，得第一方程组：
Figure FDA0002992634910000043
XF6，在第一方程组中，
Figure FDA0002992634910000044
是已知量，
Figure FDA0002992634910000045
的值对不同卫星是相等的；两两相减得第二方程组：
Figure FDA0002992634910000046
XF7，求解出本地针对四个不同卫星的射频信号时延Δt1至Δt4。
9.根据权利要求7所述的基于伪卫星技术的无人机防御高精度授时系统，其特征在于，所述伪GNSS发射模块还进行本地时钟校正：
接收周边设施反馈回来的由真实卫星射频信号解算出的真实时间信息和由伪卫星射频信号解算出的伪时间信息；以两者的差值作为钟差补偿值，调整伪卫星射频信号的发射时间。
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