CN204086553U - 基于北斗伪卫星的近海及港口区域定位系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及卫星导航定位技术领域，公开了一种基于北斗伪卫星的近海及港口区域定位系统，包括主控站、至少四颗北斗伪卫星、北斗伪卫星接收机以及参考接收机。系统工作时，主控站首先通过通讯网络配置伪卫星的测距码和导航电文，并控制伪卫星同步发送北斗PRN码和D码信号，高精度的参考接收机测量伪卫星同步误差并将信息反馈给主控站，主控站据此调整伪卫星信号发送时间，舰/船/机载北斗伪卫星接收机接收北斗伪卫星信号并进行伪距测量、导航电文解算及定位。本实用新型解决了现有的近海及港口区域定位手段过于依赖GPS的问题，提供了一种高精度、高可用性和完好性、抗干扰能力强的辅助定位系统，满足近海及港口区域平台自身定位的需求。
Description
技术领域
本实用新型涉及卫星导航定位技术领域，具体涉及一种基于北斗伪卫星的近海及港口区域定位系统。
背景技术
确定平台自身位置信息是确保作业安全以及进行高效有序管理与调度的基础和前提。随着我国海洋战略的实施，近海捕捞、近海勘探、近海搜救、近海航行、近海防务等近海活动日益增加，水运物流发展迅速，船舶进出港口日渐频繁，这对近海及港口区域舰船、飞行器的定位提出了更高的要求，要求定位系统具备较高的定位精度、能够覆盖所有的舰船及飞行器、具备一定的抗干扰能力、具备较高的完好性与可用性等。近海及港口区域定位根据作业任务的不同可以有多种不多的定位方法，如光学交汇定位、无线电测距定位、卫星定位、水声定位以及组合定位等。
目前的技术手段虽然能够在一定程度上解决定位问题，但在工程实现方面仍然存在定位精度不高以及应用受局限等问题，且更多的是依赖以GPS为代表的全球导航卫星系统(GNSS)进行工作，即使是目前发展最为成熟的GPS系统，在定位与导航过程中也存在一定的局限性与风险，会受到包括太阳活动影响、干扰与欺骗、易受破坏等因素的限制。对于一些应用领域来说，GPS系统在定位精度、可用性、完好性方面还无法满足一些用户的使用需求，如沿海港口及其附近的精确导航，要求达到米级的导航精度和较高的完好性指标，覆盖的区域又远远大于局域范围，同时提供较高的系统可用性和完全的自主权。
北斗卫星导航系统是我国自主发展、独立运行的全球导航卫星系统，虽然拥有自主权，但也面临着与GPS系统类似的问题，其缺点主要有：赤道卫星只能覆盖南、北纬81度，81度以上是盲区和死角；北斗卫星只能进行两维定位，需要地面高程数据库做补充才能确定点的水平坐标；精度与GPS伪距法相当，达不到GPS载波相位法cm级的精度；用户需要发射信号，不利于隐蔽。因此，在为近海及港口区域作业平台定位时，不能过于依赖基于卫星导航系统的解决方案，还需要有其他相对独立的辅助技术手段来实现定位。
实用新型内容
基于现有技术中存在的上述不足，本实用新型现提出基于北斗伪卫星的区域定位系统，以解决原有的实现对平台自身定位技术中过度依赖GPS以及存在的定位精度不高、抗干扰能力不强、实用性不高的问题。
本实用新型所公开的基于北斗伪卫星的近海及港口区域定位系统，包括：所述系统包括主控站、至少四颗北斗伪卫星、北斗伪卫星接收机以及参考接收机，其中，所述主控站与所述北斗伪卫星和所述参考接收机相耦接，所述主控站将测距码和导航电文发送给所述北斗伪卫星，接收所述参考接收机反馈回的同步误差信号，并根据所述同步误差信号将调控信号发送给所述北斗伪卫星；所述北斗伪卫星分别与所述主控站、所述北斗伪卫星接收机以及所述参考接收机相耦接，所述北斗伪卫星接收所述主控站发送的测距码、导航电文以及调控信号，将调制的北斗导航信号同步射频发射给所述北斗伪卫星接收机和所述参考接收机；所述北斗伪卫星接收机与所述北斗伪卫星相耦接，接收所述北斗伪卫星发送的射频信号以进行伪距测量、导航电文解算和定位；所述参考接收机与所述北斗伪卫星和主控站相耦接，接收所述北斗伪卫星发送的射频信号，并将分析得到的同步误差信号发送给所述主控站。
优选地，所述北斗伪卫星设有至少四颗，固定安装于海岸上和/或钻井平台处，且位置已知。
优选地，所述北斗伪卫星包括主控单元、基带处理单元以及射频单元，其中，所述主控单元与所述主控站和所述基带处理单元相耦接，接收所述主控站发来的调控信号，并将所述北斗伪卫星的初始化数据发送给所述基带处理单元；所述基带处理单元与所述主控单元和所述射频单元相耦接，接收所述主控单元发来的初始化数据进行信号处理，并将转换后的模拟中频信号发送给所述射频单元；所述射频单元与所述基带处理单元和所述北斗伪卫星接收机相耦接，接收从所述基带处理单元发来的中频信号，将根据系统内部时钟和本振信号进行变频、滤波放大后的射频信号输出给所述北斗伪卫星接收机。
优选地，所述北斗伪卫星接收机包括：天线、射频接收机、信号处理器以及数据处理机，其中，所述天线无线耦接所述北斗伪卫星，接收所述北斗伪卫星发来的射频信号；所述射频接收机将所述射频信号处理成中频信号后送入所述信号处理器；所述信号处理器从中提取多路伪距信号后送入所述数据处理机。
优选地，所述参考接收机包括：前端射频单元、中频数据处理单元和导航解算单元，其中，所述前端射频单元无线耦接所述北斗伪卫星，接收所述北斗伪卫星发来的射频信号；所述中频数据处理单元将所述射频信号转换成中频信号后送入所述导航解算单元。
优选地，所述伪卫星接收机安装于快速移动的交通工具上。
优选地，所述交通工具为舰船、直升机、私人飞机和/或游艇。
与现有技术相比，本实用新型所提供的基于北斗伪卫星的近海及港口区域定位系统，通过在地面布置的伪卫星作为北斗导航系统的辅助手段，使得近海及港口区域作业的舰船、直升机、私人飞机、游艇等平台能够利用该系统进行定位，无需过多的增加硬件设备，仅花费较小的成本便可实现对平台的定位，具有很高的精度、可用性、可靠性以及抗干扰能力，能够进一步满足近海及港口区域定位的需求，具有重要的社会、经济和国防意义。
附图说明
图1是本实用新型所述的基于北斗伪卫星的近海及港口区域定位系统的示意图。
图2为本实用新型所述的基于北斗伪卫星的近海及港口区域定位系统原理图。
图3为本实用新型所述的北斗伪卫星的结构框图。
图4为本实用新型所述的北斗伪卫星接收机的结构框图。
具体实施方式
以下实施例仅用于更加清楚地说明本实用新型的技术方案，而不能以此来限制本实用新型的保护范围。如在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定部件。本领域技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同名词来称呼同一个部件。本说明书及权利要求并不以名称的差异来作为区分部件的方式，而是以部件在功能上的差异来作为区分的准则。说明书后续描述为实施本实用新型的较佳实施方式，然所述描述乃以说明本新型的一般原则为目的，并非用以限定本实用新型的范围。本实用新型的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。
下面结合附图和具体实施例对本实用新型做进一步详细说明。
伪卫星也被称为陆基发射机或陆基卫星，其功能和原理与导航卫星类似，包括接收机、发射机和天线，它能发出与导航卫星相同格式的电文。普通的卫星接收机只需在软件上稍作修改即可接收它的信号，并得到用于导航计算的伪距或载波相位测量。伪卫星是卫星导航系统的有益补充，伪卫星用于近海及港口区域定位可以提高系统的定位精度，改善定位系统的完好性、可用性与提高抗干扰能力。基于北斗导航卫星的伪卫星技术的成本较低，定位比较容易实现，本实用新型正是基于上述技术实现对平台自身的精确定位。
如图1所示，本实用新型所公开的一种基于北斗伪卫星20的近海及港口区域定位系统，主要应用于近海及港口区域，包括主控站10、北斗伪卫星20、北斗伪卫星接收机30以及参考接收机40，其中，
所述主控站10，与所述北斗伪卫星20和参考接收机40相耦接，用于为各个所述北斗伪卫星20注入测距码和导航电文，和接收所述参考接收机40反馈回的同步误差信号，并根据该同步误差信号发送一调控信号给所述伪卫星，调整各个所述北斗伪卫星20实现频率和时间上的同步。
具体来说，所述主控站10为每颗伪卫星注入测距码和导航电文，使测距码生成方式与北斗测距码一致，导航电文帧结构和北斗也一致；并控制伪卫星和参考接收机40，配置整个系统的工作方式；实现系统的同步控制，保证组网中的伪卫星信号保持频率和时刻的同步；并且完成整个系统工作的日志记录等。
所述北斗伪卫星20，设有至少四颗，可以获得较高的定位精度(目标位置精度优于5米)，它们固定安装于海岸上和/或钻进平台处且位置已知。它们分别与所述主控站10、北斗伪卫星接收机30以及参考接收机40相耦接，用于接收所述主控站10发送的测距码、导航电文以及调控信号，调制并同步发射北斗导航信号给所述北斗伪卫星接收机30和参考接收机40。
具体来说，请参照图3，所述北斗伪卫星20将作为信号源，接收主控站10发出的测距码、导航电文及控制信号，调制并发射北斗导航信号。所述北斗伪卫星20内部主要包含有下列三个单元：
主控单元201：与所述主控站10和基带处理单元202相耦接，用于接收所述主控站10的控制信号，控制所述伪卫星设备的数据初始化，报告设备状态，并将该初始数据发送给基带处理单元202，运行期间还负责任务调度。
基带处理单元202：与所述主控单元201和射频单元203相耦接，用于接收并根据从所述主控单元201发送的初始数据进行信号处理，计算数字信号处理算法所需要的参数，生成扩频码，完成信号扩频，产生基带数字信号；再将基带信号调制到数字中频，使用DAC将数字中频转换成模拟中频信号，然后发送给射频单元203。
射频单元203：与所述基带处理单元202和北斗伪卫星接收机30相耦接，负责产生系统内需要的各种时钟信号和本振信号。并接收从基带处理单元202发送的中频信号，再经过上变频通道能够完成上变频，滤波放大后输出射频信号。
通过在适当地方放置伪卫星，伪卫星提供的测距信号可以改善卫星定位系统的几何形状，从而提高系统的精度。另外，伪卫星的位置可以预先精确测定，因此没有星历误差；而且由于不经过电离层，也没有电离层误差，如果伪卫星距离比较近，对流层误差也很小，可以忽略不计。因为卫星和伪卫星是两个相对独立的系统，由不同的系统控制运行，因此卫星和伪卫星同时失效的可能性就极小。由于卫星数量的限制，在某些地方卫星不便于导航。因为伪卫星的位置是可以选择的，因此伪卫星可以放在那些卫星信号可能会受到遮挡的区域，改善可用性。同时，在环境十分恶劣的情况下，导航轨道卫星完全不可见或者有严重的人为电磁干扰的时候，由于伪卫星可以发射类似导航星的信号，也可由若干颗伪卫星组成导航星座，进行独立的导航定位。伪卫星距用户的距离比真正的导航卫星距用户距离小得多，因此信号衰减小，信号强度比导航卫星强得多，抗干扰能力自然明显提高。同时，结合信号加密技术，可以提高区域导航定位的保密性。
所述北斗伪卫星接收机30，与所述北斗伪卫星20相耦接，用于接收所述北斗伪卫星20发送的射频信号，并进行伪距测量、导航电文解算和定位；所述伪卫星接收机安装于舰船、直升机、私人飞机和/或游艇上。
参照图4，所述北斗伪卫星接收机30包括：天线、射频接收机、信号处理器以及数据处理机，其中，所述天线接收到伪卫星发送的射频信号后，经射频接收机的处理，包括滤波、低噪声前置放大器进行降噪、下变频器变成下变频、中频放大器变成中频信号等，再送入A/D转换器，转换成数字信号，后再经数字信号处理器进行解扩，解调出伪卫星的相关信息，提取N路伪距(N≥4)，将N路信号送入导航定位处理机解算出用户的位置，实现定位。
因为伪卫星位置固定，导航电文与普通北斗导航电文不尽相同，不需要提供卫星轨道参数和摄动参数、电离层的延迟改正、所有卫星的星历等数据，在导航解算上与通用北斗接收机略微不同，可以通过软件升级在通用北斗接收机上实现伪卫星信号与北斗信号的兼容。
所述参考接收机40，与所述北斗伪卫星20和主控站10相耦接，用于接收伪卫星发送的射频信号，获取每颗伪卫星的状态数据，进行解算分析，并将该分析得到的同步误差信号发送给所述主控站10。
具体来说，所述参考接收机40包括前端射频单元、中频数据处理单元和导航解算单元，其中，所述前端射频单元接收伪卫星发送的射频信号，再经中频数据处理单元转换成中频信号后，进入导航解算单元进行信号解算，获取每颗伪卫星的状态数据。
图2为本实用新型所述的基于北斗伪卫星20的区域定位系统原理图。
基于北斗伪卫星技术的近海及港口区域定位系统是一个模拟北斗定位系统的区域定位系统，基本理论和研究方法都源于北斗定位系统，可用若干颗北斗伪卫星20(数目≥4)作为信号源模拟北斗系统中的卫星，采用独立的坐标系和时间标准，利用北斗伪卫星接收机30接收信号并提取伪距等相关信息，能够给区域范围内定位并提高此区域内的定位精度。
在近海及港口区域作业的所有舰船、直升机、私人飞机、游艇等平台上配装北斗伪卫星接收机30，在岸上、钻井平台上选取若干个(数目≥4)固定位置配装北斗伪卫星20，并标定好这些固定位置的精确位置信息。
系统工作时，主控站10首先通过通讯网络配置伪卫星的测距码(PRN码)和导航电文(D码)，并控制伪卫星同步发送北斗PRN码和D码信号，高精度的参考接收机40测量伪卫星同步误差并将信息反馈给主控站10，主控站10据此调整伪卫星信号发送时间，舰/船/机载北斗伪卫星接收机30接收北斗伪卫星20信号并进行伪距测量、导航电文解算及定位。
与现有技术相比，本实用新型所述的基于北斗伪卫星的区域定位系统，通过在地面布置的伪卫星作为北斗导航系统的辅助手段，解决了现有的近海及港口区域定位手段过于依赖GPS的问题，该辅助定位系统精度高、可用性高、抗干扰能力强，满足近海及港口区域平台自身定位的需求。
值得注意的是，以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并非因此限定本实用新型的专利保护范围，本实用新型还可以对上述各种零部件的构造进行材料和结构的改进，或者是采用技术等同物进行替换。故凡运用本实用新型的说明书及图示内容所作的等效结构变化，或直接或间接运用于其他相关技术领域均同理皆包含于本实用新型所涵盖的范围内。
Claims (7)
1.一种基于北斗伪卫星的近海及港口区域定位系统，其特征在于，所述系统包括主控站、至少四颗北斗伪卫星、北斗伪卫星接收机以及参考接收机，其中，
所述主控站与所述北斗伪卫星和所述参考接收机相耦接，所述主控站将测距码和导航电文发送给所述北斗伪卫星，接收所述参考接收机反馈回的同步误差信号，并根据所述同步误差信号将调控信号发送给所述北斗伪卫星；
所述北斗伪卫星分别与所述主控站、所述北斗伪卫星接收机以及所述参考接收机相耦接，所述北斗伪卫星接收所述主控站发送的测距码、导航电文以及调控信号，将调制的北斗导航信号同步射频发射给所述北斗伪卫星接收机和所述参考接收机；
所述北斗伪卫星接收机与所述北斗伪卫星相耦接，接收所述北斗伪卫星发送的射频信号以进行伪距测量、导航电文解算和定位；
所述参考接收机与所述北斗伪卫星和主控站相耦接，接收所述北斗伪卫星发送的射频信号，并将分析得到的同步误差信号发送给所述主控站。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述北斗伪卫星设有至少四颗，固定安装于海岸上和/或钻井平台处，且位置已知。
3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述北斗伪卫星包括主控单元、基带处理单元以及射频单元，其中，
所述主控单元与所述主控站和所述基带处理单元相耦接，接收所述主控站发来的调控信号，并将所述北斗伪卫星的初始化数据发送给所述基带处理单元；
所述基带处理单元与所述主控单元和所述射频单元相耦接，接收所述主控单元发来的初始化数据进行信号处理，并将转换后的模拟中频信号发送给所述射频单元；
所述射频单元与所述基带处理单元和所述北斗伪卫星接收机相耦接，接收从所述基带处理单元发来的中频信号，将根据系统内部时钟和本振信号进行变频、滤波放大后的射频信号输出给所述北斗伪卫星接收机。
4.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述北斗伪卫星接收机包括：天线、射频接收机、信号处理器以及数据处理机，其中，
所述天线无线耦接所述北斗伪卫星，接收所述北斗伪卫星发来的射频信号；
所述射频接收机将所述射频信号处理成中频信号后送入所述信号处理器；所述信号处理器从中提取多路伪距信号后送入所述数据处理机。
5.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述参考接收机包括：前端射频单元、中频数据处理单元和导航解算单元，其中，
所述前端射频单元无线耦接所述北斗伪卫星，接收所述北斗伪卫星发来的射频信号；所述中频数据处理单元将所述射频信号转换成中频信号后送入所述导航解算单元。
6.如权利要求1或4所述的系统，其特征在于，所述伪卫星接收机安装于快速移动的交通工具上。
7.如权利要求6所述的系统，其特征在于，所述交通工具为舰船、直升机、私人飞机和/或游艇。
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