一種基於通用接收機的偽衛星定位系統的製作方法
2023-08-03 06:15:06 2
一種基於通用接收機的偽衛星定位系統的製作方法
【專利摘要】本發明涉及一種基於通用接收機的偽衛星定位系統，包含導航接收機、時鐘/頻率模塊、微處理器及衛星信號模擬器，微處理器包含選星模塊、及與選星模塊信號連接的電文生成模塊，導航接收機接收在軌衛星的可視衛星信號，其輸出端分別與時鐘/頻率模塊、選星模塊、電文生成模塊相信號連接，時鐘/頻率模塊、選星模塊、電文生成模塊分別與衛星信號模擬器相信號連接。本發明適用於通用接收機，實現偽衛星和在軌衛星聯合定位，偽衛星採用在軌衛星相同的電文格式，支持現有的普通衛星導航定位接收機，根據信號覆蓋區域自動選擇轉發衛星，精確控制信號發射時間，偽衛星發射信號和真實信號的偽距轉發誤差不超過20ns，設計合理，偽距誤差小、定位精度高。
【專利說明】一種基於通用接收機的偽衛星定位系統
【技術領域】
[0001]本發明涉及衛星導航定位領域，特別涉及一種基於通用接收機的偽衛星定位系統。
【背景技術】
[0002]衛星導航定位系統在各個領域得到了廣泛的應用，但衛星導航存在衛星信號到達地面的功率較低，對於植被茂密或山體遮擋嚴重的範圍較大(達到公裡量級)區域的定位，現有的W1-Fi定位、移動通信網絡定位等技術難以應用，最有效可行的方式偽衛星定位方式。偽衛星定位方式是指通過在地面架設信號發射器，發射與衛星信號相似的導航信號，輔助接收機完成定位和導航。
[0003]現有的基於偽衛星的定位技術都需要對接收機進行改進，主要的原因是衛星導航定位系統裡的衛星位置的星曆都是採用的克卜勒六參數的方式發布，接收機根據克卜勒六參數及其修正參數實時計算出衛星的位置，而偽衛星的位置無法直接用克卜勒六參數來表示，一般都採用地球協議坐標的方式來表示，所以普通的接收機無法解析這部分參數，也就無法獲得衛星的位置。為了使用偽衛星，接收機必須要開闢專門的通道來解析偽衛星的電文信息，這就限制了通用接收機利用偽衛星來進行定位。特別是對於目前廣泛使用的移動終端的接收機來說，無法利用這種偽衛星的信號進行定位，也就限制了偽衛星技術的應用；而傳統的衛星轉發器是通過對衛星信號頻段內的信號放大後轉發的方式來轉發衛星信號的，其只能轉發頻段內的所有衛星信號，並不能區分衛星通道，這種轉發器如果發射功率較大，會嚴重幹擾接收機正常接收天上的衛星信號。
【發明內容】
[0004]針對現有技術中的不足，本發明提供一種偽衛星和在軌衛星聯合定位、偽衛星發射信號和在軌衛星信號同步，不需要對接收機進行任何改動，偽距誤差小、定位精度高的基於通用接收機的偽衛星定位系統，。
[0005]按照本發明所提供的設計方案，一種基於通用接收機的偽衛星定位系統，包含導航接收機、時鐘/頻率模塊、微處理器及衛星信號模擬器，微處理器包含選星模塊、及與選星模塊信號連接的電文生成模塊，導航接收機接收在軌衛星的可視衛星信號，其輸出端分別與時鐘/頻率模塊、選星模塊、電文生成模塊相信號連接，時鐘/頻率模塊、選星模塊、電文生成模塊分別與衛星信號模擬器相信號連接。
[0006]上述的，時鐘/頻率模塊採用能夠產生GPS/UTC時間、高精度Ipps及高精度、高穩定性的時鐘信號的高穩晶振。
[0007]上述的，衛星信號模擬器包含與電文生成模塊連接的擴頻模塊、與擴頻模塊連接的調製模塊、與調製模塊連接的射頻模塊、與射頻模塊連接的天線、與選星模塊連接的PN碼發生器，PN碼發生器輸出端與擴頻模塊連接，頻偏模塊通過控制軟體實現衛星星曆存儲及都卜勒頻偏計算，並將計算結果傳輸給調製模塊。
[0008]上述的，該偽衛星定位系統還包含偽距誤差修正模塊。
[0009]優選的，偽距誤差修正模塊包含測量從基帶信號產生到信號發射的時間差的時延測試設備、進行偽距測量的測試用衛星信號接收機。
[0010]一種基於通用接收機的偽衛星定位方法，包含如下步驟:
[0011]步驟1.導航接收機接收可視衛星信號，將UTC/GPS時間及Ipps發送給時鐘/頻率模塊，將獲得的原始導航電文編幀，並將編幀後的導航電文、UTC/GPS時間及該衛星的位置信息發送給選星模塊和電文生成模塊；
[0012]步驟2.根據用戶終端所在位置及所接收可視衛星信號的在軌衛星分布情況，選擇轉發衛星；
[0013]步驟3.電文生成模塊將該可視衛星的導電航文提取，並進行導電航文的遞推和再生成；
[0014]步驟4.模擬信號的生成和發射；
[0015]步驟5.偽距誤差測試及修正。
[0016]所述步驟3中導電航文的遞推和再生成包含如下步驟:精確計算衛星信號模擬器的每幀信號發射時間，並根據計算結果加入修正值測試；根據當前的時間遞推出新的導航電文，在接收到新的導航電文後，和遞推的導航電文進行比對，得出誤差範圍值。
[0017]優選的，所述步驟3中導電航文的遞推內容包含克卜勒六參數、軌道攝動九參數和時間二參數。
[0018]所述步驟4包含如下步驟:衛星信號模擬器根據選星模塊的選星結果生成該衛星的PN碼，用該PN碼調製電文生成模塊再生成的導航電文，並產生基帶導航信號；根據衛星的位置和速度，計算都卜勒頻移，將基帶導航信號調製到發射的信號頻率並發射出去。
[0019]所述步驟5中偽距誤差包含折現誤差、內部處理時延誤差、在軌衛星和偽衛星位置誤差、模擬衛星運動誤差、有限欄位長度誤差。
[0020]本發明基於通用接收機的偽衛星定位系統的有益效果:
[0021]1.本發明適用於通用接收機，實現偽衛星和在軌衛星聯合定位，實現偽衛星所發射的信號和在軌衛星的信號同步，偽衛星採用在軌衛星相同的電文格式，不需要對接收機進行任何改動，支持現有的普通衛星導航定位接收機，在不幹擾接收機能夠正常接收的信號的情況下，根據信號覆蓋的區域自動選擇轉發衛星，精確控制信號的發射時間，偽衛星發射的信號和真實信號的偽距轉發誤差不超過20ns，實現能夠根據選擇的轉發衛星位置、衛星信號模擬器位置、用戶終端的位置範圍進行偽距誤差的修正。
[0022]2.本發明對於一些遮擋區域的定位需求，能夠在不幹擾正常接收的衛星信號的前提下，使得接收機能夠接收到大於等於4顆衛星的信號進行定位解算，偽衛星發射的信號對定位結果的影響小，設計更合理，偽距誤差小、定位精度更高。
【專利附圖】
【附圖說明】
:
[0023]圖1為本發明基於通用接收機的偽衛星定位系統的組成結構示意圖；
[0024]圖2為本發明的偽衛星模塊原理框圖；
[0025]圖3為本發明的選星示意圖；
[0026]圖4為本發明的選星模塊原理框圖；
[0027]圖5為本發明的導航電文遞推示意圖；
[0028]圖6為本發明的電文生成模塊原理框圖；
[0029]圖7為本發明的時鐘/頻率模塊原理框圖；
[0030]圖8為本發明的衛星信號模擬器原理框圖；
[0031]圖9為本發明的折線誤差示意圖。
【具體實施方式】
:
[0032]下面結合附圖和技術方案對本發明作進一步詳細的說明，並通過優選的實施例詳細說明本發明的實施方式，但本發明的實施方式並不限於此。
[0033]實施例:一種基於通用接收機的偽衛星定位系統，偽衛星系統包含導航接收機、時鐘/頻率模塊、微處理器及衛星信號模擬器，微處理器包含選星模塊、及與選星模塊信號連接的電文生成模塊，導航接收機接收在軌衛星的可視衛星信號，其輸出端分別與時鐘/頻率模塊、選星模塊、電文生成模塊相信號連接，時鐘/頻率模塊、選星模塊、電文生成模塊分別與衛星信號模擬器相信號連接。導航接收機具備授時功能，能夠輸出UTC或GPS時間，輸出高精度的Ipps,誤差小於100ns。
[0034]上述的，時鐘/頻率模塊採用能夠產生GPS/UTC時間、Ipps及高精度的時鐘信號的高穩晶振，輸出時間信號主要是GPS/UTC時間及lpps，頻率信號主要是1MHz時鐘信號。
[0035]上述的，衛星信號模擬器包含與電文生成模塊連接的擴頻模塊、與擴頻模塊連接的調製模塊、與調製模塊連接的射頻模塊、與射頻模塊連接的天線、與選星模塊連接的PN碼發生器，PN碼發生器輸出端與擴頻模塊連接，頻偏模塊通過控制軟體實現衛星星曆存儲及都卜勒頻偏計算，並將計算結果傳輸給調製模塊。根據選星模塊的選星結果，生成該顆衛星的PN碼，並用該PN碼調製電文生成模塊給出的電文，在給定的時刻產生基帶導航信號；然後根據衛星的位置和速度，計算都卜勒頻移，將基帶導航調製到發射的信號頻率，並將信號發射出去。由於要儘可能減少對周邊區域正常衛星信號的影響，需要採用定向天線；將天線的主波束對準需要進行定位服務的區域，以減少對周邊區域及天空飛行物的影響，控制信號的精確發射時間，通過Ipps和10MHz，在給定的時刻產生發射信號，控制精確度能夠達到10ns，加上Ipps的誤差，總的發射時刻的誤差小於30ns，對應的偽距誤差小於9米。
[0036]上述的，該偽衛星定位系統還包含偽距誤差修正模塊。
[0037]優選的，偽距誤差修正模塊包含測量從基帶信號產生到信號發射的時間差的時延測試設備、進行偽距測量的測試用衛星信號接收機。
[0038]導航接收機接收到可視的衛星信號，將UTC/GPS時間及Ipps發送給時鐘/頻率模塊；時鐘/頻率模塊採用高穩定晶振，如雙恆溫槽晶振，產生高穩定的1MHz時鐘信號和高精度的Ipps ;同時，導航接收機將編幀過的原始導航電文、UTC/GPS時間及經過平差和修正後的位置信息發送給電文生成模塊和選星模塊，電文生成模塊和選星模塊結合外部設置的參數進行轉發衛星的選擇和電文的遞推，並生成所選衛星的遞推星曆，將這些信息發送到衛星信號模擬器；衛星信號模擬器結合時鐘/頻率模塊的時頻信號模擬所選擇的衛星信號，並發射出去。
[0039]一種基於通用接收機的偽衛星定位方法，包含如下步驟:
[0040]步驟1.導航接收機接收可視衛星信號，將UTC/GPS時間及Ipps發送給時鐘/頻率模塊，將獲得的原始導航電文編幀，並將編幀後的導航電文、UTC/GPS時間及該衛星的位置信息發送給選星模塊和電文生成模塊；
[0041]步驟2.根據用戶終端所在位置及所接收可視衛星信號的在軌衛星分布情況，選擇轉發衛星，選擇非可視區域且折線角度儘可能小的區域的衛星；
[0042]步驟3.電文生成模塊將該可視衛星的導電航文提取，並進行導電航文的遞推和再生成；
[0043]步驟4.模擬信號的生成和發射；
[0044]步驟5.偽距誤差測試及修正。
[0045]所述步驟3中導電航文的遞推和再生成包含如下步驟:由於偽衛星產生的信號要和可視的在軌衛星聯合定位，所以要求模擬的信號要和真實信號儘可能一致，這就需要精確計算衛星信號模擬器的每幀信號發射時間，並根據計算結果加入修正值測試；由於要延遲發射本幀信號，所以需要根據當前的時間遞推出新的導航電文，在接收到新的導航電文後，和遞推的導航電文進行比對，得出誤差範圍值。
[0046]優選的，所述步驟3中導電航文的遞推內容包含克卜勒六參數、軌道攝動九參數和時間二參數。
[0047]所述步驟4包含如下步驟:衛星信號模擬器根據選星模塊的選星結果生成該衛星的PN碼，用該PN碼調製電文生成模塊再生成的導航電文，並產生基帶導航信號；根據衛星的位置和速度，計算都卜勒頻移，將基帶導航信號調製到發射的信號頻率並發射出去。
[0048]所述步驟5中偽距誤差包含折現誤差、內部處理時延誤差、在軌衛星和偽衛星位置誤差、模擬衛星運動誤差、有限欄位長度誤差。
[0049]偽衛星實際是延遲轉發不可視的衛星信號，相對於可視衛星信號來說，用戶終端接收到的信號實際上相當於折線傳輸，會帶來和直線傳輸相比的三角形折線誤差。服務的區域是已知的，但是用戶的具體位置是未知的，所以折線誤差可以進行一定程度的修正，如針對服務區域的質心位置進行折線誤差修正，那麼在質心位置附近的用戶的折線誤差較小，離質心位置越遠，誤差越大。折線誤差的修正主要在選星的時候，根據外部輸入的服務區域和衛星的位置進行修正，當服務區域和偽衛星位置確定後，修正值和圖9所示中的角度Θ相關，假設衛星到偽衛星的距離為20200Km，偽衛星到服務區域質心的距離為2Km，那麼折線誤差和角度Θ相關。由於偽衛星到服務區域質心的距離為2Km，所以Θ是很小的一個角度，折線誤差是較小的，當α大於90°時，誤差小於λ/202002+22-202=.001Κιτι，BP
折線誤差一般小於0.1m。當α小於90°時，相當於反射信號，折線誤差會急劇增加。
[0050]通過實際測試的方法減少從基帶信號到發射之間的內部處理時延誤差及在軌衛星和偽衛星位置誤差、模擬衛星運動誤差、有限欄位長度誤差等，或通過實時監控遞推的導航電文和導航接收機實時接收的導航電文的誤差，及時修正電文遞推的結果，通過時間差的時延測試設備、進行偽距測量的測試用衛星信號接收機進一步提高定位精度。
[0051]本發明並不局限於上述【具體實施方式】，本領域技術人員還可據此做出多種變化，但任何與本發明等同或者類似的變化都應涵蓋在本發明權利要求的範圍內。
【權利要求】
1.一種基於通用接收機的偽衛星定位系統，其特徵在於:包含導航接收機、時鐘/頻率模塊、微處理器及衛星信號模擬器，微處理器包含選星模塊、及與選星模塊信號連接的電文生成模塊，導航接收機接收在軌衛星的可視衛星信號，其輸出端分別與時鐘/頻率模塊、選星模塊、電文生成模塊相信號連接，時鐘/頻率模塊、選星模塊、電文生成模塊分別與衛星信號模擬器相信號連接。
2.根據權利要求1所述的基於通用接收機的偽衛星定位系統，其特徵在於:時鐘/頻率模塊採用能夠產生GPS/UTC時間、Ipps及時鐘信號的高穩晶振。
3.根據權利要求1所述的基於通用接收機的偽衛星定位系統，其特徵在於:衛星信號模擬器包含與電文生成模塊連接的擴頻模塊、與擴頻模塊連接的調製模塊、與調製模塊連接的射頻模塊、與射頻模塊連接的天線、與選星模塊連接的PN碼發生器，PN碼發生器輸出端與擴頻模塊連接，頻偏模塊通過控制軟體實現衛星星曆存儲及都卜勒頻偏計算，並將計算結果傳輸給調製模塊。
4.根據權利要求1所述的基於通用接收機的偽衛星定位系統，其特徵在於:該偽衛星定位系統還包含偽距誤差修正模塊。
5.根據權利要求4所述的基於通用接收機的偽衛星定位系統，其特徵在於:偽距誤差修正模塊包含測量從基帶信號產生到信號發射的時間差的時延測試設備、進行偽距測量的測試用衛星信號接收機。
6.一種基於通用接收機的偽衛星定位方法，其特徵在於:包含如下步驟: 步驟1.導航接收機接收可視衛星信號，將UTC/GPS時間及Ipps發送給時鐘/頻率模塊，將獲得的原始導航電文編幀，並將編幀後的導航電文、UTC/GPS時間及該衛星的位置信息發送給選星模塊和電文生成模塊； 步驟2.根據用戶終端所在位置及所接收可視衛星信號的在軌衛星分布情況，選擇轉發衛星； 步驟3.電文生成模塊將該可視衛星的導電航文提取，並進行導電航文的遞推和再生成； 步驟4.模擬信號的生成和發射； 步驟5.偽距誤差測試及修正。
7.根據權利要求6所述的基於通用接收機的偽衛星定位方法，其特徵在於:所述步驟3中導電航文的遞推和再生成包含如下步驟:精確計算衛星信號模擬器的每幀信號發射時間，並根據計算結果加入修正值測試；根據當前的時間遞推出新的導航電文，在接收到新的導航電文後，和遞推的導航電文進行比對，得出誤差範圍值。
8.根據權利要求6所述的基於通用接收機的偽衛星定位方法，其特徵在於:所述步驟4包含如下步驟:衛星信號模擬器根據選星模塊的選星結果生成該衛星的PN碼，用該PN碼調製電文生成模塊再生成的導航電文，並產生基帶導航信號；根據衛星的位置和速度，計算都卜勒頻移，將基帶導航信號調製到發射的信號頻率並發射出去。
9.根據權利要求6所述的基於通用接收機的偽衛星定位方法，其特徵在於:所述步驟5中偽距誤差包含折現誤差、內部處理時延誤差、在軌衛星和偽衛星位置誤差、模擬衛星運動誤差、有限欄位長度誤差。
10.根據權利要求7所述的基於通用接收機的偽衛星定位方法，其特徵在於:所述步驟 3中導電航文的遞推內容包含克卜勒六參數、軌道攝動九參數和時間二參數。
【文檔編號】G01S19/46GK104133221SQ201410355712
【公開日】2014年11月5日 申請日期:2014年7月24日 優先權日:2014年7月24日
【發明者】劉擁軍, 高博, 董春宵, 楊斌, 萬方傑 申請人:中國人民解放軍信息工程大學