一种卫星导航信号再生器、系统及方法与流程

本发明主要涉及卫星导航领域，尤其涉及一种卫星导航信号再生器、系统及方法。

背景技术：

由于卫星到地面的距离遥远导致地面接收的gnss信号微弱，在峡谷森林、建筑墙体或屋顶的屏障作用下，更进一步阻碍或衰减了gnss信号，在天气变化恶劣时，也能进一步削弱gnss信号，因此在室内或所说的暗室环境中或是在户外，以及深山峡谷之中，及gnss信号无法正常或很难被导航终端接收到，从而给人们在室内活动或户外探险、交通等生活带来不便。

基于伪卫星增强技术，由于需要采用专用导航终端以及工程实施难度大等问题，无法解决在不改变已有的导航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或测试问题。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明提供一种安装方便、且无需改变导航终端的卫星导航信号再生器、系统及方法。具体采用以下技术方案：

一种卫星导航信号再生器，包括外部数据接口、时间频率单元、仿真计算单元、信号再生单元和发射天线，所述仿真计算单元通过外部数据接口获取星座参数信息，所述时间频率单元向所述仿真计算单元、信号再生单元输出所需的时频基准信号；且所述时间频率单元驱动所述仿真计算单元依据星座参数信息计算仿真数据；所述信号再生单元根据所述时频基准信号与所述仿真数据生成卫星导航信号；所述发射天线将所述卫星导航信号播发。

其中，所述星座参数信息至少包括时间、星历和历书信息。

本发明的另一技术方案在于在上述基础之上，所述时间频率单元包括相连接的gnss信号时钟驯服模块和本地时钟产生模块，所述gnss信号时钟驯服模块包括gnss信号接收机、驯服控制子单元和频率发生器件，所述gnss信号接收机实时接收真实gnss卫星导航信号并解析时间信息，并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所述频率发生器件生成的本地时频基准信号进行驯服，所述频率发生器件将驯服后的本地时频基准信号输出至所述本地时钟产生模块；所述本地时钟产生模块匹配所述驯服后的本地时频基准信号同步产生本地时钟信号，并进行驱动和分频处理，生成所述卫星导航信号再生器内所需的频标信号。

本发明的另一技术方案在于在上述基础之上，所述时间频率单元还包括控制模块，所述控制模块分别与所述gnss信号时钟驯服模块、本地时钟产生模块连接。

本发明还提供一种卫星导航信号再生系统，包括基准单元和上述任意一种所述的卫星导航信号再生器，所述基准单元通过射频接口与卫星导航信号再生器连接。

本发明的另一技术方案在于在上述基础之上，所述基准单元包括gnss信号接收模块，所述gnss信号接收模块通过所述外部数据接口与卫星导航信号再生器连接。

本发明的另一技术方案在于在上述基础之上，所述基准单元包括网络模块，所述网络模块与卫星导航信号再生器连接。

本发明还提供一种卫星导航信号再生方法，包括以下步骤：

s1：实时接收真实gnss卫星导航信号；

s2：解算真实gnss卫星导航信号中的时间信息和星座参数信息，将所得的时间信息送至时间频率单元，将所得的星座参数信息送至仿真计算单元；

s3：时间频率单元同步触发仿真计算单元根据星座参数信息计算卫星导航信号仿真数据；

s4：根据仿真数据实时生成卫星导航信号；

s5：播发生成的卫星导航信号。

其中，所述星座参数信息至少包括时间、星历和历书。

本发明还提供一种卫星导航信号再生方法，包括以下步骤：

s1：通过互联网获取星历、历书，将所述星历、历书送至仿真计算单元；

s2：时间频率单元同步触发仿真计算单元将所述星历、历书计算仿真数据；

s3：根据仿真数据实时生成卫星导航信号；

s4：播发生成的卫星导航信号。

本发明的另一技术方案在于在上述基础之上，所述位置信息为预设值或外部注入数据。

本发明的另一技术方案在于在上述基础之上，在播发生成的卫星导航信号之前还包括调节卫星导航信号功率的步骤。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、卫星导航信号再生器，通过时间频率单元的时钟驯服提供给仿真计算单元及信号再生单元等作为时频基准，以提高再生的卫星导航信号与真实卫星导航信号的时间、频率同步一致性；

2、卫星导航信号再生系统中不但可以通过无源接收天线实时接收实际卫星信号作为基准，也可以直接通过互联网获取，并且位置信息还可以自动或手动输入，本再生系统手段多样，灵活性强，可以适应任何环境下的卫星导航信号再生，具有难度小、成本低、通用化以及支持北斗、gps多系统等优点；

3、卫星导航信号再生方法通过时间频率单元对时间信号和频率信号进行驯服，且同步触发仿真计算单元将星座参数信息计算仿真数据，以及信号再生单元根据仿真数据实时生成卫星导航信号；播发生成的卫星导航信号，可有效解决在不改变已有的标准导航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或测试问题。

附图说明

图1为本发明一种实施例所示的卫星导航信号再生器的结构示意图；

图2为图1所示卫星导航信号再生器中时间频率单元的一种结构示意图；

图3为本发明一种实施例所示的卫星导航信号再生系统的结构示意图；

图4为本发明另一种实施例所示的卫星导航信号再生系统的结构示意图；

图5为本发明一种实施例所示的卫星导航信号再生方法的流程图；

图6为本发明另一种实施例所示的卫星导航信号再生方法的流程图。

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。

本发明实施例公开的卫星导航信号再生器结构示意图如图1所示，一种卫星导航信号再生器，包括外部数据接口、时间频率单元、仿真计算单元、信号再生单元和发射天线，所述仿真计算单元通过外部数据接口获取星座参数信息，所述时间频率单元向所述仿真计算单元、信号再生单元输出所需的时频基准信号；且所述时间频率单元驱动所述仿真计算单元依据星座参数信息计算仿真数据；所述信号再生单元根据所述时频基准信号与所述仿真数据生成卫星导航信号；所述发射天线将所述卫星导航信号播发。其中，所述星座参数信息至少包括时间、星历和历书信息。其中时间频率单元是指能产生一个时间、频率同源的时频基准信号，时间频率单元可以通过自身内部的模块接收gnss时间信息，也可以通过外部数据接口获得相关的时间信息，进而可以驱动仿真计算单元根据星座参数信息，即计算该仿真何时何地的卫星信号数据，然后根据计算的仿真数据生成卫星导航射频信号发射出去，其最终再生的卫星导航信号是与真实卫星信号同步一致的射频信号、或者是生成比真实卫星信号提前或者滞后的卫星导航信息。在本实施例中，外部数据接口可以是一个，也可以是多个，只要是能实现获取卫星导航信号再生器所需的星座参数信息和/或时间信息都在本发明保护范围之内。

进一步对本实施例进行说明，再生的卫星导航信号在一般应用情景中都是与真实卫星信号同步一致，但可以在仿真计算单元中根据位置参数信息、时间参数信息可以计算出提前或滞后，或者本地位置或者虚拟位置等多种不同位置的仿真数据，从而再生与真实卫星信号提前或滞后，或不同位置的卫星导航信号，极大的扩展了再生信号的应用，可以用于增强地面信号，也可用于测试各种导航接收机性能。总之，其应用的宗旨都离不开本发明的技术方案。

进一步的，如图2所示，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，所述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，所述gnss信号接收机实时接收gnss信号中的时间信息，并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所述频率发生器件生成的本地时频基准信号进行驯服，所述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，并驱动和分频生成如仿真计算单元、信号再生单元、信号发射单元所需的频标信号。通过本地时钟产生模块基于同一个时间信息同步产生的时钟信号，驱动与分频生成如仿真计算单元、信号再生单元、信号发射单元所需的频标信号，如此，时钟驯服模块利用接收的gnss卫星导航信号产生与卫星同步的时钟信息，即保证生成的本地时频基准信号(10mhz和1pps)与真实gnss卫星导航系统的时间频率，通过时频传递，保证再生的卫星导航信号与真实gnss卫星导航信号同步的可靠性。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。

具体的，在本实施例中，本地时钟产生模块是匹配驯服后的本地时频基准信号同步产生本地时钟信号，并驱动和分频生成卫星导航信号再生器内其他单元如信号发射单元等所需的频标信号，以保证再生的卫星导航信号与真实卫星信号是绝对同步一致。

在本实施例中，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仿真计算单元以开始计算再生卫星导航信号所需的仿真数据。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，从而可以扩展再生导航信号的多种用途。

具体地，仿真计算单元包括时空系统模型、卫星轨道及钟差计算模型、观测数据生成模型、导航电文生成模型的至少一种，在惯性坐标系中，卫星位置采用j2000坐标系，时间系统采用地球动力学时tt(可以在模拟中采用北斗时或gps时)；在地固坐标系中，如在北斗系统中，卫星采用cgs2000坐标系，对于时间系统，北斗系统采用北斗时统。卫星轨道及钟差计算模型直接使用即时信号接收单元传入的实际卫星星历信息计算生成所需的卫星状态数据。观测数据生成模型根据卫星轨道考虑地球自转和相对论效应，仿真生成接收时刻的观测量，包括卫星相对于隧道区的真实距离、速度、加速度、加加速度。导航电文生成模型将即时接收单元提供的真实导航电文参数如：卫星状态、空间环境参数、时间系统改正参数、广域差分信息和系统完好性信息等和相关模型计算拟合后的参数如：卫星轨道数据、卫星钟差修正参数等实现电文的编排。

在本发明中，还提供一种卫星导航信号再生系统，如图3所示，在本实施例中，包括基准单元和上述任意实施例所述的卫星导航信号再生器，基准单元通过射频接口与卫星导航信号再生器连接，通过基准单元提供给卫星导航信号再生器的星座参数信息等。时间频率单元也可以接收基准单元中提供的时间信息，通常情况下，时间频率单元通过内置的gnss信号接收机接收gnss卫星导航信号中的授时信息，以此进行驯服得到时间频率基准。当然在其他实施例中，还可以将基准单元内置在卫星导航信号再生器中，因此，凡是能够实现卫星导航信号再生器接收gnss卫星导航信号进行提供时间频率基准与进行仿真数据计算，并依仿真数据生成再生的卫星导航信号的，都是本发明申请的保护范围。

在本实施例中，如图3所示，基准单元包括gnss信号接收模块，其中gnss信号接收模块与卫星导航信号再生器中的仿真计算单元连接，或者还连接时间频率单元，时间频率单元直接通过gnss信号接收模块接收真实gnss卫星导航信号中的授时信息，具体的是基准单元将接收的gnss卫星导航信号中的星座参数信息提供给仿真计算单元，其中星座参数信息至少包括时间、星历和历书信息；或者同时也将gnss卫星导航信号中的时间信息提供给时间频率单元，通常情况下时间频率单元可以通过自身的gnss信号接收机直接接收gnss卫星导航信号中的授时信息，以此提供卫星导航信号再生器中其他单元所需的时频基准信号。

在本实施例中，如图4所示，基准单元包括网络模块，其中网络模块与卫星导航信号再生器中的仿真计算单元连接，可以通过互联网直接获取星历、历书等信息，互联网也能获取如基准时间如utc时间，但时间频率单元通过接收的gnss卫星信号产生与卫星同步的时频基准并且利用1pps修正ntp时间，使得再生的卫星导航信号与真实的gnss卫星信号同步一致，仿真计算单元是将星历、历书以及将要仿真的位置信息计算仿真数据，位置信息可以是预设的，也可以是外部数据接口注入的外部注入数据，当然也可以注入要仿真何时的卫星导航信号的时间信息，以此来再生成满足需要的卫星导航信号，例如：可以再生成与真实卫星导航信号真实同步一致的卫星导航信号，也可以是相对真实卫星导航信号滞后的卫星导航信号，又或者是比真实卫星导航信号提前的卫星导航信号。

如图5所示，本发明还提供一种卫星导航信号再生方法，包括以下步骤：

s1：通过接收天线实时接收真实gnss卫星导航信号；s2：解算真实gnss卫星导航信号中的时间信息和星座参数信息，将所得的时间信息送至时间频率单元，将所得的星座参数信息送至仿真计算单元；s3：时间频率单元同步触发仿真计算单元根据星座参数信息计算卫星导航信号仿真数据；s4：根据仿真数据实时生成卫星导航信号；s5：播发卫星导航信号。

其中，所述星座参数信息至少包括时间、星历和历书。

在本实施例中，s1：通过gnss信号接收模块接收真实gnss卫星导航信号，即设置一无源接收天线接收真实gnss卫星导航信号，s2：通过射频线与卫星导航信号再生器进行连接，提供卫星导航再生器所需的时间信息与星座参数信息至少包括时间、星历和历书，将所得的时间信息送至时间频率单元，将所得的星座参数信息送至仿真计算单元；s3：时间频率单元同步触发仿真计算单元根据星座参数信息计算卫星导航信号仿真数据；s4：根据仿真数据实时生成卫星导航信号；s5：播发生成的卫星导航信号。当然在一些气候不好或其他恶劣条件下，基准单元中网络模块通过有线或无线渠道向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。

其中仿真计算单元还可以通过外部数据接口获得所要仿真哪个位置的卫星导航信号的位置信息，与其他星座参数信息一起进行仿真计算，获得带有位置的仿真数据。当然位置信息还可为预设值，预设值可以固化为一个数据，也可以是一个数据库中任意随机配置，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也可以是真实的位置信息。

如图6所示，本发明还提供一种卫星导航信号再生方法，包括以下步骤：s1：通过互联网获取星历、历书，将所述星历、历书送至仿真计算单元；s2：时间频率单元同步触发仿真计算单元将所述星历、历书计算仿真数据；s3：根据仿真数据实时生成卫星导航信号；s4：播发生成的卫星导航信号。

在另一实施例中，所述位置信息还可为预设值，预设值可以固化为一个数据，也可以是一个数据库中任意随机配置，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也可以是真实的位置信息。

在以上实施例中，都可以在播发生成的卫星导航信号之前设有调节再生的卫星导航信号的功率的步骤，以此来调整生成的卫星导航信号的发射强度，以增大或衰减播发生成的卫星导航信号的功率，用于在信号播发前调节卫星导航仿真信号，对于长度为几十公里的区域环境提供了有效卫星导航定位保障，不会因为信号微弱造成导航终端无法接收的问题，进行智能灵活调节。

综上所述，卫星导航信号再生器，通过时间频率单元的时钟驯服提供给仿真计算单元及信号再生单元等作为时频基准，以保证再生的卫星导航信号与真实卫星导航信号的同步一致性；卫星导航信号再生系统中不但可以通过无源接收天线实时接收实际卫星信号作为基准，也可以直接通过互联网获取，以及可以根据需要可以选择任意三颗及以上的卫星进行数据仿真，并且位置信息还可以自动或手动输入，本卫星导航信号再生系统手段多样，灵活性强，可以适应任何环境下的卫星导航信号再生，具有难度小、成本低、通用化以及支持北斗、gps多系统等优点；卫星导航信号再生方法通过时间频率单元同步触发仿真计算单元将星座参数信息计算仿真数据，以及信号再生单元根据仿真数据实时生成卫星导航信号；播发同步卫星导航信号，可有效解决在不改变已有的标准导航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问题，或者播发不同步不同地点的卫星导航信号可以对在固定区域内的导航终端进行测试，以此解决不受时间、地点、气候约束的问题。

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。