非同步伪卫星组网精密定位的方法与流程

1.本发明涉及伪卫星定位技术领域，尤其涉及一种非同步伪卫星组网精密定位的方法。


背景技术：

2.伪卫星一般被定义为地面gps信号发射器，早在1978年第一颗gps卫星发射之前，就开发了一套同步伪卫星系统，用来检验gps发射器和接收机之间的工作状况。随着gps星座的建成，伪卫星技术被用来在gps信号微弱或缺失的环境下，辅助增强gps的定位功能，或者实现独立组网定位功能。2003年，澳大利亚的locata公司正式公布了第一代locata系统的伪卫星定位技术，利用廉价晶振使得伪卫星定位系统达到高精度的同步，使得伪卫星的应用成本大大的降低，扩展了伪卫星应用场景。
3.目前，伪卫星技术都是利用卫星导航定位的原理，采用与卫星相似的信号结构和信号发射器以及接收器。对于辅助增强卫星导航定位的伪卫星而言，需要通过授时技术与导航卫星精确时间同步以后，提供与标准导航卫星信号相同的附加导航信号，实现卫星导航信号与附加的融合处理，完成对用户定位导航。而对于自主组网定位的伪卫星系统而言，首先需要使得组网内的各个伪卫星达到时钟同步才能进行组网定位。但是对于伪卫星组网定位系统来说，其伪卫星基站与gnss卫星不同，伪卫星基站通常装备的是廉价的晶振时钟。这种时钟其稳定度、精度都不高，从而产生钟漂误差，想要达到高精度的时钟同步需要由各种算法去实现，往往增加了系统的复杂性。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种非同步伪卫星组网精密定位的方法，能够实现在组网内各伪卫星时钟不同步的情况下，对用户进行高精度的定位。
5.为实现上述目的，本发明提供了一种非同步伪卫星组网精密定位的方法，包括下列步骤：
6.测量获得组网内各伪卫星基站的准确位置；
7.伪卫星基站发射机发送调制信号；
8.用户接收机接收所述调制信号，处理获得伪卫星基站发射机的位置信息、相位差以及钟差信息；
9.使用获取的所述位置信息、所述相位差以及所述钟差信息建立载波相位观测方程；
10.通过泰勒级数将所述载波相位观测方程线性化；
11.建立观测方程组并求解，获得用户的位置坐标信息，实现精准定位。
12.其中，所述组网包括多个伪卫星基站与若干个用户组成，基站发射类gnss/bd无线定位信号，为用户提供定位服务。
13.其中，在测量获得组网内各伪卫星基站的准确位置的过程中，采用大地测绘或现
有测绘工具进行精确测量。
14.其中，所述调制信号由所述伪卫星基站发射机通过调制将位置信息和时钟信息调制到载波上获得，并经过上变频和发射天线发送出去。
15.其中，在用户接收机接收所述调制信号，处理获得伪卫星基站发射机的位置信息、相位差以及钟差信息的过程中，所述用户接收机通过接收天线接收到调制信号，将调制信号下变频、a/d转换、解调解扩以及电文解析，得到伪卫星基站发射机的位置信息、相位差以及通过与本地时钟对比得到的钟差信息。
16.其中，建立观测方程组并求解的过程，具体为通过不同历元所的得到的不同观测值建立观测方程组，求解所述观测方程组中的未知数。
17.本发明提供了一种非同步伪卫星组网精密定位的方法，采用现有测绘技术精确确定各伪卫星的位置，区域网内用户接收各伪卫星的测距信号，得到各伪卫星的位置信息、钟差信息以及载波相位数据，用户以伪卫星的测距信号和自身未知位置、本地钟差建立观测方程。用户通过在不同的历元所接收到的不同测距信号，建立大量观测方程，利用泰勒级数展开将这些观测方程线性化，最后通过这些线性化的方程组解算出用户的位置，完成对用户的高精度定位。本发明可以使伪卫星在没有高精度，高稳定度的原子钟且各伪卫星时钟也不同步的情况下，实现对用户的高精度定位。
附图说明
18.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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的附图。
19.图1是本发明的一种非同步伪卫星组网精密定位的方法的流程示意图。
20.图2是本发明的具体实施例的伪卫星组网定位系统的结构示意图。
21.图3是本发明的具体实施例的伪卫星硬件实施方案的示意图。
具体实施方式
22.下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
23.请参阅图1，本发明提出了一种非同步伪卫星组网精密定位的方法，包括下列步骤：
24.s1：测量获得组网内各伪卫星基站的准确位置；
25.s2：伪卫星基站发射机发送调制信号；
26.s3：用户接收机接收所述调制信号，处理获得伪卫星基站发射机的位置信息、相位差以及钟差信息；
27.s4：使用获取的所述位置信息、所述相位差以及所述钟差信息建立载波相位观测方程；
28.s5：通过泰勒级数将所述载波相位观测方程线性化；
29.s6：建立观测方程组并求解，获得用户的位置坐标信息，实现精准定位。
30.所述组网包括多个伪卫星基站与若干个用户组成，基站发射类gnss/bd无线定位信号，为用户提供定位服务。
31.在测量获得组网内各伪卫星基站的准确位置的过程中，采用大地测绘或现有测绘工具进行精确测量。
32.所述调制信号由所述伪卫星基站发射机通过调制将位置信息和时钟信息调制到载波上获得，并经过上变频和发射天线发送出去。
33.在用户接收机接收所述调制信号，处理获得伪卫星基站发射机的位置信息、相位差以及钟差信息的过程中，所述用户接收机通过接收天线接收到调制信号，将调制信号下变频、a/d转换、解调解扩以及电文解析，得到伪卫星基站发射机的位置信息、相位差以及通过与本地时钟对比得到的钟差信息。
34.建立观测方程组并求解的过程，具体为通过不同历元所的得到的不同观测值建立观测方程组，求解所述观测方程组中的未知数。
35.以下结合具体实施例与步骤流程对本发明作进一步说明：
36.请参阅图2，伪卫星组网定位系统主要由多个伪卫星组成区域网、不同类型用户组成，对于独立组网的伪卫星系统，由4-5个伪卫星基站与若干个用户组成，基站发射类gnss/bd无线定位信号，为用户提供定位服务。系统的体制方案包括：1)信号体制方案，借鉴或采用gnss/bd信号体制，采用直扩方式作为无线定位信号。c/a码采用gnss/bd备用的伪码，码片速率为1.023mcps或2.046mcps，导航电文速率为50bps，电文长度及内容按要求制定，射频工作频段可根据具体情况选择gnss/bd频点，也可以按需要选择900-1900mhz任意频点，尽量避开现场无线电干扰的影响。2)伪卫星发射机的硬件结构，如图3所示。组网内各发射机将自身的时钟信息和位置信息通过bpsk调制在载波上形成调制信号，调制信号在经过d/a转换形成模拟信号，最后经过上变频和发射天线将调制信号发送给用户。
37.考虑到毫米级定位的要求，必须采用载波相位测距技术。理论上，对于900mhz的无线电波，波长为30cm，测距精度可达波长的1％，即3mm。考虑到噪声和干扰等因素影响，只要各个环节设计合理，并采用平滑滤波技术，可以达到5毫米级精度水平。载波相位测距的关键是跳周和整周模糊度的确定，利用不同历元的观测方程组进行线性运算，求出其整周模糊度和用户与各伪卫星间的钟差，并求解出用户位置坐标，实现毫米级定位。
38.进一步的，在卫星导航定位系统中，无论是处在地球同步轨道还是处在中地球轨道中的卫星，其距离接收机的距离是相当远的。地面接收机接收到的信号的功率相差不大，因此远近效应并不明显。然而对于伪卫星导航定位系统而言，由于各伪卫星发射机的距离不同，其接收信号功率相差很大，因此远近效应对其影响很大，所以可以从伪卫星的布局方面着手，通过对伪卫星发射基站的优化布局来合理的确定近区边界和远区边界以达到减弱远近效应对接收机的影响。多路径效应是由于信号在反射体表面的反射形成的，用户接收机除了能够接收到视距信号外，还有多路径信号。而多路径信号相对于视距信号，其幅度相位都有所不同。所以基于多路径信号的影响，设计出小型抗多径天线以减弱多路径效应对接收机的影响。
39.具体实施例的详细实施流程如下：
40.首先通过测绘或其他测量工具，对各伪卫星基站进行精准的测量，确定其位置信
息。伪卫星发射机将自身的时钟信息和位置信息通过bpsk调制在载波上形成调制信号，调制信号在经过d/a转换形成模拟信号，最后经过上变频和发射天线将调制信号发送给不同的用户。
41.不同用户通过不同的接收机(如手机，电脑等)接收伪卫星基站所发送的调制信号，接收机通过对调制信号下变频将其转化成中频信号，再经过a/d转换，把模拟信号转化成数字信号，对数字信号进行解调解扩、电文解析，得到各基站的测距信息和时钟信息，利用载波相位方程，求解出自身的位置坐标，从而达到高精度的定位。
42.所述的载波相位方程的计算方法如下：
43.λ
×
(n+θ)＝rj+c
×
δtj+w+v
[0044][0045]
j＝1,2......m为各伪卫星基站的标号；
[0046]
λ为伪卫星信号载波波长；
[0047]
n为初始整周模糊度；
[0048]
θ为用户与伪卫星间的相位差；
[0049]
c为光速(c＝3.0
×
108)；
[0050]
δtj为用户与不同伪卫星基站间的时钟差；
[0051]rj
为用户到不同伪卫星间的几何距离((xj,yj,zj)为伪卫星的已知坐标，(x,y,z)为用户待求坐标)；
[0052]
w为多路径误差；
[0053]
v为用户接收机噪声误差。
[0054]
其中，w(多路径误差)可以通过伪卫星基站的几何布局和设计天线降低其对定位精度的影响，v(用户接收机噪声误差)可以通过对用户接收机去噪处理，降低其影响，因此，在计算载波相位观测方程可以忽略不计。所以载波相位观测方程可简化为：λ
×
(n+θ)＝rj+c
×
δtj[0055]
其中，θ作为用户与伪卫星间的相位差，可以通过比相法或其他测相位的方法得出其值，在载波相位观测方程中可以看做为已知值，因此载波相位观测方程的未知参数有：n(初始整周模糊度)，δtj(用户与不同伪卫星基站间的时钟差)，(x,y,z)(用户待求坐标)。
[0056]
考虑到rj的存在，使得载波相位观测方程是一个非线性化的方程，所以需要对方程进行线性化处理。利用泰勒级数展开，可以将载波相位观测方程线性化处理。
[0057]
对线性化以后的载波相位观测方程分析知：在一个历元的观测方程中，一个用户观测一个伪卫星基站，其中含有3个用户坐标未知参数，1个初始整周模糊度和1个用户接收机与伪卫星的钟差。若对于一个用户同时接收j个伪卫星信号，则有4+j个未知参数，若采用一个历元观测j个伪卫星，可列出j个观测方程但却含有4+j个未知参数。显然即使观测伪卫星数大于4也无法利用1个历元进行定位，也就是说载波相位定位法不能实时定位。
[0058]
当在一个用户上进行静态定位，可观测多个历元ti(i＝1,2......n)。此时用户坐标改正数随时间而变化，保持3个未知参数。钟差δtj随历元不同而发生变化(j＝1,2......m，为所对应的伪卫星标号)。若观测n个历元，每个历元观测m个伪卫星，则共有m
×
n个观测方程，在一个历元中，未知参数包含有m个未知整周模糊度，此时用户接收机的坐标
改正数随时间而变化，保持3个未知位置参数。钟差δt随历元不同而发生变化，为此一般用一个二阶或三阶的多项式来描述，即δt＝a0+a1(t-t0)+a2(t-t0)2，其中t0为参考时间，所以保持3个用户与伪卫星的钟差参数a0、a1、a2，共有(m+6)个未知数，为了求解(m+6)个未知参数，则观测方程数必须满足m
×
n≥m+6，即：
[0059]
例如:如图1所示，伪卫星数为4时，即m＝4时，由历元与观测伪卫星数之间的关系知观测历元数要大于等于所以可取观测历元为3，得到以下方程组：
[0060][0061][0062][0063]
其中，n1表示第一个历元用户与标号为1的伪卫星基站的初始整周模糊度，其他以次类推；θ1第一个历元用户与标号为1的伪卫星基站的相位差，其他以次类推；r1为第一个历元用户与标号为1的伪卫星基站的距离，即其他以次类推；δt1为第一个历元用户与标号为1的伪卫星基站的钟差，其他以次类推；通过12个方程求解10个未知数，当求解出这12个未知数时，其用户的位置(x,y,z)也求解出来，从而确定用户的位置，完成对用户的精密定位，实现非同步伪卫星组网精密定位。
[0064]
以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于发明所涵盖的范围。