一种陆空联合同步区域定位系统、方法和设备

1.本技术涉及无线电定位导航技术领域，特别是涉及一种陆空联合同步区域定位系统、方法和设备。


背景技术：

2.全球导航卫星系统（gnss，globalnavigationsatellite system）是构建广域时空基准的重要手段，由其提供的定位、导航、授时等服务已在生产生活中发挥了重要作用。然而，gnss信号存在天然脆弱性，卫星导航信号到达地面的强度低，致使其抗干扰能力异常脆弱，gnss信号受到遮挡容易被降级、阻断，导致其定位精度严重下降甚至无法提供定位服务，因此需要其他的增强或备份手段。在区域定位方面，地基（也称陆基）无线电导航成为了一种重要手段。通过在区域范围内布设基站既可为卫导信号覆盖范围内的用户实现定位增强功能，也可在卫导信号无法覆盖的范围内实现区域导航定位功能。部署地面基站的方式具有比gnss更高的导航信号功率和更大的灵活性，并且具有成本低、施工和维护简单等优点。然而，这种地基定位系统会受到多径效应的影响；此外，当所有基站和接收机都放置在同一平面时，垂直可观测性较差，接收机可能无法准确估计高度；另外，用户与不同基站的距离差异较大，使得信号接收还面临严重的远近效应问题。空基系统与地基系统相结合成为区域定位的另外一种方式。除了地面部署基站外，基站还被安装在固定翼飞机、直升机、无人机和平流层飞艇等空基平台上。与地基系统相比，能够提供更好的观测几何，用户接收空基导航信号时也更少受到地形遮挡的影响。
3.空地联合定位系统在使用过程中也面临问题，由于空基平台移动，必须对空基系统天线位置进行实时测定，以提供精确的导航服务。对于星基转发式系统，典型的以中国区域定位系统(caps，chinese area positioning system)为例，其导航信号从地面站产生，通过通信卫星转发给用户，由测定轨系统产生用户定位解算所需的轨道及实时位置信息。与星基平台不同，空基平台机动性强，难以准确预报飞行轨迹，导致位置信息实时获取难，此外，空基平台受成本、重量、尺寸、功耗等因素制约，平台时钟稳定性较差，转发信号频率漂移严重，加剧了导航信号载波频率不确定度以及多普勒频移测速的误差。


技术实现要素：

4.基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种陆空联合同步区域定位系统、方法和设备。
5.一种陆空联合同步区域定位系统，所述系统包括：布设在预设服务区域的多个地面基站，每一地面基站均配置有发射天线和接收天线，实现兼容性信号的播发和接收，每一地面基站采用混合时分多址/码分多址的方式播发和接收信号；所述多个地面基站中不可视的地面基站之间通过共视同步链路实现时频同步；所述共视同步链路为所述不可视的地面基站与共视空中节点之间的时频同步链路；根据预设规划航迹飞行的多个空中节点，每一空中节点搭载有空基转发器，每一
空中节点均配置有发射天线和接收天线，实现导航测距信号的接收和转发，每一空中节点采用频分多址的方式转发信号；系统完成时频同步后，每一地面基站将导航测距信号发射至每一空中节点，空中节点接收所述导航测距信号，变频后转发至用户接收机，用户接收机解算所述导航测距信号以实现用户接收机的定位、定速与授时。
6.在其中一个实施例中，空中节点采用伴随式保障模式对所述用户接收机进行保障；所述伴随式保障模式包括：所述用户接收机接收多个所述空中节点转发的导航测距信号，根据导航测距信号的传输路径，调整所述空中节点的位置，以使不同空中节点转发的同一地面基站导航测距信号的传输路径长度相近。
7.在其中一个实施例中，还包括：可视的地面基站之间以及地面基站与空中节点之间通过直接双向同步链路实现时频同步。
8.在其中一个实施例中，还包括：用户接收机解算所述导航测距信号得到相应的伪距；所述导航测距信号包含对应地面基站发射天线的位置坐标信息；根据所述伪距和所述地面基站发射天线的位置坐标信息联合解算，得到对应空基转发器的位置坐标、用户接收机的位置坐标及接收机钟差，以实现用户接收机的实时定位与授时。
9.在其中一个实施例中，还包括：用户接收机解算所述导航测距信号得到相应的伪距为：；其中，为地面基站i至空基转发器j再至用户接收机u的伪距观测值，为信号上行对应的几何距离，为信号下行对应的几何距离，为信号上行的对流层延迟，为信号下行的对流层延迟，为地面基站的钟差，为转发器通道时延，为接收机钟差，c为光速，为伪距的用户测距误差。
10.在其中一个实施例中，还包括：用户接收机解算所述导航测距信号，得到多普勒频移，根据所述多普勒频移解算得到用户的运动速度。
11.在其中一个实施例中，还包括：根据系统所需覆盖的服务区域、用户的服务性能需求以及设备安装环境，得到地面基站安装位置和空中节点规划航迹。
12.一种陆空联合同步区域定位方法，所述方法包括：解析预先设置的陆空联合同步区域定位任务，得到地面基站位置和空中节点规划航迹，根据所述地面基站位置布设服务区域内的多个地面基站，根据所述空中节点规划航迹部署多个空中节点；所述多个地面基站包括不可视的地面基站，每一地面基站采用混合时分多址/码分多址的方式播发和接收信号；所述空中节点搭载有空基转发器，每一空中节点采用频分多址的方式转发信号；建立包含所述多个地面基站与多个空中节点的时频同步网络，不可视的地面基站之间通过共视同步链路实现时频同步；所述共视同步链路为所述不可视的地面基站与共视空中节点之间的时频同步链路；
系统完成时频同步后，每一地面基站将导航测距信号发射至每一空中节点，空中节点接收所述导航测距信号，变频后转发至用户接收机，用户接收机解算所述导航测距信号以实现用户接收机的定位、定速与授时。
13.一种管控设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时按照以下步骤管理控制：解析预先设置的陆空联合同步区域定位任务，得到地面基站位置和空中节点规划航迹，根据所述地面基站位置布设服务区域内的多个地面基站，根据所述空中节点规划航迹部署多个空中节点；所述多个地面基站包括不可视的地面基站，每一地面基站采用混合时分多址/码分多址的方式播发和接收信号；所述空中节点搭载有空基转发器，每一空中节点采用频分多址的方式转发信号；建立包含所述多个地面基站与多个空中节点的时频同步网络，不可视的地面基站之间通过共视同步链路实现时频同步；所述共视同步链路为所述不可视的地面基站与共视空中节点之间的时频同步链路；系统完成时频同步后，每一地面基站将导航测距信号发射至每一空中节点，空中节点接收所述导航测距信号，变频后转发至用户接收机，用户接收机解算所述导航测距信号以实现用户接收机的定位、定速与授时。
14.上述陆空联合同步区域定位系统、方法和设备，通过各地面基站采用混合时分多址/码分多址信号体制调制发射的导航测距信号，能够降低基站间信号互干扰，空中节点采用频分多址的信号体制对接收到的导航测距信号进行变频，能够解决空中节点转发信号冲突问题，利用共视空中节点能够实现不可视地面基站间的时频同步，使得地面基站选址更加方便，系统完成时频同步可以降低空中节点转发信号频率漂移率，用户接收机对接收到的由空中节点转发的导航测距信号实时解算，能够快速、简便地得到用户接收机位置、时间和速度。本发明实施例，能够有效避免地面基站伪码之间的强互相关干扰问题和空中节点转发信号冲突问题，实现用户接收机的高精度定位、定速与授时。
附图说明
15.图1为一个实施例中陆空联合同步区域定位系统的应用场景图；图2为一个实施例中陆空联合同步区域定位系统的工作流程示意图；图3为一个实施例中陆空联合同步区域定位系统时频同步的流程示意图；图4为另一个实施例中陆空联合同步区域定位系统伴随式保障模式与非伴随式保障模式对比示意图，其中，（a）为伴随式保障模式工作示意图，（b）为非伴随式保障模式工作示意图；图5为一个实施例中陆空联合同步区域定位方法的流程示意图。
具体实施方式
16.为了使本技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本技术进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本技术，并不用于限定本技术。
17.在一个实施例中，如图1所示，提供了一种陆空联合同步区域定位系统，包括：
access）技术，以解决空中节点转发信号冲突问题。
25.在一个实施例中，如图3所示，提供了一种陆空联合同步区域定位系统时频同步的流程示意图，系统还包括：可视的地面基站之间以及地面基站与空中节点之间通过直接双向同步链路实现时频同步。
26.在本实施例中，陆空联合同步区域定位系统由各地面基站与空中节点组成时频同步网络，由于系统随机布设需求以及空中节点运动等因素，无法通过光纤等有线网络连接构建时频同步网络，且地面基站间在大范围布设条件下难以保证始终存在视距信号，因此地面基站间通过共视的空中节点实现时频同步，在地面基站与空中节点间建立无线时频同步链路。在可视场景下，地面基站之间、地面基站与空中节点之间建立双向微波链路进行时间频率传递，基于双向测距和时间同步技术，采用双向比对链路进行双向距离测量，并借助通信支路完成信息交互，进而根据双向测量结果解算相对钟差，待同步的地面基站、空中站点据此完成时间频率调节，保持与提供时频基准的地面基站时频同步。不可视的地面基站之间通过空中节点建立的共视同步链路完成时频同步，在陆空联合同步区域定位系统中，地面基站间可通过空中节点实现中继，此时中继节点只承担信号转发的作用，不作为同步基准节点，此外，为了避免频率漂移问题，空中节点与地面基站之间实现时频同步，时频同步包括时间同步和频率同步，时间同步在频率同步的基础上完成，频率同步是必要的，可根据具体实现方式确定空中节点与地面基站之间是否需要实现时间同步。
27.通过上述系统时频同步网络，能够实现高精度时频同步，通过空中节点实现中继能够减少地面基站的布设约束，避免布设光纤等有线网络，能够降低成本，并且可以增强信号可用性，使用户接收机可以利用更多的信号完成pvt（position、velocityand time，位置、速度和时间）解算，提高精度。
28.在一个实施例中，用户接收机解算导航测距信号以实现用户接收机的定位与授时包括：用户接收机解算导航测距信号得到相应的伪距；导航测距信号包含对应地面基站发射天线的位置坐标信息；根据伪距和地面基站发射天线的位置坐标信息联合解算，得到对应空基转发器的位置坐标、用户接收机的位置坐标及接收机钟差，以实现用户接收机的实时定位与授时；用户接收机解算导航测距信号以实现用户接收机的定速包括：用户接收机解算导航测距信号，得到多普勒频移，根据多普勒频移解算得到用户的运动速度。
29.在本实施例中，当地面基站与空中节点完成时频同步和初始化后，各地面基站播发导航信号，空中节点的空基转发器接收地面基站播发的导航信号，经变频后转发至用户接收机，用户接收机接收空基转发器转发的导航测距信号后，经捕获跟踪得到相应的伪距值，利用已知的地面基站坐标联合解算空基转发器和用户接收机的位置及时间，实现实时定位与授时。具体步骤包括：用户接收机端伪距观测方程为：（1）其中，为地面基站i至空基转发器j再至用户接收机u的伪距观测值，、分别为信号上行与下行对应的几何距离，、分别为信号上行与下行的对流层延迟，为
地面基站的钟差，为转发器通道时延，为接收机钟差；c为光速，为伪距的用户测距误差（ure，user range error）。
30.对上述伪距观测方程进行校正，校正后的伪距观测方程式可以改写为：（2）由于系统采用了时频同步技术，地面基站的钟差不需要进行求解，同步误差可作为测距的随机误差，另外，转发器通道时延可进行标校，对流层延时可通过模型进行修正，将对流层修正残差看作随机误差。因此，可认为ure包括多种误差源，如接收机噪声、多径、对流层修正残差、时间同步误差、通道时延标定误差。伪距测量噪声中的各个误差相互独立，表示ure的标准差，则等于各部分测量误差方差的总和：（3）其中，表示地面基站时间同步误差标准差，表示通道时延标定误差标准差，表示对流层延时校正误差标准差，表示热噪声引起的延迟锁相环伪距测量误差标准差，为多径引起的测距误差标准差。
31.首先，对式(1)和式(2)进行线性化，将、表示为地面基站坐标、空基转发器坐标和用户接收机坐标的函数：（4）其中，第i个地面基站空间坐标为，第j个空基导航转发器的空间坐标为，用户接收机的空间坐标为，将上述公式代入伪距观测方程，得到以下观测方程：（5）取用户接收机坐标及接收机钟差初值为,空基转发器坐标初值为，则线性化式得到误差方程为：（6）
（7）个地面基站位置已知，可以得到个方程，为空基转发器数量，形成误差方程组为：（8）其中，个空基转发器及一个用户位置和接收机钟差未知，共个未知参数，当时采用最小二乘法求解：（9）其中，（10）为观测残差向量，观测值等权，权阵为单位阵，空基转发器和用户接收机位置及钟差按下式迭代进行解算：（11）对方程(9)使用最小二乘平差：（12）其中，为的协方差矩阵，接收机测量值对应的加权矩阵为。
32.使用多普勒定速的方法进行用户速度的解算，将伪距对时间求导，得：（13）
其中，为未知的接收机时钟频漂。地面基站与空基转发器、空基转发器与用户之间的距离变化率和与速度的关系分别为：（14）其中，、、分别是地面基站、空基转发器和用户的运动速度，、分别表示地面基站i在空基转发器j处以及空基转发器j在用户处的单位观测矢量。接收机的多普勒频移测量值能体现伪距变化率的大小，它们两者之间的关系为（15）由此可根据多普勒频移解算用户运动速度。
33.在一个实施例中，如图4所示，提供了一种陆空联合同步区域定位系统伴随式保障模式与非伴随式保障模式对比示意图，其中，（a）为伴随式保障模式工作示意图，（b）为非伴随式保障模式工作示意图，系统还包括：空中节点采用伴随式保障模式对用户接收机进行保障；伴随式保障模式包括：用户接收机接收多个空中节点转发的导航测距信号，根据导航测距信号的传输路径，调整空中节点的位置，以使不同空中节点转发的同一地面基站导航测距信号的传输路径长度相近。
34.在本实施例中，导航测距信号的传输路径包括导航测距信号由地面基站传输至对应空中节点的传输路径以及由对应空中节点传输至用户接收机的传输路径。陆空联合同步区域定位系统在工作时支持伴随式保障模式，即空中节点始终分布在靠近用户的区域范围内，既可以通过将空中节点机动至用户区域，也可以在用户区域就近选择可用节点，以缓解用户接收机可能面临的远近效应问题。图4中，陆空联合同步区域定位系统，包括4个地面基站和4个搭载空基转发器的空中节点，服务于1个用户接收机。图4（a）中，=，，，其中，为经由第一空中节点转发的导航测距信号的传输路径，为经由第二空中节点转发的导航测距信号的传输路径，、为导航测距信号由对应空中节点传输至用户接收机的传输路径，、为导航测距信号由地面基站传输至对应空中节点的传输路径，未采用伴随式保障模式时，同一地面基站经由两个不同的空基转发器转发最终到达接收机的导航信号的传输路径长度分别为和，由于=，接收机接收到的两个信号之间的功率相差过大，在空中节点频率间隔不足或频率间隔过大时，会产生远近效应，从而导致接收机无法获得路径长度为的导航信息。图4（b）中，，，，其中，为经由第一空中节点转发的导航测距信号的传输路径，为经由第二空中节点转发的导航测距信号的传输路径，、为导航测距信号由对应空中节点传输至用户接收机的传输路径，、为导航测距信号由地面基站传输至对应空中节点的传输路径，采用伴随式保障模式，同一地面基站经由两个不同的空基转发器转发最终到达接收机的导航信号的传输路径长度相近，即，能够降低远近效应问题发生的概率。
35.在一个实施例中，如图5所示，提供了一种陆空联合同步区域定位方法的流程示意图，包括以下步骤：步骤502，解析预先设置的陆空联合同步区域定位任务，得到地面基站位置和空中节点规划航迹，根据地面基站位置布设服务区域内的多个地面基站，根据空中节点规划航
迹部署多个空中节点。
36.多个地面基站包括不可视的地面基站，每一地面基站采用混合时分多址/码分多址的方式播发和接收信号；空中节点搭载有空基转发器，每一空中节点采用频分多址的方式转发信号。
37.步骤504，建立包含多个地面基站与多个空中节点的时频同步网络，不可视的地面基站之间通过共视同步链路实现时频同步。
38.共视同步链路为不可视的地面基站与共视空中节点之间的时频同步链路。
39.步骤506，系统完成时频同步后，每一地面基站将导航测距信号发射至每一空中节点，空中节点接收导航测距信号，变频后转发至用户接收机，用户接收机解算导航测距信号以实现用户接收机的定位、定速与授时。
40.在其中一个实施例中，空中节点采用伴随式保障模式对用户接收机进行保障；伴随式保障模式包括：用户接收机接收多个空中节点转发的导航测距信号，根据导航测距信号的传输路径，调整空中节点的位置，以使不同空中节点转发的同一地面基站导航测距信号的传输路径长度相近。
41.在其中一个实施例中，还包括：可视的地面基站之间以及地面基站与空中节点之间通过直接双向同步链路实现时频同步。
42.在其中一个实施例中，还包括：用户接收机解算导航测距信号得到相应的伪距；导航测距信号包含对应地面基站发射天线的位置坐标信息；根据伪距和地面基站发射天线的位置坐标信息联合解算，得到对应空基转发器的位置坐标、用户接收机的位置坐标及接收机钟差，以实现用户接收机的实时定位与授时。
43.在其中一个实施例中，还包括：用户接收机解算导航测距信号得到相应的伪距为：；其中，为地面基站i至空基转发器j再至用户接收机u的伪距观测值，为信号上行对应的几何距离，为信号下行对应的几何距离，为信号上行的对流层延迟，为信号下行的对流层延迟，为地面基站的钟差，为转发器通道时延，为接收机钟差，c为光速，为伪距的用户测距误差。
44.在其中一个实施例中，还包括：用户接收机解算导航测距信号，得到多普勒频移，根据多普勒频移解算得到用户的运动速度。
45.在其中一个实施例中，还包括：根据系统所需覆盖的服务区域、用户的服务性能需求以及设备安装环境，得到地面基站安装位置和空中节点规划航迹。
46.应该理解的是，虽然图2和图5的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，这些步骤可以以其它的顺序执行。而且，图2和图5中的至少一部分步骤可以包括多个子步骤或者多个阶段，这些子步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，这些子步骤或者阶段的执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其它步骤或者其它步骤的子步骤或者阶段的至少一部分轮流或者
交替地执行。
47.关于陆空联合同步区域定位方法的具体限定可以参见上文中对于陆空联合同步区域定位系统的限定，在此不再赘述。上述陆空联合同步区域定位系统中的各个模块可全部或部分通过软件、硬件及其组合来实现。
48.在一个实施例中，提供了一种管控设备，包括存储器和处理器，该存储器存储有计算机程序，该处理器执行计算机程序时管理控制上述实施例中方法的步骤。
49.以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
50.以上所述实施例仅表达了本技术的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本技术的保护范围。因此，本技术专利的保护范围应以所附权利要求为准。