專利名稱：基于北斗衛(wèi)星的偽衛(wèi)星定位系統(tǒng)及其測量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種衛(wèi)星定位系統(tǒng)和定位測量方法，具體是指基于中國北斗衛(wèi) 星的偽衛(wèi)星定位系統(tǒng)及其測量方法，它主要應(yīng)用于對物體進行高精度空間三維 的動態(tài)定位和中國北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)定位性能的評估。
背景技術(shù)：
目前在衛(wèi)星導(dǎo)航定位領(lǐng)域已有美國的全球定位系統(tǒng)(GPS)、俄羅斯的格洛 納斯(GL0NASS)、歐洲在建的伽利略(GALILEO)和中國在建的北斗等，但應(yīng)用 最廣泛的仍是美國的全球定位系統(tǒng)。而我國的北斗導(dǎo)航定位通信系統(tǒng)具有快速 導(dǎo)航定位、雙向簡短報文通信和授時三大功能，其中后兩項是美國全球定位系 統(tǒng)(GPS)所不具備的功能。2000年以來，中國已成功發(fā)射了 4顆"北斗導(dǎo)航試 驗衛(wèi)星"，建成北斗導(dǎo)航試驗系統(tǒng)(第一代系統(tǒng))。中國2007年初發(fā)射兩顆北 斗導(dǎo)航衛(wèi)星，2008年左右滿足中國及周邊地區(qū)用戶對衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的需求，并 進行系統(tǒng)組網(wǎng)和試驗，逐步擴展為全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(計劃由5顆靜止軌道衛(wèi) 星和30顆非靜止軌道衛(wèi)星組成)。
北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)與全球定位系統(tǒng)(GPS)和格洛納斯(GLONASS)等系統(tǒng)最 根本的區(qū)別在于它不僅能使用戶知道自己的所在位置，還可以告訴別人自己的 位置在什么地方，特別適用于需要導(dǎo)航與移動數(shù)據(jù)通信場所，如交通運輸、調(diào) 度指揮、搜索營救、地理信息實時查詢等。 一般地說，目前中國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航 系統(tǒng)對地面靜態(tài)目標(biāo)的二維定位精度為10米，授時精度為50納秒，測速精度 0.2米/秒。
偽衛(wèi)星即在局部地域地面或空中平臺上建立類似于空中衛(wèi)星的固定基準 站，行使導(dǎo)航衛(wèi)星的所有功能。由于偽衛(wèi)星開發(fā)技術(shù)不具有通用性，必須唯一 地依附于某個衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。因此，多年來偽衛(wèi)星技術(shù)一直伴隨著全球定位系 統(tǒng)(GPS)發(fā)展。通過和全球定位系統(tǒng)(GPS)進行組合定位來增加空間可視衛(wèi) 星的數(shù)量，改善衛(wèi)星幾何分布配置，從而可以提高定位精度，尤其在高程方面。同時，系統(tǒng)的整體可靠性得到加強。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對中國北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的特殊性，構(gòu)建一個偽衛(wèi)星的主 動定位系統(tǒng)，從而使用戶不僅可以在中國北斗定位系統(tǒng)中實現(xiàn)主動定位，而且 可以接收偽衛(wèi)星信號構(gòu)成多星定位系統(tǒng)。
本發(fā)明的系統(tǒng)構(gòu)成具體描述如下-
如附圖1所示，本發(fā)明偽衛(wèi)星定位測量系統(tǒng)包括2顆在軌運行的北斗衛(wèi)星1號 l和北斗衛(wèi)星2號2、 l個偽衛(wèi)星主站3、若干個偽衛(wèi)星從站(如圖1中的4、 5)和 用戶機6。偽衛(wèi)星主站3實現(xiàn)與北斗衛(wèi)星1、 2的時間同步，并將鐘差作為一個修 正參數(shù)實時發(fā)給各個偽衛(wèi)星從站。偽衛(wèi)星主站3通過北斗衛(wèi)星1、 2向用戶機6發(fā) 送測距信號，用戶機6接收到衛(wèi)星信號后立即通過北斗衛(wèi)星1、 2向偽衛(wèi)星主站3 發(fā)送應(yīng)答信號。偽衛(wèi)星主站3通過計算，將用戶坐標(biāo)通過北斗衛(wèi)星l、 2發(fā)送給用 戶機6，用戶機6接收到坐標(biāo)后經(jīng)北斗衛(wèi)星1、 2給偽衛(wèi)星主站3—個回執(zhí)。與此同 時，用戶機6接收到偽衛(wèi)星從站4、 5的信號來聯(lián)合實現(xiàn)高精度定位。偽衛(wèi)星主站 3和偽衛(wèi)星從站4、 5可以是地基的，如地面固定基站或車載移動基站；也可以是 空基的，如高空氣球平臺靜止基站和空中機載飛行基站。偽衛(wèi)星從站4、 5設(shè)置 的數(shù)量不限，根據(jù)定位區(qū)域需求設(shè)置l個或多個從站。
本發(fā)明偽衛(wèi)星定位系統(tǒng)的實現(xiàn)過程如附圖2所示，具體步驟如下 ①首先由偽衛(wèi)星主站3向北斗衛(wèi)星1、 2同時發(fā)送詢問信號，經(jīng)北斗衛(wèi)星轉(zhuǎn) 發(fā)器向服務(wù)區(qū)內(nèi)的用戶機6廣播。用戶6響應(yīng)其中一顆衛(wèi)星的詢問信號，并同時 向兩顆衛(wèi)星發(fā)送響應(yīng)信號，經(jīng)北斗衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)回偽衛(wèi)星主站3。偽衛(wèi)星主站3接收 并解調(diào)用戶機6發(fā)來的信號，然后根據(jù)用戶機6申請的服務(wù)內(nèi)容(導(dǎo)航定位、通 信和精確授時)進行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理。
②對于用戶機6的通信請求，偽衛(wèi)星主站3將用戶機6的通信信息經(jīng)北斗衛(wèi) 星1和2向其他用戶機傳送，從而實現(xiàn)系統(tǒng)通信功能；對于用戶機6的定位申請， 偽衛(wèi)星主站3測出兩個時間延遲即由偽衛(wèi)星主站3發(fā)出的詢問信號經(jīng)某一顆衛(wèi) 星轉(zhuǎn)發(fā)到達用戶機6，用戶機6發(fā)出定位響應(yīng)信號經(jīng)同一顆衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)回偽衛(wèi)星主站3的時間延遲；和從偽衛(wèi)星主站3發(fā)出的詢問信號經(jīng)上述同一衛(wèi)星到達用戶機
6，用戶機6發(fā)出的響應(yīng)信號經(jīng)另一顆衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)回偽衛(wèi)星主站3的時間延遲。由于 偽衛(wèi)星主站)和兩顆衛(wèi)星l、 2的位置均是己知的，因此由這兩個延遲量可以算出 用戶到第一顆衛(wèi)星的距離，以及用戶到兩顆衛(wèi)星距離之和，從而知道用戶處于 一個以第一顆衛(wèi)星為球心的一個球面，和以兩顆衛(wèi)星為焦點的橢球面之間的交 線上。另外，偽衛(wèi)星主站3從存儲在計算機內(nèi)的數(shù)字化地形圖査尋到用戶高程值， 又可知道用戶機6處于某一與地球基準橢球面平行的橢球面上，從而偽衛(wèi)星主站 (3)可最終計算出用戶所在點的三維坐標(biāo)，這個坐標(biāo)經(jīng)加密由出站信號發(fā)送給用 戶。
③在基于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)地面?zhèn)涡l(wèi)星增強多星定位系統(tǒng)中的地面?zhèn)涡l(wèi)星 從站(4、 5)與地面?zhèn)涡l(wèi)星主站3取得時間同步，由于地面?zhèn)涡l(wèi)星主站3是與北 斗衛(wèi)星系統(tǒng)時間同步，由此整個系統(tǒng)的時間同步精度可達數(shù)十納秒(ns)。各個 地面?zhèn)涡l(wèi)星從站將廣播與北斗衛(wèi)星一樣的信號，從而聯(lián)合北斗衛(wèi)星(1、 2)形 成衛(wèi)星星座定位。如此形成多顆定位衛(wèi)星，提供空間三維變量(x，y，z)和鐘差 (A。構(gòu)成北斗偽衛(wèi)星多星定位系統(tǒng)。
本發(fā)明創(chuàng)新點在于
① 突破長期以來偽衛(wèi)星只應(yīng)用于全球定位系統(tǒng)(GPS)的技術(shù)格局，構(gòu)建 基于中國北斗系統(tǒng)的偽衛(wèi)星定位系統(tǒng)，提出基于中國北斗的定位系統(tǒng)來進行高 精度三維的動態(tài)定位方法。
② 提出偽衛(wèi)星與北斗衛(wèi)星聯(lián)合定位的測量方法，延伸了中國北斗定位的原理。
(D本系統(tǒng)不僅能進行導(dǎo)航定位測量，而且可以通過偽衛(wèi)星將通信和授時功 能作為數(shù)據(jù)處理的一部分進行應(yīng)用。
技術(shù)效果
①本發(fā)明中利用偽衛(wèi)星主站3來替代中心控制系統(tǒng)，這將使得利用北斗系
統(tǒng)實現(xiàn)特定區(qū)域定位得到了有效保證。聯(lián)合偽衛(wèi)星進行三維定位，三維動態(tài)定
位精度可以達到亞米級，授時精度小于45納秒。② 單獨采用中國北斗系統(tǒng)進行導(dǎo)航定位應(yīng)用會帶來兩個不利情況， 一是用 戶定位的同時失去了無線電隱蔽性，這在軍事上相當(dāng)不利；另一方面由于用戶 設(shè)備必須包含發(fā)射機，因此在體積、重量上、價格和功耗方面處于不利的地位。 通過本方法的實施可以彌補上述缺陷。③ 聯(lián)合偽衛(wèi)星組成的多星定位改善了衛(wèi)星幾何分布配置，提高了系統(tǒng)的整 體可靠性。


圖1是本發(fā)明系統(tǒng)中各部分組成的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖中1表示在軌運行的北斗衛(wèi)星1號； 2表示在軌運行的北斗衛(wèi)星2號； 3表示偽衛(wèi)星主站； 4表示偽衛(wèi)星從站A; 5表示偽衛(wèi)星從站B; 6表示用戶機。 圖2是雙星主動定位和多星定位測量實現(xiàn)的流程圖。
具體實施例方式本發(fā)明具體實施例如圖1所示，具體實施過程進一步詳細說明如下① 目前已有多顆北斗導(dǎo)航試驗星在軌，這是構(gòu)建本發(fā)明系統(tǒng)的主要組成部 分。偽衛(wèi)星主站3在功能上替代了北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的中心控制系統(tǒng)。因此，實施實例采用了兩顆北斗衛(wèi)星l、 2、 一個偽衛(wèi)星主站3和兩個偽衛(wèi)星從站4、 5。② 偽衛(wèi)星主站3通過北斗衛(wèi)星向用戶機6發(fā)送測距信號，用戶機6接收到 衛(wèi)星信號后立即通過北斗衛(wèi)星向偽衛(wèi)星主站3發(fā)送應(yīng)答信號。偽衛(wèi)星主站3通 過計算，將用戶坐標(biāo)通過北斗衛(wèi)星發(fā)送給用戶機6，用戶機6接收到坐標(biāo)后經(jīng)北 斗衛(wèi)星給偽衛(wèi)星主站3 —個回執(zhí)。從而構(gòu)成偽衛(wèi)星主站3協(xié)同北斗衛(wèi)星進行雙 星定位系統(tǒng)。③ 偽衛(wèi)星從站4、 5來實現(xiàn)衛(wèi)星信號廣播，在區(qū)域范圍內(nèi)聯(lián)合北斗衛(wèi)星構(gòu)建高可靠性和高精度多星定位系統(tǒng)。 在時間同步上使得天基北斗衛(wèi)星和偽衛(wèi)星保持相對高的精度，這樣用戶接收機中解算的鐘差A(yù)t和三維變量x， y， z都將取得相應(yīng)的定位精度與穩(wěn)定度。
權(quán)利要求
1.一種基于中國北斗衛(wèi)星的偽衛(wèi)星定位系統(tǒng)，包括2顆在軌運行的北斗衛(wèi)星1號(1)和北斗衛(wèi)星2號(2)、1個偽衛(wèi)星主站(3)、若干個偽衛(wèi)星從站(4、5)和用戶機(6)，偽衛(wèi)星主站(3)向北斗衛(wèi)星(1、2)同時發(fā)送詢問信號，經(jīng)北斗衛(wèi)星(1)或(2)轉(zhuǎn)發(fā)器向服務(wù)區(qū)內(nèi)的用戶機(6)廣播，用戶機(6)響應(yīng)其中一顆衛(wèi)星的詢問信號，并同時向兩顆衛(wèi)星發(fā)送響應(yīng)信號，經(jīng)北斗衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)回偽衛(wèi)星主站(3)，偽衛(wèi)星主站(3)通過計算，將用戶坐標(biāo)通過北斗衛(wèi)星發(fā)送給用戶機(6)，用戶機(6)接收到坐標(biāo)后經(jīng)北斗衛(wèi)星給偽衛(wèi)星主站(3)一個回執(zhí)，形成雙星定位系統(tǒng)；與此同時，若干個偽衛(wèi)星從站(4、5)將廣播與北斗衛(wèi)星一樣的信號，向用戶機(6)提供空間三維變量x，y，z和鐘差Δt數(shù)據(jù)，構(gòu)成北斗偽衛(wèi)星多星定位測量系統(tǒng)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l的一種基于中國北斗衛(wèi)星的偽衛(wèi)星定位系統(tǒng)，其特征在 于所說的偽衛(wèi)星主站(3)、偽衛(wèi)星從站(4)、 (5)是地基的或空基的。
3. 根據(jù)權(quán)利要求l的一種基于中國北斗衛(wèi)星的偽衛(wèi)星定位系統(tǒng)，其特征在 于所說的用戶機(6)之間可以通過衛(wèi)星(1、 2)、偽衛(wèi)星(3、 4、 5)連接進 行短信傳送。
4. 一種基于中國北斗衛(wèi)星的偽衛(wèi)星定位系統(tǒng)的定位測量方法,其特征在于 步驟如下A. 首先由偽衛(wèi)星主站(3)向北斗衛(wèi)星(1、 2)同時發(fā)送詢問信號，經(jīng)北斗 衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器向服務(wù)區(qū)內(nèi)的用戶機(6)廣播，用戶機(6)響應(yīng)其中一顆衛(wèi)星的 詢問信號，并同時向兩顆衛(wèi)星發(fā)送響應(yīng)信號，經(jīng)北斗衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)回偽衛(wèi)星主站(3); 偽衛(wèi)星主站(3)接收并解調(diào)用戶機(6)發(fā)來的信號，然后根據(jù)用戶機(6)申 請的服務(wù)內(nèi)容進行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理；B. 對于用戶機(6)的通信請求，偽衛(wèi)星主站(3)將用戶機(6)的通信信息經(jīng)北斗衛(wèi)星(1)和(2)向其他用戶機傳送；對于用戶機(6)的定位申請，偽衛(wèi)星主站(3)根據(jù)測量出的兩個時間延遲數(shù)據(jù)以及存儲在計算機內(nèi)的數(shù)字化地形圖計算出用戶所在點的三維坐標(biāo)，這個坐標(biāo)經(jīng)加密由出站信號發(fā)送給用戶，完成雙星定位測量；C.偽衛(wèi)星定位系統(tǒng)中的各偽衛(wèi)星從站(4、 5)與偽衛(wèi)星主站(3)取得時間同步，各個偽衛(wèi)星從站廣播與北斗衛(wèi)星一樣的信號，向用戶機(6)提供空間三 維變量x，y，z和鐘差A(yù)"聯(lián)合北斗衛(wèi)星(1、 2)實現(xiàn)多星定位測量。
全文摘要
本發(fā)明方法公開了一種基于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航的偽衛(wèi)星定位系統(tǒng)及其測量方法，系統(tǒng)包括在軌運行的2顆北斗衛(wèi)星、1個偽衛(wèi)星主站、若干個偽衛(wèi)星從站和用戶機。系統(tǒng)通過偽衛(wèi)星主站與北斗衛(wèi)星高精確時間同步，從而修正偽衛(wèi)星從站的鐘差，用戶機不僅可以在中國北斗系統(tǒng)中實現(xiàn)主動定位，而且可以接收偽衛(wèi)星信號構(gòu)成多星定位。該方法能進行北斗衛(wèi)星信號的修正和北斗衛(wèi)星幾何圖形分布的改善，能實現(xiàn)偽衛(wèi)星聯(lián)合中國北斗導(dǎo)航衛(wèi)星進行高精度三維的動態(tài)定位，同時也是評估中國北斗系統(tǒng)定位性能的一種重要方法。
文檔編號G01S19/42GK101221233SQ200710047620
公開日2008年7月16日 申請日期2007年10月31日 優(yōu)先權(quán)日2007年10月31日
發(fā)明者雷 張, 寧 戴, 王建宇 申請人:中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所