同步伪卫星定位方法及系统
阅读说明：本技术 同步伪卫星定位方法及系统 (Synchronous pseudolite positioning method and system ) 是由 王大鹏 刘愿 刘矗 张元刚 于 2020-06-11 设计创作，主要内容包括：本公开提供一种同步伪卫星定位方法及系统,涉及卫星导航领域,能够解决与现有GNSS系统、GNSS信号、GNSS接收机兼容的问题。具体技术方案为：伪卫星组网配置,伪卫星GNSS复现信号进行定位。采用普通的GNSS接收机以及普遍采用的GNSS系统定位方法,可实现伪卫星定位。实现在遮蔽环境下利用伪卫星信号定位,同时保持GNSS接收机硬件兼容性和底层软件兼容性。本发明用于GNSS接收机硬件兼容的伪卫星定位。(The invention provides a synchronous pseudo-satellite positioning method and system, relates to the field of satellite navigation, and can solve the problem of compatibility with the existing GNSS system, GNSS signals and GNSS receivers. The specific technical scheme is as follows: and (4) pseudolite networking configuration and pseudolite GNSS reproduction signals are positioned. The pseudo satellite positioning can be realized by adopting a common GNSS receiver and a commonly adopted GNSS system positioning method. The positioning by utilizing the pseudo satellite signals under the shielding environment is realized, and meanwhile, the compatibility of GNSS receiver hardware and the compatibility of bottom layer software are kept. The method is used for pseudo satellite positioning with GNSS receiver hardware compatibility.)
技术领域
本公开涉及卫星导航领域，尤其涉及一种同步伪卫星定位方法及系统。
背景技术
卫星导航是一种对GNSS信号进行单向测距并结合卫星轨道估计进行用户位置、速度以及时间确定的技术。卫星导航接收机利用良好入射信号能够准确定位，普通单点定位精度为5-10米，RTK定位精度可达厘米级。但是卫星信号会受到建筑物、地形遮挡，当接收机处于“城市峡谷”、隧道、室内以及较深的矿区等环境时，可视卫星数量减少、星座几何布局变差，卫星定位的可用性、完好性和可靠性严重降低。
针对卫星导航的一些不足，伪卫星定位技术在一定程度上获得了发展。伪卫星通常采用地基信号发射器，在卫星导航信号微弱或缺失的区域提供类 GNSS定位信号，辅助增强卫星导航定位功能，或者实现独立定位。利用伪卫星技术可有效增强GNSS卫星导航系统，增加可见卫星数目，改善星座几何布局，同时，伪卫星具有抗干扰能力强、组网灵活等特点。
伪卫星硬件系统设计，按照不同的功能侧重点有同步伪卫星、逆向伪卫星和转发式伪卫星。同步伪卫星指时间系统与GNSS星钟能够保持近似同步；逆向伪卫星是指伪卫星装置在运动平台上发射信号，多个固定的接收机接收信号进行定位；转发式伪卫星的原理是将收到的真实的GNSS信号经过放大后在异地重新发射，来源于不同方位的GNSS信号，汇聚在转发式伪卫星的接收天线位置，各卫星信号的到达时间已经固定，并且几乎没有办法通过额外的处理来进行调整，因此，若直接使用转发信号进行定位，所得到的解算数据即是接收天线位置，而与用户位置无关。
在设计伪卫星定位系统时，特别是伪卫星发射机，首要问题是如何实现与现有GNSS系统、GNSS信号、GNSS接收机兼容。在上述各种伪卫星定位系统中，逆向伪卫星从原理上与现有GNSS接收机不兼容；转发式伪卫星兼容性最好，但无法给出动态用户位置，仅能给出伪卫星天线的固定位置。
发明内容
本公开实施例提供一种同步伪卫星定位方法及系统，能够解决各种伪卫星定位系统中，逆向伪卫星从原理上与现有GNSS接收机不兼容；转发式伪卫星兼容性最好，但无法给出动态用户位置，仅能给出伪卫星天线的固定位置的问题。本文充分利用转发式伪卫星的兼容性，提出一种同步伪卫星定位方法，包括伪卫星发射机的设计、部署和通用GNSS接收机的软件改动方案，实现在遮蔽环境下利用伪卫星信号定位，同时保持GNSS接收机硬件兼容性和底层软件兼容性。所述技术方案如下：
根据本公开实施例的第一方面，提供一种同步伪卫星定位方法，该方法包括：
伪卫星组网配置，是通过GNSS接收机第i号所述伪卫星提供GNSS复现信号Si解算获得tu时刻的三维位置
其中，tu为接收机时钟；三维位置
通过伪卫星GNSS复现信号Si进行定位，GNSS复现信号Sii是指所述伪卫星发射天线相位中心坐标点PLi与GNSS卫星天线相位中心坐标点的连线上无遮挡的情况下，PLi坐标点实时接收到的GNSS卫星的到达信号。
在一个实施例中，伪卫星组网配置是指在GNSS信号遮蔽环境中使用M颗伪卫星进行组网，为进入所述环境的GNSS接收机提供定位信号；
其中，M代表组网的伪卫星数量，且满足
M≥定位维数+1
根据所述环境特性或用户要求，所述定位维数可以取1，或2，或3。
在一个实施例中，对组网伪卫星发射天线的相位中心在地心地固坐标系下进行位置标定，使所述伪卫星定位坐标框架与GNSS系统兼容；
所标定的各伪卫星发射天线相位中心的坐标用PLi表示，其中 i∈[1，2，…，M]为组网卫星编号，PLi对应于第i号伪卫星；第i号伪卫星的星载信号发生器SGi实时产生PLi坐标点的GNSS复现信号Si，并通过天线发射。
在一个实施例中，PLi坐标点的GNSS复现信号Si，是指PLi坐标点与GNSS 卫星天线相位中心坐标点的连线上无遮挡的情况下，所述GNSS卫星发射信号直射到达PLi坐标点，PLi坐标点实时接收到的Li颗卫星的到达波合成信号，
其中，为设定GNSS卫星信号能够直射到达PLi坐标点的情况下，第i号伪卫星在PLi坐标点接收到的
根据已知PLi坐标点，采用常规信号源产生和发射第i号伪卫星在PLi坐标点的GNSS复现信号Si，伪卫星信号发生器时钟与GNSS系统时钟的同步可通过伪卫星的星载GNSS接收机授时方法来实现。
在一个实施例中，用户钟差包含了GNSS接收机常规钟差项伪卫星时钟延迟伪卫星PLi坐标点距GNSS接收机天线相位中心的信号传播延述以及未建模误差的钟差噪声项所述用户钟差表示为
用户钟漂
其中，与
在一个实施例中，由于GNSS接收机为同源时钟，且钟差值、钟漂值仅与所述GNSS接收机时钟相关，则有如下关系
用户钟差
在一个实施例中，在时钟同步的组网伪卫星系统中，伪卫星时钟相对于所述GNSS系统时钟具有常数偏差，分量与分量同样属于组网内各伪卫星共模测量误差；
在用户钟差
在用户钟漂中，GNSS接收机相对于所述伪卫星PLi的速度在直射方向的投影分量引起的多普勒效应，多普勒效应叠加到所述伪卫星PLi播发的每一个GNSS信号频率上，并通过所述GNSS接收机对伪卫星PLi播发信号进行定位解析计算后获得的伪卫星信号传播延迟速率
在组网内的各伪卫星所发射的GNSS信号选配原则及分组：
各伪卫星所选配的GNSS卫星可用于全球定位或区域定位的任何一种系统的卫星；
各伪卫星所选配的GNSS卫星在各自轨道所构成的几何布局应满足所述 GNSS接收机接收单个伪卫星信号，即可正常定位的条件；
各伪卫星所选配的GNSS卫星及信号应选配同一颗GNSS卫星与所发射的同一信号载波频率。
所本公开实施例提供的一种同步伪卫星定位方法可实现GNSS信号兼容性。信号兼容性指信号空口兼容，仅通过少量顶层软件修改，就能够利用组网伪卫星实现GNSS信号遮蔽环境下的定位；并可实现GNSS系统兼容性。由于组网伪卫星时钟系统与GNSS系统时具有恒定偏差(准同步)，以及组网伪卫星虚拟星座与GNSS系统星座一致且实时同步，GNSS接收机在室外定位后，进入GNSS遮蔽环境时可迅速重捕、跟踪信号进行定位；GNSS系统兼容性还体现在定位框架一致性，即接收机在组网伪卫星环境下可实现冷启动定位。
根据本公开实施例的第二方面，提供一种同步伪卫星定位系统，该系统包括：信号发生器、集成伪卫星系统、配置伪卫星系统、伪卫星时钟同步与校正系统；
信号发生器，为多系统、多频点、多导航信号体制信号发生器；
集成伪卫星系统，为将信号发生器与网络通信单元、参考接收机、处理单元、时钟同步校准单元以及软件组件集成，形成伪卫星系统；
配置伪卫星系统，对伪卫星系统仿真GNSS系统、卫星号、频率及调制方式分别进行配置；
伪卫星时钟同步与校正系统，为将伪卫星时间同步在发射端实现，设置时钟同步滤波器，通过参考接收机发送的测量参数控制各伪卫星的精准频控时钟进行微调达到同步。
所本公开实施例提供的一种同步伪卫星定位系统提出的组网伪卫星系统与GNSS系统定位原理框架无缝兼容，采用普通的GNSS接收机以及普遍采用的GNSS系统定位方法，可实现伪卫星定位。
各GNSS卫星轨道可通过长期轨道预测算法进行精密外推，所以伪卫星信号发生器可提前生成信号并进行缓存，缓解系统计算负担，或为低成本应用提供有效途径。在GNSS接收机计算伪卫星坐标程序中，充分利用伪卫星静止的先验条件，增强算法性能及结果的精确度。
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本公开。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。
图1是本公开实施例提供的一种同步伪卫星定位方法的流程图；
图2是本公开实施例提供的一种同步伪卫星定位系统结构示意图。
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本公开相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本公开的一些方面相一致的装置和方法的例子。
实施例一、
本公开实施例提供一种所本公开实施例提供的一种同步伪卫星定位方，如图1所示，该数据传输方法包括以下步骤：
101、伪卫星组网配置
通过通用GNSS接收机第i号所述伪卫星提供GNSS复现信号Si解算获得tu时刻的三维位置
其中，tu为接收机时钟；三维位置
在一个实施例中，伪卫星组网配置是指在GNSS信号遮蔽环境中使用M颗伪卫星进行组网，为进入所述环境的GNSS接收机提供定位信号；
其中，M代表组网的伪卫星数量，且满足
M≥定位维数+1
根据所述环境特性或用户要求，所述定位维数可以取1，或2，或3。
在一个实施例中，对组网伪卫星发射天线的相位中心在地心地固坐标系下进行位置标定，使所述伪卫星定位坐标框架与GNSS系统兼容；
所标定的各伪卫星发射天线相位中心的坐标用PLi表示，其中 i∈[1，2，…，M]为组网卫星编号，PLi对应于第i号伪卫星；第i号伪卫星的星载信号发生器SGi实时产生PLi坐标点的GNSS复现信号Si，并通过天线发射。
102、通过伪卫星GNSS复现信号Si进行定位
GNSS复现信号Sii是指伪卫星发射天线相位中心坐标点PLi与GNSS卫星天线相位中心坐标点的连线上无遮挡的情况下，PLi坐标点实时接收到的 GNSS卫星的到达信号。
在一个实施例中，PLi坐标点的GNSS复现信号Si，是指PLi坐标点与GNSS 卫星天线相位中心坐标点的连线上无遮挡的情况下，所述GNSS卫星发射信号直射到达PLi坐标点，PLi坐标点实时接收到的Li颗卫星的到达波合成信号，
其中，为设定GNSS卫星信号能够直射到达PLi坐标点的情况下，第i号伪卫星在PLi坐标点接收到的
根据已知PLi坐标点，采用常规信号源产生和发射第i号伪卫星在PLi坐标点的GNSS复现信号Si，伪卫星信号发生器时钟与GNSS系统时钟的同步可通过伪卫星的星载GNSS接收机授时方法来实现。
在一个实施例中，用户钟差
用户钟漂
其中，
在一个实施例中，由于GNSS接收机为同源时钟，且钟差值、钟漂值仅与所述GNSS接收机时钟相关，则有如下关系
用户钟差
在一个实施例中，在时钟同步的组网伪卫星系统中，伪卫星时钟相对于所述GNSS系统时钟具有常数偏差，分量与
在用户钟差中，GNSS接收机与所述伪卫星PLi的距离引起的信号传播延迟，所述传播延迟相对于所述伪卫星PLi播发的每一个GNSS信号是相同的，并通过所述GNSS接收机对所述伪卫星PLi播发信号进行定位解算后输出的伪卫星信号传播延迟
在用户钟漂
在组网内的各伪卫星所发射的GNSS信号选配原则及分组：
各伪卫星所选配的GNSS卫星可用于全球定位或区域定位的任何一种系统的卫星；
各伪卫星所选配的GNSS卫星在各自轨道所构成的几何布局应满足所述GNSS接收机接收单个伪卫星信号，即可正常定位的条件；
各伪卫星所选配的GNSS卫星及信号应选配同一颗GNSS卫星与所发射的同一信号载波频率。
所本公开实施例提供的一种同步伪卫星定位方法可实现GNSS信号兼容性。信号兼容性指信号空口兼容，仅通过少量顶层软件修改，就能够利用组网伪卫星实现GNSS信号遮蔽环境下的定位；并可实现GNSS系统兼容性。由于组网伪卫星时钟系统与GNSS系统时具有恒定偏差(准同步)，以及组网伪卫星虚拟星座与GNSS系统星座一致且实时同步，GNSS接收机在室外定位后，进入GNSS遮蔽环境时可迅速重捕、跟踪信号进行定位；GNSS系统兼容性还体现在定位框架一致性，即接收机在组网伪卫星环境下可实现冷启动定位。
基于上述图1对应的实施例中所描述的一种同步伪卫星定位方法，下述为本公开装置实施例，可以用于执行本公开方法实施例。
实施例二、
本公开实施例提供一种同步伪卫星定位系统，如图2所示，该系统20 包括：信号发生器201、集成伪卫星系统202、配置伪卫星系统203、、伪卫星时钟同步与校正系统204；
信号发生器201，为多系统、多频点、多导航信号体制信号发生器；
集成伪卫星系统202，为将信号发生器与网络通信单元、参考接收机、处理单元、时钟同步校准单元以及软件组件集成，形成集成伪卫星系统；
配置伪卫星系统203，对伪卫星系统仿真GNSS系统、卫星号、频率及调制方式分别进行配置；
伪卫星时钟同步与校正系统205，为将伪卫星时间同步在发射端实现，设置时钟同步滤波器，通过参考接收机发送的测量参数控制各伪卫星的精准频控时钟进行微调达到同步。
实施例三、
在一个实施例中，一种同步伪卫星定位系统具体方案中；
研制信号发生器，利用目前已有信号源技术研制多系统、多频点、多导航信号体制信号发生器，当设定任意一点坐标时，能够实时产生该点在理想无遮挡环境下可接收到的GNSS卫星基带信号，并能够根据所配置的系统、卫星号、频点及信号调制方式进行加性合成，并经数模转换、上变频、功率调谐等射频链路，最后由天线辐射。
集成伪卫星系统，将信号发生器与网络通信单元、参考接收机、处理单元、时钟同步校准单元以及必要组件(含软件)集成，形成伪卫星系统。部署伪卫星系统，选择伪卫星安装点，并采用测量方法，例如激光测绘对安装点进行精密测量获取安装点坐标值，并配置到对应的伪卫星系统中。固定伪卫星系统，将发射天线相位中心与安装点精密校准，同时调整天线辐射方向图，满足定位区域覆盖要求。
安装伪卫星系统时钟同步参考接收机系统，该系统包括网络通信单元。采用测量方法对伪卫星参考接收机天线相位中心安装点进行精密测量，并部署参考接收机系统。
配置伪卫星系统，对伪卫星系统仿真GNSS系统、卫星号、频率及调制方式分别进行配置，配置方式可以手动进行，也可以开发专用自动化配置工具。
伪卫星系统时钟同步与校正，目前存在多种伪卫星时钟同步校正方法，在时钟同步与校正，伪卫星不与接收器直接连接而是从接收机或者基准伪卫星传送时钟修正信息给伪卫星。采用同步时钟模式，将伪卫星的时间同步在伪卫星系统的发射端实现由系统对各个伪卫星提供时间的修正值，使每个伪卫星根据命令调整它自身的精确时钟来同步到系统的标准时间。与系统一样，在同步模式的伪卫星系统中，也需要一个监控站。该监测站获得伪卫星时钟钟差；根据钟差来生成时钟同步命令，直接影响伪卫星的信号时钟，使得伪卫星同步。将伪卫星时间同步在发射端实现，设计时钟同步滤波器，通过参考接收机发送的测量参数控制各伪卫星的精准频控时钟进行微调达到同步。另外，如果为伪卫星系统设计同源时钟，可省略本步骤。修改常用接收机软件，使定位策略符合伪卫星系统要求，包括通道分组定位、计算伪卫星定位参数、软件顶层伪卫星定位等。兼容伪卫星定位与GNSS定位的软件功能还包括根据各通道信号强度自动进行伪卫星环境识别，以及伪卫星环境和GNS S信号环境的定位策略切换。
另外在伪卫星系统运行方面，由于各伪卫星天线安装坐标点固定，同时，各GNSS卫星轨道可通过长期轨道预测算法进行精密外推，所以伪卫星信号发生器可提前生成信号并进行缓存，缓解系统计算负担，或为低成本应用提供有效途径。在GNSS接收机计算伪卫星坐标程序中，充分利用伪卫星静止的先验条件，增强算法性能及结果的精确度。
所本公开实施例提供的一种同步伪卫星定位系统提出的组网伪卫星系统与GNSS系统定位原理框架无缝兼容，采用普通的GNSS接收机以及普遍采用的GNSS系统定位方法，可实现伪卫星定位。
各GNSS卫星轨道可通过长期轨道预测算法进行精密外推，所以伪卫星信号发生器可提前生成信号并进行缓存，缓解系统计算负担，或为低成本应用提供有效途径。在GNSS接收机计算伪卫星坐标程序中，充分利用伪卫星静止的先验条件，增强算法性能及结果的精确度。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的公开后，将容易想到本公开的其它实施方案。本申请旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的真正范围和精神由下面的权利要求指出。
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