專利名稱：多站多平臺(tái)體系下基于相干與非相干混合的飛行器定位法的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及飛行器定位領(lǐng)域，尤其涉及適用于多站多平臺(tái)體系基于相干與非相干混合的飛行器定位方法。
背景技術(shù)：
以小衛(wèi)星星座、無人機(jī)群為代表的多平臺(tái)定位是未來空天定位技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。多平臺(tái)定位方法造成的信號(hào)碼道的增加是影響未來飛行器定軌精度的關(guān)鍵。現(xiàn)有的測(cè)距定位系統(tǒng)多采用相干方法，在相干方法下，由于飛行器時(shí)鐘通過追隨 上行時(shí)鐘來保持與地面高精度的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘同步，所以飛行器不需攜帶高精度時(shí)鐘。飛行器 接收到上行信號(hào)后即時(shí)將信號(hào)下行轉(zhuǎn)發(fā)回地面，地面站通過比較往返擴(kuò)頻信號(hào)的相位差來 計(jì)算飛行器距該站距離。但是，該方法在多目標(biāo)定位情景下需要較多的信號(hào)碼道，存在CDMA 固有的多址干擾，限制了系統(tǒng)容量的提高。新一代測(cè)距定位方法將采用非相干方法實(shí)現(xiàn)地面站與空天目標(biāo)之間鐘差和距離 的解算。非相干方法中，飛行器無需與地面站時(shí)間同步，各個(gè)地面站的非相干信號(hào)發(fā)射機(jī)按 自己的時(shí)鐘產(chǎn)生上行幀的CDMA擴(kuò)頻信號(hào)，飛行器的非相干信號(hào)發(fā)射機(jī)也按自己的時(shí)鐘頻 率發(fā)送下行擴(kuò)頻信號(hào)，此時(shí)飛行器上需要高精度時(shí)鐘(如原子鐘)保持自身頻率。上下行 信號(hào)幀格式相同，均包括本地接收機(jī)接收到信號(hào)的時(shí)鐘相位信息和本地時(shí)鐘相位信息。地 面站接收下行信號(hào)，通過雙向偽距測(cè)量得到待測(cè)飛行器距離該站的距離。非相干定位方法 減少了對(duì)多目標(biāo)進(jìn)行定位所需的碼道數(shù)量，但是，該方法對(duì)飛行器時(shí)鐘要求高，飛行器時(shí)鐘 的優(yōu)劣將直接影響最終的定位精度。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)以上兩種方法在多站多平臺(tái)條件下的缺陷，本發(fā)明提供一種適用于未來多站 多平臺(tái)條件下，結(jié)合相干與非相干兩種方法優(yōu)勢(shì)的新測(cè)距定位方法。新方法采用飛行器恢 復(fù)的相干碼鐘輔助生成非相干下行幀，同時(shí)具備相干方法與非相干方法的優(yōu)點(diǎn)。與相干方 法相比，新方法將信道碼通道數(shù)由站數(shù)與平臺(tái)數(shù)的乘積變?yōu)榱苏緮?shù)與平臺(tái)數(shù)之和，有效減 輕了多址干擾。相比非相干方法，新方法在降低平臺(tái)時(shí)鐘精度要求的同時(shí)，消除了飛行器時(shí) 鐘誤差的影響。本發(fā)明的特征在于，多站多平臺(tái)體系下基于相干與非相干混合的飛行器定位法，其特征在于，依次含 有以下步驟步驟(1)、對(duì)于多個(gè)自帶時(shí)鐘源的飛行器，構(gòu)造一個(gè)空天測(cè)距系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括 一個(gè)以非相干模式工作的地面主站以及至少為二個(gè)的非相干模式工作的地面輔站，其中地面主站，設(shè)有主站時(shí)鐘源、主站非相干信號(hào)發(fā)射機(jī)和主站非相干信號(hào)接收機(jī)， 其中主站非相干信號(hào)發(fā)射機(jī)，按自己的時(shí)鐘產(chǎn)生上行幀的擴(kuò)頻信號(hào)，包括接收到的所述各飛行器下行信號(hào)的時(shí)鐘相位信息和該地面主站時(shí)鐘的相位信息，以分別完成與所述各飛行器的通信，而各個(gè)對(duì)應(yīng)的所述飛行器在接收到所述上行幀的擴(kuò)頻信號(hào)后，各自進(jìn)行相 干回復(fù)，還原出同步于所述上行幀的時(shí)鐘，用于發(fā)送下行信號(hào)，主站非相干信號(hào)接收機(jī)，接收所述各飛行器的下行信號(hào)，完成各測(cè)距信號(hào)偽碼再生，通過雙向時(shí)間比較法得到所述各飛行器目標(biāo)距離地面的真實(shí)距離并準(zhǔn)備下一周期的上 行發(fā)送，地面輔站，設(shè)有輔站原子鐘、輔站非相干信號(hào)發(fā)射機(jī)和輔站非相干信號(hào)接收機(jī)， 其中輔站時(shí)鐘源，與主站時(shí)鐘源精度相當(dāng)，輔站非相干信號(hào)發(fā)射機(jī)，按自己的時(shí)鐘產(chǎn)生上行幀的擴(kuò)頻信號(hào)，包括接收到的所 述各飛行器下行信號(hào)的時(shí)鐘相位信息和本地面輔站時(shí)鐘的相位信息，輔站非相干信號(hào)接收機(jī)，接收所述各飛行器的下行信號(hào)，完成各測(cè)距信號(hào)偽碼再 生，通過雙向時(shí)間比較法得到所述各飛行器目標(biāo)距離地面的真實(shí)距離并準(zhǔn)備下一周期的上 行發(fā)送，各飛行器，設(shè)有飛行器時(shí)鐘源、飛行器非相干信號(hào)發(fā)射機(jī)和飛行器非相干信號(hào)接 收機(jī)，其中飛行器時(shí)鐘源，其精度低于主站時(shí)鐘源及輔站時(shí)鐘源，飛行器非相干信號(hào)發(fā)射機(jī)，用與所述地面主站相干同步的時(shí)鐘生成擴(kuò)頻偽碼非相 干下行幀調(diào)制發(fā)送，下行信號(hào)每幀內(nèi)容包括接收到的所述地面主站和各地面輔站上行信號(hào) 的時(shí)鐘相位信息和本飛行器上時(shí)鐘的相位信息，飛行器非相干信號(hào)接收機(jī)，通過按飛行器時(shí)鐘源采樣所述地面主站非相干信號(hào)的 時(shí)鐘信息校準(zhǔn)所述飛行器時(shí)鐘源驅(qū)動(dòng)的計(jì)數(shù)器碼位，從而生成與該地面主站相干同步的時(shí) 鐘，該時(shí)鐘在精度上與該地面主站的精度相當(dāng)，并接收所述地面主站和各地面輔站上行幀 的擴(kuò)頻信號(hào)，生成各測(cè)距信號(hào)的偽碼再生準(zhǔn)備下一周期的下行發(fā)送；從而，形成一個(gè)多站多平臺(tái)體系；步驟(2)、飛行器按以下步驟與所述地面主站之間進(jìn)行相干通信步驟(2. 1)、所述地面主站產(chǎn)生非相干偽碼序列，調(diào)制到載波向所述飛行器發(fā)射的 同時(shí)，保存發(fā)碼初始狀態(tài)并開始計(jì)數(shù)，步驟(2. 2)、所述飛行器相干信號(hào)接收機(jī)收到所述地面主站的上行信號(hào)，用鎖相環(huán) 跟蹤鎖定，恢復(fù)出上行信號(hào)時(shí)鐘，使飛行器本地時(shí)鐘與之同步，同時(shí)，按同步后的地面主站 時(shí)鐘的頻率發(fā)送下行非相干信號(hào)，每幀信號(hào)包括接收到的上一幀所述地面主站和各地面輔 站上行信號(hào)的時(shí)鐘相位信息和本飛行器的時(shí)鐘相位信息，步驟(2. 3)、地面主站鎖相環(huán)對(duì)步驟(2. 2)所述非相干下行信號(hào)的碼序列進(jìn)行跟 蹤鎖相，從而收到飛行器下行擴(kuò)頻信號(hào)，再與步驟(2. 1)的上行的碼序列比較，按雙向時(shí)間 比較法計(jì)算出上、下行信號(hào)相位差，得到飛行器與地面主站的距離；步驟(3)、飛行器按以下步驟與所述各地面輔站之間進(jìn)行非相干通信步驟(3. 1)、所述飛行器接收各地面輔站發(fā)出的上行信號(hào)，并按自己的頻率發(fā)送下 行信號(hào)，每幀信號(hào)包括接收到的上一幀各地面輔站上行信號(hào)的時(shí)鐘相位信息和該飛行器 的時(shí)鐘相位信息，
步驟(3. 2)、各地面輔站接收所述飛行器發(fā)出的下行信號(hào)，并按該地面輔站自己的 時(shí)鐘精度發(fā)送上行信號(hào)，每幀信號(hào)包括接收到的上一幀各飛行器下行信號(hào)的時(shí)鐘相位信 息和對(duì)應(yīng)地面輔站時(shí)鐘的相位信息，步驟(3. 3)、各地面輔站在接收下行信號(hào)后，通過雙向時(shí)間對(duì)比法得到待測(cè)各飛行 器距離地面的真實(shí)距離；步驟(4)、外部的測(cè)控中心把所述地面主站和各地面輔站，在m+n各非相干碼道中 測(cè)得的各自與飛行器的距離結(jié)合各站本身的坐標(biāo)求出飛行器的空間坐標(biāo)，m為飛行器的個(gè) 數(shù)，η為包括地面主站和多個(gè)地面輔站組成的地面站個(gè)數(shù)。多站多平臺(tái)體系下基于相干與非相干混合的飛行器定位法在單平臺(tái)任務(wù)下的定 位精度與已有的相干方法和非相干方法相當(dāng)，在多站多平臺(tái)情景下精度優(yōu)于已有的兩種方 法。在滿足工程要求指標(biāo)的前提下，新方法有以下優(yōu)點(diǎn)1、相比相干方法，定位系統(tǒng)信號(hào)碼道少，適用于多站多平臺(tái)系統(tǒng)。新方法只需與非相干方法相同數(shù)目的信號(hào)碼道若地面站個(gè)數(shù)為m，則η個(gè)平臺(tái)目 標(biāo)在新方法下需要(m+n)個(gè)碼道，而已有的相干方法需要mXn個(gè)碼道。碼道的減少使得共 時(shí)共頻的多信道之間干擾降低，從而對(duì)多飛行器定位更為便捷精確。這是新方法最大的優(yōu) 勢(shì)和應(yīng)用價(jià)值所在。2、相比非相干方法，飛行器時(shí)鐘精度要求低。由于飛行器與主站之間采取相干同步形式，飛行器時(shí)鐘同步性能可以通過碼片計(jì) 數(shù)器實(shí)時(shí)校正，如用10_7 10_9/s的晶振即可實(shí)現(xiàn)飛行器上高達(dá)5X10_12/s的原子鐘精度， 使飛行器對(duì)時(shí)鐘的要求降低。從而降低了飛行器自身質(zhì)量、工作環(huán)境要求以及發(fā)射成本。3、對(duì)現(xiàn)有方法具有良好的繼承性和兼容性。新方法結(jié)合了相干與非相干方法的優(yōu)點(diǎn)，使得非相干定位方法發(fā)展的同時(shí)，原有 相干同步的優(yōu)點(diǎn)也得到利用，繼承性良好。同時(shí)，由于非相干方法與相干方法地面設(shè)備區(qū)別 小，新方法對(duì)地面設(shè)備需求方面體現(xiàn)了兼容性很好的特點(diǎn)。


圖1為本發(fā)明實(shí)施例(3飛行器4地面站)的信道數(shù)示意圖；圖2為本發(fā)明實(shí)施例針對(duì)其中一個(gè)飛行器進(jìn)行定位的原理框圖；圖3為本發(fā)明實(shí)施例針對(duì)其中一個(gè)飛行器的全系統(tǒng)工作示意圖；圖4為本發(fā)明地面主站與飛行器的工作示意圖；圖5為本發(fā)明地面輔站與飛行器的工作示意圖；圖6為本發(fā)明實(shí)施例雙向偽距測(cè)量的時(shí)間對(duì)比計(jì)算示意圖；其中τ tb為地面站發(fā)信道的時(shí)延；τ rb為地面站收信道的時(shí)延；τ ts為飛行器發(fā)信道的時(shí)延；
τ rs為飛行器收信道的時(shí)延；Ta為待測(cè)飛行器接收到的地面站上行信號(hào)脈沖到該飛行器發(fā)出下一個(gè)下行信號(hào) 脈沖的時(shí)間間隔；Tb為進(jìn)行測(cè)距的地面站接收到的待測(cè)飛行器下行信號(hào)脈沖到該地面站發(fā)出下一個(gè)下行信號(hào)脈沖的時(shí)間間隔；Δ Tclk為空地鐘差，即待測(cè)飛行器與進(jìn)行測(cè)距的地面站的時(shí)鐘差。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明的實(shí)施方式包括以下步驟(a)針對(duì)多個(gè)以精度為10_7 10_9的晶振作為自身時(shí)鐘源的飛行器，測(cè)距系統(tǒng)由 1個(gè)以非相干模式工作的地面主站、2個(gè)或多個(gè)以非相干模式工作的地面輔站組成。(b)地面主站的非相干信號(hào)發(fā)射機(jī)按自己的時(shí)鐘產(chǎn)生上行幀的CDMA擴(kuò)頻信號(hào)，該 上行信號(hào)有兩個(gè)作用一是調(diào)制上行導(dǎo)航數(shù)據(jù)完成到飛行器通信任務(wù)；二是讓飛行器接收 該信號(hào)并相干恢復(fù)，還原出同步于上行幀時(shí)鐘的高精度時(shí)鐘，用于飛行器發(fā)送下行幀信號(hào) 等工作。地面主站的非相干信號(hào)接收機(jī)用于接收飛行器的下行信號(hào)，完成測(cè)距信號(hào)偽碼再 生，通過雙向時(shí)間比較法得到待測(cè)飛行器目標(biāo)距離地面的真實(shí)距離，并準(zhǔn)備下一周期的上 行發(fā)送。(c)地面輔站的非相干信號(hào)發(fā)射機(jī)按自己的時(shí)鐘產(chǎn)生上行幀的CDMA擴(kuò)頻信號(hào)，非 相干信號(hào)接收機(jī)接收飛行器下行信號(hào)，完成測(cè)距信號(hào)偽碼再生，通過雙向時(shí)間比較法得到 待測(cè)飛行器目標(biāo)距離地面的真實(shí)距離，并準(zhǔn)備下一周期的上行發(fā)送。與接收主站上行信號(hào) 不同的是，飛行器僅從該上行幀信號(hào)中獲取導(dǎo)航信息，不以該信號(hào)作為時(shí)鐘相干恢復(fù)的基 準(zhǔn)。(d)飛行器的非相干信號(hào)接收機(jī)接收地面站上行幀的CDMA擴(kuò)頻信號(hào)，完成測(cè)距信 號(hào)偽碼再生，準(zhǔn)備下一周期的下行發(fā)送。同時(shí)接收機(jī)接收地面主站信號(hào)并相干生成同步的 高精度時(shí)鐘，飛行器下行信號(hào)發(fā)射機(jī)以該同步時(shí)鐘發(fā)送統(tǒng)一的非相干下行擴(kuò)頻信號(hào)，飛行 器本身無需配置高精度時(shí)鐘。進(jìn)一步地，所述步驟(a)包括以下步驟(al)包括地面主站和地面輔站的地面站與飛行器之間通信為非相干模式，地面站 與飛行器分別按自己的時(shí)鐘頻率發(fā)送幀信息。新方法下m個(gè)飛行器和η個(gè)地面站組成的系 統(tǒng)一共需(m+n)個(gè)非相干碼道來滿足測(cè)距要求(與非相干方法相同)。非相干信號(hào)格式繼 承現(xiàn)有格式。(a2)將各地面站(3個(gè)以上)測(cè)得與飛行器之間的距離，結(jié)合各地面站本身的坐標(biāo) 可求出飛行器的空間坐標(biāo)。進(jìn)一步地，所述步驟(b)包括以下步驟(bl)地面主站配置高精度原子鐘，由于飛行器將生成與其相干的同步時(shí)鐘，所以 地面主站時(shí)鐘精度亦決定了飛行器時(shí)鐘精度。(b2)地面主站的非相干信號(hào)發(fā)射機(jī)生成擴(kuò)頻偽碼上行幀調(diào)制發(fā)送，上行信號(hào)每幀 內(nèi)容包括接收到的各飛行器下行信號(hào)的時(shí)鐘相位信息和地面主站時(shí)鐘的相位信息。(b3)地面主站非相干信號(hào)接收機(jī)接收各飛行器的下行非相干信號(hào)，按雙向時(shí)間比 較法計(jì)算各飛行器與地面主站距離。進(jìn)一步地，所述步驟(C)包括以下步驟(Cl)地面輔站配置高精度原子鐘，但飛行器不以該信號(hào)作為時(shí)鐘相干恢復(fù)的基 準(zhǔn)。
(c2)地面輔站的非相干信號(hào)發(fā)射機(jī)生成擴(kuò)頻偽碼上行幀調(diào)制發(fā)送，上行信號(hào)每幀內(nèi)容包括接收到的各飛行器下行信號(hào)的時(shí)鐘相位信息和地面輔站時(shí)鐘的相位信息。(c3)地面輔站非相干信號(hào)接收機(jī)接收各飛行器的下行非相干信號(hào)，按雙向時(shí)間比較法計(jì)算各飛行器與地面主站距離。進(jìn)一步地，所述步驟(d)包括以下步驟(dl)飛行器配置有高精度的晶振，通過高頻率采樣地面主站非相干信號(hào)的時(shí)鐘信息校準(zhǔn)晶振驅(qū)動(dòng)的計(jì)數(shù)器碼位，從而生成與地面主站相干同步的時(shí)鐘，該時(shí)鐘與地面主站 精度相當(dāng)。(d2)飛行器的非相干信號(hào)發(fā)射機(jī)用與地面主站相干同步的時(shí)鐘生成擴(kuò)頻偽碼下行幀調(diào)制發(fā)送，下行信號(hào)每幀內(nèi)容包括接收到的主站和各輔站上行信號(hào)的時(shí)鐘相位信息和 飛行器上時(shí)鐘的相位信息。(d3)飛行器的非相干信號(hào)接收機(jī)接收各地面站的上行非相干信號(hào)，完成測(cè)距信號(hào)偽碼再生，并還原生成相干同步時(shí)鐘。下面以一個(gè)由3個(gè)飛行器、4個(gè)地面站組成的系統(tǒng)說明
具體實(shí)施例方式一個(gè)由3個(gè)飛行器、4個(gè)地面站組成的系統(tǒng)需要7個(gè)非相干信道，如圖1。 由于地面站針對(duì)每個(gè)飛行器定位方法相同，考慮針對(duì)其中一個(gè)飛行器進(jìn)行定位即 可，如圖2，其中地面主站是配備有精度達(dá)10_12s的原子鐘，并配置非相干信號(hào)接收與發(fā)射裝置的 地面測(cè)控點(diǎn)，用于通過信號(hào)收發(fā)天線接收來自飛行器的非相干下行偽碼信號(hào)，進(jìn)行解調(diào)后 還原出下行信號(hào)相位。地面主站具有同時(shí)接受轉(zhuǎn)發(fā)多目標(biāo)信號(hào)的能力，需要一個(gè)獨(dú)立非相 干信道發(fā)送上行擴(kuò)頻偽碼信號(hào)。地面輔站同樣配備有精度達(dá)10_12s的原子鐘(地面輔站一般與主站同步，但由于 非相干原理可知也可為自己的基準(zhǔn))，并配備非相干信號(hào)接收與發(fā)射處理裝置用于接收平 來自飛行器的非相干下行偽碼信號(hào)，進(jìn)行解調(diào)后還原出下行信號(hào)相位。地面輔站具有同時(shí) 接受轉(zhuǎn)發(fā)多目標(biāo)信號(hào)的能力，需要一個(gè)獨(dú)立非相干信道發(fā)送上行擴(kuò)頻偽碼信號(hào)。飛行器配置有精度為10_7 10_9s的晶振，并配置非相干信號(hào)接收與發(fā)射處理裝 置，其中非相干信號(hào)接收機(jī)具有相干時(shí)鐘同步裝置。通過接受主站上行信號(hào)使平臺(tái)時(shí)鐘與 主站同步，通過非相干信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)處理裝置分別用于與主站和與輔站之間的通信。每個(gè)飛行 器接收地面各站點(diǎn)的非相干上行信號(hào)，并需要一個(gè)非相干碼道發(fā)送下行信號(hào)。可見本發(fā)明 方法具有所需通信碼道數(shù)比相干方法少、飛行器對(duì)時(shí)鐘要求比非相干方法低等特點(diǎn)。地面主站和地面輔站都需要設(shè)置在制高點(diǎn)或空曠地，以抑制多徑效應(yīng)對(duì)測(cè)量產(chǎn)生 的誤差，并最大限度地?cái)U(kuò)大地面站上行信號(hào)對(duì)飛行器的傳播范圍。偽碼測(cè)距的基本原理為測(cè)距系統(tǒng)的地面站發(fā)射一個(gè)設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)膫未a測(cè)距信號(hào)， 接收機(jī)接受測(cè)距信號(hào)回波并對(duì)其鎖相，得出發(fā)射與接受信號(hào)的相位差△ Φ，從而可以得到 發(fā)射與接受信號(hào)之間的相對(duì)時(shí)延△ τ，進(jìn)而確定航天器與地面站之間距離R為<formula>formula see original document page 8</formula>設(shè)在某一時(shí)刻tl測(cè)距目標(biāo)i的位置為(Xi，Yi, Zi)，測(cè)距目標(biāo)根據(jù)外測(cè)信號(hào)測(cè)量 及推算出地面站j到測(cè)距目標(biāo)i的偽距Rij (t)，設(shè)每個(gè)地面站的位置為(Xj，Yj, Zj)，則有
<formula>formula see original document page 9</formula>其中C為光速；Δ t為延時(shí)系統(tǒng)誤差，包括系統(tǒng)零值漂移、大氣延遲誤差等，可應(yīng)用 準(zhǔn)確的模型修正。地面站及接受轉(zhuǎn)發(fā)站位置(Xj，Yj，Zj)已知；由空間幾何聯(lián)立求解上述 三個(gè)方程即可求得測(cè)距目標(biāo)位置(Xi，Yi，Zi)?；谝陨舷到y(tǒng)，下面將詳細(xì)介紹本實(shí)施例方法所包含的飛行器與地面主站之間的 相干校時(shí)和測(cè)距、飛行器與地面輔站之間的非相干測(cè)距等子方法的實(shí)現(xiàn)。針對(duì)其中一個(gè)飛 行器的全系統(tǒng)原理圖如圖3。本實(shí)施例飛行器與地面主站之間的相干通信部分通過以下步驟來實(shí)現(xiàn)，如圖4 步驟110，地面主站產(chǎn)生非相干偽碼序列，調(diào)制到載波向飛行器發(fā)射的同時(shí)，鎖存 發(fā)碼初始狀態(tài)并開始計(jì)數(shù)。步驟120，飛行器非相干信號(hào)接收機(jī)收到地面主站上行信號(hào)，飛行器上鎖相環(huán)跟蹤 鎖定，通過恢復(fù)出的上行信號(hào)時(shí)鐘，使得飛行器本地鐘與之同步。同時(shí)，飛行器按同步主站 時(shí)鐘的頻率發(fā)送下行非相干信號(hào)，其每幀內(nèi)容包括接受到上一幀各地面站上行信號(hào)的時(shí)鐘 相位信息和平臺(tái)上時(shí)鐘的相位信息。步驟130，地面主站鎖相環(huán)對(duì)非相干下行碼序列跟蹤鎖定，收到飛行器下行碼后將 其與步驟110的上行碼序列比較，試探成功后按雙向時(shí)間比較法(步驟230，鐘差A(yù)T。lk* IO-11S量級(jí)，可忽略)計(jì)算出上下行信號(hào)相位差，進(jìn)而得到時(shí)延和飛行器到地面站距離。以上步驟中，系統(tǒng)總的測(cè)距誤差主要有幾方面因素時(shí)鐘漂移誤差、噪聲誤差、硬 件延時(shí)誤差組成的設(shè)備誤差，以及大氣延時(shí)誤差、多徑誤差、地面站同步誤差組成的傳播誤 差。(a)新方法由于飛行器飛行器的時(shí)鐘緊跟主站時(shí)鐘進(jìn)行校準(zhǔn)，因此與相干方法類 似存在時(shí)鐘漂移誤差。為保證測(cè)量精度，由地面主控站測(cè)定出每個(gè)飛行器時(shí)間參數(shù)并發(fā)給 飛行器，這主要通過鎖相環(huán)完成。對(duì)于二階環(huán)，可用下式計(jì)算碼鐘相位抖動(dòng)<formula>formula see original document page 9</formula>
其中σΑ(τ)為閘門時(shí)間的阿倫方差，f為載波頻率。不妨考慮環(huán)路帶寬小于 20Hz，PN 碼速率為 1Mbps，對(duì)于 τ = = 0. 05s 的阿倫方差為 σΑ(τ) = IXlO"10, 入的時(shí)延抖動(dòng)為4.6X10-lls，σκ1 = 0.014mm，遠(yuǎn)小于其它誤差數(shù)量級(jí)，在單次測(cè)量中可 忽略。因此，通過相干方法對(duì)飛行器時(shí)鐘的校準(zhǔn)，可使得飛行器上時(shí)鐘的實(shí)時(shí)誤差降低到 IX IO-Ils級(jí)，這就使得新方法下僅使用晶振就可以使飛行器上時(shí)鐘接近原子鐘的精度。(b)噪聲誤差屬于系統(tǒng)誤差，新方法下飛行器通信鏈路的噪聲主要由熱噪聲、互調(diào) 噪聲和干擾噪聲組成。熱噪聲主要是指天線以及接收機(jī)噪聲，互調(diào)噪聲是由于衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器 的非線性產(chǎn)生的，而干擾噪聲是由多路CDMA的地址碼干擾產(chǎn)生的。對(duì)于占用同一時(shí)間同一 頻段的η路信號(hào)，對(duì)其中任一有用信號(hào)而言，其余(η-1)路信號(hào)均作為偽噪聲對(duì)有用信號(hào)產(chǎn) 生干擾。此時(shí)的信噪比可以寫成<formula>formula see original document page 9</formula>
S/I是由于其它地址碼干擾而產(chǎn)生的載波功率與噪聲譜密度之比，S/N0是其它噪 聲和干擾引起的總載波功率與噪聲譜密度之比。研究表明，偽噪聲碼的觀測(cè)噪聲誤差可表述為(運(yùn)用鎖相環(huán)線性二階模型)
<formula>formula see original document page 10</formula>其中BL為鎖相環(huán)單邊噪聲帶寬，c為光速。在包括3地面站20個(gè)飛行器平臺(tái)的 系統(tǒng)中，取f。1()。k = 10. 23MHz, Bl = 10Hz，擴(kuò)頻比為1000。不考慮遠(yuǎn)近效應(yīng)，新方法與非相 干方法相比ΔPeltjek7X 4. 16dB?？梢妼?duì)于多站多平臺(tái)的定位體系而言，干擾噪聲有較大 的影響，決定了系統(tǒng)最大瞬時(shí)工作站數(shù)。對(duì)于多站多平臺(tái)的定位系統(tǒng)，相干方法由于存在嚴(yán) 重多址干擾會(huì)限制其容量的提高。而新方法在多站多平臺(tái)應(yīng)用中具有明顯優(yōu)勢(shì)，其需要信 道數(shù)與非相干方法相同，誤差與相干方法單站定位誤差相當(dāng)，oK2 lm。(d)設(shè)備延時(shí)誤差包括隨機(jī)延時(shí)誤差和固定延時(shí)誤差，由實(shí)際工程文檔知可取隨 機(jī)延時(shí)約Ins。貝U σ E3 ^ 0. 3m。(e)傳播誤差方面，新方法下傳播誤差與現(xiàn)有方法相同，根據(jù)現(xiàn)有工程實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可 使σ R4不超過0. 7m。總的測(cè)距誤差通過各項(xiàng)誤差的均方根求得。綜上所述可知新方法下單平臺(tái)總的測(cè) 距誤差的線度為lm，與相干方法相當(dāng)。而在多站多平臺(tái)情景下，新方法精度優(yōu)于相干方法， 也優(yōu)于同等飛行器時(shí)鐘精度下的非相干方法。目前精度高的氫原子鐘能達(dá)到10_12s的精度，但還不能做到小型化、輕型化。主站 與飛行器的單向通信中，飛行器通過與主站時(shí)鐘同步校正避免了平臺(tái)時(shí)鐘誤差的積累，使 其達(dá)到原子鐘精度。降低了飛行器重量、對(duì)工作環(huán)境的要求和發(fā)射成本。本實(shí)施例飛行器與地面輔站之間的非相干測(cè)距通信部分通過以下步驟來實(shí)現(xiàn)，如 圖5:步驟210，飛行器接收上行信號(hào)，并按自己時(shí)鐘頻率發(fā)送下行信號(hào)，其每幀內(nèi)容包 括接受到上一幀各地面站上行信號(hào)的時(shí)鐘相位信息和飛行器時(shí)鐘的相位信息。步驟220，地面站接受下行信號(hào)，并按自己時(shí)鐘頻率發(fā)送上行信號(hào)，其每幀內(nèi)容包 括接收到上一幀各飛行器下行信號(hào)的時(shí)鐘相位信息和該地面站時(shí)鐘的相位信息。上下行信 號(hào)幀格式相同。步驟230，地面站在接受下行信號(hào)后，通過雙向偽距測(cè)量得到待測(cè)臨近空間平臺(tái)距 離地面的真實(shí)距離。如圖6，其中長粗箭頭為飛行器發(fā)送的下行信號(hào)脈沖，短粗箭頭為地面 站接收的下行信號(hào)脈沖，長細(xì)箭頭為地面站發(fā)送的上行信號(hào)脈沖，短細(xì)箭頭為飛行器接收 的上行信號(hào)脈沖，可知<formula>formula see original document page 10</formula>若地面測(cè)量的傳輸時(shí)延為Δ τ ’，則總的空地傳輸時(shí)延為<formula>formula see original document page 10</formula>其中τ tb和τ rb分別為地面站發(fā)信道和收信道時(shí)延；τ ts和τ rS分別為臨近空間 平臺(tái)發(fā)信道和收信道的時(shí)延。
以上步驟中，地面主站與飛行器通信中存在的誤差σΚ2、σΚ3、σκ4在地面輔站與飛 行器通信中也存在，由于地面輔站與飛行器通信中不存在相干時(shí)鐘回復(fù)，因此不存在σ R1。 總的測(cè)距誤差同樣通過各項(xiàng)誤差的均方根球的，為Im限度，也許相干方法相當(dāng)。相干與非相干結(jié)合的飛行器定位方法在單站定位精度上與現(xiàn)有方法相當(dāng)，在多站定位下優(yōu)于現(xiàn)有方法。隨著小衛(wèi)星星座、無人機(jī)群的發(fā)展，在未來多站多平臺(tái)的情景下，信 號(hào)碼道少、對(duì)飛行器時(shí)鐘要求低的新方法將具有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。
權(quán)利要求
多站多平臺(tái)體系下基于相干與非相干混合的飛行器定位法，其特征在于，依次含有以下步驟步驟(1)、對(duì)于多個(gè)自帶時(shí)鐘源的飛行器，構(gòu)造一個(gè)空天測(cè)距系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括一個(gè)以非相干模式工作的地面主站以及至少為二個(gè)的非相干模式工作的地面輔站，其中地面主站，設(shè)有主站時(shí)鐘源、主站非相干信號(hào)發(fā)射機(jī)和主站非相干信號(hào)接收機(jī)，其中主站非相干信號(hào)發(fā)射機(jī)，按自己的時(shí)鐘產(chǎn)生上行幀的擴(kuò)頻信號(hào)，包括接收到的所述各飛行器下行信號(hào)的時(shí)鐘相位信息和該地面主站時(shí)鐘的相位信息，以分別完成與所述各飛行器的通信，而各個(gè)對(duì)應(yīng)的所述飛行器在接收到所述上行幀的擴(kuò)頻信號(hào)后，各自進(jìn)行相干回復(fù)，還原出同步于所述上行幀的時(shí)鐘，用于發(fā)送下行信號(hào)，主站非相干信號(hào)接收機(jī)，接收所述各飛行器的下行信號(hào)，完成各測(cè)距信號(hào)偽碼再生，通過雙向時(shí)間比較法得到所述各飛行器目標(biāo)距離地面的真實(shí)距離并準(zhǔn)備下一周期的上行發(fā)送，地面輔站，設(shè)有輔站時(shí)鐘源、輔站非相干信號(hào)發(fā)射機(jī)和輔站非相干信號(hào)接收機(jī)，其中輔站時(shí)鐘源，與主站時(shí)鐘源精度相當(dāng)，輔站非相干信號(hào)發(fā)射機(jī)，按自己的時(shí)鐘產(chǎn)生上行幀的擴(kuò)頻信號(hào)，包括接收到的所述各飛行器下行信號(hào)的時(shí)鐘相位信息和本地面輔站時(shí)鐘的相位信息，輔站非相干信號(hào)接收機(jī)，接收所述各飛行器的下行信號(hào)，完成各測(cè)距信號(hào)偽碼再生，通過雙向時(shí)間比較法得到所述各飛行器目標(biāo)距離地面的真實(shí)距離并準(zhǔn)備下一周期的上行發(fā)送，各飛行器，設(shè)有飛行器時(shí)鐘源、飛行器非相干信號(hào)發(fā)射機(jī)和飛行器非相干信號(hào)接收機(jī)，其中飛行器時(shí)鐘源，其精度低于主站時(shí)鐘源及輔站時(shí)鐘源，飛行器非相干信號(hào)發(fā)射機(jī)，用與所述地面主站相干同步的時(shí)鐘生成擴(kuò)頻偽碼非相干下行幀調(diào)制發(fā)送，下行信號(hào)每幀內(nèi)容包括接收到的所述地面主站和各地面輔站上行信號(hào)的時(shí)鐘相位信息和本飛行器上時(shí)鐘的相位信息，飛行器非相干信號(hào)接收機(jī)，通過按飛行器時(shí)鐘源采樣所述地面主站非相干信號(hào)的時(shí)鐘信息校準(zhǔn)所述飛行器時(shí)鐘源驅(qū)動(dòng)的計(jì)數(shù)器碼位，從而生成與該地面主站相干同步的時(shí)鐘，該時(shí)鐘在精度上與該地面主站的精度相當(dāng)，并接收所述地面主站和各地面輔站上行幀的擴(kuò)頻信號(hào)，生成各測(cè)距信號(hào)的偽碼再生準(zhǔn)備下一周期的下行發(fā)送；從而，形成一個(gè)多站多平臺(tái)體系；步驟(2)、飛行器按以下步驟與所述地面主站之間進(jìn)行相干通信步驟(2.1)、所述地面主站產(chǎn)生非相干偽碼序列，調(diào)制到載波向所述飛行器發(fā)射的同時(shí)，保存發(fā)碼初始狀態(tài)并開始計(jì)數(shù)，步驟(2.2)、所述飛行器相干信號(hào)接收機(jī)收到所述地面主站的上行信號(hào)，用鎖相環(huán)跟蹤鎖定，恢復(fù)出上行信號(hào)時(shí)鐘，使飛行器本地時(shí)鐘與之同步，同時(shí)，按同步后的地面主站時(shí)鐘的頻率發(fā)送下行非相干信號(hào)，每幀信號(hào)包括接收到的上一幀所述地面主站和各地面輔站上行信號(hào)的時(shí)鐘相位信息和本飛行器的時(shí)鐘相位信息，步驟(2.3)、地面主站鎖相環(huán)對(duì)步驟(2.2)所述非相干下行信號(hào)的碼序列進(jìn)行跟蹤鎖相，從而收到飛行器下行擴(kuò)頻信號(hào)，再與步驟(2.1)的上行的碼序列比較，按雙向時(shí)間比較法計(jì)算出上、下行信號(hào)相位差，得到飛行器與地面主站的距離；步驟(3)、飛行器按以下步驟與所述各地面輔站之間進(jìn)行非相干通信步驟(3.1)、所述飛行器接收各地面輔站發(fā)出的上行信號(hào)，并按自己的頻率發(fā)送下行信號(hào)，每幀信號(hào)包括接收到的上一幀各地面輔站上行信號(hào)的時(shí)鐘相位信息和該飛行器的時(shí)鐘相位信息，步驟(3.2)、各地面輔站接收所述飛行器發(fā)出的下行信號(hào)，并按該地面輔站自己的時(shí)鐘精度發(fā)送上行信號(hào)，每幀信號(hào)包括接收到的上一幀各飛行器下行信號(hào)的時(shí)鐘相位信息和對(duì)應(yīng)地面輔站時(shí)鐘的相位信息，步驟(3.3)、各地面輔站在接收下行信號(hào)后，通過雙向時(shí)間對(duì)比法得到待測(cè)各飛行器距離地面的真實(shí)距離；步驟(4)、外部的測(cè)控中心把所述地面主站和各地面輔站，在m+n各非相干碼道中測(cè)得的各自與飛行器的距離結(jié)合各站本身的坐標(biāo)求出飛行器的空間坐標(biāo)，m為飛行器的個(gè)數(shù)，n為包括地面主站和多個(gè)地面輔站組成的地面站個(gè)數(shù)。
全文摘要
多站多平臺(tái)體系下基于相干與非相干混合的飛行器定位法屬于飛行器定位技術(shù)領(lǐng)域，其特征在于，含有以下步驟構(gòu)造一個(gè)由一個(gè)地面主站和多個(gè)地面輔站形成的空天測(cè)距定位系統(tǒng)，與飛行器共同形成一個(gè)多站多平臺(tái)體系；飛行器采用恢復(fù)主站的相干碼鐘輔助生成非相干下行幀，實(shí)現(xiàn)飛行器與地面主站之間的相干通信；飛行器與地面輔站之間形成非相干通信；測(cè)距中心則根據(jù)地面主站與各地面輔站測(cè)得的目標(biāo)距離地面的距離再結(jié)合所述各地面站的坐標(biāo)計(jì)算出飛行器的空間坐標(biāo)。本發(fā)明具有信號(hào)碼道少，飛行器時(shí)鐘精度要求低、以及對(duì)現(xiàn)有方法具有良好的繼承性和兼容性。
文檔編號(hào)G01S19/43GK101806907SQ201010125090
公開日2010年8月18日 申請(qǐng)日期2010年3月12日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月12日
發(fā)明者倪祖耀, 匡麟玲, 吳靖, 賴元東, 陸建華 申請(qǐng)人:清華大學(xué)