一种基于海事卫星通信信号的飞机飞行定位方法及系统与流程

本发明涉及卫星导航定位技术领域，具体涉及一种基于海事卫星通信信号的飞机飞行定位方法及系统。

背景技术：

传统的卫星导航定位技术，都是利用多颗卫星的时差信号进行定位。例如：GPS(Global Positioning System，简称，全球定位系统)是利用四颗卫星的时差信号进行定位，求解出的是单个位置点。但是，在某些情况下，只能使用单个卫星的通信信号进行定位，例如马航MH370失联事件。在马航失联事件中，飞机并没有提供GPS位置信息，只返回了飞机和海事卫星的七次握手信息，传统的四颗卫星进行定位的技术，无法满足飞行安全定位的要求。

目前的定位方法中，具有利用GPS来确认传播的位置信息，基于四颗导航卫星的信号时延来定位的方法，以及四颗GPS卫星的信号进行定位。

因此，为了解决满足飞机安全定位的要求，本发明提供了一种基于海事卫星通信信号的飞机飞行单星定位方法及系统。

技术实现要素：

针对现有技术中的上述不足之处，本发明提供了一种基于海事卫星通信信号的飞机飞行定位方法，包括：对采集到的海事卫星航空终端的信号进行BTO分析，获取飞机到海事卫星的时差信息；

对采集到的海事卫星航空终端的信号进行BFO分析，获取飞机到海事卫星的频差信息；

根据所述时差信息、所述频差信息、雷达盲区以及飞机性能信息迭代获取飞机可能的飞行区域。

本发明基于海事卫星通信信号的飞机飞行定位方法，利用单个海事卫星的通信信号特征，例如时差、频差、初始位置等，来求解物体的可能区域范围，该技术由于只需要单颗卫星的通信信号特征，适用于广泛的通信信号辅助定位领域，特别适合由于非行安全定位等领域。

进一步地，在对采集到的海事卫星航空终端的信号进行BTO分析，获取飞机到海事卫星的时差信息的过程中，

根据BTO的测量值，得到如下公式：

其中，所述BTO的测量值包括两部分，第一部分为系统固定延迟引起的偏差部分，第二部分为从飞机到地面站电波传输所花费的时间；

bias为由地面站和飞机处理导致的固定延迟；C为光速；

(x,y,z)为飞机的位置坐标；

(x_s,y_s,z_s)(x_s,y_s,z_s)：卫星的位置坐标；

Range_{(satellite-to-aircraft)}：卫星到飞机的距离；

Range_{(satellite-to-Perth-GES)}：卫星到地面站的距离；

h_aircraft：飞机的高度；R：地球半径；

基于决定bias的值，统计在地面站和飞机之间的信号传输过程，并获得飞机和地面站处理信息的历史数据；

h_aircraft＝h_known

通过卫星通讯分析飞机位置绘制在地球表面的距离计算卫星，获取一个从卫星位置等距环，所述位置等距环由BTO测量；

求解上述方程，获取一个球冠环。

进一步地，在对采集到的海事卫星航空终端的信号进行BFO分析，获取飞机到海事卫星的频差信息的过程中，

BFO分析的方程由以下参数组成：

BFO＝ΔF_up+ΔF_down+δF_comp+δF_sat+δF_AFC+δF_bias equation 1

其中，ΔF_up为信号从飞机发送到卫星产生的多普勒效应；

ΔF_down为从卫星到地面站发送信号产生的多普勒效应；

δF_comp为飞机上应用的频率补偿；

δF_sat为卫星转换频率产生的频率变化；

δF_AFC为地面站接收端频率补偿值；

δF_bias为飞机和卫星晶振误差产生的固定偏；

联立方程组1和方程组7中的方程1和方程3，可得到球冠环上的2个点

联立方程组1和方程组8中的方程1和方程3，可得到球冠环上的2个点

选取

中的两个点，这两个点之间的距离最远，这两个点在球冠环上的劣弧即为所求第一个球冠环的范围；

通过分析的组合使用飞机的高度、速度和标题生成候选路径和计算拍频振荡器所述候选路径弧位置的值；

分析使用不同假设，选择所述拍频振荡器的结果分析，分析能够隔离飞机之间的多普勒频移，并确定飞机卫星的相对运动；

根据所述频振荡器获得的频差得到多条飞行路径束。

进一步地，所述飞机性能信息包括飞机的起始坐标、油量、飞机巡航高度和速度、飞机握手的时间顺数。

本发明还提供了一种基于海事卫星通信信号的飞机飞行定位系统，包括：时差信息获取单元，用于对采集到的海事卫星航空终端的信号进行BTO分析，获取飞机到海事卫星的时差信息；

频差信息获取单元，用于对采集到的海事卫星航空终端的信号进行BFO分析，获取飞机到海事卫星的频差信息；

飞行区域获取单元，用于根据所述时差信息、所述频差信息、雷达盲区以及飞机性能信息迭代获取飞机可能的飞行区域。

进一步地，所述时差信息获取单元对采集到的海事卫星航空终端的信号进行BTO分析，获取飞机到海事卫星的时差信息的过程中，

根据BTO的测量值，得到如下公式：

其中，所述BTO的测量值包括两部分，第一部分为系统固定延迟引起的偏差部分，第二部分为从飞机到地面站电波传输所花费的时间；

bias为由地面站和飞机处理导致的固定延迟；C为光速；

(x,y,z)为飞机的位置坐标；

(x_s,y_s,z_s)(x_s,y_s,z_s)：卫星的位置坐标；

Range_{(satellite-to-aircraft)}：卫星到飞机的距离；

Range_{(satellite-to-Perth-GES)}：卫星到地面站的距离；

h_aircraft：飞机的高度；R：地球半径；

基于决定bias的值，统计在地面站和飞机之间的信号传输过程，并获得飞机和地面站处理信息的历史数据；

h_aircraft＝h_known

通过卫星通讯分析飞机位置绘制在地球表面的距离计算卫星，获取一个从卫星位置等距环，位置环由BTO测量；

求解上述方程，获取一个球冠环。

进一步地，所述频差信息获取单元在对采集到的海事卫星航空终端的信号进行BFO分析，获取飞机到海事卫星的频差信息的过程中，

BFO分析的方程由以下参数组成：

BFO＝ΔF_up+ΔF_down+δF_comp+δF_sat+δF_AFC+δF_bias equation 1

其中，ΔF_up为信号从飞机发送到卫星产生的多普勒效应；

ΔF_down为从卫星到地面站发送信号产生的多普勒效应；

δF_comp为飞机上应用的频率补偿；

δF_sat为卫星转换频率产生的频率变化；

δF_AFC为地面站接收端频率补偿值；

δF_bias为飞机和卫星晶振误差产生的固定偏；

联立方程组1和方程组7中的方程1和方程3，可得到球冠环上的2个点

联立方程组1和方程组8中的方程1和方程3，可得到球冠环上的2个点

选取中的两个点，这两个点之间的距离最远，这两个点在球冠环上的劣弧即为所求第一个球冠环的范围；

通过分析的组合使用飞机的高度、速度和标题生成候选路径和计算拍频振荡器所述候选路径弧位置的值；

分析使用不同假设，选择所述拍频振荡器的结果分析，分析能够隔离飞机之间的多普勒频移，并确定飞机卫星的相对运动；

根据所述频振荡器获得的频差得到多条飞行路径束。

更进一步地，所述飞机性能信息包括飞机的起始坐标、油量、飞机巡航高度和速度、飞机握手的时间顺数。

采用上述技术方案，包括以下有益技术效果：

1)本发明可以根据飞机的单个海事卫星通信信号特征和初始位置，确认飞机的可能位置区域；

2)本发明可提高飞机飞行安全，提高飞机失事后的搜救效率；

3)本发明能够广泛的通信信号辅助定位领域，特别适合由于非行安全定位等领域。

附图说明

图1是本发明基于海事卫星通信信号的飞机飞行定位方法流程示意图；

图2是本发明动基于海事卫星通信信号的飞机飞行定位系统逻辑结构示意图。

具体实施方式

下面通过具体的实施例并结合附图对本发明做进一步的详细描述。

如图1所示，本发明提供了一种的基于海事卫星通信信号的飞机飞行定位方法，包括：S110：对采集到的海事卫星航空终端的信号进行BTO分析，获取飞机到海事卫星的时差信息；

S120：对采集到的海事卫星航空终端的信号进行BFO分析，获取飞机到海事卫星的频差信息；

S130：根据所述时差信息、所述频差信息、雷达盲区以及飞机性能信息迭代获取飞机可能的飞行区域。

上述步骤为本发明基于海事卫星通信信号的飞机飞行定位的具体方法流程，本发明利用单个海事卫星的通信信号特征，例如时差、频差、初始位置等，来求解物体的可能区域范围，该技术由于只需要单颗卫星的通信信号特征，适用于广泛的通信信号辅助定位领域，特别适合由于非行安全定位等领域。

在步骤S110中，BTO的测量值由两部分组成：第一部分为系统固定延迟引起的偏差部分；第二部分为从飞机到地面站电波传输所花费的时间。根据BTO的测量值，可得到如下方程M：

其中，bias是由地面站和飞机处理导致的固定延迟；C是光速；

(x,y,z)飞机的位置坐标；(x_s,y_s,z_s)(x_s,y_s,z_s)：卫星的位置坐标；

Range_{(satellite-to-aircraft)}：卫星到飞机的距离；

Range_{(satellite-to-Perth-GES)}：卫星到地面站的距离；

h_aircraft：飞机的高度；R：地球半径；

为了决定bias的值，统计在地面站和飞机之间的信号传输过程，可以获得飞机和地面站处理信息的历史数据。

h_aircraft＝h_known

通过卫星通讯分析飞机位置可以绘制在地球表面的距离计算卫星。结果是一个从卫星位置等距环，位置环由BTO测量，地面站BTO值记录定义一个位置环，求解上述方程M，将得到球冠环。

在本发明的一个实施例中，因为收到了6个信号，将得到6个球冠环，根据第一次握手信号，得到第一个球冠环方程：

根据第二次握手信号，得到第二个球冠环方程：

根据第三次握手信号，得到第三个球冠环方程：

根据第四次握手信号，得到第四个球冠环方程：

根据第五次握手信号，得到第五个球冠环方程：

根据第六次握手信号，得到第六个球冠环方程：

上述公式中，BTO就是t。

在步骤S120中，BFO分析不像时间计算，利用飞机到卫星的相对BTO值，预测飞机的位置，BFO分析反向而行，给定时间和飞机的位置，计算该时间和位置可能产生BFO的数值；然后比较计算出的可能性数值和测量到的BFO的值，判断该位置和时间产生该BFO数值的可能性，即该飞机在该点出现的可能性。

BFO分析的方程由以下参数组成：

BFO＝ΔF_up+ΔF_down+δF_comp+δF_sat+δF_AFC+δF_bias

ΔF_up：信号从飞机发送到卫星产生的多普勒效应；

ΔF_down：从卫星到地面站发送信号产生的多普勒效应；

δF_comp：飞机上应用的频率补偿；

δF_sat：卫星转换频率产生的频率变化；

δF_AFC：地面站接收端频率补偿值；

δF_bias：因为飞机和卫星晶振误差产生的固定偏移

联立方程组1和方程组7中的方程1和方程3，可得到球冠环上的2个点

联立方程组1和方程组8中的方程1和方程3，可得到球冠环上的2个点

选取中的两个点，这两个点之间的距离最远，这两个点在球冠环上的劣弧即是所求第一个球冠环的范围；采用数学工具，求解三元二次方程。

通过分析的组合使用飞机的高度，速度和标题来生成候选路径和计算拍频振荡器这些路径弧位置的值；这些值,记录的拍频振荡器值,提供一定程度的相关性。

分析使用不同假设，选择拍频振荡器的结果分析，分析能够隔离飞机之间的多普勒频移,并确定飞机卫星的相对运动,这是减少速度的有限范围的飞机能飞,因此有一组有限的速度/方向组合与计算多普勒变化。结果得到是一个路线束，然后根据频振荡器得到频差得到多条飞行路径束；最后，根据分析数据包含在地图位置进行了搜索。

在步骤S130中，通过计算获取飞机的可能飞行的区域，其中，在计算过程中需要输入参数：静止卫星的空间坐标、飞机的起始坐标、油量、飞机巡航高度和速度，飞机握手的时间顺数，给出时间、时差和频差，雷达盲区范围；通过输入参数的计算，获取输出参数，即：飞机失联前的可能位置概率分布。

具体地，(1)根据时间差BTO，计算飞机圆周范围解和曲线，简称时间环曲线；(2)根据频率差BFO，求解飞机范围角，缩小时间环曲线；(3)结合飞机性能信息和雷达盲区、波束，缩小时间环曲线；(4)连接各路线束相关节点；(5)将连接各路线束相关节点转换为大地空间坐标；(6)在地理信息系统显示路线束。

其中，具体的求解过程如下：

其中，H：为卫星的高度，暂时为：34000Km；R：为地球的半径，大概为6400Km；h：飞机的高度，一般为8000-1000米；FO:飞机到地心的半径，即：地球半径与h之和；Δt：为飞机到卫星的通讯时间差；Δν：为飞机通讯的多普勒频率差；β：为飞机与卫星的垂面与飞机飞行的平面的夹角；γ：为飞机的方位角；

卫星、飞机与地心的三角方程如下：

SF＝Δt*C,C＝3*108Km/s 4

其中，OS为地心到卫星的距离；OF为地心到飞机的距离。

根据三角坐标得到飞机与卫星与地心之间的截距方程，即相冠圆的方程：

xn2+yn2＝(Hn*sin(θn))2 5

多普勒验证方程：

其中，Δν：为飞机通讯的多普勒频率差；V：飞机飞行速度；λ：飞机飞行波长。

前一点与第二点之间的截距方程，即球方程，

其中，n为第n次握手的空间位置的x、y、z坐标，Dn从第n次握手到n-1次握手的空间距离。Tn两次握手的时间间隔，V为飞机巡航的速度。

通过前一点与第二点求解每次握手的坐标。从最开始的握手到最后的握手次序，逐次计算每次握手的空间位置。具体方法详见方程(M)。

在本发明的一个具体的实施例中，实施地点为国际移动卫星北京地面站；采集第四代海事卫星航空终端信号，并对此信号进行BTO分析，获取时差信息；对此信号进行BFO分析，获取频差信息；通过获取的时差信息和频差信息以及飞机本身的性能信息，迭代求出飞机可能的飞行区域，即：在一个云服务器上，采用C语言实现上述方法，计算飞机飞行位置区域。

上述为本发明提供的基于海事卫星通信信号的飞机飞行定位方法，与此方法相对应，本发明还提供一种基于海事卫星通信信号的飞机飞行定位系统。如图2所示，本发明提供的基于海事卫星通信信号的飞机飞行定位系统200包括时差信息获取单元210、频差信息获取单元220和飞行区域获取单元230。

其中，时差信息获取单元210，用于对采集到的海事卫星航空终端的信号进行BTO分析，获取飞机到海事卫星的时差信息；

频差信息获取单元220，用于对采集到的海事卫星航空终端的信号进行BFO分析，获取飞机到海事卫星的频差信息；

飞行区域获取单元230，用于根据所述时差信息、所述频差信息、雷达盲区以及飞机性能信息迭代获取飞机可能的飞行区域。

进一步地，所述时差信息获取单元210对采集到的海事卫星航空终端的信号进行BTO分析，获取飞机到海事卫星的时差信息的过程中，

根据BTO的测量值，得到如下公式：

其中，所述BTO的测量值包括两部分，第一部分为系统固定延迟引起的偏差部分，第二部分为从飞机到地面站电波传输所花费的时间；

bias为由地面站和飞机处理导致的固定延迟；C为光速；

(x,y,z)为飞机的位置坐标；

(x_s,y_s,z_s)(x_s,y_s,z_s)：卫星的位置坐标；

Range_{(satellite-to-aircraft)}：卫星到飞机的距离；

Range_{(satellite-to-Perth-GES)}：卫星到地面站的距离；

h_aircraft：飞机的高度；R：地球半径；

基于决定bias的值，统计在地面站和飞机之间的信号传输过程，并获得飞机和地面站处理信息的历史数据；

h_aircraft＝h_known

通过卫星通讯分析飞机位置绘制在地球表面的距离计算卫星，获取一个从卫星位置等距环，位置环由BTO测量；

求解上述方程，获取一个球冠环。

进一步地，所述频差信息获取单元220在对采集到的海事卫星航空终端的信号进行BFO分析，获取飞机到海事卫星的频差信息的过程中，

BFO分析的方程由以下参数组成：

BFO＝ΔF_up+ΔF_down+δF_comp+δF_sat+δF_AFC+δF_bias equation 1

其中，ΔF_up为信号从飞机发送到卫星产生的多普勒效应；

ΔF_down为从卫星到地面站发送信号产生的多普勒效应；

δF_comp为飞机上应用的频率补偿；

δF_sat为卫星转换频率产生的频率变化；

δF_AFC为地面站接收端频率补偿值；

δF_bias为飞机和卫星晶振误差产生的固定偏；

联立方程组1和方程组7中的方程1和方程3，可得到球冠环上的2个点

联立方程组1和方程组8中的方程1和方程3，可得到球冠环上的2个点

选取中的两个点，这两个点之间的距离最远，这两个点在球冠环上的劣弧即为所求第一个球冠环的范围；

通过分析的组合使用飞机的高度、速度和标题生成候选路径和计算拍频振荡器所述候选路径弧位置的值；

分析使用不同假设，选择所述拍频振荡器的结果分析，分析能够隔离飞机之间的多普勒频移，并确定飞机卫星的相对运动；

根据所述频振荡器获得的频差得到多条飞行路径束。

更进一步地，所述飞机性能信息包括飞机的起始坐标、油量、飞机巡航高度和速度、飞机握手的时间顺数。

本发明可以根据飞机的单个海事卫星通信信号特征和初始位置，确认飞机的可能位置区域；还可提高飞机飞行安全，提高飞机失事后的搜救效率；并能够广泛的通信信号辅助定位领域，特别适合由于非行安全定位等领域。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。