一种基于天基随机无线电信号的定位导航系统的制作方法

本发明属于无线电导航通信技术领域，具体涉及一种基于天基随机无线电信号的定位导航系统。

背景技术：

全球导航卫星系统(globalnavigationsatellitesystem,gnss)，作为星基无线电导航系统，致力于全球域、全天候、全天时地为军/民用户提供高精度/可靠的定位、导航和授时(position,navigationandtime,pnt)功能。广泛而有效的革新式应用渗透至国民经济各个领域，并发挥着举足轻重的作用。

信息技术的迅猛发展，以及基于位置服务的兴起，不断拓展着gnss系统的应用领域，同时，也对系统提出更高的性能和精度要求。gnss基于战略与经济的考虑，先后启动系统升级，诸如：美国gps现代化、俄罗斯glonass系统复兴、欧洲galileo系统建设以及中国北斗全球域建设等。

卫星导航系统至此已发展十分成熟，然而，成功的产业推广和技术应用反使系统的局限和不足暴漏无遗。卫星导航星座/信号透明公开，战时易受敌方反卫武器攻击，抗打击/摧毁能力弱；其次，星上资源短缺导致信号功率微弱(信号先天脆弱性)，对地形遮挡/物理阻隔敏感，导致服务存在“阴影区”，特别地，无法有效对抗战时敌方电磁干扰，致使系统服务性能严重下降，甚至无法工作。

而非卫星导航手段，诸如：陆基长波长河(罗兰-c)系统、各军兵种配置的惯性导航手段、伏尔/塔康飞机引导系统，以及正在进行试验验证的脉冲星/星图导航系统、地磁匹配导航系统、重力匹配导航系统、伪卫星导航系统等。上述系统/手段尽管能够满足某一种或多种特定场景定位导航需求，但受自身资源、定位原理或实现技术等局限，均存在某种缺陷与不足，无法满足复杂场景应用或者个性化服务需求，成为可替代北斗系统的普适定位导航手段。

因此，目前十分有必要探索新型定位导航授时手段，特别是北斗拒止情况下的新体制新机理定位导航技术。

地球空间内分布着大量的通信卫星、遥感卫星、海洋卫星等，卫星平台资源丰富，且该载荷平台信号落地功率强、星座覆盖范围大、信号格式特征明显等，可作为定位导航应用的潜在信号源，深入探索研究，可为定位导航服务提供新的实现途径。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明为弥补现有卫星导航定位系统星座/信号透明性及脆弱性等缺陷，保障复杂场景(物理遮挡、电磁干扰、故意式打击/对抗等)下局域/热点应急导航定位授时服务需求，提出了一种基于天基随机无线电信号的定位导航系统，该系统具备抗干扰能力强、抗毁顽存、低成本易部署等优势特点。

实现本发明的技术方案如下：

一种基于天基随机无线电信号的定位导航系统，包括天基非导航卫星/星座、地面基准站网络及用户终端，其中所述地面基准站网络由多个已知坐标位置的监测基准站、通信网络和数据处理中心构成，

所述用户终端，侦听天基非导航卫星下行的无线电信号并经由通信网络发送给数据处理中心；

所述监测基准站，用于侦听天基非导航卫星下行的无线电信号并经由通信网络发送给数据处理中心；

所述数据处理中心，根据监测基准站发送的信号，获取各监测基准站接收到信号的相对时延，利用所述相对时延，构建时延特征时空分布模型，依据模型解算天基非导航卫星位置；数据处理中心，根据监测基准站和用户终端发送的信号，获取用户终端相对于各监测基准站接收到信号的相对时延，利用监测基准站与用户终端间的相对时延、天基非导航卫星的位置，基于时延特征时空分布模型，匹配/解算用户终端的位置，实现用户终端的定位导航。

进一步地，本发明所述天基非导航卫星的位置计算过程为：

数据处理中心构建信号时延特征时空分布模型，如式(1)所示：

其中，表示编号分别为i、j的监测基准站位置坐标，为监测基准站所侦听到的编号为i的天基非导航星位置坐标，为天基非导航星si下行信号到达编号为i的监测基准站与信号到达编号为j的监测基准站的相对时延差；

选取4个监测基准站，1个作为主基准站，3个作为从基准站，根据从基准站相对于主基准站之间的相对时延估计，利用信号时延特征时空分布模型计算出非导航卫星的精确位置。

进一步地，本发明所选取的监测基准站为用户终端周边的监测基准站，根据用户终端相对于各监测基准站接收到信号的相对时延选取。

进一步地，本发明依次比对监测基准站与用户终端间的相对时延，选取最小时延差对应的基准站为主基准站。

一种基于天基随机无线电信号的定位导航系统，包括天基非导航卫星/星座、地面基准站网络及用户终端，其中所述地面基准站网络由多个已知坐标位置的监测基准站、通信网络和数据处理中心构成，

所述用户终端，侦听天基非导航卫星下行无线电信号并经由通信网络发送给数据处理中心；

所述监测基准站，用于侦听天基非导航卫星下行的无线电信号并经由通信网络发送给数据处理中心；

所述数据处理中心，根据监测基准站发送的信号，获取各监测基准站接收到不同信号的相对时延，利用所述相对时延，构建时延特征时空分布模型，可根据模型解算天基非导航卫星位置；数据处理中心，根据用户终端发送的信号，获取用户终端接收到不同信号的相对时延，利用用户终端的相对时延、天基非导航卫星的位置，基于时延特征时空分布模型，匹配/解算用户终端的位置，实现用户终端的定位导航。

进一步地，本发明所述天基非导航卫星的位置计算过程为：

数据处理中心构建信号时延特征时空分布模型，如式(2)所示：

其中，分别表示天基非导航星sr和si的位置坐标，表示编号为j的监测基准站位置坐标，为天基非导航星sr和si下行信号到达编号为j的监测基准站相对时延差；

选取6个监测基准站，根据下行信号到监测基准站的相对时延估计，利用信号时延特征时空分布模型计算出非导航卫星的精确位置。

进一步地，本发明所选取的监测基准站为用户终端周边的监测基准站，根据不同非导航卫星下行信号到达用户终端的时间差与到达各监测基准站的时间差来比对选取。

根据本发明所利用的资源和技术特点，对比传统卫星导航定位系统，具有以下技术优势：

a.系统抗干扰能力强

系统可用天基随机无线电信号落地功率强(高于常规导航信号10～30db)，极大提升信号自身抗干扰能力；同时，信号平台资源丰富多样，信号调制机制、发播时隙以及频段占用等特征各异，使得有意式电磁干扰难以精确有效实施。

b.系统抗打击能力强

系统星座资源冗余多样，且终端采用无源处理方式，系统隐蔽性强，对抗方很难检测锁定系统所利用星座，无法对系统星座实施武力摧毁。

c.系统构建及运行成本低

首先，系统无须专门部署星座，仅需在预定服务区域设置相对简单的由若干监测点组成的地面监测网络，极大降低建设成本；再者，系统基于时空分布模型通过匹配/解算实现定位，区别于传统卫星导航的三球(多球)交汇定位原理，其运行无须依赖高精度的原子钟，以及大规模全球监控站系统，对卫星轨道、时间、频率进行精确标定，极大节约了系统运行成本。

d.易部署抗毁顽存

系统随机信号资源丰富，且穿透性/覆盖性优势明显，可在全球任意地点快速部署地面监测设备，极端情况下可撒点式布站，组建地面基准网络，实现感兴趣区域的定位导航授时服务。即使遭受摧毁，其低成本、易部署等属性亦可使系统瞬间重构/扩展，具备超强抗毁顽存能力。

附图说明

图1为系统结构框架示意图；

图2为系统运行原理示意图；

图3为系统工作流程图；

图4为地基基准网络构建示意图；

图5为天基随机信号相对时延估计原理示意图。

具体实施方式

为能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。

在下面的描述中，阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是，本发明还可以采取其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明并不限于下面公开的具体实施例的限制。

本发明一种基于天基随机无线电信号的定位导航系统，如图1所示，该系统以服务区上空既有非导航卫星星座(通信卫星或遥感卫星等，甚至是敌方卫星)为天基卫星节点实现对地面用户终端的导航。该系统包括在地面服务区域建立由多个监测基准站(监测基准站最好是大于等于6个，且位置坐标已知)、通信网络和数据处理中心的地面基准站网络，监测基准站对天基非导航卫星节点下行的无线电信号进行侦听，数据处理中心通过通信网路接收用户终端侦听的和监测基准站侦听的天基非导航卫星下行无线电信号，先根据各监测基准站接收到信号的时间，构建时延特征时空分布模型，可依据模型解算天基非导航卫星位置，再根据各用户终端接收到信号的时间，基于时延特征时空分布模型，匹配/解算用户终端的位置，实现用户终端的定位导航。

下面对该系统各组成部分及所利用的非导航卫星进行说明：

非导航卫星

天基卫星节点为通信卫星或无线电遥感卫星(≥4颗)，其中，通信卫星包括：固定通信业务卫星、移动通信业务卫星、电视直播卫星等；无线电遥感卫星包括：合成孔径雷达卫星、雷达测高卫星等。非导航卫星星轨误差较大，原则上讲，卫星数目越多，监测数据越充分，定位精度越高。

地面基准站网络

监测基准站布设需考虑服务范围和精度需求，监测基准站位置坐标精度已知，且比预定服务精度高1个数量级(厘米或分米级即可)。监测基准站接收非导航卫星信号(通信/遥感信号)，侦听随机无线电信号特征。数据处理中心(可与某监测站共址建设)，通过通信网络与监测基准站进行交互通信，获取基准站所量测的随机无线电特征信号，根据信号达时间差信息、非导航星星历信息、地面基准站坐标信息等，建立时延特征时空分布高精度模型；同时，根据用户接收机观测的特征信号到达时间差，匹配/解算用户位置信息，并反馈给各基准站，同时发播给用户终端。数据处理中心一般与基准站共址建设，1个即可满足需求，多建可提升系统数据处理速度和能力，并提升系统可靠性和抗摧毁能力。

本发明地面基准站网络的观测量为星间信号到达时间差，以消除电离层/对流层效应、接收机钟差等误差源的影响，同时，以相对时间作为观测量，还可以放宽系统对基站间时间同步约束条件。依据定位原理，基准站布站越多，模型越精确，系统可靠性越高、生存能力越顽强，服务精度越好。

通信网络

通信网络作为地面信息有效载体，是联系地面监测基准站、数据处理中心、用户终端的枢纽。具体可利用服务区域已有通信系统，通信实时性和带宽满足一定要求(初步估算，需100kbps)。

用户终端(不限数量)；

用户终端，接收非导航卫星随机无线电信号(通信/遥感信号)，并将信息传递至数据处理中心，进行匹配/解算，完成导航定位功能。

表1系统组成及说明

本发明导航系统的运行过程为：

天基无线电信号定位导航系统具体工作原理图见图2，依托地面服务区域所建立的基准站网络，侦听特定区域天基非导航星所发播的随机无线电信号，后经通信网络将监测数据传至数据处理中心，数据处理中心监测信号特征到达时间差，并分析、拟合，建立时延特征时空分布高精度模型，同时，数据处理中心综合用户端所量测的信号特征到达时间差信息，进行数据融合匹配，解算用户位置，实现用户端定位导航服务。

导航定位授时问题，在原理本质上，体现为解决用户在1维时间(含频率)和3维位置空间中的坐标问题；3维位置空间坐标又进一步分解为2维平面坐标和1维高程坐标。

本发明拟采用以下原理加以解决：

(a)二维空间位置坐标

水平坐标获取依托地面基准网络，利用监测网络侦听非导航卫星(≥4颗)，量测信号特征到达时刻，进而由数据处理中心提取/分析各基站星间信号特征到达时间差，获取服务区域时延特征时空分布模型。然后，用户端以自主测量的非导航星星间信号特征到达时间差为索引，基于时延特征时空分布模型，解决用户三维空间坐标问题。

具体工作流程见图3，详细描述如下：

1).地基基准网络构建

根据热点服务区地理环境、覆盖范围及服务精度等需求，确定地面基准网络监测基准站数目与几何布设，并对其位置进行精确标定；数据处理中心可择优选址，也可与某监测基准站共址建设；根据基准站与数据处理中心相对位置及具体通信需求，搭建通信网络，保证地基网络信息通信。

2).地基网络基准站时间同步

以天基随机信号到达时间差为初始观测量，而非信号到达时间绝对值，降低地面基准网络内监测基准站时间同步要求。具体利用基于nco的驯钟技术，改进各基准站监测接收机本地时钟稳定性，建立地面基准网络守时系统。同时，地面基准网内部可以通过通信网络，进行内部时间比对，还可对接入用户校时，实现用户端时间同步技术。

3).监测基准站侦听/量测天基随机信号

地面基准网络监测基准站实时侦听/接收天基非导航卫星下行信号，并将所接收信号处理至中频，经通信网络传输至数据处理中心，数据处理中心基于盲检测/半盲检测算法处理所接收到的随机信号，获取监测基准站间相对时延估计。

考虑特殊服务需求，可根据频点、调制格式、信号信标(如：tdd信号同步分帧)等信息进行半盲检测或解调处理，将处理后信息(如：信号频点、调制格式、数据速率、伪码、到达时间等)，经通信网络传输至数据处理中心。

4).时延特征时空分布模型建立

数据处理中心的处理方式可以采用如下两种形式：

第一种：基于监测基准站接收相同非导航星下行信号相对时间延时(站间相对时延差)

数据处理中心，根据监测基准站发送的信号，获取各监测基准站接收到的相同卫星下行信号，估算信号到达不同监测基准站的相对时延差，利用监测基准站站间相对时延差，构建时延特征时空分布模型，可依据模型解算天基非导航卫星位置；数据处理中心，根据监测基准站和用户终端发送的信号，获取用户终端相对于各监测基准站接收到信号的相对时延，利用监测基准站与用户终端间的相对时延、天基非导航卫星的位置，基于时延特征时空分布模型，匹配/解算用户终端的位置，实现用户终端的定位导航。其中所述天基非导航卫星的位置计算过程为：

数据处理中心构建信号时延特征时空分布模型，如式(1)所示：

其中，表示编号分别为i、j的监测基准站位置坐标，为监测基准站所侦听到的编号为i的天基非导航星位置坐标，为天基非导航星si下行信号到达编号为i的监测基准站与信号到达编号为j的监测基准站的相对时延差；

选取4个监测基准站，1个作为主基准站，3个作为从基准站，根据从基准站相对于主基准站之间的相对时延估计，利用信号时延特征时空分布模型计算出非导航卫星的精确位置。

第二种：基于监测基准站接收不同非导航卫星下行信号相对时间延时(星间相对时延差)

监测基准站侦听不同非导航卫星下行信号，解算/识别下行信号帧的同步分帧(信号源标识)，获取各非导航星下行信号到达各监测基准站的时刻，随后将信号到达时刻经由通信网络传送至数据处理中心进行建模；或者检测基准站直接将侦听信号经由通信网络发送至数据处理中心处理，获取各非导航星下行信号到达各监测基准站的时刻，根据到达时刻获取各监测基准站接收到的不同非导航卫星下行信号相对时延(星间相对时延差)，利用所述相对时延，构建时延特征时空分布模型，可依据模型解算天基非导航卫星位置；数据处理中心，根据用户终端发送的信号，获取用户终端接收到不同卫星下行信号到达时刻，并进行比对获取用户终端星间相对时延，利用用户终端的星间相对时延、天基非导航卫星的位置，基于时延特征时空分布模型，匹配/解算用户终端的位置，实现用户终端的定位导航。其中所述天基非导航卫星的位置计算过程为：

数据处理中心构建信号时延特征时空分布模型，如式(2)所示：

其中，分别表示天基非导航星sr和si的位置坐标，表示编号为j的监测基准站位置坐标，为天基非导航星sr和si下行信号到达编号为j的监测基准站相对时延差；

选取6个监测基准站，根据下行信号到监测基准站的相对时延估计，利用信号时延特征时空分布模型计算出非导航卫星的精确位置。

5).授权用户终端匹配/解算实现定位导航

授权用户终端进入地面基准网络服务区，自动连接地面基准网内部通信网络，与网络时间进行比对校准授时(并不需要特别精确对准)。同时，侦听/接收天基非导航星下行随机信号，根据用户终端接收机处理能力及性能，选择经通信网络传输所接收信号中频信息或者半解调/全解调后信息至数据处理中心。

数据处理中心根据用户终端所发送信息，或直接处理或复现处理，基于盲检测/半盲检测算法检测估计用户终端相对监测基准站的相对时延。优选观测质量较好的相对时延与时延特征时空分布模型进行匹配/解算，获取自身位置信息，以此实现授权用户终端的定位导航功能。数据处理中心获取用户终端的位置也可以采用以下两种情况，

第一种：基于监测基准站接收相同非导航星下行信号相对时间延时(站间相对时延差)

选取信号源至少3个，利用信号源的精确位置信息，结合多个监测基准站的位置信息及监测基准站与用户终端之间的时间延时，根据时空分布模型计算用户终端的位置。

第二种：基于监测基准站接收不同非导航卫星下行信号相对时间延时(星间相对时延差)

选取信号源至少3个，利用3个信号源的精确位置信息，结合用户终端接收到三个信号源下行信号之间的相对时间延时，根据时空分布模型计算用户终端的位置。

(b)一维高程坐标

二维位置坐标解算模型，是依据监测基准站相对时延估计观测量，建立时空分布模型进行位置匹配解算，原理上，可以实现三维坐标定位，但会受限于热点服务区域地形情况、监测基准站数目及布局。特别地，在平原丘陵地形服务区，监测基准站位置布局导致高度维观测信息体现并不充分，降低高程量测精度。

基于时延特征时空分布模型建立的高效性和精确度考虑，克服热点服务区域地理环境、监测基准站布设位置等因素局限，可利用气压高度量测获取较精确高程坐标信息，综合利用基准站气压实时测量数据和用户气压测量数据，以地球地心为椭球原点，以高程测量值为约束，完成对用户位置的高程约束，解决用户的高程坐标问题。

(c)时间坐标

系统各组成部分间的时间同步，是系统实现定位导航功能的必要前提，也是保证系统精度的充要条件。该系统依赖地面基准网络完成时间和空间信息标定，实现定位导航能力，因此，可忽略考虑随机无线电信号发播平台间的时间同步问题，仅关注地面基准网络内各组成单元的时间同步。

然而，地面基准网络各监测接收机以及用户接收机观测量为星间特征信号到达时间差，即：相对时间，原则上，放宽了对地面网络内各监测站接收机与用户端的时间同步约束(ms级精度)，从而有效降低了系统时间同步精度要求。

实例1：

本发明中，天基随机无线电信号导航系统框架示意图，如图1所示。

结合实施例流程图，阐述其基本实施过程如下：

a)地基基准网络构建；

地基基准网络构建示意图如图4所示。根据热点服务区地理环境、覆盖范围及服务精度等需求，确定地面基准网络监测基准站数目与几何布设。原则上，服务区域越大，服务精度越高，监测基准站数目要求越多。监测基准站几何布设可依据几何精度因子dop择优选址配置。假定热点服务区域内设置n个监测基准站，对其位置进行精度标定，第n个基准站坐标位置为(xn,yn,zn)。

数据处理中心可择优选址，也可与某监测基准站共址建设，其位置可根据特殊需求进行移动(置于移动载体)；

根据监测基准站与数据处理中心相对位置及具体通信需求，搭建通信网络，保证地基网络信息通信。

b)地基基准网络基准站时间同步；

以天基非导航卫星下发的随机信号到达时间差为初始观测量，而非信号到达时间绝对值，降低地面基准网络内监测基准站时间同步要求。具体利用基于nco的驯钟技术，改进各基准站监测接收机本地时钟稳定性，建立地面基准网络守时系统。同时，地基基准网内部可以通过通信网络，进行内部时间比对，还可对接入用户校时，实现用户端时间同步技术。

c)监测基准站侦听/量测天基随机信号

假定监测基准站m-a、m-b、m-c、m-d侦听到非导航星s-1发播的无线电信号为各基准站终端将所侦听信号经由地面通信网络发送至数据处理中心。数据处理中心可采用基于能量积累的盲检测算法，将和信号进行相关匹配，获取非导航星s-1信号到达基准站m-a和m-b的相对时延差，即：

其中，和分别为非导航星s-1无线电信号到达基准站m-a和m-b的传播时延，为非导航星s-1无线电信号到达基准站m-a和到达基准站m-b的相对时延差。

同理，数据处理中心还可获取非导航星s-1到达监测基准站m-a与m-c、m-d的相对时延差见图5所示。具体相对时延差选取可根据待定位终端与非导航星位置、监测基准站相对位置优化选择，并不局限于图示方案。

考虑特殊服务需求，地面监测基准站可根据频点、调制格式、信号信标(如：tdd信号同步分帧)等信息进行半盲检测或解调处理，将处理后信息(如：信号频点、调制格式、数据速率、伪码、到达时间等)，经通信网络传输至数据处理中心，数据处理中心根据上述信息进行信号复现，然后估计监测基准站间相对时延。

d)时延特征时空分布模型建立

数据处理中心根据步骤c)估计所得监测基准站相对时延估计，结合具体监测基准站精确地理坐标信息、所侦听天基非导航性粗略星历等信息，构建以监测基准站为焦点的双曲线地面投射观测模型，即：时延特征时空分布模型，其物理几何意义为以侦听监测基准站为焦点的双曲线模型地面投影，双曲线模型表示为：

其中，表示编号分别为i、j的监测基准站位置坐标，为监测基准站所侦听到的编号为i的非导航卫星位置坐标，c为光速。

数据处理中心利用大数据分析建构信号时延特征时空分布模型，探索各基站由于地理位置差异，使得特征信号到达时刻依据基站地理位置分布存在规律性差异，其规律性差异表现为：以量测基准站位置为焦点，以被监测卫星位置确定的双曲面模型，与地球球面交叉，投射出有规律的等高线曲线。

e)授权用户终端匹配解算实现定位导航

授权用户终端进入地面基准网络服务区，自动连接地面基准网内部通信网络，与网络时间进行比对校准授时(并不需要特别精确对准，一般为ms量级)。

授权用户在保证与地基基准网络粗同步基础上，侦听/接收天基非导航星下行随机信号，随后经通信网络传送至数据处理中心，数据处理中心经基于能量积累的盲检测算法处理，同样地，获取天基非导航卫星s-1到达授权用户与各基准站的到达时延差并将上述时延差信息，优选观测质量较好的观测量，与时延特征时空模型进行匹配，基于基准站依次比对相对时延差信息，选取最小时延差对应的基准站为主站，再以主站为中心，顺次比对周边基准站，获取用户粗略位置区域。然后基于周边基准站参与构建的时空分布模型推算卫星位置，在以卫星位置基于多球交汇定位原理，迭代求解获取授权用户位置信息。

同时，也可根据用户终端接收机处理能力及性能，选择经通信网络传输所接收信号中频信息或者半解调/全解调后信息至数据处理中心；数据处理中心根据用户终端所发送信息，或直接处理或复现处理，基于盲检测/半盲检测算法检测估计用户终端相对监测基准站的相对时延。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。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。