专利名称：中短波扩频无线电导航定位系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及无线电领域，具体涉及中短波扩频无线电导航定位领域。
技术背景随着科学技术水平的发展，无线电导航系统亦更多地出现在人们的日常生活中。现有的无线电导航系统主要分为两种； 一种是卫星导航系统，如GPS、 GLONASS、 GALILEO;另一种是脉冲式无线电导航系统，如罗兰C、台卡、 欧米伽。卫星导航系统信号非常弱，易受商用甚高频无线电和超视距雷达等信 号的干扰，而且其区域导航定位精度不高，系统建设费用高，卫星本身易受威 胁且地面监控系统庞大；脉冲式无线电导航系统，'其抗干扰能力、保密性能和 定位精度均较低，而且脉冲式无线电导航系统的定位精度还受距离的控制，不 能同时满足高精度和远距离的应用需要。由此得出，现有的无线电导航系统存 在着抗干扰能力差、保密性弱和测量精度低的缺点。 发明内容本发明为了解决现有的无线电导航系统存在着抗千扰能力差、保密性弱和 测量精度低的缺点，而提出了中短波扩频无线电导航定位系统。中短波扩频无线电导航系统由分布在N个不同的已知位置的发射基站和 导航接收机组成，其中N^4;所述的发射基站由信息编码器l、调制装置2、 滤波器3和功率放大器4组成；导航接收机由前置放大器5、射频处理模块6、 捕获跟踪装置7、观测量提取模块8、信息解调器9和位置解算模块10组成；信息编码器1将解码后的信息数，^W发送到调制装置2中；调制装g2由扩频调制器2-1、 /W码发生器'2-2、载波调制器2-3、载波 发生器2-4组成；信息编码器1将信息数据以速率为力的二进制数据流形式 ^W发送到扩频调制器2-1，扩频调制器2-l接收尸7V码发生器2-2所发出的速率为y;的伪随机序列iw(o对解码后的信息数据^(o进行调制，伪随机序列尸A^)为码长是丄的二进制序列，其中解码后的信息数据d(/)和伪随机序列 户A^)的码元宽度关系为其中^为解码后的信息数据^W的宽度；7;为伪随机序列iW(0中的一个码片 宽度；n为伪随机序列7W(/)中码片的周期个数；扩频调制器2-1输出信号 d(z)Pi^/)传输到载波调制器2-3中；载波调制器2-3接收载波发生器2-4发出的功率为P、频率为^的载波信号对信号"(0尸A^)进行载波调制，形成的模 拟信号为 —柳=7^/(/)尸A^)cosw,《 调制后得到的模拟信号经过滤波器3和功率放大辨4形成无线电波向外连续辐 射，为导航接收机提供导航信息；导航接收机的接收天线收到的N个无线电 波传输到前置放大器5进行放大，将放大后的信号通过射频处理模块6变频为 中频信号，传输到捕获跟踪装置7中，观测量提取模块8和信息解调器9分别 提取和检验捕获跟踪装置7中的信息数据，传输到位置解算模块10中完成位 置解算。本发明位置解算模块10通过观测量提取模块8提取得到两两的发射基站 跟踪信号之间的时间差^.，由于各发射基站的发射信号是严格同步的，并且所 采用的伪码序列的周期乘以传播速度远远大于各发射基站到导航接收机的距 离，所以得到的时间差与导航接收机到两发射基站的距离差关系就简单的为 ry*c =《-《，c为光速；得到三组距离差/^、 p23、 A,，并同时通过信息解调器 9解调N个发射基站的位置信息，就可解算出导航接收机位置信息(^,^，^):Pl2 = = — X")2 + (沁—凡)2 + (Zl — Z")2 — V(X2 — &)2 +一 h)2 +— Z )2/ 23 =r2,"(x2 -xu)2 +(>2 -凡)2 +(z2 - zu)2 - -xu)2 +03 -凡)2 +03 -zu)2 A =r31c = V(A — A)2 +03 — A)2 +03 —乙)2 )2 -凡)2 +0, — z )2现有的扩频体制因具有抗干扰能力强、保密性强、可实现码分多址和高精度测量的优点，已经广泛应用于无线电移动通信和GPS卫星导航系统中。综上所述，本发明实现中短波频段扩频无线电体制进行导航定位，采用扩频体制 取代传统脉冲方式，使用扩频体制构建无线电导航系统能够有效神制干扰，可 靠性较高，采用相关捕获，载波跟踪，定位精度高，可满足区域内高精度定位 需求。从而使导航系统显著提高了抗干扰能力和保密性，并且可实现码分多址和高精度测量。在建设费用相对低廉的情况下，能够快速部署满足了区域内高 精度定位需求。同时，中短波频段也保证了远距离无线扩频电信号的有效传输 距离，在保证精度的前提下，提高了导航定位范围。
图1是中短波无线电导航定位系统位置结构示意图；图2是中短波无线电 导航定位系统结构示意图；图3是伪码捕获电路7-l-l结构示意图；图4是伪 码跟踪电路7-1-2结构示意图；图5是载波跟踪装置7-2结构示意图；图6是 第一个采样点分别通过本发明和GPS定位结果比较图；图7是第二个采样点 分别通过本发明和GPS定位结果比较图。
具体实施方式
具体实施方式
一结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式中的中 短波扩频无线电导航装置由分布在N个不同的已知位置的发射基站和导航接 收机组成，其中N^4;所述的发射基站由信息编码器l、调制装置2、滤波器 3和功率放大器4组成；导航接收机由前置放大器5、射频处理模块6、捕获 跟踪装置7、观测量提取模块8、信息解调器9和位置解算模块10组成；信息 编码器1将解码后的信息数据"W发送到调制装置2中；调制装置2由扩频调制器2-l、户7V码发生器2-2、载波调制器2-3、载波 发生器2-4组成；信息编码器1将信息数据以速率为力的二进制数据流形式 "W发送到扩频调制器2-1，扩频调制器2-1接收户W码发生器2-2所发出的速 率为/￡的伪随机序列户AA(/)对解码后的信息数据d(/)进行调制，伪随机序列 /W(0为码长是丄的二进制序列，其中解码后的信息数据d(,)和伪随机序列 iW(O的码元宽度关系为其中^为解码后的信息数据d(0的宽度；7;为伪随机序列iW(0中的一个码片 宽度；n为伪随机序列/W(0中码片的周期个数；扩频调制器2-1输出信号 "(0尸A^)传输到载波调制器2-3中；载波调制器2-3接收载波发生器2-4发出的功率为P、频率为q的载波信号对信号d(0^^(0进行载波调制，形成的模 拟信号为<formula>formula see original document page 8</formula>调制后得到的模拟信号经过滤波器3和功率放大器4形成无线电波向外连续辐 射，为导航接收机提供导航信息；导航接收机的接收天线收到的N个无线电 波传输到前置放大器5进行放大，将放大后的信号通过射频处理模块6变频为 中频信号，传输到捕获跟踪装置7中，观测量提取模块8和信息解调器9分别 提取和检验捕获跟踪装置7中的信息数据，传输到位置解算模块10中完成位 置解算。
具体实施方式
二结合图l.和图2说明本实施方式，本实施方式中的捕 获跟踪装置7由PN码捕获跟踪装置7-1和载波跟踪装置7-2组成；PN码捕获 跟踪装置7-1跟踪捕获到接收信息中伪码后，再通过载波跟踪装置7-2进行载 波的跟踪，载波信号稳定后观测量提取模块8提取得到两两的发射基站跟踪信 号之间的时间差^.，并同时通过信息解调器9解调N个发射基站的位置信息。 其它组成和连接方式与具体实施方式
一相同。
具体实施方式
三结合图2和图3说明本实施方式，本实施方式与具体 实施方式二不同点在于PN码捕获跟踪装置7-1由伪码捕获电路7-1-1和伪码 跟踪电路7-1-2组成；伪码捕获电路7-1-1捕获的信息传输到伪码跟踪电路 7-1-2中。其它组成和连接方式与.具体实施方式
二相同。
具体实施方式
四结合图3说明本实施方式，本实施方式与具体实施方 式三不同点在于伪码捕获电路7-1-1由第一载波发生器a、第一伪码发生器b、 逻辑控制电路c、第一积分清洗模块d、第二积分清洗模块e、第一平方模块f、 第二平方模块g和判决模块h组成；逻辑控制电路c调整本地第一伪码发生器b的伪码相位，使之与接收到的 伪码相位相差一个码元，再由本地第一伪码发生器b生成的两路相互正交的本 地伪码调制的本地第一载波发生器a所发出载波信号，调制得到/: = #授"-f) cos一 + P) Q: ， V^ iW0 - sinO/ + ^与放大滤波后接受信号<formula>formula see original document page 8</formula>其中输入信号中r为时延，^为频偏，"(O为噪声信号<formula>formula see original document page 9</formula> ;进行相乘，形成两路/(,)，e(0信号，并分别经过第一积分清洗模块d和第二积分清洗模块e滤掉高频分量，得到<formula>formula see original document page 9</formula>再分别经过第一平方模块f和第二平方模块g进行包络检波后，进行相加输出 信号为将得到的信号ZW输入到判决模块h中，在判决模块h中设定一个检测门限PV ， 根据Z(r)与^关系进行捕获判决，当Z(/)2&，说明信号被捕获，传输到伪码 跟踪电路7-1-2;反之，通过逻辑控制电路C移动本地码序列相位，即调整第 一载波发生器a和第一伪码发生器b的相位，进行下单元捕获。其它组成和连 接方式与具体实施方式
三相同。
具体实施方式
五结合图4说明本实施方式，本实施方式与具体实施方 式三不同点在于伪码跟踪电路7-1-2由第二载波发生器A、第二伪码发生器B、 第三积分清洗模块C、第四积分清洗模块D、第五积分清洗模块E、第六积分 清洗模块F、第三平方模块G、第四平方模块H、第五平方模块I、第六平方 模块J、环路滤波器K和码时钟L组成；由本地第二载波发生器A生成两路相互正交的载波信号与接收伪码捕获 电路7-1-1所捕获到的信号进行相乘形成/'，2'两路信号，本地第二伪码发生器 B产生超前滞后两路伪码信号分别与输入的/'，2'两路信号相乘，形成超前 WW,"W和滞后/〖W必("共四组支路，将所述的四路信号分别经过第三积 分清洗模块C、第四积分清洗模块D、第五积分清洗模块E和第六积分清洗模 块F滤掉高频分量，再通过第三平方模块G、第四平方模块H、第五平方模块 I和第六平方模块J进行包络检波器后，将两路超前信号进行相加、两路滞后 信号进行相加，形成超前滞后的两个路信号，将所述超前滞后的两个路信号进 行相减，最后输出为跟踪误差信息<formula>formula see original document page 10</formula>
通过环路滤波器K和码时钟L反镇给第二伪码发生器B，控制本地码片偏移， 来调整跟踪状态。其它组成和连接方式与具体实施方式
三相同。
具体实施方式
六结合图5说明本实施方式，本实施方式与具体实施方 式二不同点在于载波跟踪装置7-2由相关器7-2-1、门限判决器7-2-2、频率跟 踪环7-2-3、相位跟踪环7-2-4、频率环路滤波器7-2-5、相位环路滤波器7-2-6 和第三载波发生器7-2-7组成；将接收到的载波信号与本地第三载波发生器 7-2-7发出的信号通过相关器7-2-1后进入到门限判决器7-2-2进行判决，频偏 值大于门限值，进入频率跟踪环7-2-3，再通过频率环路滤波器7-2-5将信号发 送给第三载波发生器7-2-7;频偏值小于或等于门限值，进入相位跟踪环7-2-4， 再通过相位环路滤波器7-2-6将信号发送给第三载波发生器7-2-7;第三载波发 生器7-2-7根据得到的信号调整发出信号。其它组成和连接方式与具体实施方 式二相同。
权利要求
1、中短波扩频无线电导航定位系统，它由分布在N个不同的已知位置的发射基站和导航接收机组成，其中N≥4；所述的发射基站由信息编码器(1)、调制装置(2)、滤波器(3)和功率放大器(4)组成；导航接收机由前置放大器(5)、射频处理模块(6)、捕获跟踪装置(7)、观测量提取模块(8)、信息解调器(9)和位置解算模块(10)组成；其特征在于信息编码器(1)将解码后的信息数据d(t)发送到调制装置(2)中；调制装置(2)由扩频调制器(2-1)、PN码发生器(2-2)、载波调制器(2-3)、载波发生器(2-4)组成；信息编码器(1)将信息数据以速率为fd的二进制数据流形式d(t)发送到扩频调制器(2-1)，扩频调制器(2-1)接收PN码发生器(2-2)所发出的速率为fc的伪随机序列PN(t)对解码后的信息数据d(t)进行调制，伪随机序列PN(t)为码长是L的二进制序列，其中解码后的信息数据d(t)和伪随机序列PN(t)的码元宽度关系为Td＝nLTc其中Td为解码后的信息数据d(t)的宽度；Tc为伪随机序列PN(t)中的一个码片宽度；n为伪随机序列PN(t)中码片的周期个数；扩频调制器(2-1)输出信号d(t)PN(t)传输到载波调制器(2-3)中；载波调制器(2-3)接收载波发生器(2-4)发出的功率为P、频率为ωl的载波信号对信号d(t)PN(t)进行载波调制，形成的模拟信号为
2、 根据权利要求1所述的中短波扩频无线电导航定位系统，其特征在于 捕获跟踪装置(7)由PN码捕获跟踪装置(7-l)和载波跟踪装置(7-2)组成；PN码 捕获跟踪装置(7-l)跟踪捕获到接收信息中伪码后，再通过载波跟踪装置(7-2)进行载波的跟踪，载波信号稳定后观测量提取模块(8)提取得到两两的发射基 站跟踪信号之间的时间差、，并同时通过信息解调器(9)解调N个发射基站的 位置信息。
3、 根据权利要求2所述的中短波扩频无线电导航定位系统，其特征在于 PN码捕获跟踪装置(7-1)由伪码捕获电路(7-1-1)和伪码跟踪电路(7-1-2)组成； 伪码捕获电路(7-l-l滩获的信息传输到伪码跟踪电斷7-l-2)中。
4、 根据权利要求3所述的中短波扩频无线电导航定位系统，其特征在于 伪码捕获电路(7-l-l)由第一载波发生器(a)、第一伪码发生器(b)、逻辑控制电路 (c)、第一积分清洗模块(d)、第二积分清洗模块(e)、第一平方模块①、第二平 方模块(g)和判决模块(h)组成；逻辑控制电路(c)调整本地第一伪码发生器(b)的伪码相位，使之与接收到 的伪码相位相差一个码元，再由本地第一伪码发生器(b)生成的两路相互正交 的本地伪码调制的本地第一载波发生器(a)所发出载波信号，调制得到/: S(/) = V5 尸A^ - f )cos(oy + 0 Q:柳=V&W(/ - f)sin(cv +汐)与放大滤波后接受信号= V5^0 - r)/W(/ - r) cos((a "(/) 其中输入信号中r为时延，^为频偏，"(O为噪声信号w(/) = V^(巧(/) sin 0/ + w2 (0 cos 一 ；进行相乘，形成两路/(/)，2W信号，并分别经过第一积分清洗模块(d)和第二积 分清洗模块(e)滤掉高频分量，得到『,(0 =崎-r)， - r)卿-f) cos(6V - n) + A, 『e (0 =缚-r)卿- r)iW(, - f) sin( / - r -争&再分别经过第一平方模块(f)和第二平方模块(g)进行包络检波后，进行相加输 出信号为将得到的信号输入到判决模块(h)中，在判决模块(h)中设定一个检测门限 ^，根据Z(,)与^关系进行捕获判决，当2(0^^，说明信号被捕获，传输到伪码跟踪电路(7-l-2);反之，通过逻辑控制电路(C)移动本地码序列相位，即调整第一载波发生器(a)和第一伪码发生器(b)的相位，进行下单元捕获。
5、 根据权利要求3所述的中短波扩频无线电导航定位系统，其特征在于 伪码跟踪电路(7-l-2)由第二载波发生器(A)、第二伪码发生器(B)、第三积分清 洗模块(C)、第四积分清洗模块(D)、第五积分清洗模块(E)、第六积分清洗模块 (F)、第三平方模块(G)、第四平方模块(H)、第五平方模块(I)、第六平方模块(J)、 环路滤波器(K)和码时钟(L)组成；由本地第二载波发生器(A)生成两路相互正交的载波信号与接收伪码捕获 电路(7-l-l)所捕获到的信号进行相乘形成/'，2'两路信号，本地第二伪码发生器 (B)产生超前滞后两路伪码信号分别与输入的/',2'两路信号相乘，形成超前/((A "("和滞后4(W,2;("共四组支路，将所述的四路信号分别经过第三积 分清洗模块(C)、第四积分清洗模块(D)、第五积分清洗模块(E)和第六积分清洗 模块(F)滤掉高频分量，再通过第三平方模块(G)、第四平方模块(H)、第五平方 模块(I)和第六平方模块(J)进行包络检波器后，将两路超前信号进行相加、两路 滞后信号进行相加，形成超前滞后的两个路信号，将所述超前滞后的两个路信 号进行相减，最后输出为跟踪误差信息<formula>formula see original document page 4</formula>通过环路滤波器(K)和码时钟(L)反馈给第二伪码发生器(B)，控制本地码片偏 移，来调整跟踪状态。
6、 根据权利要求2所述的中短波扩频无线电导航定位系统，其特征在于载波跟踪装置(7-2)由相关器(7-2-l)、门限判决器(7-2-2)、频率跟踪环(7-2-3)、相位跟踪环(7-2_4)、频率环路滤波器(7-2-5)、相位环路滤波器(7-2-6)和第三载波发生器(7-2-7)组成；将接收到的载波信号与本地第三载波发生器(7-2-7)发出的信号通过相关器(7-2-l)后进入到门限判决器(7-2-2)进行判决，频偏值大于门限值，进入频率跟踪环(7-2-3)，再通过频率环路滤波器(7-2-5)将信号发送给第三载波发生器(7-2-7);频偏值小于或等于门限值，进入相位跟踪环(7-2-4)，再通过相位环路滤波器(7-2-6)将信号发送给第三载波发生器(7-2-7);第三载波发 生器(7-2-7)根据得到的信号调整发出信号。
全文摘要
中短波扩频无线电导航定位系统，它涉及无线电领域，它解决了现有的无线电导航系统存在着抗干扰能力差、保密性弱和测量精度低的缺点。它是通过发射基站的信息编码器将解码后的信息数据发送到调制装置中；调制后得到的模拟信号经过滤波器和功率放大器形成无线电波向外连续辐射；导航接收机收到的N个无线电波被放大后的信号，其中N≥4；再通过射频处理模块变频为中频信号，传输到捕获跟踪装置中，观测量提取模块和信息解调器分别提取和检验捕获跟踪装置中的信息数据，传输到位置解算模块中完成位置解算。它能够有效抑制干扰，可靠性较高，采用相关捕获，载波跟踪，定位精度高，可满足区域内高精度定位需求，而且提高了导航定位范围。
文档编号G01S11/02GK101221237SQ20081006389
公开日2008年7月16日 申请日期2008年1月21日 优先权日2008年1月21日
发明者徐定杰, 锋 沈, 伟 王, 冰 薛, 郝燕玲, 韦金辰, 平 黄 申请人:哈尔滨工程大学