一种基于天基随机无线电信号的定位导航系统技术方案

本发明专利技术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，其中地面基准站网络由多个已知坐标位置的监测基准站、站间通信网络和数据处理中心构成；用户终端，侦听天基非导航卫星下行无线电信号并经由站间通信网络发送给数据处理中心；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站间通信网络发送给数据处理中心；数据处理中心，根据监测基准站发送的信号，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；根据用户终端发送的信号，基于时延特征时空分布模型，匹配/解算用户终端的位置，实现定位导航。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。

【技术实现步骤摘要】
一种基于天基随机无线电信号的定位导航系统
本专利技术属于无线电导航通信
，具体涉及一种基于天基随机无线电信号的定位导航系统。
技术介绍
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。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术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。实现本专利技术的技术方案如下：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，本专利技术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，本专利技术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，本专利技术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，本专利技术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，本专利技术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。根据本专利技术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本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于天基随机无线电信号的定位导航系统，其特征在于，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、站间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站间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站间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，利用监测基准站间的相对时延，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的位置；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，计算用户终端的位置，实现用户终端的定位导航。

【技术特征摘要】
1.一种基于天基随机无线电信号的定位导航系统，其特征在于，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、站间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站间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站间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，利用监测基准站间的相对时延，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的位置；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，计算用户终端的位置，实现用户终端的定位导航。2.根据权利要求1所述基于天基随机无线电信号的定位导航系统，其特征在于，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。3.根据权利要求2所述基于天基随机无线电信号的定位导航系统，其特征在于，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。4.根据权利要求2所述基于天基随机无线电信号的定位导航系统，其特征在于，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。5.根据权利要求1所述基于天基随机无线电信号的定位导航系统，其特征在于，所述地面基准网络监测基准站数目与几何布设，为根据热点服务区地理环境、覆盖范围及服务精...

【专利技术属性】
技术研发人员：袁洪，罗瑞丹，徐颖，欧阳光洲，袁超，唐阳阳，袁杰，汪建明，
申请(专利权)人：中国科学院光电研究院，
类型：发明
国别省市：北京,11