一种具有强抗干扰能力的无线电高精度跳频定位方法技术

本发明专利技术公开了一种具有强抗干扰能力的无线电高精度跳频定位方法，涉及无线电定位领域。首先在地面高点架设若干发射基站，确定各基站的地理位置坐标，各基站之间利用光纤同步或卫星导航差分技术进行时钟同步；然后确定各基站发出的无线电导航信号的跳频图谱，按跳频图谱调制和发射变频的无线电导航信号。最后用户接收机根据跳频图谱接收基站发射的跳频无线电导航信号，并进行信号解调与定位解算。本发明专利技术具有高抗干扰能力的高精度、大范围导航性能，满足在恶劣电磁环境下特殊导航用户的实时定位需求，保证用户定位的高可用性，可以有效保障军事、民航、高速高动态等特殊用户的需求，有效提高导航系统的可用性。

A high precision frequency hopping radio location method with strong anti-interference capability

The invention discloses a radio high-precision frequency hopping positioning method with strong anti-interference ability, which relates to the field of radio positioning. First of all, a number of transmitting base stations are set up at the high point of the ground to determine the location coordinates of each base station. Each base station uses optical fiber synchronization or satellite navigation differential technology to synchronize the clock. Then, the frequency hopping Atlas of the radio navigation signals from each base station is determined, and the radio navigation signals are modulated and transmitted according to the frequency hopping map. . Finally, the user receiver receives the frequency hopping radio navigation signal transmitted by the base station according to the frequency hopping spectrum, and demodulates and locates the signal. The invention has high precision and wide range navigation performance with high anti-interference ability. It meets the real-time positioning requirement of special navigation users in bad electromagnetic environment and ensures high availability of user positioning. It can effectively guarantee the needs of special users such as military, civil aviation, high speed and high dynamic and so on, and effectively improve the availability of navigation system.

【技术实现步骤摘要】
一种具有强抗干扰能力的无线电高精度跳频定位方法
本专利技术涉及无线电定位领域，在分析现有无线电导航系统及卫星导航系统基本性能、优缺点及抗干扰能力的基础上，提出一种具有强抗干扰能力的无线电高精度跳频定位方法。
技术介绍
无线电导航技术发展到今天，已经形成了较为完备的理论体系和非常广泛的应用领域。现有的无线电导航系统有十几种，按工作方式及应用的区别划分为：陆基大范围定位系统(罗盘、伏尔、测距器、塔康、罗兰C)、着陆系统(仪表着陆系统、微波着陆系统、卫星着陆系统、雷达引导着陆系统)、自主导航系统(调频式无线电高度表、脉冲式无线电高度表、多普勒导航系统)、卫星导航系统(GPS、GLONASS、Galileo、Beidou)及其增强系统、军用相对导航系统(定位报告系统、联合战术信息分发系统)等。以上五大类导航系统，在抗干扰、抗欺骗能力方面普遍存在较大不足，主要体现在以下几个方面：1)、其定位采用的频率基本都是固定、公开的频率，这样特别容易受到无意或故意的无线电信号干扰，使导航性能下降，甚至系统无法工作。2)、除卫星导航系统外，其它四类导航系统都是直接采用无线电波中的振幅、频率、时间或相位参数进行定位，这种外在明显的参数容易受到干扰、欺骗或攻击，使系统误差加大或功能丧失。3)、除自主导航系统外，其它四类导航系统的信号发射设备或导航台站，要么处于固定位置(陆基大范围定位系统、着陆系统)，要么轨迹已知(卫星导航系统)，要么在一定区域内移动(军用相对导航系统)，容易被侦测到其发射频率、信号功率及导航体制等系统参数，从而进行有针对性的干扰、攻击或欺骗等。4)、卫星导航系统及其增强系统，更是有着天然的脆弱性，由于导航卫星离地球表面至少2万公里，而发射功率只有几百瓦，导航信号到达地球表面时已经十分微弱，处于噪声电平以下，极易受到各种干扰，导致信号失效致使无法定位。美国为此提出过GPS的区域功率倍增计划，但难以解决根本问题。基于以上几个原因，无线电导航系统的性能下降、故障及失效，大多与环境因素及信号被干扰有关。如经常发生的卫星导航信号在开阔区域无法捕获跟踪定位，可能既有恶意的信号干扰，也有无意的信号频谱重叠；在机场周围也遇到过多次导航信号被干扰而无法使用的情况。而一旦处于紧急状态或战争环境，相信包括卫星导航在内的多数无线电导航系统，会由于导航信号被干扰而无法正常工作。因此，像对通信的抗干扰需求一样，对高抗干扰能力的定位技术需求也十分迫切。
技术实现思路
本专利技术针对上述无线电定位导航系统抗干扰能力低下的问题，提出了一种新的基于跳频的无线电大范围高精度定位方法，具体是一种具有强抗干扰能力的无线电高精度跳频定位方法。具体步骤如下：步骤一、根据被服务区域大小及环境特征，在地面高点架设若干发射基站，并确定各基站的地理位置坐标；基站在架设时需保证：被服务区域内的用户能够同时收到至少4个基站的信号，且各基站组成的定位网络使服务区域的DOP值尽量小。各基站的地理位置坐标通过事先标定或者采用GNSS差分技术获取。步骤二、各基站之间利用光纤同步或卫星导航差分技术进行时钟同步；地面基站的功能包括时钟同步和信号产生发射。时钟同步是指实现各基站原子钟之间的同步，实现方法有如下两种：光纤同步:利用光纤双向传输，双/多基站可互向对方传送时间信息进行双向定时；卫星导航差分技术同步：以卫星导航系统的系统时间作为基准，与各基站原子钟提供的时间进行比对得到差分值，对各基站的原子钟进行同步。步骤三、确定各基站发出的无线电导航信号的跳频图谱；跳频图谱包括定位体制和跳频体制；定位体制包括发送的无线电导航的信号种类、导航电文格式以及导航电文的内容；跳频体制是指先选择载波频率的可用范围，从可用范围内划分跳频频段并编号，按照标号选定跳频频段的伪随机码序列；具体为：综合电磁波在室外大区域空间和室内建筑墙体中的传播性能，电磁波在界面的透射性能，定位精度的需求和硬件实现难度等，计算信号在地球表面障碍物、建筑墙体中的衰减α，从而选择具体载波频率的可用范围；衰减α计算公式为：其中ε”＝ε，两者取值相同；ε'＝σ/ω，μ为磁导率、ε为墙体的介电常数、σ为电导率、ω为角频率，即衰减大小与频率成正比。然后，从可用范围内划分跳频频段用于导航，根据测距码的码速率确定跳频定位的频段宽度，按照在频段宽度大于导航可用跳频段的频率范围内，将导航可用跳频段尽量靠近，弃用尽量多的连续空闲频段这个原则，规划出可用导航频段的跳频段数量及相应的中心频率，建立跳频导航频段库，作为跳频图谱选择的依据。最后，利用由R级串联双态器件移位脉冲产生器和模二加法器组成的移位寄存器网络产生伪随机序列。步骤四、各发射基站按跳频图谱调制和发射变频的无线电导航信号。发射过程为:由测距码信号和导航电文进行直接序列扩频调制形成基带信号，然后以CPM方式调制到跳频图谱对应的跳频载波上，各基站以CDMA(码分多址)的形式在相同的跳频载波频率上发射信号，导航电文发布基站地址和钟差等导航信息。步骤五、用户接收机根据跳频图谱接收基站发射的跳频无线电导航信号，并进行信号解调与定位解算；具体步骤如下：步骤501、接收机根据跳频图谱对无线电导航信号进行捕获跟踪；步骤502、根据跳频体制采用CPM调制器对捕获跟踪的信号进行解调，得到码伪距和载波相位信息；采用码伪距不仅得到扩频增益，并且进行距离粗测后为载波相位的周跳探测和消除的解算提供支持。载波相位的波长通常为无线电导航信号的0.01-0.1倍。步骤503、使用载波相位采用加权平均法对码伪距进行载波平滑，提高码伪距的精度。步骤504、对平滑后的码伪距应用最小二乘法，在至少接收到4个基站的无线电导航信号时，解算出用户的定位结果。首先，根据接收到的4个基站的无线电导航信号，得到方程组：xj，yj，zj表示第j个基站的位置坐标，j＝1,2,3,4；xu，yu，zu表示用户接收机天线相位中心的位置，tu表示用户接收机的时钟误差，ρj表示第j个基站的码伪距，c代表光速。即每个观测站的伪距方程可写为：ρ＝r+ctu然后，伪距方程应用泰勒级数展开，并取一阶量，将伪距方程转化为线性方程后进行求解得到：Δρ＝H·Δx其中：最后，解算出xj，yj，zj的具体结果，得到用户的定位。本专利技术的优点在于：1)、一种具有强抗干扰能力的无线电高精度跳频定位方法，拟通过建立无线电调频导航系统，实现高抗干扰能力的高精度、大范围导航性能，满足在恶劣电磁环境下特殊导航用户的实时定位需求，保证用户定位的高可用性。2)、一种具有强抗干扰能力的无线电高精度跳频定位方法，能实现定位频率动态跳变，可避免多数无线电干扰。3)、一种具有强抗干扰能力的无线电高精度跳频定位方法，导航定位的跳频图谱可以公开(民用)，也可以加密(军用)。当定位信号的频率按一定规则变化时，可以避免无意或恶意的频谱重叠或干扰，不管是固定频率的干扰，或是变化频率的干扰，都不会经常对定位功能及性能造成影响，尤其增加了恶意干扰的难度。4)、一种具有强抗干扰能力的无线电高精度跳频定位方法，定位信号采用CPM调制，信号能量更集中于中心频率处，旁瓣衰减更快，对邻道干扰少，可降低信号的有效带宽；有效带宽窄，可划分更多频段用于跳频。5)、一种具有强抗干扰能力的无线电高精度跳频定位方法，采用伪随机码本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种具有强抗干扰能力的无线电高精度跳频定位方法，其特征在于，具体步骤如下：步骤一、根据被服务区域大小及环境特征，在地面高点架设若干发射基站，并确定各基站的地理位置坐标；步骤二、各基站之间利用光纤同步或卫星导航差分技术进行时钟同步；地面基站的功能包括时钟同步和信号产生发射；步骤三、确定各基站发出的无线电导航信号的跳频图谱；跳频图谱包括定位体制和跳频体制；定位体制包括发送的无线电导航的信号种类、导航电文格式以及导航电文的内容；跳频体制是指先选择载波频率的可用范围，从可用范围内划分跳频频段并编号，按照标号选定跳频频段的伪随机码序列；具体为：综合电磁波在室外大区域空间和室内建筑墙体中的传播性能，电磁波在界面的透射性能，定位精度的需求和硬件实现难度，计算信号在地球表面障碍物、建筑墙体中的衰减α，从而选择具体载波频率的可用范围；衰减α计算公式为：

【技术特征摘要】
1.一种具有强抗干扰能力的无线电高精度跳频定位方法，其特征在于，具体步骤如下：步骤一、根据被服务区域大小及环境特征，在地面高点架设若干发射基站，并确定各基站的地理位置坐标；步骤二、各基站之间利用光纤同步或卫星导航差分技术进行时钟同步；地面基站的功能包括时钟同步和信号产生发射；步骤三、确定各基站发出的无线电导航信号的跳频图谱；跳频图谱包括定位体制和跳频体制；定位体制包括发送的无线电导航的信号种类、导航电文格式以及导航电文的内容；跳频体制是指先选择载波频率的可用范围，从可用范围内划分跳频频段并编号，按照标号选定跳频频段的伪随机码序列；具体为：综合电磁波在室外大区域空间和室内建筑墙体中的传播性能，电磁波在界面的透射性能，定位精度的需求和硬件实现难度，计算信号在地球表面障碍物、建筑墙体中的衰减α，从而选择具体载波频率的可用范围；衰减α计算公式为：其中ε”＝ε，两者取值相同；ε'＝σ/ω，μ为磁导率、ε为墙体的介电常数、σ为电导率、ω为角频率，即衰减大小与频率成正比；然后，从可用范围内划分跳频频段用于导航，根据测距码的码速率确定跳频定位的频段宽度，按照在频段宽度大于导航可用跳频段的频率范围内，将导航可用跳频段尽量靠近，弃用尽量多的连续空闲频段这个原则，规划出可用导航频段的跳频段数量及相应的中心频率，建立跳频导航频段库，作为跳频图谱选择的依据；最后，利用由R级串联双态器件移位脉冲产生器和模二加法器组成的移位寄存器网络产生伪随机序列；步骤四、各发射基站按跳频图谱调制和发射变频的无线电导航信号；步骤五、用户接收机根据跳频图谱接收基站发射的跳频无线电导航信号，并进行信号解调与定位解算；具体步骤如下：步骤501、接收机根据跳频图谱对无线电导航信号进行捕获跟踪；步骤502、根据跳频体制采用CPM调制器对捕获跟踪的信号进行解调，得到码伪距和载波相位信息；采用码伪距不仅得到扩频增益，并且进行距离粗测后为载波相位的周跳探测和消除...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄智刚，刘志杰，包俊杰，杨甜甜，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京,11