一种基于ADS-B机会信号的定位方法技术

一种基于ADS‑B机会信号的定位方法，其包括飞机通过不同种类的数据帧广播不同类别的ADS‑B机会信号，利用FFT算法对该信号集合分别进行粗略地频率估计，可得到多普勒频移的粗测量值；采用最大似然法对信号的多普勒频移进行精确估计；对ADS‑B机会信号的数据域信息进行解码，获取精确的飞机空中位置坐标信息；基于多普勒效应及伪距单点定位原理，建立瞬时多普勒定位数学模型；最终结合飞机空中位置坐标信息实现基于飞机ADS‑B机会信号的接收机静态定位等步骤。本发明专利技术能够利用飞机向外广播的ADS‑B机会信号进行瞬时多普勒定位，可用于GNSS信号处于具有挑战性环境下的定位解算。

【技术实现步骤摘要】
一种基于ADS-B机会信号的定位方法
本专利技术涉及一种基于ADS-B机会信号的定位方法，属于机会信号导航定位

技术介绍
全球导航卫星系统(GNSS)已经发展比较成熟，具有全球性、全天候和连续的精密三维定位能力，已成为应用范围最广、定位精度最高的导航定位手段。尽管GNSS有着不可替代的优势，但天基信号固有的局限性使得这些卫星信号很容易被地面障碍物阻挡或吸收，特别是在室内和城市密集区等复杂环境中效果不理想，并且需要进行大量的基础设施建设。而机会信号导航系统可有效地弥补这些缺点。机会信号导航系统主要由信号基站和用户部分组成，信号基站主要利用已经建成的各类信号基站，被动式联合定位，不影响基站的其他功能；用户部分主要根据各类信号特点和用户需求进行开发。机会信号导航技术是无线电导航的进一步发展，利用现成的信号基站和基础设备，既可以作为现有导航系统的辅助系统，也可以独立实现导航定位，具有频带宽，抗干扰能力强，可靠性高，造价低廉，应用范围广等特点。目前，国内对移动通信、调频广播、数字电视、WI-FI等典型陆基机会信号研究较多。但是，由于陆基机会信号设施大部分覆盖在人口较密集的城市区域，在海洋、沙漠、偏远区域覆盖性不足。
技术实现思路
为了解决上述问题，本专利技术的目的在于提供一种基于ADS-B机会信号的定位方法。为了达到上述目的，本专利技术提供的基于ADS-B机会信号的定位方法包括按顺序进行的下列步骤：1)飞机利用ADS-B发射机通过不同种类的数据帧发射不同类别的ADS-B机会信号，包括空中位置信号、空中速度信号和身份消息信号，接收机接收信号；2)利用FFT算法对上述所有ADS-B机会信号进行频率估计，得到一组信号的频率估计值，接收信号的频率估计值取所有ADS-B机会信号的频率估计值的均值，计算得到多个多普勒频移的粗测量值；3)在相邻频率带宽内采用最大似然法对上述多个多普勒频移的粗测量值进行精确估计，获得接收信号的多普勒频移测量向量；4)基于步骤1)中获得的空中位置信号的数据域信息，通过解码方式获取飞机在大地坐标系下的空中位置坐标信息；5)结合步骤3)获得的接收信号的多普勒频移测量向量，基于多普勒效应及定位原理，建立瞬时多普勒定位数学模型；6)将步骤3)获得的接收信号的多普勒频移测量向量和步骤4)获得的飞机在大地坐标系下的空中位置坐标信息输入上述步骤5)获得的瞬时多普勒定位数学模型中，瞬时多普勒定位数学模型的输出即为接收机的定位坐标。在步骤1)中，所述接收机t时刻的接收信号si(t)可以表示为：其中Pi、Di(t)、fri和φi分别为第i条ADS-B机会信号的功率、基带信号、载波频率和初始相位；ei(t)为复高斯白噪声。对t时刻的接收信号si(t)进行采样得到t时刻的离散信号si(n)。在步骤3)中，所述在相邻频率带宽内采用最大似然法对上述多个多普勒频移的粗测量值进行精确估计，获得接收信号的多普勒频移测量向量的具体方法如下：基于最大似然法，构造最大似然函数如下：其中，L(f)为最大似然函数；f为信号的频率估计值；s(n)为离散信号，则可得到接收信号频率的最大似然估计量，即接收信号的最优频率估计值；基于上述步骤获得的多个接收信号的最优频率估计值构成接收信号的频率向量计算得到接收信号的多普勒频移测量向量fd为：其中，f0为ADS-B发射机中心频率向量。在步骤5)中，所述结合步骤3)获得的接收信号的多普勒频移测量向量，基于多普勒效应及定位原理，建立瞬时多普勒定位数学模型的具体方法如下：5.1)多普勒频移能够体现发射信号的飞机与接收信号的接收机之间伪距变化率的大小，则接收信号的多普勒频移测量向量fd与伪距变化率向量之间的关系可表示为：其中，b为已测量的伪距向量；λ为载波信号波长；5.2)设立伪距线性观测方程为：Δb＝GΔx+ε(5)其中，Δb为先验伪距测量偏差向量；b为已测量的伪距向量；为预测的伪距向量；G为雅可比矩阵；ε为伪距观测及线性化误差向量；5.3)对上述伪距线性观测方程求导可得：其中，令为状态向量；ε'为误差变化向量；5.4)根据接收机多普勒经典定速线性方程有：其中，为接收机的速度状态量；为接收机的钟漂状态量；5.5)根据多普勒频率和接收机位置之间的关系有：其中，x(n)为飞机n的坐标，xr0为接收机的先验位置坐标，I(n)为飞机n在接收机处的单位观测矢量；5.6)基于步骤3)获得的接收信号的多普勒频移测量向量fd，令为伪距变化率向量；为预测的伪距变化率向量；基于式(5)、式(6)、式(7)及式(8)，可得瞬时多普勒定位数学模型为：式中，为飞机速度减去飞机视距方向的速度分量比上视距几何距离；v(n)为飞机n的速度向量。本专利技术与现有技术相比的优点在于：第一，
技术介绍
中GNSS全球导航卫星信号较弱，易受干扰和攻击，并且需要进行大量的基础设施建设，本专利技术中机会信号导航系统利用现有的信号基站，无需建立额外的发射机，造价低廉，并且抗干扰能力强；第二，
技术介绍
中典型陆基机会信号覆盖范围有限，且存在可用性限制，本专利技术充分利用飞机发射的ADS-B机会信号实现接收机定位；第三，本专利技术中直接解码ADS-B机会信号的空中位置消息即可获得精确的飞机三维坐标信息，有利于获得较高的定位精度。附图说明图1为本专利技术提供的基于ADS-B机会信号的定位方法流程图；具体实施方式如图1所示，本专利技术提供的基于ADS-B机会信号的定位方法包括按顺序进行的下列步骤：1)飞机利用ADS-B发射机通过不同种类的数据帧发射不同类别的ADS-B机会信号，包括空中位置信号、空中速度信号和身份消息信号，不同种类的数据帧格式基本相同，ADS-B机会信号的发射频率约为每秒6.2条，接收机接收信号；接收机t时刻的接收信号si(t)可以表示为：其中Pi、Di(t)、fri和φi分别为第i条ADS-B机会信号的功率、基带信号、载波频率和初始相位；ei(t)为复高斯白噪声。对t时刻的接收信号si(t)进行采样得到t时刻的离散信号si(n)。2)利用FFT算法对上述所有ADS-B机会信号进行频率估计，得到一组信号的频率估计值，接收信号的频率估计值取所有ADS-B机会信号的频率估计值的均值，计算得到多个多普勒频移的粗测量值；3)在相邻频率带宽内采用最大似然法(ML)对上述多个多普勒频移的粗测量值进行精确估计，获得接收信号的多普勒频移测量向量；基于最大似然法，构造最大似然函数如下：其中，L(f)为最大似然函数；f为信号的频率估计值；s(n)为离散信号，则可得到接收信号频率的最大似然估计量，即接收信号的最优频率估计值。基于上述步骤获得的多个接收信号的最优频率估计值构成接收信号的频本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于ADS-B机会信号的定位方法，其特征在于：所述的基于ADS-B机会信号的定位方法包括按顺序进行的下列步骤：/n1)飞机利用ADS-B发射机通过不同种类的数据帧发射不同类别的ADS-B机会信号，包括空中位置信号、空中速度信号和身份消息信号，接收机接收信号；/n2)利用FFT算法对上述所有ADS-B机会信号进行频率估计，得到一组信号的频率估计值，接收信号的频率估计值取所有ADS-B机会信号的频率估计值的均值，计算得到多个多普勒频移的粗测量值；/n3)在相邻频率带宽内采用最大似然法对上述多个多普勒频移的粗测量值进行精确估计，获得接收信号的多普勒频移测量向量；/n4)基于步骤1)中获得的空中位置信号的数据域信息，通过解码方式获取飞机在大地坐标系下的空中位置坐标信息；/n5)结合步骤3)获得的接收信号的多普勒频移测量向量，基于多普勒效应及定位原理，建立瞬时多普勒定位数学模型；/n6)将步骤3)获得的接收信号的多普勒频移测量向量和步骤4)获得的飞机在大地坐标系下的空中位置坐标信息输入上述步骤5)获得的瞬时多普勒定位数学模型中，瞬时多普勒定位数学模型的输出即为接收机的定位坐标。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于ADS-B机会信号的定位方法，其特征在于：所述的基于ADS-B机会信号的定位方法包括按顺序进行的下列步骤：
1)飞机利用ADS-B发射机通过不同种类的数据帧发射不同类别的ADS-B机会信号，包括空中位置信号、空中速度信号和身份消息信号，接收机接收信号；
2)利用FFT算法对上述所有ADS-B机会信号进行频率估计，得到一组信号的频率估计值，接收信号的频率估计值取所有ADS-B机会信号的频率估计值的均值，计算得到多个多普勒频移的粗测量值；
3)在相邻频率带宽内采用最大似然法对上述多个多普勒频移的粗测量值进行精确估计，获得接收信号的多普勒频移测量向量；
4)基于步骤1)中获得的空中位置信号的数据域信息，通过解码方式获取飞机在大地坐标系下的空中位置坐标信息；
5)结合步骤3)获得的接收信号的多普勒频移测量向量，基于多普勒效应及定位原理，建立瞬时多普勒定位数学模型；
6)将步骤3)获得的接收信号的多普勒频移测量向量和步骤4)获得的飞机在大地坐标系下的空中位置坐标信息输入上述步骤5)获得的瞬时多普勒定位数学模型中，瞬时多普勒定位数学模型的输出即为接收机的定位坐标。


2.根据权利要求1所述的基于ADS-B机会信号的定位方法，其特征在于：在步骤1)中，所述接收机t时刻的接收信号si(t)可以表示为：



其中Pi、Di(t)、fri和φi分别为第i条ADS-B机会信号的功率、基带信号、载波频率和初始相位；ei(t)为复高斯白噪声；
对t时刻的接收信号si(t)进行采样得到t时刻的离散信号si(n)。


3.根据权利要求1所述的基于ADS-B机会信号的定位方法，其特征在于：在步骤3)中，所述在相邻频率带宽内采用最大似然法对上述多个多普勒频移的粗测量值进行精确估计，获得接收信号的多普勒频移测量向量的具体方法如下：
基于最大似然法，构造最大似然函数如下：



其中，L(f)为...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈万通，汪竹青，
申请(专利权)人：中国民航大学，
类型：发明
国别省市：天津;12