平流层定位导航的方法和系统技术方案

本发明专利技术提供了一种平流层定位导航的方法和系统，系统由多个平流层飞艇、多个地面微波转发站和地面控制站，以及用户接收机组成，每个飞艇向至少三个微波转发站发射微波信号，转发站将其转发回飞艇，利用信号传播的时间信息计算出飞艇的位置和速度，建立和维持以飞艇为平台的动态大地基准；每个飞艇向地面控制站发射微波信号，地面控制站将该信号转发回飞艇并调制上本地时间，飞艇利用该传播的时间信息和控制站的时间信息，计算出自己的时钟改正并进行校准，建立用户定位导航的时间基准；飞艇将自身的位置信息和时间信息等编码后，以载波形式向地面播发定位信号，用户接收机收到至少四个飞艇播发的定位信号后，实现自主定位和导航。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种定位导航的方法和系统。尤其涉及一种利用平流层飞艇来实现定位导航的方法和系统。
技术介绍
上个世纪下半叶，随着全球卫星定位系统(GPS)的广泛应用，以GPS为代表的全球卫星导航系统迅速地深入到人类生活的各个领域，极大地提高了生产效率。GPS系统是具有全球性、全能性(陆地、海洋、航空与航天)、全天候性优势的导航、定位、授时、测速系统。但迄今为止，全球正式投入运营的只有美国的GPS和俄国的GLONASS两大定位系统，且分别由美国和俄罗期的军方管理和控制。由军方控制的GPS和GLONASS系统，一般用户只能获得一般的定位服务，信号的安全性的可靠性都是没有保证的，一旦信号错误或信号被关闭，对用户造成的影响是难以估计的。为了打破这种依赖性，我国也在自行研发基于卫星的定位导航系统，但是卫星导航系统价格昂贵，维护费用十分巨大，而且也存在风险，因而有必要提供一种成本低并且能够保证定位精度的定位导航系统。利用平流层飞艇来实现定位导航就是其中的一种方案。平流层定位的最大优势在于它的功能与GPS卫星类似，能够全天候提供实时三维定位导航和授时服务，但是建设和维护成本却要比GPS低很多。再者平流层定位系统由于完全受自己国家的控制，所以它的可靠性和安全性要比使用美国的GPS要高得多。至目前为止，还没有公开的平流层定位导航的方法和系统。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是提供一种平流层定位导航的方法和系统。为了解决上述技术问题，本专利技术提供了一种平流层定位导航的方法，包括以下步骤(a)构建包括多个平流层飞艇，多个地面微波转发站和地面控制站，以及用户定位导航接收机的系统；(b)每个飞艇向至少三个地面微波转发站发射微波信号，所述地面微波转发站再将该信号转发回飞艇，利用信号传播的时间信息计算出飞艇的位置和速度，建立和维持以飞艇为平台的动态大地基准；(c)每个飞艇向为其提供时间基准的地面控制站发射微波信号，该地面控制站将该信号转发回飞艇并调制上自己的时间信息，飞艇利用该信号传播的时间信息和解调出的控制站的时间信息，计算出自己的时钟改正并进行校准，建立用户定位导航的时间基准；(d)飞艇将自身的位置信息和时间信息编码后，以载波形式向地面播发用户定位信号，用户定位导航接收机收到至少四个飞艇播发的该定位信号后，实现自主定位和导航。进一步地，上述方法可具有以下特点所述步骤(b)进一步包括以下步骤(b1)飞艇向至少三个的地面微波转发站发射微波信号；(b2)所述地面微波转发站接收到该微波信号后，进行放大，调制上自己的硬件延迟后转发回飞艇；(b3)飞艇观测至少三个所述地面微波转发站的返回信号时，利用预存的所述地面微波转发站的大地坐标，所述微波信号的发射、接收时刻及解调出的所述硬件延迟，计算出飞艇至所述至少三个地面微波转发站的距离，进而确定飞艇的三维位置和速度。进一步地，上述方法可具有以下特点所述飞艇在计算所述信号传播时间和飞艇位置时还进行大气延迟、相对论效应以及飞艇与地球之间的相对运动的改正。进一步地，上述方法可具有以下特点所述步骤(c)进一步包括以下步骤(c1)飞艇向为其提供时间基准的地面控制站发射微波信号；(c2)所述地面控制站接收到该信号后，将自身的硬件延迟和转发时刻调制到该信号上，并转发回飞艇；(c3)飞艇收到所述转发回的信号后，解调出所述地面控制站上的硬件延迟和转发时刻，计算出飞艇的时钟改正，对飞艇时钟进行同步校准。进一步地，上述方法可具有以下特点还包括一个时间基准在整个系统中的传递过程，包括以下步骤建立一个有高精度原子钟的地面控制站作为主控制站，并在系统中指定若干个用于传递时间基准的飞艇和地面控制站一起作为时间基准的传递单元，从主控站开始，按控制站到飞艇，飞艇到控制站的方式组成传递链，所述主控制站作为最初的已校准单元；在传递链上，待校准单元向已校准单元发射微波信号，已校准单元接收后将硬件延迟和转发时刻调制到该信号上，然后转发给该待校准单元，该待校准单元接收到转发回的信号后，解调出所述该已校准单元上的硬件延迟和转发时刻，计算出时钟改正并完成校准，然后成为已校准单元；完成传递链上所有单元的时间校准后，完成一次时间校准，整个飞艇定位导航系统根据系统高稳定原子钟的稳定程度，定期进行上述的时间校准，以维护整个系统的时间统一。为了解决以上技术问题，本专利技术又提供了一种平流层定位导航系统，其特征在于，包括地面微波转发站和地面控制站、平流层飞艇以及用户定位导航接收机，其中所述地面微波转发站配备有微波信号转发处理装置，用于通过微波信号收发天线接收来自飞艇的微波测距信号，进行放大后，调制上自己的硬件延迟后再转发回飞艇；所述地面控制站配备有微波信号转发处理装置，用于通过微波信号收发天线接收来自飞艇的微波测距信号，进行放大后，调制上自己的硬件延迟和转发时刻，再转发回飞艇；所述平流层飞艇进一步包括定位装置、同步校准装置和星历生成装置，其中该定位装置用于利用微波信号收发天线向至少三个的地面微波转发站发射微波测距信号，接收到至少三个所述微波转发站转发回的信号后，计算飞艇的位置和速度；该同步校准装置用于利用微波信号收发天线向为其提供时间基准的地面控制站发射微波信号并接收返回信号，解调出地面控制站的转发时刻和硬件延迟，进行飞艇时钟的同步校准；该星历生成装置用于以一定的频率计算飞艇的位置信息和经过同步后的时刻，得到飞艇轨道星历，编码调制生成载波形式的用户定位信号并播发；所述用户定位导航接收机用于接收来自至少四个的飞艇定位信号，实现自主定位和导航。进一步地，上述系统可具有以下特点所述飞艇配备高稳定晶振，在用于传递时间基准的若干飞艇上还设置有微波转发处理装置，用于通过微波信号收发天线接收来自地面控制站的微波信号，进行放大后，调制上自己的硬件延迟和时间信息再转发回地面控制站；并且，所述地面控制站中只有一个主控制站配有提供时间基准的高稳定原子钟，其它地面控制站则配置高稳定晶振和同步校准装置，该同步校准装置用于利用微波收发天线向提供时间基准的飞艇发射上行微波信号，并接收该飞艇转发回的调制了飞艇转发时刻和硬件延迟的下行信号，计算出本地的时钟改正，完成时钟校准。进一步地，上述系统可具有以下特点所述飞艇的定位装置中还设有微波辐射计，所述地面控制站设有气象自动记录仪。由上可知，本专利技术平流层定位导航的方法和系统可实现平流层飞艇自主定位、导航和时钟高精度校准，利用飞艇全天候、无间断播发的定位信号，安装了用户定位导航接收机的运动载体(包括手持式)可实现自主实时定位、导航和姿态测定，并且用户数量永远不会饱和。附图说明图1所示为本专利技术实施例平流层定位导航系统示意图。图2所示为本专利技术实施例飞艇自主定位导航子系统示意图。图3所示为本专利技术实施例时间基准传递过程的示意图。图4所示为本专利技术实施例飞艇时钟同步校准过程的示意图。具体实施例方式如图1所示，本专利技术实施例平流层定位导航系统由多个地面控制站10和多个地面微波转发站20组成的地面支持系统、平流层飞艇30和用户定位导航接收机40组成。其中地面微波转发站是配备有微波信号转发处理装置的大地控制点，该微波信号转发处理装置通过全向微波信号收发天线接收来自飞艇的微波测距信号，进行放大并调制上硬件延迟(包括接收延迟、发射延迟等)，再转发回飞艇，硬件延本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种平流层定位导航的方法，包括以下步骤：（ａ）构建包括多个平流层飞艇，多个地面微波转发站和地面控制站，以及用户定位导航接收机的系统；（ｂ）每个飞艇向至少三个地面微波转发站发射微波信号，所述地面微波转发站再将该信号转发回飞艇， 利用信号传播的时间信息计算出飞艇的位置和速度，建立和维持以飞艇为平台的动态大地基准；（ｃ）每个飞艇向为其提供时间基准的地面控制站发射微波信号，该地面控制站将该信号转发回飞艇并调制上自己的时间信息，飞艇利用该信号传播的时间信息和解调出 的控制站的时间信息，计算出自己的时钟改正并进行校准，建立用户定位导航的时间基准；（ｄ）飞艇将自身的位置信息和时间信息编码后，以载波形式向地面播发用户定位信号，用户定位导航接收机收到至少四个飞艇播发的该定位信号后，实现自主定位和导航。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：党亚民，林宗坚，章传银，高星伟，孙杰，
申请(专利权)人：中国测绘科学研究院，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]