一种长波定位方法、系统、存储介质、计算机设备及终端技术方案

本发明专利技术属于长波定位技术领域，公开了一种长波定位方法、系统、存储介质、计算机设备及终端，参考站和定位终端分别接收到同一发射站发射的MSK长波信号，处理得到信号参数；参考站通过MSK长波信号参数计算得到距离差；参考站反向定位得到发射站位置；定位终端计算自身到达发射站距离；定位终端计算自身坐标。相较于传统长波定位系统，本发明专利技术需要已知长波信号的信息格式，具有更高的独立性和稳定性；相较于传统长波定位系统，定位精度更高；引入参考站概念，可通过参考站反向定位发射站，进一步可以利用位置坐标的发射站进行定位；定位终端可以不发射信号，实现无线电静默，提高了自身的隐蔽性。蔽性。蔽性。

【技术实现步骤摘要】
一种长波定位方法、系统、存储介质、计算机设备及终端


[0001]本专利技术属于长波定位
，尤其涉及一种长波定位方法、系统、存储 介质、计算机设备及终端。

技术介绍

[0002]近年来，随着我国社会以及科技的迅速发展，获取准确的指定位置信息已 经成为社会生活、军事对抗中的重要需求。
[0003]当前，卫星导航技术已经广泛应用于各行各业，但是由于卫星信号功率微 弱，极易受到外界噪声的阻断和人为干扰而失效；现有无线定位技术可以作为 卫星导航的有效补充，但这些无线定位系统，常常需要发射站和定位终端之间 配合，才能完成定位，在特殊时期抗干扰和抗摧毁能力弱。
[0004]我国具有广阔的疆域和海域，在广阔的国土上精准的获取位置信息已经成 为了交通导航，甚至是军事用途中的重要环节。目前常用的定位方式有GNSS 定位、无线电定位、蓝牙WiFi融合定位，其中无线电定位又分为短波定位和长 波定位。
[0005]1、GNSS定位
[0006]GNSS定位法基于卫星信号，在多种卫星定位系统中，美国的GPS系统技术最 为成熟，其他应用广泛的系统还有欧洲的伽利略系统(Galileo)，中国的北斗 系统(Beidou)等。GNSS定位通常采用地心坐标系，通过卫星信号携带的C/A 码或P码，完成伪距测量，进行多圆相交定位，计算位置方程至少需要4颗卫 星进行配合；既能够通过广播星历实时播报大致位置，也能够通过长时间的解 算精密星历，消除误差得到精准的位置信息；但卫星信号存在受大气环境的影 响较大、接收功率弱、抗干扰能力弱等缺点，这导致GNSS系统定位的可靠性 以及稳定性下降。
[0007]2、无线电定位
[0008]无线电定位是用无线电设备确定车辆、舰船、飞机以及任何其他持有定位 终端目标的坐标的技术。从人们发现电磁波之后，无线电定位就得到了迅速的 发展和广泛的应用。早在第一次世界大战期间，无线电定位已经被首先应用在 海上，欧洲各国在海岸上开始安装发射出连续无线电波的无线电信标台，当船 只离岸在一定距离以内时，如果能测出两个或两个以上信标的方向时，就可以 根据这些方向的交点找到自己船只的位置；在第二次世界大战期间，出现了罗 兰——A(Loran——A)系统。罗兰——A系统使用脉冲信号，脉冲载频大约 2MHz，主要应用做船只定位导航。在海岸上布设一系列岸台，以一定的重复周 期相互同步的发射脉冲信号。船载接收机收到来自两个台的信号之后便可测出 这些信号到达的时间差，乘以光速换算成距两个台的距离差。利用这个差值就 可以知道船只位于以两个台为焦点的某条双曲线上，再测出到另外两个台的位 置得到另外一条双曲线，两条双曲线的交点就是船只的位置。
[0009]而后20世纪50年代末期，美国海岸警卫队在罗兰——A的基础上改进研 制成功了罗兰——C系统，其与罗兰——A系统原理类似，但除利用脉冲包络之 外，还利用了脉冲载
频相位，完成各台站之间的同步和为用户接收机测量时间 差，通过双曲线定位法进一步定位，大大提高了定位精度。当信噪比为
‑
5dB时， 定位精度达到460米，重复精度18至90米。同时提供授时信号，精度达到微 秒量级。
[0010]罗兰——A和罗兰——C系统利用脉冲包络和相位测距，可以连续准确地 给出船只的位置，相比于上一代的海用无线电信标系统有着极大的优势，于是 很快取代了海用无线电信标的位置，成为重要的海用导航系统，提高了定位精 度的罗兰——C系统更是应用于美国的内陆航空导航定位，并一直沿用至今。
[0011]3、蓝牙WiFi融合定位
[0012]苹果公司在2013年推出了iBeacon技术，推动了蓝牙定位的发展。蓝牙定 位技术主要使用信号强度法，其原理是通过获得的蓝牙信号强度反推与发射点 的距离，然后通过三边定位进行定位推算。但是由于蓝牙信号容易受到室内环 境影响，造成接收信号不稳定，造成定位结果并不精准。
[0013]单一定位技术往往无法满足定位精度的需要，多技术融合定位成为新的研 究热点。2015年，中山大学卢志泳教授提出一种融合蓝牙、WiFi和音频的定位 方案，该方案首先使用WiFi指纹定位得到初步定位结果，然后利用蓝牙和音频 定位技术对WiFi定位结果进行修正，不过该方法需要大量声波定位设备，整体 成本较高。2017年，Kanaris L等提出了一种新的蓝牙与WiFi融合定位方法， 该方法首先根据蓝牙信号在空气中的传播模型将接收信号强度转换成待定位点 与蓝牙信号发射点的距离，然后利用接收信号强度相对于蓝牙设备的邻近性过 滤原始WiFi指纹得到新的WiFi指纹库，最后利用新的WiFi指纹库进行WiFi 指纹定位计算，由于蓝牙接近法确定的区域过于粗略，虽然这种方法能在一定 程度上提高定位精度，但是这种融合定位效果也不是很理想。
[0014]卫星定位系统虽然精度较高，但是需要接收卫星信号以及参考站信号，用 以测量伪距、获取星历以及差分补偿信息，对外界信号的依赖程度高。卫星信 号在空间区段、运行与控制区段、用户区段都可能遭受干扰，其中在用户区段 抗电磁干扰能力弱成为了致命缺点；且卫星通常只有几十瓦的发射功率，并且 要经过20220km的距离到达地球表面的接收机，而干扰信号离接收机距离更近、 功率更大。因此，卫星定位系统易受干扰，可靠性不强，需要其他定位系统作 为卫星定位系统的后备系统，保证定位功能的可靠性。同时，卫星定位系统需 要发射多颗卫星才可以搭建，过程复杂，建设周期长，成本和维护费用也很高。
[0015]陆基无线电定位系统具有卫星定位系统不可替代的优势，虽然在覆盖范围 和精度方面有所缺陷，但是该系统搭建方便，成本低，依托地面基站组网定位 在某些场景下具有更高的可靠性和稳定性。但是现有的无线定位系统，发射站 和定位终端之间构成一个系统，发射站的特性包含在发射无线信号中，且定位 终端完全已知，即定位终端与发射站是配合完成定位的。
[0016]蓝牙WiFi融合定位中，尽管现有的WiFi定位技术、蓝牙定位技术和WiFi 和蓝牙融合的定位技术有一定的发展，但它们仍存在一些缺点：单模块定位精 度差，多模块融合定位复杂度高，仅适用于小范围内的定位，与本专利技术预期完 成的目标功能不匹配。
[0017]为增强定位系统的可靠性，在卫星导航系统失效或者现有无线定位系统失 效的时候，提供定位的功能，同时提高定位系统的灵活性，亟需设计一种新的 长波定位方法及系统，以弥补现有技术的缺陷。
[0018]通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：
[0019](1)现有卫星定位系统受大气环境的影响较大、接收功率弱、抗干扰能力 弱，可靠性和稳定性不强，对外界信号的依赖程度高；同时卫星定位系统需要 发射多颗卫星才可以搭建，过程复杂，建设周期长，成本和维护费用也很高。
[0020](2)现有无线定位系统在覆盖范围和精度方面有所缺陷，常常需要发射站 和定位终端之间配合，才能完成定位，在特殊时期抗干扰和抗摧毁能力弱。
[0021](3)现有的蓝本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种长波定位方法，其特征在于，所述长波定位方法包括：参考站处理MSK长波信号，完成反向定位发射站功能；定位终端处理MSK长波信号，完成目标位置获取功能。2.如权利要求1所述的长波定位方法，其特征在于，所述长波定位方法包括以下步骤：步骤一，接收站中的参考站和定位终端分别接收到同一发射站发射的MSK长波信号，处理得到信号参数；步骤二，参考站通过MSK长波信号参数计算得到距离差；步骤三，参考站反向定位得到发射站位置；步骤四，定位终端计算自身到达发射站距离；步骤五，定位终端计算自身坐标。3.如权利要求2所述的长波定位方法，其特征在于，所述步骤一中的接收站中的参考站和定位终端分别接收到同一发射站发射的MSK长波信号，处理得到信号参数包括：通过频率区分不同MSK长波信号，当参考站i测得的信号幅度为A
i
，载波相位为P
i
(f1)、P
i
(f2)；参考站j测得的信号幅度为A
j
，载波相位为P
j
(f1)、P
j
(f2)，其中i、j表示参考站编号；定位终端测得的信号幅度为A
z
，载波相位为P
z
(f1)、P
z
(f2)；每秒钟对接收到的MSK长波信号按照以下公式进行处理计算：MSK信号表示为与时间t有关的函数：其中f
c
为载波频率，a(t)为信号码元序列，θ(t)为MSK各个码元起始时刻的初相序列，R
b
为码元速率，将S(t)函数表达式平方后去除直流分量的影响：其中，θ0为信号初始相位；平方后，频谱具有两根明显的谱线，其频率分别为：因此，码元速率R
b
＝f1‑
f2，载波频率通过FFT变换分别求得这两根谱线对应频率差以及相位，令：则频点f上的相位为：求得两个载频点上的相位分别为P(f1)和P(f2)：P(f1)＝2πf1t+2θ0，P(f2)＝2πf2t+2θ0；
FFT求解某个载频上对应的信号强度或振幅公式为：其中，N为采样点数，F(f)为特定频点上FFT的频谱值。4.如权利要求2所述的长波定位方法，其特征在于，所述步骤二的参考站通过MSK长波信号参数计算得到距离差包括：参考站i、j进行通信后，获得同一MSK长波信号到达不同参考站的参数；其中，所述参数包括幅度和双载波相位；通过以下公式算得到发射站到达参考站i、j的距离差ΔR
ij
：(1)载波幅度推算距离差ΔR中完整码元周期个数Δm：电磁波在传输路径中的衰落，自由空间损耗为：L
bf
＝32.5+20lgF+20lgD；其中，F为频率，单位为MHz；D为距离，单位为km；则单码元传播距离下的幅度变化为ΔL＝6dB；当发射站到达参考站1、2分别经历m1、m2个完整码元周期，结合测量得到的幅度A1、A2，取整后计算得到距离差ΔR中包含的完整码元个数Δm：其中，表示向下取证，表示向上取整；(2)双载波相位推算完整载波个数n：参考站接收到MSK长波信号后，对信号进行平方、FFT频谱分析操作，得到两个载频点处的频谱值，并对两个载频点分别求相位；当参考站在两个频点处测得的相位分别为P(f1)和P(f2)，单位为弧度，得：通过双载波相位差计算得到参考站在单个码元或最后一个码元周期内信号传输的时间t；而一个完整的码元周期内包含多个完整载波周期，通过t反映在最后一个码元周期内的完整载波个数n；在码元速率为200bps的情况下，相位测量精度为0.5
°
，时间分辨率t
′
为：在载波频率为20kHz的情况下，1个载波周期的持续时间t
c
为5
×
10
‑5s；得双载波相位计
算结果的分辨率t
′
<载波周期t
c
，故通过双载波相位的计算结果，推断所述传播时间t中包含的完整的载波个数n：(3)载波相位推算小数载波值k：参考站在接收到MSK长波信号后，对信号直接进行FFT频谱分析，并取信号到达时刻的载波相位P(f1)；通过载波相位P(f1)计算得到信号最后传输载波周期的小数部分k：(4)计算完整距离差ΔR：计算完整距离差时，当发射站到达参考站1、2分别经历m1、m2个完整码元周期，到达时的载波相位分别取P1(f1)、P2(f1)；整体距离差ΔR由三部分组成，包括整数码元传播距离差、整数载波传播距离差以及小数载波传播距离差；ΔR＝Δm
×
r
b
+[(n1+k1)
‑
(n2+k2)]
×
r
f
。5.如权利要求2所述的长波定位方法，其特征在于，所述步骤三中的参考站反向定位得到发射站位置包括：以参考站i、j为双曲线的焦点，以距离差ΔR
ij
为双曲线到达焦点差值，作双曲线；若有两条及以上的多条双曲线相交，则通过以下公式计算得到发射站的位置坐标(x
u
,y
u
)：利用距离差ΔR反向定位发射站位置(x
u
,y
u
)：在有三个或以上的多个参考站分别计算得到到达同一个发射站的距离差ΔR
12
、ΔR
34
…
后，以两两参考站为双曲线焦点，ΔR
x
作为双曲线到达焦点的距离差，作多条双曲线，双曲线交点为发射站位置坐标，有：d
i2
＝(x

【专利技术属性】
技术研发人员：何先灯，谭旭东，陈南，易运晖，权东晓，朱畅华，赵楠，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：