伪卫星导航信号增强系统及方法

技术领域

本发明主要涉及导航技术领域，尤其涉及一种伪卫星导航信号增强系统及方法。

背景技术

为了解决复杂电磁环境下导航增强定位问题，国内、外普遍采用伪卫星导航信号增强系统方式来提高导航定位精度和抗干扰能力。现有的伪卫星导航信号增强系统主要包括地基伪卫星和空基伪卫星导航信号增强系统。

地基伪卫星增强系统是通过在地面搭建一定数量的伪卫星基站及基站间自适应组网，能够在导航系统不可用时或可用性较低时，实现对覆盖区域内的终端进行授时及增强定位。

空基伪卫星增强系统基站大多搭载在空基平台上，如无人机、飞机等空基平台，通过在空基平台上播发类星增强信号，能够实现对较大覆盖区域终端授时及导航增强定位。

但是，上述两种区域导航增强系统均存在一定的不足之处，即：

(1)地基伪卫星增强系统，由于其在地面布设，基站信号发射存在限制，因而存在信号覆盖范围较小，且在复杂地形环境下存在信号遮挡问题。

(2)相较于地基伪卫星增强系统，基于空基伪卫星平台由于离地面高度较高(几百米到几千米不止)，难以解决空基伪卫星平台基站之间的高精度时间同步和定位问题，因此无法充分满足可用性和服务精度应用需求，适用范围受限。

发明内容

针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种信号覆盖范围广、时间同步精度高、兼具地基和空基伪卫星增强系统优点的伪卫星导航信号增强系统及方法。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种伪卫星导航信号增强系统，其包括两个以上的空地协同伪卫星基站组，每个所述空地协同伪卫星基站组均包括至少四个地基伪卫星基站和至少一个空基伪卫星基站，所述地基伪卫星基站接收GNSS信号处理得到地基增强信号，并通过所述地基增强信号完成地基伪卫星基站之间的时间同步；所述空基伪卫星基站接收所述地基增强信号处理得到空基增强信号，并完成与时间同步后的地基伪卫星基站之间的时间同步；所述空地协同伪卫星基站组之间通过完成时间同步后的所述空基伪卫星基站完成时间同步；所述空基伪卫星基站播发所述空基增强信号。

作为本发明系统的进一步改进：所述地基伪卫星增强信号包括GNSS时频基准信号以及地基伪卫星基站的位置信息。

作为本发明系统的进一步改进：所述空基伪卫星增强信号包括GNSS时频基准信号以及空基伪卫星基站的位置信息。

作为本发明系统的进一步改进：所述地基伪卫星基站之间、所述空基伪卫星基站与所述地基伪卫星基站之间以及所述空基伪卫星基站之间采用双向时间比对方法进行时间同步。作为本发明系统的进一步改进：所述地基伪卫星基站或所述空基伪卫星基站包括依次连接的时频基准模块、信号接收模块、信号处理模块以及信号发射模块，所述时频基准模块还与所述信号处理模块与所述信号发射模块连接。

作为本发明系统的进一步改进：还包括与所述时频基准模块连接的抗干扰接收模块。

本发明进一步提供一种伪卫星导航信号增强方法，其包括：

将地基伪卫星基站和空基伪卫星基站组成空地协同伪卫星基站组；

每个所述空地协同伪卫星基站组均包括至少四个地基伪卫星基站和至少一个空基伪卫星基站，所述地基伪卫星基站接收GNSS信号处理得到地基增强信号，并通过所述地基增强信号完成地基伪卫星基站之间的时间同步；所述空基伪卫星基站接收所述地基增强信号处理得到空基增强信号，并完成与同步后的地基伪卫星基站之间的时间同步；所述空地协同伪卫星基站组之间通过完成同步后的所述空基伪卫星基站完成时间同步；所述空基伪卫星基站播发所述空基增强信号。

作为本发明方法的进一步改进：所述地基增强信号包括GNSS时频基准信号和地基伪卫星基站的位置信息，所述空基增强信号包括GNSS时频基准信号和空基伪卫星基站的位置信息。

作为本发明方法的进一步改进：所述地基伪卫星基站之间、所述空基伪卫星基站与所述地基伪卫星基站之间以及所述空基伪卫星基站之间采用双向时间比对方法进行时间同步。

作为本发明方法的进一步改进：所述地基伪卫星基站接收GNSS信号之前，对所述GNSS信号进行抗干扰处理。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、本发明的伪卫星导航信号增强系统及方法，在结构布局采用两种系统布局的融合，空地协同伪卫星基站组包括地基伪卫星基站和空基伪卫星基站，地基伪卫星基站为空基伪卫星基站提供基站定位和时间同步信息，最后由空基伪卫星基站将增强信号播发至区域内的导航终端。通过该系统结构布局设计，基站信号覆盖范围广，时间同步精度高，定位服务可用性和可靠性好，兼具地基和空基伪卫星增强系统优点。

2、本发明的伪卫星导航信号增强系统及方法，在时间同步过程中包含多层次融合时间同步。首先地基伪卫星基站之间、所述空基伪卫星基站与所述地基伪卫星基站之间以及所述空基伪卫星基站之间时间同步基于双向时间比对技术实现。其次组内地基伪卫星基站与空基伪卫星基站之间时间同步采用无线链路传递式空地协同技术实现。不同空地协同伪卫星基站组之间通过空空协同实现时间同步和数据通信。通过多层次融合时间同步技术，能够保证系统基站间、基站组间高精度快速时间同步。

附图说明

图1是本发明实施例提供的伪卫星导航信号增强系统的结构原理示意图。

图2是本发明实施例提供的伪卫星基站之间双向时间比对法原理示意图。

图3是本发明实施例提供的伪卫星基站抗干扰原理示意图。

图4是本发明实施例提供的伪卫星基站之间时间同步链路传递的原理示意图。

图5是本发明实施例提供的伪卫星基站之间时间同步链路传递的原理示意图。

图6是本发明实施例提供的伪卫星导航信号增强方法的流程示意图。

具体实施方式

以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

请参阅图1，所示为本发明实施例提供的一种伪卫星导航信号增强系统，其包括两个以上的空地协同伪卫星基站组，每个所述空地协同伪卫星基站组均包括至少四个地基伪卫星基站和一个空基伪卫星基站，所述地基伪卫星基站将接收的GNSS信号进行处理得到地基伪卫星增强信号，并通过所述地基伪卫星增强信号完成地基伪卫星基站之间的时间同步；所述空基伪卫星基站接收所述地基伪卫星增强信号处理得到空基伪卫星增强信号，并完成与同步后的地基伪卫星基站之间的时间同步；所述空地协同伪卫星基站组之间通过完成同步后的所述空基伪卫星基站完成时间同步；所述空基伪卫星基站播发所述空基伪卫星增强信号。

具体地，在一个实施例中，所述伪卫星导航信号增强系统包括4个空地协同伪卫星基站组。每个空地协同伪卫星基站组均包括4个地基伪卫星基站和1个空基伪卫星基站。所述地基伪卫星基站设于地面，所述空基伪卫星基站搭载于无人机并设于空中，可以理解的是其他能实现空基伪卫星基站的设于空中的方式，均应在本发明的保护范围之内。所述地基增强信号包括GNSS时频基准信号和地基伪卫星基站的位置信息，所述空基增强信号包括GNSS时频基准信号和空基伪卫星基站的位置信息。

下面结合图1对各伪卫星基站之间的时间同步进行说明：首先每组空地协同伪卫星基站组内部进行时间同步，具体地，地基伪卫星基站101、地基伪卫星基站102地基伪卫星基站103与地基伪卫星基站104分别接收当前的GNSS信号处理得到地基增强信号，所述地基增强信号包括GNSS时频基准信号与四个地基伪卫星基站的位置信息。地基伪卫星基站101、地基伪卫星基站102地基伪卫星基站103与地基伪卫星基站104之间基于所述时频基准信号完成时间同步。空基伪卫星基站100接收所述地基增强信号处理得到空基增强信号，所述空基增强信号包括GNSS时频基准信号和空基伪卫星基站的位置信息。所述空基伪卫星基站100与已经完成时间同步的任意一个地基伪卫星基站(例如地基伪卫星基站101)基于时频基准信号完成时间同步。同样的，其他3组空地协同伪卫星基站组内通过同样的方式完成时间同步。在每组空地协同伪卫星基站组内时间同步完成后，每组内空基伪卫星基站与地基伪卫星基站可以看作是同一时频基准，即每组内空基伪卫星基站时间信息即可代表该空地协同伪卫星基站组的时间信息。其次，空地协同伪卫星基站组之间进行时间同步，具体地，空基伪卫星基站100、空基伪卫星基站200、空基伪卫星基站300与空基伪卫星基站400之间进行时间同步。至此，4组空地协同伪卫星基站组之间、各伪卫星基站之间完成时间同步，且各个伪卫星基站与GNSS时间同步。同时，空基伪卫星基站通过地基伪卫星基站101、地基伪卫星基站102、地基伪卫星基站103与地基伪卫星基站104的位置信息解算出其自身的位置信息。空基伪卫星基站100、空基伪卫星基站200、空基伪卫星基站300以及空基伪卫星基站400播发空基伪卫星增强信号，所述空基伪卫星增强信号包括时频基准信号以及空基伪卫星基站的位置信息，对覆盖区域内的终端提供导航增强服务。

在具体应用实例中，每组空地协同伪卫星基站组中的地基伪卫星基站之间通过双向时间比对方法进行时间同步，空基伪卫星基站与地基伪卫星基站之间通过双向时间比对方法进行时间同步，空基伪卫星基站之间采用双向时间比对方法进行时间同步。

请参阅图2，所示为本发明实施例提供的伪卫星基站之间双向时间比对方法时间同步的原理示意图。每个所述地基伪卫星基站或所述空基伪卫星基站中包括依次连接的时频基准模块、信号接收模块、信号处理模块以及信号发射模块，所述时频基准模块还与所述信号处理模块与所述信号发射模块连接。

在具体应用实例中，请继续参阅图2，以两个地基伪卫星基站进行时间同步为例，所述基站A与基站B均包括时频基准模块，基站A与基站B之间采用双向时间比对法进行时间同步。设基站A为主站，基站B为从站，则两基站之间的时间同步以基站A时间为基准进行同步。首先基站A接收天上卫星信号，获取真实卫星信号，并将解析得到时间作为基站A的时间基准。然后基站A通过时频基准模块，实现基站设备内部时频同源，并通过信号生成发射模块生成初始测距信号a(包含基站A的时频信息)，发射到基站B。

基站B通过内部信号接收模块接收测距信号a，并通过信号处理模块对测距信号a进行解析处理，得到两站之间的时间偏差，并通过信号处理模块实现对基站B的时频基准模块进行时间偏差补偿与校准，减少两站之间时间偏差。然后通过信号发射模块发射测距信号b(包含B时频信息)。同理A站通过信号接收模块接收该测距信号，并通过信号处理模块解析确认两者之间是否还存在时间偏差，并不对A站时频偏差补偿(因为A站时间为基准时间)。当存在偏差时，则通过信号生成发射模块再次发射测距信号，重复上述时间同步过程，直到两者之间时间偏差持续稳定在可接受精度范围内。

由于时间校准同步是一个渐进、不断驯服、循环往复的过程，因此时间同步需要多次相互双向测距与从站持续校准补偿才能实现最终时间同步。两个地基基站之间通过播发与接收信号完成信号比对测量，实现站间同步，站间时间同步精度能够达到0.5ns。

在一个优选实施例中，所述地基伪卫星基站还包括抗干扰接收模块以及驯服模块，所述抗干扰接收模块与驯服模块以及时频基准模块依次连接。抗干扰接收模块对接收到的卫星导航信号进行抗干扰处理，再经过驯服模块的处理，将真实卫星导航信号发送至时频基准模块，两个地基伪卫星基站开始进行时间同步，如此可确保增强信号的真实可靠。

上述实施例仅示意了每组空地协同伪卫星基站组中地基伪卫星基站之间双向时间比对法同步的原理。可以理解的是，每组空地协同伪卫星基站组中空基伪卫星基站与地基伪卫星基站之间、空地协同伪卫星基站组的各空基伪卫星基站之间的时间同步方法也同样适用上述原理。

当基站之间进行时间同步时，会选取主站与从站，并以主站时间为时频基准进行同步传递。具体地，本发明伪卫星基站之间时间同步时主从站的选择包括以下两种链路传递方式：

第一种方式请参阅图4：主站与部分从站通视。

该种方式适用于主站与部分从站之间能够实现两两共视的情况。首先选取1个主站及部分副主站，剩余为从站。主站与副主站以及部分可以通视的基站进行时间同步；副主站实现与不能和主站直接共视的从站进行同步，从而实现所有基站间同步。

第二种方式请参阅图5：所有基站仅两两共视。

该种方式适用于所有基站之间仅两两共视的情况。首先选取1个主站，则主站与可共视的从站1进行时间同步，从站1选择与可共视的从站2进行时间同步，依次类推，实现最终全部基站间时间同步。

本发明提供的伪卫星导航信号增强系统，设置包括地基伪卫星基站和空基伪卫星基站的空地协同的伪卫星基站组,通过多层次融合时间同步技术，能够保证系统基站间、基站组间高精度快速时间同步。本系统兼具地基和空基伪卫星增强系统的优点,实现两种系统的融合，系统信号覆盖范围广、时间同步精度高且具有较高的可靠性。

如图6所示，本发明进一步提供一种伪卫星导航信号增强方法，应用于本发明上述的空地协同伪卫星增强系统，其步骤包括：

S101，将地基伪卫星基站和空基伪卫星基站组成空地协同伪卫星基站组；

S102，所述地基伪卫星基站接收GNSS信号处理得到地基增强信号，并通过所述地基增强信号完成地基伪卫星基站之间的时间同步；

S103，所述空基伪卫星基站接收所述地基增强信号处理得到空基增强信号，并完成与时间同步后的地基伪卫星基站之间的时间同步；

S104，所述空地协同伪卫星基站组之间通过完成时间同步后的所述空基伪卫星基站完成时间同步；

S105，所述空基伪卫星基站播发所述空基增强信号。

在具体应用中，在步骤S101中，首先需要根据服务对象以及增强服务范围确定地基伪卫星基站与空基伪卫星基站的布设位置、基站组数量，完成增强系统的选址与布设。根据实际布设需求，每组空地协同伪卫星增强系统基站组可以包括一个以上的空基基站和多个地基基站，待服务区域应在伪卫星增强系统的包围范围内。

在具体应用实例中，参见图1，根据实际需要，每个空地协同伪卫星基站组可以包括1个设于空中的伪卫星空基基站和至少4个设于地面的伪卫星地基基站；可以理解，当然也可以根据实际需要，选择其他数量的组合方式，都应在本发明的保护范围之内。

在步骤S102中，所述地基伪卫星增强信号包括时频基准信号以及地基伪卫星基站的位置信息，所述地基伪卫星基站之间采用双向时间比对方法进行时间同步；在步骤S103中，所述空基伪卫星增强信号包括时频基准信号以及空基伪卫星基站的位置信息，所述空基伪卫星基站与所述地基伪卫星基站之间采用双向时间比对方法进行时间同步。

在具体应用实例中，请结合图1，首先每组空地协同伪卫星基站组内部进行时间同步，具体地，地基伪卫星基站101、地基伪卫星基站102地基伪卫星基站103与地基伪卫星基站104分别接收当前的GNSS信号处理得到地基增强信号，所述地基增强信号包括GNSS时频基准信号与四个地基伪卫星基站的位置信息。地基伪卫星基站101、地基伪卫星基站102地基伪卫星基站103与地基伪卫星基站104之间基于所述时频基准信号完成时间同步。空基伪卫星基站100接收所述地基增强信号处理得到空基增强信号，所述空基增强信号包括GNSS时频基准信号和空基伪卫星基站的位置信息。所述空基伪卫星基站100与已经完成时间同步的任意一个地基伪卫星基站(例如地基伪卫星基站101)基于时频基准信号完成时间同步。同样的，其他3组空地协同伪卫星基站组内通过同样的方式完成时间同步。在每组空地协同伪卫星基站组内时间同步完成后，每组内空基伪卫星基站与地基伪卫星基站可以看作是同一时频基准，即每组内空基伪卫星基站时间信息即可代表该空地协同伪卫星基站组的时间信息。其次，空地协同伪卫星基站组之间进行时间同步，具体地，空基伪卫星基站100、空基伪卫星基站200、空基伪卫星基站300与空基伪卫星基站400之间进行时间同步。至此，4组空地协同伪卫星基站组之间、各伪卫星基站之间完成时间同步，且各个伪卫星基站与GNSS时间同步。同时，空基伪卫星基站通过地基伪卫星基站101、地基伪卫星基站102、地基伪卫星基站103与地基伪卫星基站104的位置信息解算出其自身的位置信息。空基伪卫星基站100、空基伪卫星基站200、空基伪卫星基站300以及空基伪卫星基站400播发空基伪卫星增强信号，所述空基伪卫星增强信号包括时频基准信号以及空基伪卫星基站的位置信息，对覆盖区域内的终端提供导航增强服务。

所述地基伪卫星基站之间、所述空基伪卫星基站与所述地基伪卫星基站之间以及所述空基伪卫星基站之间采用双向时间比对方法进行时间同步，双向时间比对法同步原理已在伪卫星导航信号增强系统中详述，在此不再赘述。

在一个优选实施例中，所述地基伪卫星基站接收GNSS信号之前，对所述GNSS信号进行抗干扰处理，如此可确保增强信号的真实可靠。

本发明实施例提供的伪卫星导航信号增强方法应用于前述伪卫星导航信号增强系统，布设包括地基伪卫星基站和空基伪卫星基站的空地协同的伪卫星基站组,通过多层次融合时间同步技术，能够保证系统基站间、基站组间高精度快速时间同步。兼具地基和空基伪卫星增强系统优点，导航增强信号覆盖范围广、时间同步精度高且具有较高的可靠性。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。