專利名稱：衛(wèi)星導(dǎo)航定位應(yīng)用系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種衛(wèi)星導(dǎo)航定位應(yīng)用系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
目前衛(wèi)星導(dǎo)航定位的代表性系統(tǒng)是GPS系統(tǒng)。6PS系統(tǒng)包括三大部分空間部分——GPS衛(wèi)星星座，地面控制部分——地面監(jiān)控系統(tǒng)，用戶設(shè)備部分——GPS導(dǎo)航儀。
GPS系統(tǒng)的空間部分由24顆衛(wèi)星組成，均勻分布在6個軌道面上，地面高度約20000公里，軌道傾角為55度，周期約為12小時，衛(wèi)星向地面發(fā)射兩個波段的載波信號，載波信號頻率分別為1575.4兆赫茲(L1波段)和1227.6兆赫茲(L2波段)。衛(wèi)星上安裝了精度很高的原子鐘，以確保頻率的穩(wěn)定性。在載波上調(diào)制有表示衛(wèi)星位置的廣播星歷，用于測距的C/A碼和P碼，以及其它系統(tǒng)信息。GPS系統(tǒng)能在全球范圍內(nèi)向任意多用戶提供高精度的、全天候的、連續(xù)的、實時的三維測速、三維定位和授時。
GPS的地面監(jiān)控系統(tǒng)包括一個主控站、三個注入站和五個監(jiān)測站，這些站不間斷地對GPS衛(wèi)星進行觀測，并將計算和預(yù)報的信息由注入站對衛(wèi)星信息更新。
GPS導(dǎo)航儀的任務(wù)是能夠捕獲到按一定衛(wèi)星高度截止角所選擇的衛(wèi)星的信號，對所接收到的GPS信號進行放大、變換和處理，解譯出GPS衛(wèi)星所發(fā)送的導(dǎo)航電文，計算出接收機天線的三維位置和時間信息。
如圖1所示，目前廣泛使用的GPS導(dǎo)航儀的結(jié)構(gòu)為一體式的結(jié)構(gòu)。其整體結(jié)構(gòu)由GPS信號天線、濾波放大器、接收機、數(shù)字處理單元、數(shù)據(jù)計算單元和顯示輸出單元組成。GPS信號天線接收定位衛(wèi)星發(fā)出的導(dǎo)航信號后，由濾波放大器對接收到的信號進行放大濾波；接收機從接收到的衛(wèi)星信號中提取出導(dǎo)航數(shù)字信號；數(shù)字處理單元對提取出的數(shù)字信號進行數(shù)字擴頻解調(diào)；數(shù)據(jù)計算單元根據(jù)解調(diào)的結(jié)果進行定位計算，最后通過顯示輸出單元顯示輸出定位計算的結(jié)果。這種GPS導(dǎo)航儀的缺點在于由于其結(jié)構(gòu)為一體式，故從接收衛(wèi)星信號到信號處理、導(dǎo)航數(shù)據(jù)處理、定位計算甚至顯示輸出處理均集成在導(dǎo)航儀內(nèi)完成，這就導(dǎo)致了GPS導(dǎo)航儀的制造成本高、體積大。當(dāng)需要附著在被跟蹤物上的部件盡可能袖珍化或盡可能低成本，或者需要對多個被跟蹤物進行集中監(jiān)測時，使用這種GPS導(dǎo)航儀或現(xiàn)有的類似產(chǎn)品難免成本過高甚至難以實現(xiàn)。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決上述現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，本發(fā)明的目的是提供一種衛(wèi)星導(dǎo)航定位應(yīng)用系統(tǒng)，該系統(tǒng)的導(dǎo)航探頭接收到衛(wèi)星導(dǎo)航信號后，并不計算出定位結(jié)果，而是將其轉(zhuǎn)發(fā)到監(jiān)測站進行計算，從而大大簡化了導(dǎo)航探頭的結(jié)構(gòu)，可廣泛應(yīng)用于需要進行低成本導(dǎo)航定位或集群定位的場合，以及需要進行反復(fù)多次定位的探頭消耗型作業(yè)場合。
為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案一種衛(wèi)星導(dǎo)航定位應(yīng)用系統(tǒng)，由導(dǎo)航探頭單元和監(jiān)測站組成；所述導(dǎo)航探頭單元包括衛(wèi)星信號接收天線，用于接收導(dǎo)航衛(wèi)星的導(dǎo)航信號；濾波放大器，用于對接收到的衛(wèi)星導(dǎo)航信號進行濾波放大；變頻器，用于將接收到的高頻衛(wèi)星信號轉(zhuǎn)換為適用的工作頻率；控制器，用于耦合探頭內(nèi)各部件，并進行工作程序安排與調(diào)控；發(fā)射機和信號發(fā)射天線，用于將衛(wèi)星導(dǎo)航信號轉(zhuǎn)發(fā)給監(jiān)測站；衛(wèi)星信號接收天線、濾波放大器、變頻器、控制器、發(fā)射機和信號發(fā)射天線依次串接；所述監(jiān)測站包括信號接收天線，用于接收所述信號發(fā)射天線發(fā)出的信號；接收機，負責(zé)對接收到的轉(zhuǎn)發(fā)信號進行解調(diào)，從中提取出數(shù)字信號；數(shù)字處理單元，負責(zé)對提取出的數(shù)字信號進行數(shù)字解調(diào)；數(shù)據(jù)計算單元，用于根據(jù)解調(diào)數(shù)據(jù)計算出時空定位結(jié)果；顯示輸出單元，負責(zé)顯示輸出定位計算的結(jié)果；信號接收天線、接收機、數(shù)字處理單元、數(shù)據(jù)計算單元和顯示輸出單元依次串接；所述導(dǎo)航探頭單元在接收到衛(wèi)星的導(dǎo)航信號后不進行計算，而是將衛(wèi)星導(dǎo)航定位信號進行變頻放大后轉(zhuǎn)發(fā)到監(jiān)測站，由監(jiān)測站進行信號處理和定位計算，得出定位結(jié)果。
所述導(dǎo)航探頭單元可以是一個也可以是多個。
所述導(dǎo)航探頭單元可用于GPS系統(tǒng)，也可用于伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航定位應(yīng)用系統(tǒng)、北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位應(yīng)用系統(tǒng)和GNSS系統(tǒng)。
所述的控制器上可插上傳感器件。
所述控制器可以按時序、調(diào)頻、調(diào)相或CDMA方式，將變頻器送來的導(dǎo)航信號和傳感器送來的傳感信號在發(fā)射機內(nèi)耦合。
由于采用了以上技術(shù)方案，故本發(fā)明具有以下優(yōu)點1、對于汽車防盜、出租車調(diào)度等集群作業(yè)方式，由于分散在多點的探頭得到了簡化，功能及部件盡可能多的歸集在監(jiān)測站，有利于軟硬件及人員的資源共享，大幅度降低了系統(tǒng)成本。
2、導(dǎo)航探頭部分得到了充分簡化，顯著降低了探頭消耗型作業(yè)的成本；3、導(dǎo)航探頭部分加裝傳感器，有利于其它傳感信息的低成本采集；4、導(dǎo)航探頭的袖珍化，使得導(dǎo)航探頭受環(huán)境干擾影響最小。


圖1為現(xiàn)有的一體型GPS導(dǎo)航儀結(jié)構(gòu)示意2為本發(fā)明的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意3為本發(fā)明的一種實施方式示意圖具體實施方式
由于傳統(tǒng)無線電定位的工作原理是通過發(fā)射電磁波，由定時器記錄電磁波發(fā)出的時間，當(dāng)電磁波被目標物反射回來時，定時器再記錄返回的時刻。根據(jù)電磁波在空間的飛行時間及電磁波的速率來計算飛行的距離。因此無線電測距的傳統(tǒng)理論認為，電磁波飛行的時間只有得到精確計量才能準確測距。在衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中，衛(wèi)星導(dǎo)航信號被轉(zhuǎn)發(fā)后，導(dǎo)航信號在空中傳播的時間被附加了一段，如按此時間進行測距計算，傳統(tǒng)的觀點認為會導(dǎo)致測距失真。
事實上，衛(wèi)星導(dǎo)航信號多采用信息數(shù)據(jù)編碼后調(diào)制發(fā)射的方法，各導(dǎo)航衛(wèi)星發(fā)射的導(dǎo)航信號中，調(diào)制了編碼數(shù)據(jù)信息，通過解調(diào)數(shù)字碼，解調(diào)數(shù)據(jù)碼，再根據(jù)數(shù)據(jù)碼求解探頭距各衛(wèi)星的間距。由于衛(wèi)星所處的空間、時間坐標是可知的，故可進而求解出探頭所處的空間、時間坐標。很顯然，當(dāng)轉(zhuǎn)發(fā)過程中，若頻率以及波形的任何變化未造成轉(zhuǎn)發(fā)前信號中調(diào)制的數(shù)字碼錯變的話，則對探頭坐標P0(代表探頭的三維坐標)和t0(代表探頭的時間坐標)的求解結(jié)果就不會變化。CDMA方式調(diào)制的衛(wèi)星信號，記錄數(shù)字信號的標志是波形中的相變序列。這種調(diào)制方式在衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用中被普遍采用(包括GPS、伽利略、北斗等系統(tǒng))。變頻差轉(zhuǎn)的過程，不改變所調(diào)制信號的相變序列，不變的相變序列可保持定位結(jié)果不變。由于轉(zhuǎn)發(fā)過程并不破壞信號的相變序列，故也就不會改變定位結(jié)果。對于非CDMA調(diào)制的衛(wèi)星導(dǎo)航信號，只要在轉(zhuǎn)發(fā)過程中將原調(diào)制的數(shù)字信號保持不變，也就不會因信號轉(zhuǎn)發(fā)發(fā)生定位錯誤。而保持轉(zhuǎn)發(fā)過程中信號不變是通過現(xiàn)有的通信技術(shù)所能輕松完成的。當(dāng)然，在轉(zhuǎn)發(fā)過程中，若P0、t0發(fā)生移動與變化，變化前轉(zhuǎn)發(fā)的信號不能標示探頭的新的坐標P0′、t0′，而要通過探頭處于P0′、t0′時轉(zhuǎn)發(fā)的新的衛(wèi)星信號，解算其調(diào)制的新的相變序列，求解其新的P0、t0值。
在GPS系統(tǒng)中，每顆衛(wèi)星都有其固有的導(dǎo)航報和調(diào)制密碼，導(dǎo)航報采用循環(huán)方式注入衛(wèi)星的移位寄存器內(nèi)，調(diào)制密碼作為本地碼是各衛(wèi)星的識別標志。在被測點，導(dǎo)航探頭接收并感應(yīng)出各衛(wèi)星分別發(fā)出的已經(jīng)嵌入其本地碼的高頻擴頻信號，信號的內(nèi)容受如下變量的控制1、不同的衛(wèi)星具有不同的起始相位數(shù)據(jù)信號，由λ1代表；2、不同的衛(wèi)星處于不同位置時，數(shù)據(jù)循環(huán)相位不同，由λ2代表；3、不同的衛(wèi)星本地碼不同，由λ3代表；4、不同的衛(wèi)星所發(fā)出的信號到達該地點的時間延遲不同，由λ4代表；5、不同的接收時間，所接收的數(shù)據(jù)信號序列不同，由λ5代表。
某一時刻在某一地點，當(dāng)導(dǎo)航探頭接收到各衛(wèi)星的高頻擴頻信號后，將接收到的信號送往監(jiān)測站，在監(jiān)測站經(jīng)過解調(diào)處理后，可以將變量λ1，λ2，λ3解調(diào)、解擴得出，視為已知變量；λ5也因變量數(shù)據(jù)方程聯(lián)立，被視為可解變量，并不影響接收時刻與衛(wèi)星發(fā)出信號時刻間時間差的求解。因此接收點距衛(wèi)星的距離是決定定位結(jié)果的唯一因素。
當(dāng)信號在定位點被導(dǎo)航探頭接收后，其信號的波形可描述為φ＝φ(λ1，λ2，λ3，λ4λ5)，λi分別代表上述5個變量。經(jīng)導(dǎo)航探頭轉(zhuǎn)發(fā)后，在監(jiān)測站所接收到的二次轉(zhuǎn)發(fā)信號，與在定位點的導(dǎo)航探頭接收到的衛(wèi)星信號完全相同，也就是說，二次轉(zhuǎn)發(fā)信號不是轉(zhuǎn)發(fā)延遲時間的函數(shù)。論證如下M＝M(φ)，M′＝M(φ′)分別表示轉(zhuǎn)發(fā)前后的定位結(jié)果φ′＝φ(λ1′，λ2′，λ3′，λ4′，λ5′)λ1，λ2，λ3，λ5在轉(zhuǎn)發(fā)過程中為常量或可知量φ＝φ(λ4)，φ′＝φ(λ4′)，λ4＝λ4′，在轉(zhuǎn)發(fā)前后λ4是常量故φ＝φ′轉(zhuǎn)發(fā)前在定位點直接求解定位結(jié)果用M表示，則有M＝M′，M′為監(jiān)測站根據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)后的信號求解的定位結(jié)果。
解算結(jié)果M仍是φ的函數(shù)。而在φ中，λ1，λ2，λ3均可視為常量，λ5是可求解量，僅λ4是因變量。由上述論證可知，衛(wèi)星導(dǎo)航信息被轉(zhuǎn)發(fā)后，只要信號中調(diào)制的數(shù)據(jù)碼不錯變(通用的無線調(diào)制技術(shù)均可實現(xiàn))，在監(jiān)測站就可以解算出定位頭的空間位置以及定位頭接收到的衛(wèi)星信號的時間。
當(dāng)然，在轉(zhuǎn)發(fā)過程中，定位頭如果發(fā)生移動，M′只能代表其移動前，即轉(zhuǎn)發(fā)當(dāng)時的定位頭接收天線的位置。移動后的位置，則由新一輪的轉(zhuǎn)發(fā)信號所傳達。
如圖2所示，本發(fā)明的衛(wèi)星導(dǎo)航定位應(yīng)用系統(tǒng)由導(dǎo)航探頭單元1和監(jiān)測站2兩部分組成。導(dǎo)航探頭單元1在接收到衛(wèi)星的導(dǎo)航定位信號后不進行計算，而是將衛(wèi)星導(dǎo)航定位信號進行變頻放大后轉(zhuǎn)發(fā)到監(jiān)測站2，由監(jiān)測站2進行信號處理和定位計算得出定位結(jié)果。在實際應(yīng)用中，根據(jù)實際需要導(dǎo)航探頭單元1的數(shù)量可以是一個也可以是多個。
導(dǎo)航探頭單元1由衛(wèi)星信號接收天線11、濾波放大器12、變頻器13、控制器14、發(fā)射機15和信號發(fā)射天線16依次串接而成。本發(fā)明的導(dǎo)航探頭單元可用于GPS系統(tǒng)、伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航定位應(yīng)用系統(tǒng)、北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位應(yīng)用系統(tǒng)和GNSS(中國新一代導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng))。
各定位衛(wèi)星發(fā)射的導(dǎo)航信號由衛(wèi)星信號接收天線11感應(yīng)捕獲后，該信號被濾波放大器12有選擇地放大，衛(wèi)星導(dǎo)航信號可以是單頻單路信號或多頻多路信號。放大選頻后的信號被送往變頻器13，變頻器13將接收到的高頻衛(wèi)星信號轉(zhuǎn)換成預(yù)定的工作頻率后送往控制器14，也可根據(jù)需要進行信號處理及解擴處理，在解算定位結(jié)果前，將信號或數(shù)字碼送給控制器14?？刂破?4可以控制變頻器13，以保證變頻器的頻率特性。變頻器的本振頻率也可在控制器14的控制下通過發(fā)射機15發(fā)往監(jiān)測站2，以利于監(jiān)測站2對導(dǎo)航探頭單元1的發(fā)射頻率進行跟蹤。
控制器14上可根據(jù)需要插上傳感器件17，可實現(xiàn)同時采集定位信號和多路傳感信號，使監(jiān)測站對目標物的監(jiān)測不僅局限于導(dǎo)航定位也可同時采集其他所需的傳感信號。傳感信息經(jīng)傳感器件17感應(yīng)并經(jīng)A/D變換后由控制器14采集，A/D變換可在控制器14內(nèi)完成。傳感信息可以是若干路，如溫度信號、濕度信號、壓力信號、探頭編碼、服務(wù)要求代碼等。
控制器14可以按時序、調(diào)頻、調(diào)相、CDMA等方式將變頻器13送來的導(dǎo)航信號、傳感器17送來的傳感信號在發(fā)射機內(nèi)耦合，經(jīng)信號發(fā)射天線16發(fā)往監(jiān)測站2。
監(jiān)測站收到探頭發(fā)出的信號后，可依常規(guī)無線電接收技術(shù)及工作方式，按時分多址、頻分多址、碼分多址的解調(diào)程序提取導(dǎo)航數(shù)據(jù)、傳感數(shù)據(jù)及解擴定位數(shù)據(jù)，并由計算機算出探頭所處的時間和空間位置和傳感數(shù)據(jù)。監(jiān)測站2由信號接收天線21、接收機22、數(shù)字處理單元23、數(shù)據(jù)計算單元24和顯示輸出單元25依次串接而成。信號接收天線21接收上述信號發(fā)射天線16發(fā)出的信號，接收機22從接收到的衛(wèi)星信號中提取出數(shù)字信號，數(shù)字處理單元23對提取出的數(shù)字信號進行數(shù)字解調(diào)，數(shù)據(jù)計算單元24根據(jù)解調(diào)的結(jié)果進行定位計算，最后通過顯示輸出單元25顯示輸出定位計算的結(jié)果，即可得到被跟蹤物的三維位置和時間信息。
如圖3所示，本發(fā)明可用于集群作業(yè)的情況，如汽車防盜、出租車調(diào)度等場合。當(dāng)系統(tǒng)處于集群作業(yè)時，探頭可以是多個，而監(jiān)測站數(shù)量可以很少或僅一個。不同探頭發(fā)射的頻率不同，但采用CDMA或時分方式時，頻率可以相同也可以不同。
本發(fā)明還可應(yīng)用于以下系統(tǒng)環(huán)境中，如車船集群監(jiān)測系統(tǒng)在車船體上安置導(dǎo)航探頭，探頭上可以附加合法使用密碼，服務(wù)要求編碼等傳感信息。探頭轉(zhuǎn)發(fā)衛(wèi)星系統(tǒng)及傳感信息后，監(jiān)測站接收并進行解碼，解出各種信息?？梢来螌⒏鞣N信息送往用戶指定得人員、機構(gòu)。
探空儀系統(tǒng)上述探頭的傳感器上可附有溫度、濕度、氣壓等感應(yīng)元件，可以實現(xiàn)低成本、高精度的氣象探空作業(yè)，類似作業(yè)有洋流探測、冰川、地質(zhì)監(jiān)測等。
盲人、病人、犯人、軍警等需隨時監(jiān)測的人員簡化型探頭不僅價格低而且便于攜帶。在人身上隨身裝配有探頭，出現(xiàn)控制情況時，可及時得知其所處的位置及傳感器報知的緊急類型，監(jiān)測站可及時報知控制方采取行動。類似的作業(yè)還有野生動物的監(jiān)測，對危險或敵對目標物的監(jiān)測等。
以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例，本發(fā)明的保護范圍并不局限于此。任何基于本發(fā)明技術(shù)方案上的等效變換均屬于本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種衛(wèi)星導(dǎo)航定位應(yīng)用系統(tǒng)，它由導(dǎo)航探頭單元和監(jiān)測站組成，其特征在于所述導(dǎo)航探頭單元包括衛(wèi)星信號接收天線，用于接收導(dǎo)航衛(wèi)星的導(dǎo)航信號；濾波放大器，用于對接收到的衛(wèi)星導(dǎo)航信號進行濾波放大；變頻器，用于將接收到的高頻衛(wèi)星信號轉(zhuǎn)換為適用的工作頻率；控制器，用于耦合探頭內(nèi)各部件，并進行工作程序安排與調(diào)控；發(fā)射機和信號發(fā)射天線，用于將衛(wèi)星導(dǎo)航信號轉(zhuǎn)發(fā)給監(jiān)測站；衛(wèi)星信號接收天線、濾波放大器、變頻器、控制器、發(fā)射機和信號發(fā)射天線依次串接；所述監(jiān)測站包括信號接收天線，用于接收所述信號發(fā)射天線發(fā)出的信號；接收機，負責(zé)對接收到的轉(zhuǎn)發(fā)信號進行解調(diào)，從中提取出數(shù)字信號；數(shù)字處理單元，負責(zé)對提取出的數(shù)字信號進行數(shù)字解調(diào)；數(shù)據(jù)計算單元，用于根據(jù)解調(diào)數(shù)據(jù)信號計算出時空定位結(jié)果；顯示輸出單元，負責(zé)顯示輸出定位計算的結(jié)果；信號接收天線、接收機、數(shù)字處理單元、數(shù)據(jù)計算單元和顯示輸出單元依次串接；所述導(dǎo)航探頭單元在接收到衛(wèi)星的導(dǎo)航信號后不進行計算，而是將衛(wèi)星導(dǎo)航定位信號進行變頻放大后轉(zhuǎn)發(fā)到監(jiān)測站，由監(jiān)測站進行信號處理和定位計算，得出定位結(jié)果。
2.如權(quán)利要求1所述的衛(wèi)星導(dǎo)航定位應(yīng)用系統(tǒng)，其特征在于所述導(dǎo)航探頭單元可以是一個也可以是多個。
3.如權(quán)利要求1所述的衛(wèi)星導(dǎo)航定位應(yīng)用系統(tǒng)，其特征在于所述導(dǎo)航探頭單元可用于GPS系統(tǒng)，也可用于伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航定位應(yīng)用系統(tǒng)、北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位應(yīng)用系統(tǒng)和GNSS系統(tǒng)。
4.如權(quán)利要求1所述的衛(wèi)星導(dǎo)航定位應(yīng)用系統(tǒng)，其特征在于所述的控制器上可插上傳感器件。
5.如權(quán)利要求1所述的衛(wèi)星導(dǎo)航定位應(yīng)用系統(tǒng)，其特征在于所述控制器可以按時序、調(diào)頻、調(diào)相或CDMA方式，將變頻器送來的導(dǎo)航信號和傳感器送來的傳感信號在發(fā)射機內(nèi)耦合。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種衛(wèi)星導(dǎo)航定位應(yīng)用系統(tǒng)，它由導(dǎo)航探頭單元和監(jiān)測站兩部分組成，該系統(tǒng)的導(dǎo)航探頭單元在接收到衛(wèi)星的導(dǎo)航定位信號后，不對其進行計算，而是將衛(wèi)星導(dǎo)航定位信號轉(zhuǎn)發(fā)到監(jiān)測站，再進行計算得出定位結(jié)果。從而大大簡化了導(dǎo)航探頭單元的結(jié)構(gòu)，使其成本降低，可廣泛應(yīng)用于需要進行低成本導(dǎo)航定位或集群定位的場合，特別適用于一站對多點定位或探頭消耗型定位的應(yīng)用。探頭部分的成本下降可達10倍，定位作業(yè)成本大幅度下降。用于制造汽車監(jiān)控器時，價格可降至千元以下。
文檔編號G01C21/00GK1510433SQ02158749
公開日2004年7月7日 申請日期2002年12月26日 優(yōu)先權(quán)日2002年12月26日
發(fā)明者邢銘時 申請人:邢銘時