一种宽窄波束结合的单星定位方法技术

本发明专利技术公开的一种宽窄波束结合的单星定位方法，属于卫星导航定位领域。本发明专利技术针对单星定位获取位置信息有限的约束，构建宽窄波束结合的单星定位策略，在宽波束阶段卫星发射广播信号覆盖整个定位区域，通过处理终端反馈的前导序列信号锁定终端的潜在位置点，在窄波束阶段将覆盖区域划分成多个象限并依次发射窄波束，通过测量各波束反馈的前导序列信号的接收信号强度确定终端所在象限，消除宽波束阶段锁定的位置点的模糊问题，以确定终端的具体位置，在单星定位获取信息有限的工况下实现终端的精确定位。本发明专利技术基于宽窄波束结合的单星定位策略提升定位参数利用效率，实现基于单颗卫星的精确定位，相对多星定位简化定位参数解算、降低开销和成本。降低开销和成本。降低开销和成本。

【技术实现步骤摘要】
一种宽窄波束结合的单星定位方法


[0001]本专利技术涉及一种基于宽窄波束结合的单星定位方法，属于卫星导航定位领域。
技术背景
[0002]随着科技的不断进步，人们对于定位和通信方面的需求也在不断增加。全球导航卫星系统(GNSS)和第五代移动通信技术(5G NR)的出现极大地满足了人们的需求。GNSS利用卫星定位技术，为全球范围内的定位和导航提供了可靠的服务；5G NR提供了更高速、更大容量、更可靠的无线通信技术。这些技术已经广泛应用于航空、航海、汽车、物流、安防等领域，为人们的生产和生活带来了极大的便利。
[0003]现有的GNSS和5G NR定位技术大多采用多平台定位技术。该技术利用多个卫星或者基站平台发射参考信号，接收机对信号进行处理和分析，综合多路信号得出的距离/时延信息，解算出目标所在位置。然而，传统的多星定位技术存在一些局限性，多路信号的接收和处理过程容易受到信号干扰和多径效应等影响，定位精度和鲁棒性会受到影响；此外多星定位需要对多个卫星信号进行处理，因此也存在一定的成本和开销问题。相比之下，单星定位技术具有更低的复杂度和成本，同时也具有更好的鲁棒性和可靠性。因此，利用单星进行定位成为了一个值得研究的问题。
[0004]然而，采用传统的波束成形以及信令流程时，单颗卫星所获取的定位信息极为有限，仅能确定卫星与终端间的距离等信息，存在距离点模糊的问题，难以对终端进行精确定位。因此如何设计合适的信令流程或信号格式、最大限度提升单星定位获取的信息量以实现终端的高效定位，是亟待解决的问题。

技术实现思路

[0005]为了解决单星定位获取信息有限、难以实现精确定位的问题，本专利技术主要目的是提供一种宽窄波束结合的单星定位方法，采用宽窄波束相结合进行单星定位的策略，在宽波束阶段卫星发射广播信号覆盖整个定位区域，通过处理终端反馈的前导序列信号锁定终端的潜在位置点，在窄波束阶段将覆盖区域划分成多个象限并依次发射窄波束，通过测量各波束反馈的前导序列信号的接收信号强度确定终端所在象限，消除宽波束阶段锁定的位置点的模糊问题，以确定终端的具体位置，在单星定位获取信息有限的工况下实现终端的精确定位。本专利技术能够提升定位参数利用效率，实现基于单颗卫星的精确定位，相对多星定位简化定位参数解算、降低开销和成本。
[0006]本专利技术的目的是通过下述技术方案实现的。
[0007]本专利技术公开的一种宽窄波束结合的单星定位方法，包括以下步骤：
[0008]步骤一：针对单星定位获取位置信息有限的约束，构建宽窄波束结合的单星定位策略，在宽波束阶段综利用时延、多普勒信息提升定位参数利用效率，通过处理窄波束信号以增加终端所在的区域范围信息，进而增加获取的终端位置信息量、提升定位参数利用效率。
[0009]步骤二：卫星在宽波束阶段向覆盖区域发射广播信号，使卫星信号覆盖整个定位区域，广播信号中含有用于接入和定位的前导序列信号，区域内的终端接收到广播信号后，立即向卫星反馈带有前导序列的信号，卫星接收到反馈信号后，利用前导序列中伪随机序列的自相关特性解算出终端与卫星之间的距离，并通过估计前导序列的多普勒频移获取信号的到达角，综合上述参数锁定终端的两个潜在位置点，实现对终端的粗定位。
[0010]步骤2.1卫星通过宽波束向覆盖区域发射广播信号，广播信号中含有用于接入和定位的前导序列信号。前导序列中有关定位的参考信号采用如下序列：
[0011][0012]其中，c(i)为具有良好自相关特性的伪随机序列，序列的初始值为：
[0013][0014]其中，n
ID,seq
∈{0,1,2,...,4095}为此序列的ID，由卫星端进行分配，为时隙数，为每个时隙内的符号数，l为符号的索引。
[0015]步骤2.2区域内的终端接收到卫星发射的广播信号后，立即向卫星反馈带有前导序列p(m)的信号，卫星接收到反馈信号后，将反馈信号与本地产生的序列p(m)做自相关处理，解算出信号从终端到卫星的传输时延τ，根据时延确定终端与卫星之间的距离R：
[0016]R＝τ
×
c0[0017]其中，c0为光速。进而确定以卫星到地面的投影点为圆心、以r为半径的距离圆周，终端即位于此距离圆周上。距离圆周的半径r为：
[0018][0019]其中h为卫星距地面的高度。
[0020]步骤2.3卫星对接收到的反馈信号进行多普勒估计。相比于卫星的运行速度，终端的运动速度忽略不计，因此进行多普勒估计时只考虑卫星运行速度的因素。卫星运行导致的多普勒频移为f
d
，则卫星端的接收信号表示为
[0021][0022]其中，f
c
为载波中心频率，T为前导序列点间的时间间距。卫星采用FFT算法估计信号的多普勒频移f
d
，得到
[0023][0024]其中M为前导序列的符号总数。寻找a(l)的幅值峰值所对应的l值索引为l0，满足f
d
T
‑
l0/M＝0，因此多普勒频移的估计值为
[0025]f
d
＝l0/MT
[0026]令卫星接收信号的到达角为θ，多普勒频移与卫星的运行速度v满足如下关系
[0027]f
d
＝vf
c
cosθ/c0[0028]因此根据多普勒频移估计值推算出接收信号到达角为
[0029]θ＝arccos(f
d
c0/vf
c
)
[0030]进而锁定距离圆周上两个潜在的终端位置点a、b，所述终端位置点a、b分布于卫星运行方向的两侧，且关于卫星运行方向呈轴对称，通过反馈的前导序列信号锁定终端的两个潜在位置点，实现对终端的粗定位。
[0031]步骤三：在步骤二实现对终端粗定位的基础上，卫星首先将覆盖区域划分成四个象限并依次通过窄波束向各个象限发射广播信号，终端接收到广播信号后紧接着向卫星发射反馈信号。卫星通过测量各波束反馈的前导序列的接收信号强度判定终端所在象限，对宽波束阶段确定的位置点去模糊，以消除宽波束阶段获取的错误位置估计，实现终端的精确单星定位。
[0032]步骤3.1卫星以自身的运行方向为坐标轴，将地面覆盖区域等分成四个象限区域，此时终端的两个潜在位置点a、b分别位于两个象限中，且沿卫星运行方向呈轴对称。卫星通过4个窄波束依次向4个象限区域发射带有前导序列p(m)的广播信号，终端接收到广播信号后向卫星发射反馈信号，卫星反馈信号信号格式与步骤二中的信号格式相同。
[0033]步骤3.2卫星接收到窄波束的反馈信号后，测量各个窄波束中前导序列的接收信号强度RSS，锁定RSS最大的窄波束所对应的象限，即确定为终端所在的区域，从而消除a、b两个粗估计位置点的模糊问题，确定终端最终的位置点a，消除宽波束阶段获取的错误位置估计，实现终端的精确单星定位。
[0034]有益效果：
[0035]1、本专利技术公开的基于宽窄波束结合的单星定位方法，针本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种宽窄波束结合的单星定位方法，其特征在于：包括以下步骤，步骤一：针对单星定位获取位置信息有限的约束，构建宽窄波束结合的单星定位策略，在宽波束阶段综利用时延、多普勒信息提升定位参数利用效率，通过处理窄波束信号以增加终端所在的区域范围信息，进而增加获取的终端位置信息量、提升定位参数利用效率；步骤二：卫星在宽波束阶段向覆盖区域发射广播信号，使卫星信号覆盖整个定位区域，广播信号中含有用于接入和定位的前导序列信号，区域内的终端接收到广播信号后，立即向卫星反馈带有前导序列的信号，卫星接收到反馈信号后，利用前导序列中伪随机序列的自相关特性解算出终端与卫星之间的距离，并通过估计前导序列的多普勒频移获取信号的到达角，综合上述参数锁定终端的两个潜在位置点，实现对终端的粗定位；步骤三：在步骤二实现对终端粗定位的基础上，卫星首先将覆盖区域划分成四个象限并依次通过窄波束向各个象限发射广播信号，终端接收到广播信号后紧接着向卫星发射反馈信号；卫星通过测量各波束反馈的前导序列的接收信号强度判定终端所在象限，对宽波束阶段确定的位置点去模糊，以消除宽波束阶段获取的错误位置估计，实现终端的精确单星定位。2.如权利要求1所述的一种宽窄波束结合的单星定位方法，其特征在于：步骤二实现方法为，步骤2.1卫星通过宽波束向覆盖区域发射广播信号，广播信号中含有用于接入和定位的前导序列信号；前导序列中有关定位的参考信号采用如下序列：其中，c(i)为具有良好自相关特性的伪随机序列，序列的初始值为：其中，n
ID,seq
∈{0,1,2,...,4095}为此序列的ID，由卫星端进行分配，为时隙数，为每个时隙内的符号数，l为符号的索引；步骤2.2区域内的终端接收到卫星发射的广播信号后，立即向卫星反馈带有前导序列p(m)的信号，卫星接收到反馈信号后，将反馈信号与本地产生的序列p(m)做自相关处理，解算出信号从终端到卫星的传输时延τ，根据时延确定终端与卫星之间的距离R：R＝τ
×
c0其中，c0为光速；进而确定以卫星到地面的投影点为圆心、以r为半径的距离圆周，终端...

【专利技术属性】
技术研发人员：叶能，潘健雄，胡家铭，乔姿梦，李建国，王爱华，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：