一种应用于罗兰系统的天波定位方法

摘要

本发明公开了一种应用于罗兰系统的天波定位方法，具体按照以下步骤实施：步骤1，根据本地到达时刻τ

说明书

技术领域

本发明属于数字信号处理方法技术领域，涉及一种应用于罗兰系统的天波定位方法。

背景技术

罗兰系统是一种地基长波远程无线导航系统。它采用双曲线定位原理，实现二维定位。但是由于地波传播沿途环境复杂，地波传播幅度衰减大，导致罗兰系统只能覆盖罗兰台站附近范围及海域。近些年，罗兰天地波分离技术大幅提升，同时电离层模型估计更加精确，使得罗兰系统可以使用传播距离更远的天波来进行定位，且前罗兰定位都是基于地波信号，需要台链支持定位，而且作用范围较小。

发明内容

本发明的目的是提供一种应用于罗兰系统的天波定位方法，解决了现有技术中存在的定位方法均基于地波信号，需要台链支持定位，而且作用范围较小的问题。

本发明所采用的技术方案是，一种应用于罗兰系统的天波定位方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1，由罗兰接收设备得到天波的本地到达时刻τ_rec和发射时刻τ_tran，然后根据本地到达时刻τ_rec和发射时刻τ_tran求出天波的传播距离d_bl；

步骤2，根据d_bl的大小判断天波传播模型为照明区模型还是阴影区模型；

步骤3，求解天波接收点和发射点之间的伪距观测量ρ；

若天波传播模型为照明区模型，则其中，θ为天波接收点和发射点之间的地心夹角，其中A＝(2r²+rh)/256，B＝3(h²-rd_bl/2)/64，r为地球半径，h为电离层高度；

若天波传播模型为阴影区模型，则

步骤4，计算本地天波接收位置x＝[x,y,z]^T和本地时钟差δt；

假设天波发射台站坐标位置为s＝[x_s,y_s,z_s]^T，则天波接收点和发射点之间的直线距离d_sl表示为：

d_sl、δt和伪距观测量ρ之间的关系用以下公式表示为：其中，τ_ion为电离层时延，τ_c为二次波时延，ε_ρ波发射台发出的天波被本地罗兰接收设备接收到的测量噪声，C为光速，N为空气折射率；

记则d_sl、δt和伪距观测量ρ之间的关系表示为即就是：

步骤5，使用本地罗兰接收设备同时接收n个天波发射台站发出的天波，其中n≥4，然后针对每个天波发射台站发出的天波分别根据步骤1-4依次计算，得到n个公式(1)组成方程组，然后应用牛顿迭代法和最小二乘法求解方程组，得到天波接收位置x＝[x,y,z]^T和本地时钟差δt。

本发明的特征还在于，

步骤1中天波的传播距离为：d_bl＝(τ_rec-τ_tran)×C/N，C为光速，N为空气折射率。

步骤2根据d_bl的大小判断天波传播模型为照明区模型还是阴影区模型，具体为：判断d_bl与天波几何模型极限传播距离的关系，其中，r为地球半径，h为电离层高度，

若则天波传播模型为照明区模型；

若则天波传播模型为阴影区模型。

步骤5中组成方程组为：

其中，n≥4，d_sl⁽ⁿ⁾为第n个天波发射台站发出天波的发射点与本地罗兰接收设备的接收点之间的直线距离；s⁽ⁿ⁾＝[x_s⁽ⁿ⁾,y_s⁽ⁿ⁾,z_s⁽ⁿ⁾]^T为第n个天波发射台的坐标位置，其中，ρ⁽ⁿ⁾为第n个天波发射台站发出天波的发射点与本地罗兰接收设备的接收点之间的伪距观测量，ε_ρ⁽ⁿ⁾为第n个天波发射台发出的天波被本地罗兰接收设备接收到的测量噪声。

本发明的有益效果是：

(1)本发明的一种应用于罗兰系统的天波定位方法不再依赖传统台链信号定位，任意4个天波发射台站即可完成定位；

(2)本申请直接基于天波定位，天波传播范围广，大大提高罗兰系统使用覆盖范围。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明一种应用于罗兰系统的天波定位方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1，由罗兰接收设备得到天波的本地到达时刻τ_rec和发射时刻τ_tran，然后根据本地到达时刻τ_rec和发射时刻τ_tran求出天波的传播距离d_bl，d_bl＝(τ_rec-τ_tran)×C/N，C为光速，N为空气折射率；

步骤2，根据d_bl的大小判断天波传播模型为照明区模型还是阴影区模型；判断d_bl与天波几何模型极限传播距离的关系，其中，r为地球半径，h为电离层高度，

若则天波传播模型为照明区模型；

若则天波传播模型为阴影区模型；

步骤3，求解天波接收点和发射点之间的伪距观测量ρ；

若天波传播模型为照明区模型，则其中，θ为天波接收点和发射点之间的地心夹角，其中A＝(2r²+rh)/256，B＝3(h²-rd_bl/2)/64，r为地球半径，h为电离层高度；其中，θ由推导得出；

若天波传播模型为阴影区模型，则

步骤4，计算本地天波接收位置x＝[x,y,z]^T和本地时钟差δt；

假设天波发射台站坐标位置为s＝[x_s,y_s,z_s]^T，则天波接收点和发射点之间的直线距离d_sl表示为：

d_sl、δt和伪距观测量ρ之间的关系用以下公式表示为：其中，τ_ion为电离层时延，τ_c为二次波时延，ε_ρ波发射台发出的天波被本地罗兰接收设备接收到的测量噪声，C为光速，N为空气折射率；其中，τ_ion、τ_c、ε_ρ都为观测量可以测量得到的；

记则d_sl、δt和伪距观测量ρ之间的关系表示为即就是：

步骤5，使用本地罗兰接收设备同时接收n个天波发射台站发出的天波，其中n≥4，然后针对每个天波发射台站发出的天波分别根据步骤1-4依次计算，得到n个公式(1)组成方程组：

其中，n≥4，d_sl⁽ⁿ⁾为第n个天波发射台站发出天波的发射点与本地罗兰接收设备的接收点之间的直线距离；s⁽ⁿ⁾＝[x_s⁽ⁿ⁾,y_s⁽ⁿ⁾,z_s⁽ⁿ⁾]^T为第n个天波发射台的坐标位置，其中，ρ⁽ⁿ⁾为第n个天波发射台站发出天波的发射点与本地罗兰接收设备的接收点之间的伪距观测量，ε_ρ⁽ⁿ⁾为第n个天波发射台发出的天波被本地罗兰接收设备接收到的测量噪声，然后应用牛顿迭代法和最小二乘法求解方程组，得到天波接收位置x＝[x,y,z]^T和本地时钟差δt。

实施例：

本实施例提供一种应用于罗兰系统的天波定位方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1：假设地球半径r＝6371km，电离层高度h＝70km，光速C＝299792458m/s，空气折射率N＝1.0003，以饶平、荣成、宣城和贺州四个天波发射站台坐标如下表1所示：

表1

台站名称经度纬度高度(单位m)宣城138°09′53″09°32′45″400荣成122°19′26″37°03′52″400饶平116°53′45″23°43′26″400贺县111°43′10″23°58′03″400

接收到来自饶平，荣成，宣城和贺州罗兰台站的罗兰信号，观测到接收时刻日内秒分别为：

10.00333404798551371s，10.00393025351481085s]，本地接收日内秒τ_tran＝10s；由公式d_bl＝(τ_rec-τ_tran)×C/N计算得出几个天波发射站台发射天波的发射点到本地罗兰接收设备的接收点之间天波的传播距离

999522.440667103m，1178260.36176828m]；

步骤2，根据d_bl⁽ⁿ⁾的大小分别判断天波传播模型为照明区模型还是阴影区模型；判断d_bl⁽ⁿ⁾与天波几何模型极限传播距离的关系，发现均小于1900km，则模型均属于照明区模型；

步骤3，根据求解第n个天波发射站台发射天波的发射点与本地罗兰设备天波接收点的地心夹角θ⁽ⁿ⁾，

θ⁽ⁿ⁾＝[θ⁽¹⁾,θ⁽²⁾,θ⁽³⁾,θ⁽⁴⁾]＝[0.219342387904837rad，0.195550137556422rad，0.155828182424111rad，0.183754903257357rad]，然后根据公式计算ρ⁽ⁿ⁾＝[ρ⁽¹⁾,ρ⁽²⁾,ρ⁽³⁾,ρ⁽⁴⁾]＝[1394630.70888377m，1243865.82824839m，991777.191059593m，1169056.10946699m]；

步骤4，电离层时延修正和二次波时延修正(τ_ion+τ_c)＝1μs，ε_ρ⁽ⁿ⁾忽略，根据步骤3计算的ρ⁽ⁿ⁾＝[ρ⁽¹⁾,ρ⁽²⁾,ρ⁽³⁾,ρ⁽⁴⁾]，然后根据公式计算ρ_c⁽ⁿ⁾＝[ρ_c⁽¹⁾,ρ_c⁽²⁾,ρ_c⁽³⁾,ρ_c⁽⁴⁾]，单位为m；

步骤5，将步骤4计算得到的ρ_c⁽ⁿ⁾＝[ρ_c⁽¹⁾,ρ_c⁽²⁾,ρ_c⁽³⁾,ρ_c⁽⁴⁾]以及四个天波发射台的坐标转换为直角坐标系下的坐标后带入方程组(3)，求解出本地天波接收位置x＝[x,y,z]^T和本地时钟差δt，然后再将直角坐标系转换成球坐标系下的角度和高度值，得到坐标位置为[108.98994597°，34.25518452°，405m]。由该实施例可以看出，应用于罗兰系统的天波定位算法结果正确有效。