[发明专利]一种基于伪卫星的深凹露天矿定位方法

摘要

本发明公开了一种基于伪卫星的深凹露天矿定位方法，包括以下几个步骤，步骤一：选择伪卫星网络中GPS伪卫星的导航信号；步骤二：确定伪卫星网络几何布局；步骤三：伪卫星网络的高精度时间同步；步骤四：伪卫星发射导航信号；步骤五：定位接收机接收导航信号并进行定位结算；步骤六：调度控制系统进行调度控制。本发明克服深凹露天矿遮挡严重的缺点，采用伪卫星实现矿坑定位，伪卫星系统的物理位置可控，改善了几何精度，提高了定位精度。

主权项

一种基于伪卫星的深凹露天矿定位方法，其特征在于，包括以下几个步骤：步骤一：选择伪卫星网络中GPS伪卫星的导航信号；伪卫星的导航信号为： s ( t ) = A ( C i ( t ) ⊕ D i ( t ) ) cos ( 2 π f c t + φ i ) - - - ( 1 ) 其中，A为信号强度，Ci(t)为扩频码，Di(t)是导航电文，i代表伪卫星的编号，fc为伪卫星信号频点，φi是载波信号初相；步骤二：确定伪卫星网络几何布局；伪卫星定位系统的定位误差为：δP＝DOP×UERE    (2)其中：δP表示定位误差，DOP表示伪卫星网络的几何因子；UERE表示伪距值的实际精度；GPS伪卫星根据实际情况安装在矿坑四周，GPS伪卫星之间不存在信号遮挡，通过调整伪卫星的几何布局，改善伪卫星的几何因子，从而提高定位精度；伪卫星网络几何布局中任意一个伪卫星至少能与另外一颗伪卫星进行测距信号收发，每个作业矿车应保证至少有4颗可见的伪卫星；步骤三：伪卫星网络的高精度时间同步；具体为：(1)在每个伪卫星上设置发射天线和接收天线，在伪卫星网络中确定一个主站伪卫星A1，其他伪卫星网络中的伪卫星A2～伪卫星An均为从站伪卫星；(2)伪卫星A代表主站伪卫星A1，伪卫星B代表任意一个从站伪卫星，伪卫星A和伪卫星B之间用于时间同步的数据帧格式为：伪卫星A发送的数据帧格式为：帧头、发送帧头时刻的伪卫星A本地伪距测量值；伪卫星B发送的数据帧格式为：帧头、发送帧头时刻的伪卫星B本地伪距测量值；伪卫星A接收的数据帧格式为：帧头、伪卫星B传输帧勤务段内的伪卫星B本地伪距测量值；伪卫星B接收的数据帧格式为：帧头、伪卫星A传输帧勤务段内的伪卫星A本地伪距测量值；所述的伪卫星A本地伪距测量值是指伪卫星A利用伪卫星B发送的数据帧测得的伪距；伪卫星B本地伪距测量值是指伪卫星B利用伪卫星A发送的数据帧测得的伪距；(3)伪卫星A和伪卫星B分别以自身时钟为基准发射前向测距信号和反向测距信号，所述的前向测距信号和后向测距信号分别代表伪卫星发送的数据帧和接收的数据帧，双方发送的测距信号帧同步之间存在时延Δt；伪卫星A通过捕获跟踪反向测距信号得到前向测距信号帧同步与反向测距信号帧同步之间的时延T1，时延T1包括伪卫星B与伪卫星A天线间的电磁波传播时延τ、伪卫星B的发射设备时延t2、伪卫星A的接收设备时延r1和伪卫星B与伪卫星A间的钟差Δt，时延T1如下式所示：T1t2+τ+r1+Δt    (3)伪卫星B测量得到时延T2如下式所示：T2＝t1+τ+r2-Δt    (4)其中：伪卫星A的发射设备时延t1、伪卫星B的接收设备时延r2；通过式(3)、式(4)得到伪卫星A和伪卫星B间的真实距离D和时延Δt： D = 1 2 · [ ( T 1 + T 2 ) - ( t 1 + t 2 ) - ( r 1 + r 2 ) ] · c - - - ( 5 ) Δt = 1 2 · [ ( T 1 - T 2 ) - ( t 2 - t 1 ) - ( r 1 - r 2 ) ] - - - ( 6 ) 式中：c是电磁波传播速度；设t12＝t1+r2，t21＝t2+r1，则 D = 1 2 · [ ( T 1 + T 2 ) - ( t 12 + t 21 ) ] · c - - - ( 7 ) Δt = 1 2 · [ ( T 1 - T 2 ) + ( t 12 - t 21 ) ] - - - ( 8 ) (4)利用可编程延迟线器件，精确调整时延Δt，使得同步精度在S纳秒内，Δt＜S纳秒，当所有从站伪卫星都与主站伪卫星完成时间同步时，伪卫星网络发射导航信号；步骤四：伪卫星发射导航信号；对每颗伪卫星分配不同的扩频码序列，伪卫星采用BPSK方式调制扩频码和导航电文到射频载波，调制后的射频信号即为伪卫星发射的导航信号；步骤五：定位接收机接收导航信号并进行定位结算；定位接收机包括阵列接收天线、空时自适应阵列处理模块、信号捕获模块、信号跟踪模块、定位解算模块和无线收发模块；阵列接收天线接收伪卫星导航信号，导航信号包括两部分，一部分是直射信号，另一部分是由附近的遮挡物反射的信号；空时自适应阵列处理模块对阵列接收天线接收导航信号进行处理，消除多径干扰，处理后的信号传输给信号捕获模块，信号捕获模块采用FFT快速捕获算法，对输入信号进行傅里叶变换，变换后与本地扩频码的傅里叶变换共轭相乘，输出结果经过傅里叶逆变换转化为时域信号，若时域信号中出现峰值，峰值位置即为接收信号的码相位，完成码相位捕获；否则，重新进行扩频码搜索；捕获码相位后，信号捕获模块进行多普勒的串行搜索，捕获完成后，得到导航信号的载波多普勒和码相位信息，将载波多普勒和码相位信息输出至信号跟踪模块，信号跟踪模块进行频率和码相位进行精确化，从跟踪到的信号中解调出导航电文；定位解算模块利用跟踪环路确定的码相位、多普勒估计值和导航电文进行伪距测量和定位结算；无线收发模块将定位接收机的位置信息和工作状态信息发送至调度控制系统；步骤六：调度控制系统进行调度控制；调度控制系统利用无线网络接收定位接收机的位置信息和工作状态信息，并根据矿车位置、数量和工作环境因素，实时调整矿车的作业状态，优化资源配置。