CN102023301A - 一种中轨道卫星搜救系统的选星方法 - Google Patents

Abstract

一种中轨道卫星搜救系统的选星方法，包括单时刻选星步骤和天线切换跟踪处理步骤。单时刻选星步骤可以在选星时刻选择出最优秀的卫星组合；天线切换跟踪处理步骤可以实现天线最优的切换策略。本发明解决了中轨道卫星搜救系统地面终端站选星的问题，实现速度快，选星精度高，减少了天线的切换次数，保证了天线跟踪卫星的连续性。

Description

一种中轨道卫星搜救系统的选星方法

技术领域

本发明涉及一种搜救系统的选星方法，特别是涉及一种适用于中轨道卫星搜救系统的选星方法，属于导航领域。

背景技术

对于中轨道搜救系统的地面终端站(MEOLUT)，在每个时刻通常会观察到多颗卫星。在空间段设计上将包括Galileo星座、DASS星座、Galonass星座，在每个时刻空间段的卫星数目将大于10颗，如一个设在中纬度地区的地面终端站通常会见到7-12颗星。而从地面终端站的设计复杂性和成本来看，不会具有相同数目的跟踪天线，因而利用较少数目的天线选择最优的卫星组合进行跟踪以达到最优的服务效果就是关系到中轨道搜救系统地面终端站性能的关键技术。

目前在全球卫星导航领域所涉及到的选星算法多为针对单个导航接收机的选星算法，如GPS接收机、Galonass接收机，或者组合卫星接收机中用到的传统最大体积法、最佳几何因子法、最大正交投影法等。在此基础上，很多研究者提出了多种衍生和改进的选星方法，如基于方位角和俯仰角的选星方法等。

中轨道卫星搜救系统的选星方法不同于单个接收机的地方在于：在中轨道搜救系统中，信标的地位相当于单个接收机，系统考虑选星时不能以某个信标的最佳定位性能为依据，而是要使得地面终端站服务范围内的所有信标具有综合的最佳定位性能。同时，在考虑连续跟踪时，还涉及到天线切换的问题。一个较好的跟踪算法还应考虑到天线要有较少的切换次数，以保证服务的连续性和天线的工作寿命。

现有技术中一般采用相控阵天线，其优点是可同时完成多颗卫星的接收，且不用复杂的跟星策略，但缺点是目前在国内研发成本高，技术复杂。另一种方案为采用多副抛物面天线进行跟踪，通过适当的选星策略达到，覆盖范围大、定位精度高的效果。因此，选星策略就是卫星搜救系统的关键。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种中轨道卫星搜救系统的选星方法。采用本发明解决了中轨道卫星搜救系统中一个地面终端站面对多个卫星时的选星问题。

本发明的技术解决方案是：

一种中轨道卫星搜救系统的选星方法，其特征在于通过以下步骤实现：

步骤1：单时刻选星：

确定选星时刻，并根据地面终端站的天线数n选择出单时刻最优的卫星组合，

当n≤5时，选择地面终端站可视区域内，1颗仰角最高的卫星和n-1颗方位角分布最均匀的卫星组合；

当n＝6时，选择地面终端站可视区域内，2颗仰角最高的卫星和4颗方位角分布均匀的卫星；

选星完成后，转入步骤2；

步骤2：天线切换跟踪处理：

采用步骤1所述方法选择出每个选星时刻的所有卫星组合；

对所有选星时刻的所有卫星组合进行动态规划处理，选出在每个选星时刻最优切换卫星组合。

步骤3：地面终端站按照步骤2确定的切换卫星组合在每个选星时刻进行切换。

所述步骤1中选择最优的卫星组合的步骤为：

计算每颗卫星的方位角；所述卫星不包括具有仰角最高的卫星；将方位角从小到大排列并计算方位角的正间隔，其中最小方位角与最大方位角的间隔取最小值，即间隔指的是最大的方位角的边顺时针旋转到最小方位角的边时所转过的角度；

计算每组卫星组合的方位角间隔方差；

选取方差最小的卫星组合作为最优的卫星组合。

所述选星时刻的确定是以5分钟为时间间隔，将全天时间进行划分后得到的288个时刻。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

(1)本发明的选星算法的实现时复杂度低、计算速度快。可使地面终端站在1秒钟之内完成选星所需要的所有计算，较采用遍历方法的选星策略减少了5-6小时的计算时间。

(2)采用本发明减少了地面终端站的天线在卫星位置变化时的切换次数，通过实际使用的统计发现天线的切换时间较不采用切换的选星策略的技术平均延长了1个小时，提高了天线的工作寿命，但仍然保证了天线跟踪卫星的连续性。

附图说明

图1为方法流程图；

图2为天线切换跟踪示例。

具体实施方式

本发明所述的一种中轨道卫星搜救系统的选星方法，适用于中轨道卫星搜救系统中，可用于帮助地面终端站解决选择跟踪卫星的问题。

一、基本原理

本发明所述的选星方法包括两个主要步骤，分别为“单时刻最优选星方案”和“天线最少切换跟踪方案”。

1、单时刻最优选星方案

中轨道搜救系统地面终端站在选择卫星时希望达到的最佳目的为：使地面终端站服务范围内的信标具有最好的综合定位结果。

在特定时刻，可以采用遍历的选星策略。针对每一种卫星的组合，根据事先测量到的到达频率FOA和到达时间TOA值，在计算平均定位精度时，先在覆盖区域内均匀选取采样点，计算每个采样点的定位精度，再计算终端站覆盖区域内所有采样点的平均定位精度。

在计算每个采样点的定位精度时，定位方程如式(1)所示的伪距方程与如式(2)所示的多普勒方程已知，卫星位置已知，测量参数的估计精度已知，通过数学上方程两端都取的微分方法，计算定位误差的表达式，并求得误差的协方差阵，从而得到单点的定位精度，最后以平均定位精度最好的组合作为本次选星的结果。

$c\·(\mathrm{TO}{A}_i-T_0)=\sqrt{{(X_i-X_g)}^2+{(Y_i-Y_g)}^2+{(Z_i-Z_g)}^2}$

$+\sqrt{{(X_i-x)}^2+{(Y_i-y)}^2+{(Z_i-z)}^2+c\·\mathrm{\ΔT}+{\mathrm{\ϵ}}_i\·+\mathrm{\δ}{L}_i}---\left(1\right)$

${\mathrm{FOA}}_i=(f(1-\frac{\stackrel{\·}{X_i\·}(X_i-x)+\stackrel{\·}{Y_i}\·(Y_i-y)+\stackrel{\·}{Z_i}\·(Z_i-z)}{c\·\sqrt{{(X_i-x)}^2+{(Y_i-y)}^2+{(Z_i-z)}^2}}+\mathrm{\ΔF})\×)$

$(1-\frac{\stackrel{\·}{X_i}\·(X_i-X_g)+\stackrel{\·}{Y_i}\·(Y_g-Y_g)+\stackrel{\·}{Z_i}\·(Z_i-Z_g)}{c\·\sqrt{{(X_i-X_g)}^2+{(Y_i-Y_g)}^2+{(Z_i-Z_g)}^2}})+\mathrm{\δ}{L}_i---\left(2\right)$

上式中，δ_TL_i是TOA_i的测量误差；c为光速；(X_i，Y_i，Z_i)为第i颗中轨道卫星的坐标；(X_g，Y_g，Z_g)为中轨道卫星搜救系统的地面终端站MEOLUT的站址坐标；T₀为搜救信号的发射时间；ΔT为信标时钟相对MEOLUT时钟的提前量；ε_i为电离层以及对流层延时的修正量、通道标定的改正以及相对论效应的修正量；

为搜救信号到达卫星S_i时卫星S_i的速度；(X_i，Y_i，Z_i)分别为搜救信号到达卫星S_i时卫星S_i的坐标；δ_FL_i是FOA_i的测量误差；i＝1，2，…n；

尽管这种选星策略的结果最优，但计算量大，不仅要对所有卫星组合变量进行计算，还要计算覆盖区域内所有点的平均定位精度。

对于单个信标的定位结果，其精度主要取决于两个方面：

(1)搜救信号的TOA和FOA估计参数的精度；

(2)转发卫星相对于信标的几何位置。

因此，在GPS或其他全球卫星导航系统中，通常用参数精度因子和几何精度因子(《GPS原理与应用(第二版)》Elliot D.Kaplan等主编寇艳红译电子工业出版社)来描述终端站覆盖区域内不同地点的平均定位精度。但对于中轨道搜救系统，由于观察误差的性质和差别较大，因此无法统一的采用参数精度因子和几何精度因子来衡量。

针对中轨道搜救系统经卫星转发后的搜救信号受传输距离影响而强弱变化的特点，其TOA、FOA参数精度在一定范围内变化，通过仿真发现：在可定位卫星数目大于3颗的情况下，信标在10分钟内满足国际搜救组织定义的定位精度5km的要求的概率大于90％。

因此，选星策略可以变为：使得地面终端站覆盖区域内的信标至少可以见到3颗以上的卫星。

对应于上述策略，具体的选星方法为：

选择最高仰角的一颗或者几颗卫星。其中，仰角定义为飞行器相对于观测点地球切平面的高度角。

在剩余的卫星中选择在方位角方向上分布最为均匀(即方位角间隔方差最小)的组合。方位角定义为飞行器投影到观测点地球切平面上，以正北方向为起点，顺时针旋转至投影方向的夹角。当所有飞行器投影到观测点切平面后，分布在观测点四面八方等各个方向上。

其中，在n颗卫星中选择在方位角上分布均匀最均匀的组合的方法为：

A、将方位角按照大小排列；

B、计算方位角之间的间隔：把n个从小到大排列后的方位角，按式(3)取相邻两个方位角之差，但第n个方位角和第1个方位角构成的间隔按式(4)进行计算。

Δθ_i＝θ_i+1-θ_i，i＝1，...，n-1(3)

Δθ_n＝θ₁-θ_n+360              (4)

C、按式(5)计算方位角间隔的方差，根据所得方位角间隔的方差判断分布均匀度。

$f=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{(\mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_i-\mathrm{mean}\left(\mathrm{\Δ\θ}\right))}^2---\left(5\right)$

其中，

为间隔角的均值。

因此，根据上述的结果结合地面终端站上实际的天线配置情况，具体的选星方法可为：

A、4副天线时：选择1颗具有最高仰角的卫星，其余3颗选方位角最均匀分布的卫星；

B、5副天线时：选择1颗具有最高仰角的卫星，其余4颗选方位角最均匀分布的卫星；

C、6副天线时：选择2颗具有最高仰角的卫星，其余4颗选方位角最均匀分布的卫星。

经过仿真验证，这种选星方法与通过遍历每个组合再去求覆盖范围内的最优平均定位精度具有基本相同的性能。以北京为中心，Galileo星座为转发星座为例进行仿真，采用本发明的方方能保证距中心约4000Km公里内的所有信标定位精度能达到5km，遍历的方法能保证距中心约4080Km公里内的所有信标定位精度能达到5km。国际搜救组织要求能达到3000km。

2、天线最少切换跟踪方案

中轨道卫星的运行周期约为12小时，体现在角速度上约为每分钟0.5度。因此在短时间内，所选卫星组合的几何关系几乎不变。但若过时间过长(如10或20分钟后)，对应的卫星位置在轨道角度上约有5度或10度的变化。因此，由于中轨道卫星运行造成的位置变化，最优的卫星组合已发生变化，天线需要进行切换以保证所跟踪的卫星具有较好的几何关系。

天线跟踪切换需要考虑两方面问题：

A、切换时间间隔不能太长，否则所跟踪卫星的几何位置关系会发生较大变化；

B、天线切换次数不能过于频繁，这样会造成跟踪中断次数过多并且影响天线的使用寿命。如在每个计算点上都采用最优的组合，则天线完整跟踪一颗卫星的时间为1.5小时，即平均每1.5小时切换一次。这样将使天线切换次数过多，从而会减少天线的使用寿命。并且，由于天线的频繁切换，也在跟踪卫星的过程中增加了潜在中断的次数，延长了服务时间。

本发明在综合考虑上述问题后，以最短路径法来实现对天线跟踪切换的方案，在设计完成后，天线切换的频率降低为每2.5小时切换一次，这样每天只切换9.6次。减少了天线切换次数少了，延长了天线的使用寿命长，也降低了对卫星跟踪中断次数少，相应的延长了服务时间。

最短路径法的核心思想是：在最优的卫星组合和最少天线切换次数之间取一个平衡点，保证每个跟踪时刻所选卫星组合是所有组合中位于最优的前几个，从而减少天线切换次数。

以5分钟为时间间隔来选取计算时间点，在每个计算时间点上计算最优的5种卫星组合：A_i1，A_i2，A_i3，A_i4，A_i5，两个相邻时间点上任意两种卫星组合之间的切换次数可以定义为如式(6)所示的一种距离d，，

d＝d(A_in_k1，A_i+1n_k2)               (6)

式(6)的含义为：每两个卫星组合之间相异的卫星编号数表示距离“1”，如A_in₁＝{1，2，3，5}，A_i+1n₂＝{1，2，3，6}，即A_in₁含有编号分别为1，2，3，5的卫星，A_i+1n₂含有编号分别为1，2，3，6的卫星，因此，A_in₁与A_i+1n₂间相异编号数量为1，则此时d＝1。

因此，选取最少天线切换次数的问题就可以转换为在每个计算点上选取一种卫星组合，使得在一天之内总的切换次数最少，即选取一组序列n₁，n₂...，n_k，使得如式(7)所示的距离最小，

$d_t=\underset{i=1}{\overset{k-1}{\mathrm{\Σ}}}d(A_i{n}_i,A_{i+1}{n}_{i+1})=\min \underset{i=1}{\overset{k-1}{\mathrm{\Σ}}}d(A_i{n}_m,A_{i+1}{n}_1),n_m,n_1\∈\left\{\mathrm{1,2,3,4,5}\right\}---\left(7\right)$

这样利用数学规划里面的动态规划解决方法可以以时间复杂度为O(k)的算法求得最优解。

下面以一个实例来说明

设选定的第一个时刻t1地面终端站可见的卫星代号为s1，s2，s3，s4，s5，s6，其方位角和俯仰角分别为s1(10，13)，s2(120，42)，s3(150，23)，s4(290，53)，s5(80，33)，s6(130，83)，地面站天线数量为4，即要选出4颗跟踪的卫星。

其中，卫星s 6的仰角最高，因此先选定。

剩余的5颗卫星为s1，s2，s3，s4，s5，共有10组组合：

(s1，s2，s3)，(s1，s2，s4)，(s1，s2，s5)，(s1，s3，s4)，(s1，s3，s5)，

(s1，s4，s5)，(s2，s3，s4)，(s2，s3，s5)，(s2，s4，s5)，(s3，s4，s5)

按照式(3)，(4)，(5)计算衡量方位角均匀度的指标f如表(1)为：

组合号	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
											f	18200	4200	25900	2400	15000	12200	13400	43400	9800	3800

表1

选取指标最小的5个的组合分别为：第2、4、6、9、10个组合。因此在本时刻上选定的备选组合为

(s1，s2，s4，s6)，(s1，s3，s4，s6)，(s1，s4，s5，s6)，(s2，s4，s5，s6)，(s3，s4，s5，s6)。

假设另外还有两个时刻t2，t 3，经过计算后其备选卫星组合分别为：

t2时刻：(s1，s2，s4，s5)，(s1，s3，s4，s7)，(s1，s3，s5，s6)，(s2，s4，s5，s6)，(s3，s4，s5，s6)。

t3时刻：(s1，s3，s4，s7)，(s3，s4，s7，s8)，(s3，s4，s7，s9)，(s3，s4，s8，s9)，(s3，s7，s8，s9)

利用动态规划的算法，搜索到的最短路径如图2所示，长度为1.因此最终在这三个时刻上选定的卫星组合分别为：(s1，s3，s4，s6)，(s1，s3，s4，s7)和(s1，s3，s4，s7)。

最终的定位流程如下：

a.全天每5分钟取一个时刻，总共取288个时刻；

b.计算每个时刻上仰角最高的1颗卫星，若按前述方案配置6副天线则选取2颗仰角最高的卫星；

c.其余卫星依据方位角分布均匀程度选取，与仰角最高的卫星共同组成待选卫星组合；

d.利用动态规划的算法，在每个时刻上选取最终的卫星组合，使得每天288个时刻上卫星跟踪切换的总次数最少。

定位流程图见图1。

理论上计算最优的天线组合，需要仿真覆盖范围内不同位置的大量模拟信标，计算所有信标的理论定位精度，并对其进行统计。通过对所有卫星组合遍历后选取统计结果最好的。这种方法虽然理论上结果最优，但计算耗时太大。通常计算一天卫星跟踪的卫星组合选取时间需要5-6小时。采用本文的选星策略，以2G中频，1G内存的计算机仿真，计算时间在1秒种之内，大幅减少了计算量。

本发明提供的天线切换策略采用后，平均每副天线的完整跟踪时间为2.5小时，即每2.5小时切换一次。先比较与之前的1.5小时有大幅提高。同时实际的定位效能与不采用本策略相比略有下降，但仍可以较多的余量满足覆盖范围内遇险信标的5km定位精度要求。

本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。

Claims (3)

1.一种中轨道卫星搜救系统的选星方法，其特征在于通过以下步骤实现：

步骤1：单时刻选星：

确定选星时刻，并根据地面终端站的天线数n选择出单时刻最优的卫星组合，

当n≤5时，选择地面终端站可视区域内，1颗仰角最高的卫星和n-1颗方位角分布最均匀的卫星组合；

当n＝6时，选择地面终端站可视区域内，2颗仰角最高的卫星和4颗方位角分布均匀的卫星；

选星完成后，转入步骤2；

步骤2：天线切换跟踪处理：

采用步骤1所述方法选择出每个选星时刻的所有卫星组合；

对所有选星时刻的所有卫星组合进行动态规划处理，选出在每个选星时刻最优切换卫星组合；

步骤3：地面终端站按照步骤2确定的切换卫星组合在每个选星时刻进行切换。

2.根据权利要求1所述的一种中轨道卫星搜救系统的选星方法，其特征在于：所述步骤1中选择最优的卫星组合的步骤为：

计算每颗卫星的方位角；所述卫星不包括具有仰角最高的卫星；

将方位角从小到大排列并计算方位角的正间隔，其中最小方位角与最大方位角的间隔取最小值；

计算每组卫星组合的方位角间隔方差；

选取方差最小的卫星组合作为最优的卫星组合。

3.根据权利要求1所述的一种中轨道卫星搜救系统的选星方法，其特征在于：所述选星时刻的确定是以5分钟为时间间隔，将全天时间进行划分后得到的288个时刻。

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