CN102608621A - 一种高精度低轨双星无缝无源定位方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种高精度低轨双星无缝无源定位方法及系统，针对低轨双星的时差频差定位体制中定位精度和盲区问题，提出充分利用覆盖区内已知辐射源位置精确已知的特点，通过未知辐射源和已知辐射源之间的位置差分，提高未知辐射源的定位精度；同时基于多历元时差法，有效消除定位盲区。本发明不仅能够有效提高低轨双星无源定位精度，而且能够有效解决由时差频差定位体制带来的盲区定位问题、实现覆盖区内的无缝定位。
Description
技术领域
本发明涉及基于空天平台的无源定位领域，具体涉及一种高精度低轨双星无缝无源定位方法及系统。
背景技术
低轨双星无源定位方法经过多年的探索，时差频差定位体制理论得到长足发展。美国已经采用这种体制建立了三星无源定位系统和双星无源定位系统。国内人士结合当前的时差频差测量水平分析了这种无源定位的定位性能，相比其他定位体制，具有更高的定位精度，是一种比较具有应用前途的方式。但众多研究结果表明：在当前的技术水平下，定位精度普遍处于3公里以上，在覆盖区内，大部分区域的定位精度远超过3公里，并且存在覆盖区内不可定位区域(盲区或盲区带)。在充分分析低轨双星误差特点的基础上，引入卫星导航系统的差分概念，通过位置差分方法提高大部分区域的定位精度，通过多历元时差差分方法解决星下点盲区带的定位问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种高精度低轨双星无缝无源定位方法及系统，其不仅能够有效提高低轨双星无源定位精度，而且能够有效解决由时差频差定位体制带来的盲区定位问题、实现覆盖区内的无缝定位。
本发明的基本思想是针对低轨双星的时差频差定位体制中定位精度和盲区问题，提出充分利用覆盖区内已知辐射源位置精确已知的特点，通过未知辐射源和已知辐射源之间的位置差分，提高未知辐射源的定位精度；同时基于多历元时差法，有效消除定位盲区。
为解决上述问题，本发明是通过以下方案实现的：
本发明一种高精度低轨双星无缝无源定位方法，包括如下步骤：
(1)卫星位置和速度解算：利用星载双频导航接收机解算2颗低轨卫星在当前历元的轨道位置和运动速度，同时得到2颗低轨卫星间的几何距离；
(2)未知辐射源的区域判别：根据系统定位精度指标预先设定GDOP(几何精度因子)的判定门限，2颗低轨卫星分别计算未知辐射源的GDOP，并将计算出的2个未知辐射源的GDOP与上述预设的GDOP的判定门限进行比较；若2个未知辐射源的GDOP中只要有一个不高于GDOP的判定门限，则视为该未知辐射源处于可定位区域即非盲区；若2个未知辐射源的GDOP均高于GDOP的判定门限，则视为该未知辐射源处于盲区；
(3)已知辐射源的选择：选择至少1个GDOP与未知辐射源的GDOP相近，并且与未知辐射源处于以星下点为原点的地理坐标系中的同一象限且经度和纬度相近的辐射源作为已知辐射源；
(4)已知和未知辐射源的解算位置：利用时差频差定位体制的迭代算法分别得到已知和未知辐射源的解算位置，其时差频差定位方程为：
上述方程中，Δt是辐射源信号到达2颗低轨卫星的时间差，Δf是辐射源信号到达2颗低轨卫星的频率差，f0是辐射源辐射信号的频率，c是辐射源辐射信号的传播速度，a是地球半长轴，b是地球半短轴，(xs1，ys1，zs1)和(xs2，ys2，zs2)分别是2颗低轨卫星的位置，(vx1，vy1，vz1)和(vx2，vy2，vz2)分别是2颗低轨卫星的速度，r1和r2分别是2颗低轨卫星到达辐射源的距离，(x，y，z)是辐射源的位置；
(5)已知辐射源的位置改正数解算：将上述获得的已知辐射源的解算位置减去已知辐射源的精确已知位置，即可获得已知辐射源的位置改正数；
(6)非盲区未知辐射源的位置差分法解算：对处于可定位区域内的未知辐射源，将上述获得的未知辐射源的解算位置减去已知辐射源的位置改正数，即可获得未知辐射源的改正位置；
(7)盲区未知辐射源的位置多历元时差法解算：利用三个时刻的时间差和频差组成3组时差频差定位方程组，解算得到盲区内未知辐射源的位置。
上述步骤(3)中所述已知辐射源的GDOP与未知辐射源的GDOP相近具体是指，已知辐射源与未知辐射源的GDOP差值介于0～1之间。
上述步骤(3)中所述已知辐射源经度和纬度与未知辐射源的经度和纬度相近具体是指，已知辐射源与未知辐射源的经度差值介于0～10度之间，已知辐射源与未知辐射源的纬度差值介于0～10度之间。
本发明一种高精度低轨双星无缝无源定位系统，主要由2颗低轨卫星、至少1个地面接收站、至少1个已知辐射源和1个未知辐射源组成；
2颗低轨卫星的星上处理系统上各配备一台具有自主定轨功能的双频导航接收机，其中第一低轨卫星的星上处理系统上带有时差和频差测量单元、卫星位置和速度解算单元、未知和已知辐射源GDOP解算单元、盲区和非盲区判断单元、非盲区位置差分法解算单元、以及盲区多历元时差法定位单元；时差和频差测量单元及卫星位置和速度解算单的输出端分别连接未知和已知辐射源GDOP解算单元的输入端；未知和已知辐射源GDOP解算单元的输出端与盲区和非盲区判断单元的输入端连接；盲区和非盲区判断单元的输出端分别连接非盲区位置差分法解算单元的输入端及盲区多历元时差法定位单元的输入端；第二低轨卫星的星上处理系统上带有透明转发器；
未知辐射源同时与2颗低轨卫星相通信，已知辐射源也同时与2颗低轨卫星相通信；第二低轨卫星则经由第一低轨卫星与地面接收站相通信。
与现有技术相比，本发明具有如下特点：
1)基于卫星导航系统的星上自主定轨，减少了对地面监测系统的依赖，大大提高了无源定位的灵活性；
2)使覆盖区内的辐射源定位精度大大提高。大部分区域的定位精度可在1km以下；
3)解决了定位盲区问题，使未知辐射源的漏检率大大降低；
4)不仅可以应用于低轨卫星或无人机等双系统空天平台，算法环节将历元数加倍即可用于单系统空天平台。
附图说明
图1为一种高精度低轨双星无缝无源定位系统组成图；
图2为第一低轨卫星星上处理系统原理框图；
图3为GODP分布图；
图4为多历元时差法误差分布图。
具体实施方式
本发明一种高精度低轨双星无缝无源定位系统如图1所示，其主要由2颗低轨卫星S1和S2、至少1个地面接收站A2、至少1个已知辐射源A1和1个未知辐射源T组成。2颗低轨卫星S1和S2的星上处理系统上各配备一台具有自主定轨功能的双频导航接收机。其中第一低轨卫星S1的星上处理系统上带有时差和频差测量单元、卫星位置和速度解算单元、未知和已知辐射源GDOP解算单元、盲区和非盲区判断单元、非盲区位置差分法解算单元、以及盲区多历元时差法定位单元。时差和频差测量单元及卫星位置和速度解算单的输出端分别连接未知和已知辐射源GDOP解算单元的输入端；未知和已知辐射源GDOP解算单元的输出端与盲区和非盲区判断单元的输入端连接；盲区和非盲区判断单元的输出端分别连接非盲区位置差分法解算单元的输入端及盲区多历元时差法定位单元的输入端。参见图2。第二低轨卫星S2的星上处理系统上带有透明转发器。未知辐射源T同时与2颗低轨卫星S1和S2相通信，已知辐射源A1也同时与2颗低轨卫星S1和S2相通信；第二低轨卫星S2则经由第一低轨卫星S1与地面接收站相通信。
上述系统构架所实现的一种高精度低轨双星无缝无源定位方法，包括如下步骤：
(1)卫星位置和速度解算：利用星载双频导航接收机解算2颗低轨卫星在当前历元的轨道位置和运动速度，同时得到2颗低轨卫星间的几何距离。
(2)未知辐射源的区域判别：根据系统定位精度指标预先设定GDOP的判定门限，2颗低轨卫星分别计算未知辐射源的GDOP，并将计算出的2个未知辐射源的GDOP与上述预设的GDOP的判定门限进行比较；若2个未知辐射源的GDOP中只要有一个不高于GDOP的判定门限，则视为该未知辐射源处于可定位区域即非盲区；若2个未知辐射源的GDOP均高于GDOP的判定门限，则视为该未知辐射源处于盲区。
在实际应用中，未知辐射源的区域判别可以利用雷达给出的无源方向到达角，大致确定未知辐射源是否处于不可定位区域；也可以根据上述方法，即通过与预设GDOP值的阈值进行比较确定不可定位区域。
在本发明优选实施例中，由于所选用的2颗低轨卫星距离比较近，因此因同时2颗低轨卫星分别计算未知辐射源的GDOP较为接近，此时只需选择第一低轨卫星所计算出的未知辐射源的GDOP与预先设定的GDOP的判定门限进行比较即可。
对处于可定位区域的未知辐射源，采用位置差分方法定位，对处于盲区的未知辐射源，利用前两个历元或在两个历元后采用多历元时差法定位。采用位置差分，必须先确定参考辐射源，在双星星下点轨迹两侧具有多个参考辐射源，其位置坐标可以采用其他方法事前确知。利用时差频差定位方程组解算，得到参考辐射源的位置解和位置改正值，利用位置改正值在解算过程中直接修正辐射源位置误差。这种方法与GPS位置差分的最大区别在于不需要位置改正量的传输链路，使位置差分的应用更加简便。
(3)已知辐射源的选择：选择至少1个GDOP与未知辐射源的GDOP相近，并且与未知辐射源处于以星下点为原点的地理坐标系中的同一象限且经度和纬度相近的辐射源作为已知辐射源。
在星下点轨迹两侧的辐射源定位区域内均存在多个已知辐射源，事前已知辐射源已经过现有已知的某种方法得到精确位置，并且GDOP、已知位置以及已知辐射源的信号参数等均保存在星上处理系统中。
在低轨双星无源定位系统中，卫星的星历将是一项对定位误差影响最大的误差，星历误差对辐射源定位影响与其位置有关，距离越近，影响越少，距离越远，影响越大。基于此特征，位置差分只有在一定的范围内才能获得较好的差分效果。利用短基线差分技术，可以最大限度地提高差分定位精度，但对已知辐射源需要根据一定的规则进行选择，其选择原则为：(1)已知辐射源和未知辐射源的GDOP相差较小；(2)已知辐射源与未知辐射源距离尽可能小，为了获得较好的定位精度，可能要求多个已知辐射源与这个大区域内的未知辐射源进行差分。
在本发明优选实施例中，上述已知辐射源的GDOP与未知辐射源的GDOP相近具体是指，已知辐射源与未知辐射源的GDOP差值介于0～1之间。上述已知辐射源经度和纬度与未知辐射源的经度和纬度相近具体是指，已知辐射源与未知辐射源的经度差值介于0～10度之间，已知辐射源与未知辐射源的纬度差值介于0～10度之间。
(4)已知和未知辐射源的解算位置：利用时差频差定位体制的迭代算法分别得到已知和未知辐射源的解算位置，其时差频差定位方程为：
上述方程中，Δt是辐射源信号到达2颗低轨卫星的时间差，Δf是辐射源信号到达2颗低轨卫星的频率差，f0是辐射源辐射信号的频率，c是辐射源辐射信号的传播速度，a是地球半长轴，b是地球半短轴，(xs1，ys1，zs1)和(xs2，ys2，zs2)分别是2颗低轨卫星的位置，(vx1，vy1，vz1)和(vx2，vy2，vz2)分别是2颗低轨卫星的速度，r1和r2分别是2颗低轨卫星到达辐射源的距离，(x，y，z)是辐射源的位置。
(5)已知辐射源的位置改正数解算：将上述获得的已知辐射源的解算位置减去已知辐射源的已知位置，即可获得已知辐射源的位置改正数。
(6)非盲区未知辐射源的位置差分法解算：对处于可定位区域内的未知辐射源，将上述获得的未知辐射源的解算位置减去已知辐射源的位置改正数，即可获得未知辐射源的改正位置。
采用时差频差定位体制，当时差标准差σtd＝60ns，频差标准差σfd＝8Hz，卫星间距d＝100km时，GODP分布如图3所示。
表1是对与已知辐射源经度相差5·的未知辐射源，采用位置差分后的定位精度。通过未知辐射源差分前和差分后的定位精度比较，可以发现未知辐射源的定位精度大大提高了。说明只要合理选择已知辐射源，可以使可定位区域内的定位精度小于1km。
表1.未知辐射源与已知辐射源经度相差5·的位置差分精度
(7)盲区未知辐射源的位置多历元时差法解算：利用三个时刻的时间差和频差组成3组时差频差定位方程组，解算得到盲区内未知辐射源的位置。
采用多历元时差法可以使盲区带获得较高的定位精度，从而可以解决定位区域内的盲区问题。当时差标准差σtd＝60ns，频差标准差σfd＝8Hz，卫星间距d＝100km时，多历元时差法的盲区定位误差分布如图4所示。
Claims (4)
1.一种高精度低轨双星无缝无源定位方法，其特征是包括如下步骤：
(1)卫星位置和速度解算：利用星载双频导航接收机解算2颗低轨卫星在当前历元的轨道位置和运动速度，同时得到2颗低轨卫星间的几何距离；
(2)未知辐射源的区域判别：根据系统定位精度指标预先设定GDOP的判定门限，2颗低轨卫星分别计算未知辐射源的GDOP，并将计算出的2个未知辐射源的GDOP与上述预设的GDOP的判定门限进行比较；若2个未知辐射源的GDOP中只要有一个不高于GDOP的判定门限，则视为该未知辐射源处于可定位区域即非盲区；若2个未知辐射源的GDOP均高于GDOP的判定门限，则视为该未知辐射源处于盲区；
(3)已知辐射源的选择：选择至少1个GDOP与未知辐射源的GDOP相近，并且与未知辐射源处于以星下点为原点的地理坐标系中的同一象限且经度和纬度相近的辐射源作为已知辐射源；
(4)已知和未知辐射源的解算位置：利用时差频差定位体制的迭代算法分别得到已知和未知辐射源的解算位置，其时差频差定位方程为：
上述方程中，Δt是辐射源信号到达2颗低轨卫星的时间差，Δf是辐射源信号到达2颗低轨卫星的频率差，f0是辐射源辐射信号的频率，c是辐射源辐射信号的传播速度，a是地球半长轴，b是地球半短轴，(xs1，ys1，zs1)和(xs2，ys2，zs2)分别是2颗低轨卫星的位置，(vx1，vy1，vz1)和(vx2，vy2，vz2)分别是2颗低轨卫星的速度，r1和r2分别是2颗低轨卫星到达辐射源的距离，(x，y，z)是辐射源的位置；
(5)已知辐射源的位置改正数解算：将上述获得的已知辐射源的解算位置减去已知辐射源的精确已知位置，即可获得已知辐射源的位置改正数；
(6)非盲区未知辐射源的位置差分法解算：对处于可定位区域内的未知辐射源，将上述获得的未知辐射源的解算位置减去已知辐射源的位置改正数，即可获得未知辐射源的改正位置；
(7)盲区未知辐射源的位置多历元时差法解算：利用三个时刻的时间差和频差组成3组时差频差定位方程组，解算得到盲区内未知辐射源的位置。
2.根据权利要求1所述的一种高精度低轨双星无缝无源定位方法，其特征是：步骤(3)中所述已知辐射源的GDOP与未知辐射源的GDOP相近具体是指，已知辐射源与未知辐射源的GDOP差值介于0～1之间。
3.根据权利要求1所述的一种高精度低轨双星无缝无源定位方法，其特征是：步骤(3)中所述已知辐射源经度和纬度与未知辐射源的经度和纬度相近具体是指，已知辐射源与未知辐射源的经度差值介于0～10度之间，已知辐射源与未知辐射源的纬度差值介于0～10度之间。
4.一种高精度低轨双星无缝无源定位系统，其特征是：主要由2颗低轨卫星、至少1个地面接收站、至少1个已知辐射源和1个未知辐射源组成；
2颗低轨卫星的星上处理系统上各配备一台具有自主定轨功能的双频导航接收机，其中第一低轨卫星的星上处理系统上带有时差和频差测量单元、卫星位置和速度解算单元、未知和已知辐射源GDOP解算单元、盲区和非盲区判断单元、非盲区位置差分法解算单元、以及盲区多历元时差法定位单元；时差和频差测量单元及卫星位置和速度解算单的输出端分别连接未知和已知辐射源GDOP解算单元的输入端；未知和已知辐射源GDOP解算单元的输出端与盲区和非盲区判断单元的输入端连接；盲区和非盲区判断单元的输出端分别连接非盲区位置差分法解算单元的输入端及盲区多历元时差法定位单元的输入端；第二低轨卫星的星上处理系统上带有透明转发器；
未知辐射源同时与2颗低轨卫星相通信，已知辐射源也同时与2颗低轨卫星相通信；第二低轨卫星则经由第一低轨卫星与地面接收站相通信。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20120725 |