CN103823224B - 一种基于北斗卫星导航系统的分轨选星方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于北斗卫星导航系统的分轨选星方法。该方法首先通过选取满足高度角预设阈值的卫星作为待选卫星，其次根据待选卫星的轨道类型来划分高轨卫星组和中轨卫星组，在高轨卫星组中确定待选顶座星，在中轨卫星组中选取待选底座星；最后通过计算一颗待选顶座星与三颗待选底座星所构成的定位星座四面体体积来确定当前定位星。本发明针对北斗导航系统的空间星座布局角度来设计，在不影响解算精度的前提下有效降低计算复杂度，提高导航解算的实时性。

Description

一种基于北斗卫星导航系统的分轨选星方法

技术领域

本发明属于卫星导航技术领域，具体地说是一种基于北斗卫星导航系统的分轨选星方法。

背景技术

我国正快速发展建设具有自主知识产权的北斗2代全球卫星导航系统，根据北斗空间信号接口控制文件(ICDv1.0)的介绍，北斗系统全星座建成之后，其空间段由5颗地球静止轨道(GEO)卫星、27颗中圆地球轨道(MEO)卫星和3颗倾斜地球同步轨道(IGSO)卫星组成。目前在轨运行的北斗卫星已经达到16颗，初步形成覆盖亚太地区的定位能力，随着北斗星座的逐步完善，同时观测到的卫星数目也在不断增多。

将所有可见星用于导航解算虽然可以一定程度的减小几何精度因子（GDOP）值，但是会给接收机硬件跟踪通道以及导航解算模块带来负担。因此对当前可见星进行合理优选，在不影响精度的前提下降低计算复杂度，具有非常现实的意义和价值。

传统的选星算法主要包括：最小几何精度因子（GDOP）选星法、最大矢端四面体体积法、最大行列式法等，这些算法均需要对所有可见星进行遍历运算以寻求最佳的选星方案，但在可见星数量较多时计算量巨大，影响算法的实时性。虽然目前已出现了一些以牺牲很小的GDOP值来换取解算实时性的次优选星算法，但迄今为止，尚未见到针对北斗异质星座特性开展的选星方法的报道。

发明内容

本发明解决的技术问题是提供一种针对北斗异质星座特性且无需遍历所有可见星即可获取当前定位星的分轨选星方法。

为解决上述技术问题，本发明一种基于北斗卫星导航系统的分轨选星方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、选取当前所有可见卫星中高度角大于等于预设阈值的可见卫星作为待选卫星；

步骤2、根据待选卫星所在轨道的类型将其分为高轨卫星组和中轨卫星组；

步骤3、在高轨卫星组中确定待选顶座星；

步骤4、选择中轨卫星组中任意三颗卫星作为待选底座星，计算由上述三颗待选底座星与待选顶座星所构成的定位星座四面体体积；

步骤5、重复步骤4直至遍历选择完中轨卫星组中的所有三颗卫星的组合，将其中四面体体积最大的定位星座所对应的一个待选顶座星和三个待选底座星作为当前定位星。

进一步地优选方案，本发明基于北斗卫星导航系统的分轨选星方法中，所述步骤1中可见卫星的高度角按照以下步骤获取，具体为：

步骤1-1、由卫星星历数据计算当前所有可见卫星在地心地固坐标系下的位置坐标，SatPos_Car=[x_n,y_n,z_n],其中n=1,2,3…，n表示卫星编号；

步骤1-2、将卫星位置由地心地固坐标系转换到站心坐标系SatPos_Geo；

SatPos_Geo=S·SatPos_Car， $S=\left[\begin{array}{ccc}-\sin \mathrm{\λ}& \cos \mathrm{\λ}& 0\\ -\sin \mathrm{\φ}\cos \mathrm{\λ}& -\sin \mathrm{\φ}\sin \mathrm{\λ}& \cos \mathrm{\φ}\\ \cos \mathrm{\φ}\cos \mathrm{\λ}& \cos \mathrm{\φ}\sin \mathrm{\λ}& \sin \mathrm{\φ}\end{array}\right],$ λ,φ分别为接收机对应的经度和纬度；

步骤1-3、根据几何关系计算各个可见卫星的高度角θ；

$\mathrm{\θ}=\arcsin \left(\frac{\mathrm{\Δu}}{\sqrt{{\left(\mathrm{\Δe}\right)}^2+{\left(\mathrm{\Δn}\right)}^2+{\left(\mathrm{\Δu}\right)}^2}}\right)$

式中， $\left[\begin{array}{c}\mathrm{\Δe}\\ \mathrm{\Δn}\\ \mathrm{\Δu}\end{array}\right]=S\·\left[\begin{array}{c}\mathrm{\Δx}\\ \mathrm{\Δy}\\ \mathrm{\Δz}\end{array}\right],$ $\left[\begin{array}{c}\mathrm{\Δx}\\ \mathrm{\Δy}\\ \mathrm{\Δz}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{x}_n\\ y_n\\ z_n\end{array}\right]-\left[\begin{array}{c}x\\ y\\ z\end{array}\right],$ UsrPos_Car=[x,y,z]为接收机在地心地固坐标系中的坐标。

进一步地优选方案，本发明基于北斗卫星导航系统的分轨选星方法中，步骤1中高度角阈值为5°。

进一步地优选方案，本发明基于北斗卫星导航系统的分轨选星方法中，步骤2中将位于地球静止轨道与倾斜地球同步轨道的待选卫星归为高轨卫星组，将位于中圆地球轨道的待选卫星归为中轨卫星组。

进一步地优选方案，本发明基于北斗卫星导航系统的分轨选星方法中，所述步骤3中在高轨卫星组中确定待选顶座星，具体为：

判断当前高轨卫星组中的卫星数量，若只存在1颗卫星则将该卫星作为待选顶座星，若至少存在2颗卫星则分别选取高度角最大和最小的两颗卫星作为待选顶座星。

进一步地优选方案，本发明基于北斗卫星导航系统的分轨选星方法中，步骤4中计算定位星座四面体体积时，当待选顶座星为两颗时，分别计算这两颗待选顶座星与三个待选底座星所构成的定位星座四面体的体积；

其中，定位星座四面体体积计算公式如下：式中，A为待选顶座星在地心地固坐标系下的坐标、B、C、D分别为三颗底座星在地心地固坐标系下的坐标。

本发明与现有技术相比具备以下显著的优点：1）本发明的分轨选星方法针对北斗导航系统的空间星座布局角度来设计；2）本发明在不影响解算精度的前提下有效降低计算复杂度，提高导航解算的实时性，对后续开展的多星座协同导航具有很强的适应性。

附图说明

图1为本发明分轨选星方法的流程图；

图2为本发明分轨选星方法与最小GDOP选星法的仿真结果对比曲线。

具体实施方式

如图1所示，本发明一种基于北斗卫星导航系统的分轨选星方法，包括以下步骤：

步骤1、选取当前所有可见卫星中高度角大于等于预设阈值的可见卫星作为待选卫星，其中高度角预设阈值为5°，可见卫星的高度角按照以下步骤获得，具体为：

步骤1-1、由卫星星历数据计算当前所有可见卫星在地心地固坐标系下的位置坐标，SatPos_Car=[x_n,y_n,z_n],其中n=1,2,3…，n表示卫星编号；

步骤1-2、将卫星位置由地心地固坐标系转换到站心坐标系SatPos_Geo，由于地心地固坐标系下的位置表达不能与实际物理意义相联系，不便于计算卫星的高度角与方位角，因此需要转换到站心坐标系即东北天坐标系中；

SatPos_Geo=S·SatPos_Car， $S=\left[\begin{array}{ccc}-\sin \mathrm{\λ}& \cos \mathrm{\λ}& 0\\ -\sin \mathrm{\φ}\cos \mathrm{\λ}& -\sin \mathrm{\φ}\sin \mathrm{\λ}& \cos \mathrm{\φ}\\ \cos \mathrm{\φ}\cos \mathrm{\λ}& \cos \mathrm{\φ}\sin \mathrm{\λ}& \sin \mathrm{\φ}\end{array}\right],$ λ,φ分别为接收机对应的经度和纬度；

步骤1-3、根据几何关系计算各个可见卫星的高度角θ；

$\mathrm{\θ}=\arcsin \left(\frac{\mathrm{\Δu}}{\sqrt{{\left(\mathrm{\Δe}\right)}^2+{\left(\mathrm{\Δn}\right)}^2+{\left(\mathrm{\Δu}\right)}^2}}\right)$

式中， $\left[\begin{array}{c}\mathrm{\Δe}\\ \mathrm{\Δn}\\ \mathrm{\Δu}\end{array}\right]=S\·\left[\begin{array}{c}\mathrm{\Δx}\\ \mathrm{\Δy}\\ \mathrm{\Δz}\end{array}\right],$ $\left[\begin{array}{c}\mathrm{\Δx}\\ \mathrm{\Δy}\\ \mathrm{\Δz}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{x}_n\\ y_n\\ z_n\end{array}\right]-\left[\begin{array}{c}x\\ y\\ z\end{array}\right],$ UsrPos_Car=[x,y,z]为接收机在地心地固坐标系中的坐标；

对于接收机来说，对接收到的卫星信号进行解码，获得当前卫星位置是进行解算的重要前提，高度角计算过程为本领域的常规方法，具体参见《GPS原理与接收机设计》谢钢3.1.5节的相关内容，此处不再赘述！

本发明中选取高度角大于等于5°的卫星是为了降低多路径和大气折射等信号传播路径上的误差；

步骤2、根据待选卫星所在轨道的类型将其分为高轨卫星组和中轨卫星组：

由于地球静止轨道(GEO)与倾斜地球同步轨道(IGSO)卫星的轨道高度均为35786千米，将其归类为高轨卫星组；

由于中圆地球轨道(MEO)卫星的轨道高度为21528千米，将其归类为中轨卫星组；

步骤3、在高轨卫星组中确定待选顶座星：

判断当前高轨卫星组中的卫星数量，若只存在1颗卫星则将该卫星作为待选顶座星，若至少存在2颗卫星则分别选取高度角最大和最小的两颗卫星作为待选顶座星；

步骤4、选择中轨卫星组中任意三颗卫星作为待选底座星，计算由上述三颗待选底座星与待选顶座星所构成的定位星座四面体体积，计算定位星座四面体体积时，当待选顶座星为两颗时，分别计算这两颗待选顶座星与三个待选底座星所构成的定位星座四面体的体积；

其中，定位星座四面体体积计算公式如下：式中，A为待选顶座星在地心地固坐标系下的坐标、B、C、D分别为三颗底座星在地心地固坐标系下的坐标；

步骤5、重复步骤4直至遍历选择完中轨卫星组中的所有三颗卫星的组合，将其中四面体体积最大的定位星座所对应的一个待选顶座星和三个待选底座星作为当前定位星。

如图1所示，基于目前北斗卫星的分布情况，对于步骤3中高轨卫星组中卫星的数目一般均大于等于1，步骤4中的中轨卫星组中卫星数目一般均大于等于3；若出现高轨卫星组中无卫星或中轨卫星组中卫星数目小于3时，则接收机重新搜索卫星。

如图2所示，采用仿真的方式，对使用本发明方法后的北斗卫星导航系统的实时GDOP值与传统最小GDOP选星方法进行对比验证。

首先利用卫星仿真工具包软件建立了北斗全面建成后的全星座模型，获取一段时间的精确卫星位置信息，仿真时间为24小时，采样周期为1分钟，接收机位置设为南京的经度纬度高度坐标[118.8°32.03°10m]。

通过编程实现了本发明中的选星算法以及最小GDOP选星算法，两者的实时GDOP对比曲线如图2所示，表1为对图1数据的统计分析结果，由图2和表1可以看出本发明的选星方法所计算出的GDOP值均在3.9以内，达到优良等级，而且与最小GDOP选星法的结果相比，73.1%的数据差值小于0.2，99%的数据差值小于0.5，说明本方法可以正确地选择定位星。

表1：

GDOP值	最小GDOP选星法	本文算法
			最大值	3.6080	3.8366
最小值	2.1612	2.1612
			均值	2.6387	2.7687
方差	0.1009	0.0937

仿真结果同时表明本发明所设计的选星方法在任意时间点均满足选星条件，不会反复重新搜星。该方法与传统的最小GDOP选星法相比，每一个处理时刻的遍历计算数由降低到N为当前可见星数，以南京对北斗卫星在各个时刻的平均可见星数N=15为例，计算数由1365降为35，可见计算复杂度大大降低，有效提高了算法实时性。

Claims (5)

1.一种基于北斗卫星导航系统的分轨选星方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、选取当前所有可见卫星中高度角大于等于预设阈值的可见卫星作为待选卫星；

步骤2、根据待选卫星所在轨道的类型将其分为高轨卫星组和中轨卫星组，将位于地球静止轨道与倾斜地球同步轨道的待选卫星归为高轨卫星组，将位于中圆地球轨道的待选卫星归为中轨卫星组；

步骤3、在高轨卫星组中确定待选顶座星；

步骤4、选择中轨卫星组中任意三颗卫星作为待选底座星，计算由上述三颗待选底座星与待选顶座星所构成的定位星座四面体体积；

步骤5、重复步骤4直至遍历选择完中轨卫星组中的所有三颗卫星的组合，将其中四面体体积最大的定位星座所对应的一个待选顶座星和三个待选底座星作为当前定位星。

2.根据权利要求1所述的基于北斗卫星导航系统的分轨选星方法，其特征在于步骤1中可见卫星的高度角按照以下步骤获得，具体为：

步骤1-1、由卫星星历数据计算当前所有可见卫星在地心地固坐标系下的位置坐标，SatPos_Car＝[x_n,y_n,z_n],其中n＝1,2,3…，n表示卫星编号；

步骤1-2、将卫星位置由地心地固坐标系转换到站心坐标系SatPos_Geo；

SatPos_Geo＝S·SatPos_Car， $S=\left[\begin{array}{ccc}-sin\mathrm{\λ}& cos\mathrm{\λ}& 0\\ -\sin \mathrm{\φ}\cos \mathrm{\λ}& -sin\mathrm{\φ}sin\mathrm{\λ}& cos\mathrm{\φ}\\ \cos \mathrm{\φ}cos\mathrm{\λ}& \cos \mathrm{\φ}sin\mathrm{\λ}& sin\mathrm{\φ}\end{array}\right],$ λ,φ分别为接收机对应的经度和纬度；

步骤1-3、根据几何关系计算各个可见卫星的高度角θ；

$\mathrm{\θ}=arcsin\left(\frac{\mathrm{\Δ}u}{\sqrt{{\left(\mathrm{\Δ}e\right)}^2+{\left(\mathrm{\Δ}n\right)}^2+{\left(\mathrm{\Δ}u\right)}^2}}\right)$

式中， $\left[\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}e\\ \mathrm{\Δ}n\\ \mathrm{\Δ}u\end{array}\right]=S\·\left[\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}x\\ \mathrm{\Δ}y\\ \mathrm{\Δ}z\end{array}\right],\left[\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}x\\ \mathrm{\Δ}y\\ \mathrm{\Δ}z\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{x}_n\\ y_n\\ z_n\end{array}\right]-\left[\begin{array}{c}x\\ y\\ z\end{array}\right],$ UsrPos_Car＝[x,y,z]为接收机在地心地固坐标系中的坐标。

3.根据权利要求1所述的基于北斗卫星导航系统的分轨选星方法，其特征在于，步骤1中高度角预设阈值为5°。

4.根据权利要求1所述的基于北斗卫星导航系统的分轨选星方法，其特征在于，步骤3中在高轨卫星组中确定待选顶座星，具体为：

判断当前高轨卫星组中的卫星数量，若只存在1颗卫星则将该卫星作为待选顶座星，若至少存在2颗卫星则分别选取高度角最大和最小的两颗卫星作为待选顶座星。

5.根据权利要求4所述的基于北斗卫星导航系统的分轨选星方法，其特征在于，步骤4中计算定位星座四面体体积时，当待选顶座星为两颗时，分别计算这两颗待选顶座星与三个待选底座星所构成的定位星座四面体的体积；

其中，定位星座四面体体积计算公式如下：式中，A为待选顶座星在地心地固坐标系下的坐标、B、C、D分别为三颗底座星在地心地固坐标系下的坐标。