CN103885075A - 一种基于卫星平台系统的辅助星载掩星接收机快速定位的方法 - Google Patents

Abstract

一种基于卫星平台系统的辅助星载掩星接收机快速定位的方法，GPS接收机接收到GPS卫星星座的信号，对该信号进行处理得到GPS星历信息、时间信息、卫星位置信息和GPS星座分布预报信息；GPS接收机接收到星务调度单元发出的辅助信息轮询指令，将得到的GPS星历信息、时间信息、卫星位置信息和GPS星座分布预报信息输出到星上网的一级CAN总线上；星务调度单元将GPS星历信息、时间信息、卫星位置信息和GPS星座分布预报信息从星上网的一级CAN总线输出到星上网的二级CAN总线上；星载掩星接收机从星上网的二级CAN总线上获得GPS星历信息、时间信息、卫星位置信息和GPS星座分布预报信息，首先对该信息进行校验，若信息有效，则利用该信息实现快速定位。本发明减小掩星接收机特定弧段开机工作首次定位时间，提高掩星观测数据的可用率。

Description

一种基于卫星平台系统的辅助星载掩星接收机快速定位的方法

技术领域

本发明涉及一种辅助星载掩星接收机快速定位的方法，特别是一种基于卫星平台系统的辅助星载掩星接收机快速定位的方法。

背景技术

目前，在轨运行的掩星接收机都是长期加电工作的。对于某些特殊应用，需要掩星接收机在卫星轨道圈的特定弧段短时间开机对掩星事件进行测量。该工况下掩星接收机开机时间很短，一般在数十分钟左右。因此，掩星接收机从开机到正常定位工作所需要的首次定位时间直接影响了掩星事件观测数据可用率。

传统的掩星接收机存在的问题：采用传统搜索GPS卫星的方法进行冷启动，捕获、跟踪GPS卫星信号的时间很长，造成了首次定位时间较长，导致开机弧段的掩星事件观测数据可用率较低。

发明内容

本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供了一种基于卫星平台系统的辅助星载掩星接收机快速定位的方法，减小掩星接收机特定弧段开机工作首次定位时间，提高掩星观测数据的可用率。

本发明的技术解决方案：一种基于卫星平台系统的辅助星载掩星接收机快速定位的方法，所述的卫星平台包括：GPS接收机、星务调度单元、一级CAN总线和二级CAN总线，包括：

（1）GPS接收机接收到GPS卫星星座的信号，对该信号进行处理得到GPS星历信息、时间信息、卫星位置信息和GPS星座分布预报信息；

（2）GPS接收机接收到星务调度单元发出的辅助信息轮询指令，将辅助信息即步骤（1）得到的GPS星历信息、时间信息、卫星位置信息和GPS星座分布预报信息输出到星上网的一级CAN总线上；

（3）星务调度单元将GPS星历信息、时间信息、卫星位置信息和GPS星座分布预报信息从星上网的一级CAN总线输出到星上网的二级CAN总线上；

（4）星载掩星接收机从星上网的二级CAN总线上获得GPS星历信息、时间信息、卫星位置信息和GPS星座分布预报信息，首先对该信息进行校验，若信息有效，则利用该信息实现快速定位。

所述的步骤（1）的处理流程为：

（1）GPS接收机对接收到的GPS卫星星座的信号进行解扩、解调处理得到GPS星历信息和时间信息；

（2）GPS接收机利用GPS星历信息和时间信息进行预报，得到GPS卫星星座的位置；

（3）GPS接收机对接收到的GPS卫星星座的信号扩频码相位进行测量得到GPS接收机与GPS卫星星座之间的伪距值；

（4）GPS接收机利用GPS卫星星座的位置和GPS接收机与GPS卫星星座之间的伪距值进行定位解算得到GPS接收机的位置信息。

所述的步骤（4）的处理流程为：

（1）星载掩星接收机从星上网的二级CAN总线上获得辅助信息包并对其进行校验，若校验通过，则该辅助信息包可用；

（2）星载掩星接收机使用辅助信息进行初始化，将辅助信息中的时间作为星载掩星接收机时间起点，将辅助信息中的位置信息作为星载掩星接收机位置的初值；

（3）星载掩星接收机利用辅助信息计算当前GPS卫星的位置、速度、多普勒信息，并将这些信息预置到捕获跟踪通道，实现对GPS卫星信号快速捕获、跟踪；

（4）星载掩星接收机利用卫星与GPS卫星星座之间的伪距值进行定位解算。

本发明与现有技术相比的优点在于：

（1）本发明提供了一种基于卫星平台系统的辅助星载掩星接收机快速定位的方法，该方法减小了掩星接收机开机工作的首次定位时间，提高了掩星观测数据的可用率。

（2）该方法充分利用现有卫星平台系统的资源实现掩星接收机辅助信息的生成及传输，勿需另外建立辅助设备，保留了卫星平台系统的继承性，减少了星上系统构建复杂度。

（3）星上网为完全独立的双冗余总线，这样在物理上保证一条总线故障时，另一条总线仍可进行通信，确保了通信回路的畅通、安全、可靠。

附图说明

图1为本发明所使用的系统组成及控制过程示意图；

图2为本发明方法实现流程图。

具体实施方式

如图1所示，本发明所采用的系统包括掩星接收机和卫星平台系统，卫星平台包括GPS接收机、星务调度单元、一级CAN总线和二级CAN总线。

如图2所示，本发明方法实现流程如下：

（1）GPS接收机对接收到的GPS卫星星座的信号进行解扩、解调处理得到GPS星历信息和时间信息；

首先，在GPS接收机前端GP2010/GP2021系列芯片中进行5级下变频，将1575.42Mhz的GPS信号变为基带GPS信号；

其次，在GPS接收机基带处理程序中将基带GPS信号与本地生成的GPS信号进行相关运算，去掉基带GPS信号中的C/A码，最终得到速率为50bps的GPS电文数据。

最后，根据GPS导航电文格式的规定从GPS电文数据中提取GPS星历信息和时间信息，提取的具体参数为：

W_n：历书参考周；

t_oa：历书参考时间；

卫星轨道长半轴a_s的平方根；

e：轨道偏心率；

δ_i：相对与0.3π的轨道倾角；

Ω₀：周内时等于0时的轨道升交点赤经；

：轨道近地角距；

m₀：t_oa时的平近点角；

轨道升交点赤经对时间的变化率；

Week：GPS周；

Tkk：GPS周内秒；

（2）GPS接收机利用GPS星历信息和时间信息进行预报，得到GPS卫星星座的位置；

利用步骤（1）得到的GPS星历信息和时间信息对卫星位置计算，按照下述公式的顺序进行计算：

首先，计算GPS卫星信号发射时刻与历书时刻的时间差t_k，按照下述公式计算：

t_k=Tkk-t_oa+(Week-W_n)×604800

然后，计算卫星的平均角速度n，按照下述公式计算：

$n=\sqrt{\mathrm{\μ}}/{\sqrt{a_s}}^3$

其中，μ为地球引力与地球质量乘积，值为3.986005×10¹⁴m³/s²。

然后，计算定位时刻卫星的平近点角M₀和偏近点角E，按照下述公式计算：

M₀=m₀+n×t_k

E=M₀+(e-0.125×e³+5.208333×10^-3×e⁵-1.085069×10^-4×e⁷)×sinM₀

(0.5×e²-0.16666×e⁴+1.02.408×10^-2×e⁶)×sin2M₀+

(0.375×e³-0.2109375×e⁵+4.7460937×10^-2×e⁷)×sin3M₀+

(0.33333×e⁴-0.266667×e⁶)×sin4M₀+

(0.32552×e⁵-0.3390842×e⁷)×sin5M₀+0.3375×e⁶×sin6M₀+

0.364735243×e⁷×sin7M₀

然后，计算卫星在轨道平面坐标系中坐标x_i、e_ta，按照下述公式计算：

x_i=a_s×(cosE-e)

$e_{\mathrm{ta}}=a_s\×\sqrt{1-e^2}\×\sin E$

然后，计算GPS卫星信号发射时刻升交点赤经的正弦值O_s和余弦值O_c，按照下述公式计算：

$O_s=\sin [{\mathrm{\Ω}}_0+(\stackrel{\·}{\mathrm{\Ω}}-{\mathrm{\Ω}}_e)\×t_k-{\mathrm{\Ω}}_e\×t_{\mathrm{oa}}]$

$O_c=\cos [{\mathrm{\Ω}}_0+(\stackrel{\·}{\mathrm{\Ω}}-{\mathrm{\Ω}}_e)\×t_k-{\mathrm{\Ω}}_e\×t_{\mathrm{oa}}]$

最后，根据以上参数可以计算出导航星三轴位置，按照下述公式计算：

其中，x、y、z为导航星三轴位置。

（3）GPS接收机对接收到的GPS卫星星座的信号扩频码相位进行测量得到GPS接收机与GPS卫星星座之间的伪距值；

首先，计算GPS卫星信号接收时刻与GPS卫星信号发射时刻时延，其中，GPS卫星信号接收时刻从GPS接收机本地时钟读取，GPS卫星信号发射时刻从接收到的GPS卫星信号C/A码相位中获得，时延的计算公式如下：

时延=[本地接收时刻(小数秒)-导航星信号发射时刻(小数秒)]%1秒

其中，%表示取余数；

然后，将时延与光速相乘，得到伪距值，计算公式如下：

伪距=时延*光速。

（4）GPS接收机利用GPS卫星星座的位置和GPS接收机与GPS卫星星座之间的伪距值进行定位解算得到GPS接收机的位置信息。

使用至少四颗GPS卫星的伪距测量值构成超定方程组：

${({(x^{*}-X_i)}^2+{(y^{*}-Y_i)}^2+{(z^{*}-Z_i)}^2)}^{\frac{1}{2}}={r_i}^{*}-l_u,$ 其中：i=1,2,3,4...

对该方程组进行求解得到卫星的位置。

超定方程组中，x^*，y^*，z^*，X_i,Y_i,Z_i分别表示卫星和GPS卫星的位置，l_u为GPS接收机时钟与GPS星座时钟的钟差，r_i ^*表示伪距。

（5）GPS接收机接收到星务调度单元发出的辅助信息轮询指令，将辅助信息即步骤（1）得到的GPS星历信息、时间信息、卫星位置信息和GPS星座分布预报信息输出到星上网的一级CAN总线上；

（6）星务调度单元将GPS星历信息、时间信息、卫星位置信息和GPS星座分布预报信息从星上网的一级CAN总线输出到星上网的二级CAN总线上；

（7）星载掩星接收机从星上网的二级CAN总线上获得辅助信息包并对其进行校验，若校验通过，则该辅助信息包可用；

校验方式为：对辅助信息包的除最后一个字节之外的所有字节进行累加和运算，将运算结果的低8bit与辅助信息包的最后一个字节比较，若两者一致，则说明校验通过。

（8）星载掩星接收机使用辅助信息进行初始化，将辅助信息中的时间作为星载掩星接收机时间起点，将辅助信息中的位置信息作为星载掩星接收机位置的初值；

（9）星载掩星接收机利用辅助信息计算当前GPS卫星的位置、速度、多普勒信息，并将这些信息预置到捕获跟踪通道，实现对GPS卫星信号快速捕获、跟踪；

（10）星载掩星接收机利用卫星与GPS卫星星座之间的伪距值进行定位解算。

使用至少四颗GPS卫星的伪距测量值构成超定方程组：

${({(x_o^{*}-X_i^{\′})}^2+{(y_o^{*}-Y_i^{\′})}^2+{(z_o^{*}-Z_i^{\′})}^2)}^{\frac{1}{2}}={R_i}^{*}-L_u,$ 其中：i=1,2,3,4...

对该方程组进行求解得到掩星接收机的位置。

超定方程组中，

X_i'，Y_i'，Z_i'分别表示掩星接收机和GPS卫星的位置，L_u为掩星接收机时钟与GPS星座时钟的钟差，

表示伪距。

Claims (3)

1.一种基于卫星平台系统的辅助星载掩星接收机快速定位的方法，所述的卫星平台包括：GPS接收机、星务调度单元、一级CAN总线和二级CAN总线，其特征在于包括：

（1）GPS接收机接收到GPS卫星星座的信号，对该信号进行处理得到GPS星历信息、时间信息、卫星位置信息和GPS星座分布预报信息；

（2）GPS接收机接收到星务调度单元发出的辅助信息轮询指令，将辅助信息即步骤（1）得到的GPS星历信息、时间信息、卫星位置信息和GPS星座分布预报信息输出到星上网的一级CAN总线上；

（3）星务调度单元将GPS星历信息、时间信息、卫星位置信息和GPS星座分布预报信息从星上网的一级CAN总线输出到星上网的二级CAN总线上；

（4）星载掩星接收机从星上网的二级CAN总线上获得GPS星历信息、时间信息、卫星位置信息和GPS星座分布预报信息，首先对该信息进行校验，若信息有效，则利用该信息实现快速定位。

2.根据权利要求1所述的一种基于卫星平台系统的辅助星载掩星接收机快速定位的方法，其特征在于：所述的步骤（1）的处理流程为：

（1）GPS接收机对接收到的GPS卫星星座的信号进行解扩、解调处理得到GPS星历信息和时间信息；

（2）GPS接收机利用GPS星历信息和时间信息进行预报，得到GPS卫星星座的位置；

（3）GPS接收机对接收到的GPS卫星星座的信号扩频码相位进行测量得到卫星与GPS卫星星座之间的伪距值；

（4）GPS接收机利用GPS卫星星座的位置和卫星与GPS卫星星座之间的伪距值进行定位解算得到卫星位置信息。

3.根据权利要求1所述的一种基于卫星平台系统的辅助星载掩星接收机快速定位的方法，其特征在于：所述的步骤（4）的处理流程为：

（1）星载掩星接收机从星上网的二级CAN总线上获得辅助信息包并对其进行校验，若校验通过，则该辅助信息包可用；

（2）星载掩星接收机使用辅助信息进行初始化，将辅助信息中的时间作为星载掩星接收机时间起点，将辅助信息中的位置作为星载掩星接收机位置的初值；

（3）星载掩星接收机利用辅助信息计算当前GPS卫星的位置、速度、多普勒信息，并将这些信息预置到捕获跟踪通道，实现对GPS卫星信号的快速捕获跟踪；

（4）星载掩星接收机利用卫星与GPS卫星星座之间的伪距值进行定位解算。

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