CN104597461A - 一种高效的glonass信号模拟器卫星星座仿真方法 - Google Patents

一种高效的glonass信号模拟器卫星星座仿真方法 Download PDF

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    • G01S19/01—Satellite radio beacon positioning systems transmitting time-stamped messages, e.g. GPS [Global Positioning System], GLONASS [Global Orbiting Navigation Satellite System] or GALILEO
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Abstract

本发明公开了一种高效的GLONASS信号模拟器卫星星座仿真方法，该方法为每次仿真使用插值算法计算插值参数并存储在内存或磁盘上，仿真时要计算任意时刻的卫星位置和速度只需要进行一次向量与矩阵相乘即可。本发明具有使得GLONASS卫星位置和速度的计算时间不随时间间隔增大而增长的优点，可以实现与GPS、Galileo、BeiDou等系统一样的线性时间复杂度卫星星座仿真。

Description

一种高效的GLONASS信号模拟器卫星星座仿真方法
技术领域
本发明涉及一种高效的GLONASS(GLObal NAvigation SatelliteSystem，全球导航卫星系统)信号模拟器中所用的卫星星座仿真方法，具体来说，是一种根据设定的仿真起始时刻从星历文件中读取对应时间的星历参数，并采用插值算法进行实时高效卫星星座仿真的方法。
背景技术
GLONASS信号模拟器是用来模拟不同时间地点、不同运动模型的接收机所接收到的经过空间传播的卫星导航信号，其中卫星星座的仿真又是信号仿真中一个基础模块。
GPS、Galileo、BeiDou系统广播星历播发的是16或18开普勒轨道根数，每2h广播一次，给定一个时刻，可以通过参考时刻的开普勒轨道根数直接计算卫星的位置和速度，而GLONASS系统播发的是卫星位置、速度、加速度信息，如需计算某个时刻的卫星位置和速度，必须通过受力模型通过积分得到。目前模拟器在仿真GLONASS卫星星座时是根据PZ90坐标系描述卫星运动的微分方程采用龙格-库塔数字积分技术实现。对于这种积分方法，要保证卫星星座仿真的精确度就要求积分步长要足够小，因此需要仿真的时刻与参考时刻之间的时间差越大，积分步数就越多，整个计算所耗时间也随之增大，不能很好地满足模拟器实时仿真卫星星座的需求。
随着全球卫星导航系统的现代化进程和快速发展，各类多系统、多频点的组合GNSS信号模拟器越来越多，为了更好地与GPS、Galileo、BeiDou系统的线性时间卫星位置和速度计算方法相匹配，需要有一种高效的GLONASS卫星星座仿真的计算方法。
发明内容
为了解决现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种使用插值算法进行GLONASS卫星星座高效仿真的方法，使卫星位置和速度计算的时间复杂度线性化，解决GLONASS卫星位置和速度计算随时间间隔增大时间复杂度快速增大的问题。
为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：
一种高效的GLONASS信号模拟器卫星星座仿真方法，该方法为：首先根据用户设定的仿真起始时刻，选择要使用的星历文件，并读取相应30min间隔对应时刻的星历参数，使用读取的星历参数，利用龙格-库塔数字积分算法计算每30s的卫星位置和速度，再根据切比雪夫插值公式求出每30min间隔24h的插值参数矩阵，当要计算30min内任意时刻卫星位置或速度时只需要进行一次向量与矩阵相乘。
其中优选的，所述插值参数矩阵在一次仿真内只需要计算一次，所述插值参数矩阵以30min为一组，当到达30min广播星历更新时刻时切换到下一组插值参数。
具体的讲，所述龙格-库塔数字积分算法和切比雪夫插值算法均可替换为其他积分和插值算法，以实现更高的仿真精度或者计算效率。
优选的，所述星历参数为卫星位置、速度和加速度。
由上可知，本发明为首先根据用户设定的仿真起始时刻，读取星历文件中对应时刻的星历参数，然后根据插值算法的公式计算30min间隔的24h插值参数，在实时仿真卫星星座时可以根据仿真时刻计算出时间向量，与插值参数相乘后即可计算出要仿真时刻的卫星位置和速度。
与现有技术中的仿真算法相比，本发明的有益效果在于：
本发明使用插值算法代替数字积分方法，实现线性时间复杂度的卫星星座仿真，提高GLONASS信号模拟器卫星星座的计算效率，也可以使得其他基于卫星星座仿真的计算模块(如仿真时刻计算模块、多普勒计算模块、伪距计算模块等)计算效率得到有效提高，同时也有效解决了GLONASS卫星位置和速度计算随时间间隔增大时间复杂度快速增大的问题。
附图说明
图1是本发明实施例提供的GLONASS卫星星座仿真方法的原理框图。
图2是本发明实施例提供的龙格-库塔数字积分算法计算卫星位置速度流程图。
具体实施方式
下面对本发明做进一步详细描述。本发明实施例所述的高效的GLONASS信号模拟器卫星星座仿真方法的原理框图如图1所示。
A首先根据用户设定的仿真起始时刻，选择要使用的星历文件，并读取相应30min间隔对应时刻的星历参数(卫星位置、速度、加速度等参数)。
B使用读取的星历参数，以30s为积分步长利用龙格-库塔数字积分算法计算卫星位置、速度，并且存储每30s的卫星位置和速度的值到临时变量内。
C使用30s间隔的卫星位置和速度值并根据插值算法公式计算出30min间隔24h的卫星位置和速度的插值参数，存储在内存内。
D如果没有到达30min广播星历更新时刻，则由仿真时刻计算出时间向量，并与之前计算出的位置的速度插值参数矩阵进行相乘即可计算出仿真时刻的卫星位置和速度，此计算方法的时间复杂度是线性的。如果到达30min星历更新时刻，则读取已经计算好的下一个30min的卫星位置和速度插值参数，再使用这些参数进行计算。
本发明实施例所述读取的是RINEX(Receiver IndependentExchange Format，与接收机无关的交换格式)格式的GLONASS星历文件，星历文件一般包含以30min为间隔的24h的星历参数。根据仿真起始时刻可以确定其所处的30min间隔，进而读取相应参考时间的星历参数，用于GLONASS星座仿真。
本发明实施例所述的使用龙格-库塔数字积分方法计算卫星位置和速度的流程如图2所示。程序使用读入的星历参数，以30s为积分步长，依据GLONASS卫星的PZ90坐标系下的加速度公式，分步进行龙格-库塔数字积分循环直至积分完成。每一步积分循环又分四步计算，每30s的卫星位置和速度值会存入内存内的临时变量，用于接下来计算插值参数。
本发明实施例使用切比雪夫插值公式计算卫星位置和速度。在程序开始计算时就完成计算30min间隔24h的切比雪夫插值参数，此后再利用时间向量与求出的参数矩阵相乘即可计算30min内任意时刻的卫星位置和速度。假设插值的初始时间为t0，拟合时间的长度为Δt(本实例采用30min即1800s)的区间内采用n阶切比雪夫多项式进行计算t时刻的插值参数，首先归一化时间t
τ = 2 Δt ( t - t 0 ) - 1
再求时间向量T
T0(τ)＝1
T1(τ)＝τ
Tn(τ)＝2τTn-1(τ)-Tn-2(τ)
求出矩阵B
B = T 0 ( τ 1 ) T 1 ( τ 1 ) . . . T n ( τ 1 ) T 0 ( τ 2 ) T 1 ( τ 2 ) . . . T n ( τ 2 ) . . . . . . . . . . . . T 0 ( τ m ) T 1 ( τ m ) . . . T n ( τ m )
然后求出卫星位置速度的插值参数矩阵C，存储在内存或磁盘上
C＝(BTB)-1BT1
其中，m为插值点数，1＝(x1，x2，…，xm)T，x取之前计算出的每30s间隔的卫星位置或速度的值，求出的即为相应的位置或速度插值参数矩阵。
当要计算30min内任意时刻t的卫星位置或速度时，先计算时间向量T，再将T与插值参数矩阵C相乘即可求得卫星位置或速度。
本发明实施例计算的插值参数以30min为一组，当到达30min广播星历更新时刻时切换到下一组30min的插值参数。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进或替换，这些改进或替换也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种高效的GLONASS信号模拟器卫星星座仿真方法，其特征在于，该方法为：首先根据用户设定的仿真起始时刻，选择要使用的星历文件，并读取相应30min间隔对应时刻的星历参数，使用读取的星历参数，利用龙格-库塔数字积分算法计算每30s的卫星位置和速度，再根据切比雪夫插值公式求出每30min间隔24h的插值参数矩阵，当要计算30min内任意时刻卫星位置或速度时只需要进行一次向量与矩阵相乘。
2.根据权利要求1所述的一种高效的GLONASS信号模拟器卫星星座仿真方法，其特征在于，所述插值参数矩阵在一次仿真内只需要计算一次，所述插值参数矩阵以30min为一组，当到达30min广播星历更新时刻时切换到下一组插值参数。
3.根据权利要求1或2所述的一种高效的GLONASS信号模拟器卫星星座仿真方法，其特征在于，所述龙格-库塔数字积分算法和切比雪夫插值算法均可替换为其他积分和插值算法，以实现更高的仿真精度或者计算效率。
4.根据权利要求1所述的一种高效的GLONASS信号模拟器卫星星座仿真方法，其特征在于，所述星历参数为卫星位置、速度和加速度。
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