CN106646564A - 一种基于低轨卫星增强导航方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于低轨卫星增强导航方法，其通过计算低轨卫星与导航卫星的星间距离，避开了对流层和电离层的影响，并建立更趋于对角化的方差‑协方差矩阵，使计算的低轨卫星与地面的距离更高效精确。本发明利用低轨卫星几何位置改变大的特点，通过几何关系间接实现伪距的快速高精度计算，从而实现导航增强的效果。

Description

一种基于低轨卫星增强导航方法

技术领域

本发明属于卫星定位导航领域，特别涉及一种提升导航精度、加速定位的增强导航的方法。

背景技术

在当今社会，各行各业对导航定位的要求越来越高，尤其是在军事领域，精确制导武器的运用必须是依托在实时高精度导航定位的基础上的。追求更高导航定位精度是最近几年来的趋势。

对于传统定位方法大致有伪距定位和载波相位定位两种。其中载波相位定位具有更高的定位精度，但在解算整周模糊度的过程中也更困难。定位精度越高，要求接收机观测接收卫星星历的时间越长，定位收敛越慢。反之，在较短观测时间内并不能获得高精度的定位。

目前，针对导航定位增强方法主要是采用双差、三差方法以及一系列电离层对流层建模方法，由于差分方式定位导航精度受基线长度的影响，其适用范围就受地理区域的影响，而且高准确度的建模方式往往复杂度很高。

另外，目前在快速定位中取得比较好效果的方法包括基于模糊度初始解和相应方差-协方差阵的快速模糊度解算法、LAMBDA法、ARCE算法等，但它们都是要基于精度较高的基线浮点解和相应的方差-协方差阵，而现实是短时间内观察量的强相关性会使算法面临病态性问题。

发明内容

本发明的目的在于：克服现有技术中，采用差分方式其定位导航精度受基线长度的影响，而且高准确度的建模方式往往复杂度很高，以及快速模糊度解算法、LAMBDA法和ARCE算法等，一旦出现短时间内观察量的强相关性，会使算法面临病态性问题。

为了实现上述发明目的，本发明提供一种基于低轨卫星增强导航方法，其包括以下步骤：

S1：计算低轨卫星与导航卫星的星间距离；其中，低轨卫星根据其接收地面注入站发送的卫星钟差校正参数，将其时钟与导航卫星导航系统时同步，并根据导航定位信号发射时间和低轨卫星接收导航定位时间，得出星间距离；

S2：计算低轨卫星与用户终端的距离；

S3：建立低轨卫星、导航卫星、用户终端和地球的空间几何模型，并根据几何关系参数，计算出导航卫星与用户终端之间的距离。

根据一种具体的实施方式，S2包括，

S201：确定观测变量为载波相位，并根据低轨卫星高度，确定观测时间间隔Δt以及观测时刻数k；观测时刻为T₁,T₂,T₃,…T_k,k≥1，其中Δt＝t_i-t_i-1，i＝2,3,…k；

S202：建立载波相位双差观测方程，经线性处理后的载波相位双差观测方程为y＝Aa+Bb+ε；其中，观测卫星数为N+1，a为N维双差整周模糊度向量，a∈Z^N；b表示三维基线参数向量，b∈R³；A,B为系数矩阵，A∈R^N×N,B∈R^N×3；ε为随机噪声向量，其服从均值为0，方差-协方差矩阵为Q_yy的正态分布；y为载波相位双差观测值，y∈R^N；R,Z分别表示实数域和整数域；

S203：运用最小二乘法计算整周模糊度的浮点解和计算方差-协方差矩阵再运用LAMBDA算法，得到整周模糊度的整数解进而计算出计算三维基线参数向量b；

S204：根据三维基线参数向量b，计算低轨卫星与用户终端之间的距离

根据一种具体的实施方式，S203中，通过Z变换对进行降相关处理，即将整周模糊度参数转换到另一空间域上，即其中，Z表示Z变换矩阵；

然后，基于和搜索整周模糊度的整数解搜索过程的优化目标函数为搜索过程展开为

其中，χ²表示搜索空间的大小，为条件估计，σ_i|i+1,...,n ²为条件估计方差，σ_i|i+1,...,n＝d_i ^-1，d_i为协方差矩阵经过L^TDL分解后D的第i个对角元；

最后，将搜索到的整周模糊度的整数解转换为双差整周模糊度的整数解即并通过载波相位双差观测方程计算出三维基线参数向量b。

根据一种具体的实施方式，若用户终端位于地面平台，则几何关系参数包括：低轨卫星与地心之间连线与星间连线的夹角α，低轨卫星与地心之间连线与低轨卫星与地面用户之间连线的夹角β，地球半径R_e。

根据一种具体的实施方式，若用户终端位于高空平台，则几何关系参数包括：低轨卫星与地心之间连线与星间连线的夹角α，低轨卫星与地心之间连线与低轨卫星与地面用户之间连线的夹角β，地球半径R_e，高空平台的高度h，低轨卫星与地心之间连线与导航卫星与地心之间连线的夹角γ，高空平台与地心之间连线与导航卫星与地心之间连线的夹角θ。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

本发明方法通过计算低轨卫星与导航卫星的星间距离，避开了对流层和电离层的影响，并建立更趋于对角化的方差-协方差矩阵，使计算的低轨卫星与地面的距离更高效精确。本发明利用低轨卫星几何位置改变大的特点，通过几何关系间接实现伪距的快速高精度计算，从而实现导航增强的效果。

附图说明：

图1本发明地面平台几何关系示意图；

图2本发明高空平台几何关系示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。

本发明基于低轨卫星增强导航方法，其包括以下步骤：

S1：计算低轨卫星S_c与导航卫星S_p的星间距离D_PC；其中，低轨卫星S_c根据其接收地面注入站发送的卫星钟差校正参数，将其时钟与导航卫星S_p导航系统时同步，并根据导航定位信号发射时间t₁和低轨卫星接收导航定位时间t₂，得出星间距离为D_PC＝c·(t₂-t₁)，c表示光速。

S2：计算低轨卫星S_c与用户终端u的距离D_CU；

S3：建立低轨卫星S_c、导航卫星S_p、用户终端u和地球的空间几何模型，并根据几何关系参数，计算出导航卫星S_p与用户u之间的距离D_UP。

具体的，S2包括以下步骤：

S201：确定观测变量为载波相位，并根据低轨卫星高度，确定观测时间间隔△t以及观测时刻数k；观测时刻为T₁,T₂,T₃,…T_k,k≥1，其中△t＝t_i-t_i-1，i＝2,3,…k。

S202：建立载波相位双差观测方程，并对建立的载波相位双差观测方程进行线性处理，经线性处理后的载波相位双差观测方程为：

y＝Aa+Bb+ε

其中，观测卫星数为N+1，a为N维双差整周模糊度向量，a∈Z^N；b表示三维基线参数向量，b∈R³；A,B为系数矩阵，A∈R^N×N,B∈R^N×3；ε为随机噪声向量，其服从均值为0，方差-协方差矩阵为Q_yy的正态分布；y为载波相位双差观测值，y∈R^N；R,Z分别表示实数域和整数域。

S203：运用最小二乘法计算整周模糊度的浮点解和计算方差-协方差矩阵再运用LAMBDA算法，得到整周模糊度的整数解进而计算出计算三维基线参数向量b。

S204：根据三维基线参数向量b，计算低轨卫星S_c与用户终端u之间的距离

具体的，在S203中，通过Z变换对进行降相关处理，即将模糊度参数转换到另一空间域上，即其中，Z表示Z变换矩阵。

然后，基于和搜索整周模糊度的整数解搜索过程的优化目标函数为搜索过程展开为

其中，χ²表示搜索空间的大小，为条件估计，σ_i|i+1,...,n ²为条件估计方差，σ_i|i+1,...,n＝d_i ^-1，d_i为协方差矩阵经过L^TDL分解后D的第i个对角元。

最后，将搜索到的整周模糊度的整数解转换为双差整周模糊度的整数解即并通过方程计算出三维基线参数向量b。

结合图1所示的本发明地面平台几何关系示意图；其中，用户终端u位于地面平台，则几何关系参数包括：低轨卫星与地心之间连线与星间连线的夹角α，低轨卫星与地心之间连线与低轨卫星与地面用户之间连线的夹角β，地球半径R_e，低轨卫星与地心之间连线与导航卫星与地心之间连线的夹角γ。

那么，相应的几何关系参数，求解关系式分别为：

其中，通过式(1)求解α_，通过式(2)求解β，通过式(3)求解D_UP。

结合图2所述的本发明高空平台几何关系示意图；其中，用户终端u位于高空平台，则几何关系参数包括：低轨卫星与地心之间连线与星间连线的夹角α，低轨卫星与地心之间连线与低轨卫星与地面用户之间连线的夹角β，地球半径R_e，高空平台的高度h，低轨卫星与地心之间连线与导航卫星与地心之间连线的夹角γ，高空平台与地心之间连线与导航卫星与地心之间连线的夹角θ。

那么，相应的几何关系参数，求解关系式分别为：

其中，通过式(4)求解α_，通过式(5)求解γ，通过式(6)求解h与β的关系，通过式(7)求解θ与β的关系，通过式(8)、(9)和(10)求解D_UP。

上面结合附图对本发明的具体实施方式进行了详细说明，但本发明并不限制于上述实施方式，在不脱离本申请的权利要求的精神和范围情况下，本领域的技术人员可以作出各种修改或改型。

Claims (5)

1.一种基于低轨卫星增强导航方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：计算低轨卫星与导航卫星的星间距离；其中，低轨卫星根据其接收地面注入站发送的卫星钟差校正参数，将其时钟与导航卫星导航系统时同步，并根据导航定位信号发射时间和低轨卫星接收导航定位时间，得出星间距离；

S2：计算低轨卫星与用户终端的距离；

S3：建立低轨卫星、导航卫星、用户终端和地球的空间几何模型，并根据几何关系参数，计算出导航卫星与用户终端之间的距离。

2.如权利要求1所述的基于低轨卫星增强导航方法，其特征在于，S2包括，

S201：确定观测变量为载波相位，并根据低轨卫星高度，确定观测时间间隔△t以及观测时刻数k；观测时刻为T₁,T₂,T₃,…T_k,k≥1，其中△t＝t_i-t_i-1，i＝2,3,…k；

S202：建立载波相位双差观测方程，经线性处理后的载波相位双差观测方程为y＝Aa+Bb+ε；其中，观测卫星数为N+1，a为N维双差整周模糊度向量，a∈Z^N；b表示三维基线参数向量，b∈R³；A,B为系数矩阵，A∈R^N×N,B∈R^N×3；ε为随机噪声向量，其服从均值为0，方差-协方差矩阵为Q_yy的正态分布；y为载波相位双差观测值，y∈R^N；R,Z分别表示实数域和整数域；

S203：运用最小二乘法计算整周模糊度的浮点解和计算方差-协方差矩阵再运用LAMBDA算法，得到整周模糊度的整数解进而计算出计算三维基线参数向量b；

S204：根据三维基线参数向量b，计算低轨卫星与用户终端之间的距离

3.如权利要求2所述的基于低轨卫星增强导航方法，其特征在于，S203中，通过Z变换对进行降相关处理，即将整周模糊度参数转换到另一空间域上，即其中，Z表示Z变换矩阵；

然后，基于和搜索整周模糊度的整数解搜索过程的优化目标函数为搜索过程展开为

其中，χ²表示搜索空间的大小，为条件估计，σ_i|i+1,...,n ²为条件估计方差，σ_i|i+1,...,n＝d_i ^-1，d_i为协方差矩阵经过L^TDL分解后D的第i个对角元；

最后，将搜索到的整周模糊度的整数解转换为双差整周模糊度的整数解即并通过载波相位双差观测方程计算出三维基线参数向量b。

4.如权利要求1所述的基于低轨卫星增强导航方法，其特征在于，若用户终端位于地面平台，则几何关系参数包括：低轨卫星与地心之间连线与星间连线的夹角α，低轨卫星与地心之间连线与低轨卫星与地面用户之间连线的夹角β，地球半径R_e。

5.如权利要求1所述的基于低轨卫星增强导航方法，其特征在于，若用户终端位于高空平台，则几何关系参数包括：低轨卫星与地心之间连线与星间连线的夹角α，低轨卫星与地心之间连线与低轨卫星与地面用户之间连线的夹角β，地球半径R_e，高空平台的高度h，低轨卫星与地心之间连线与导航卫星与地心之间连线的夹角γ，高空平台与地心之间连线与导航卫星与地心之间连线的夹角θ。