CN108205146A - 一种基于地面接收机的导航卫星快速寻星定轨方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于地面接收机的导航卫星快速寻星定轨方法，步骤为：地面接收机先对所有可视卫星进行搜索、存储；利用最新的历书、对用户位置和速度的粗略估计、对GPS时的估计进行寻星；在下一次寻星时，地面接收机确定在视界范围内的卫星进行快速寻星；确定出对应历元的卫星位置；得到的虚拟观测量；完成数据的处理，给出卫星状态的最优估值；本发明通过地面接收机这个地面接收点，联合导航卫星下发的信号及地面接收机内部存储的信息对卫星信号进行接收、标定，根据解算出来的载波相位模糊度进行参数估算，提高了载波相位模糊度解算的成功率，有效减少无效搜索范围和时间，进一步提高了快速寻星能力及导航卫星的定轨精度。

Description

一种基于地面接收机的导航卫星快速寻星定轨方法

技术领域

本发明属于卫星通信领域，涉及一种基于地面接收机的导航卫星快速寻星定轨方法。

背景技术

我国的轨道事业起步于世纪年代。人造地球卫星轨道力学涉及的各个方面，包括摄动运动方程和解法，变换理论，摄动力模型，后牛顿效应，轨道改进方法等；推导了很多关键的公式，将理论与精密轨道确定软件相结合，开发了轨道计算软件；导航卫星进行了实时轨道和钟的确定。近年来，我国越来越多的研究机构加入北斗数据分析中心的行列。

截止2012年底，我国已经发射了14颗北斗导航卫星，其中5颗GEO卫星、5颗IGSO卫星、4颗MEO卫星，发射的北斗导航卫星组成北斗导航系统，在军事、经济、政治等领域起着重大的作用。尽管国产导航卫星快速寻星、几何定位精度在逐步提升，但和国外商业导航卫星在几何定位精度在米级相比，国产导航卫星在快速寻星、几何定位精度方面还存在很大的差距。现有的北斗定位在一些地区不能快速有效的寻星、定位。

地面接收机是接收信号的关键点，是快速寻星、精确定轨何的关键因素。它主要用来接收卫星信号并计算速度、时间参数。针对导航卫星的地面接收机特性，如何建立一种基于地面接收机的导航卫星快速寻星定轨方法是本发明重点解决的问题。

发明内容

发明所要解决的课题

针对导航卫星快速寻星、定轨中存在的待完善问题，提出了一种基于地面接收机的导航卫星快速寻星定轨方法，该方法利用地面接收机及其他接收装置进行定向对星，提高寻星速度，有效减少因无效操作导致的搜寻范围和搜寻时间。

用于解决课题的技术手段

本发明提供一种基于地面接收机的导航卫星快速寻星定轨方法，其特征在于：包含以下步骤：

步骤A，对地面接收机进行接口设置和初始化，按提前预制的位置区域进行螺旋搜索；

步骤B，对地面接收机的工作状态进行巡检，根据已存储跟踪导航卫星的观测量数据和导航电文的历史数据进行卫星搜索；

步骤C，地面接收机根据星历及卫星历史轨迹对导航卫星的轨迹进行预测，根据预测结果进行卫星搜索；

步骤D，利用地面接收机与导航卫星之间的观测数据由几何法确定卫星位置、进而得到几何轨道动力平滑需要的虚拟观测量，所述观测数据包括星历数据、时间数据、钟差修正数据；

步骤E，步骤D获取的虚拟观测量输入具有动力学信息的用于扩展卡尔曼滤波的滤波器中进行滤波处理，模拟并建立虚拟观测量与待估参数之间的线性关系，所述待估参数为位置状态参数、速度信息参数等；

步骤F，获取卫星实时状态，进而实现导航卫星快速寻星定轨。

另外，作为本发明的一优选方案，在步骤A中，按提前预制的位置区域进行螺旋搜索，包含如下两种方式：

1)以预置位置为中心的±90°，把搜寻范围分为奇数个搜寻区时，先对预置位置区域进行螺旋式搜寻，再对中心两侧不同搜寻区进行螺旋状搜寻；

2)以预置位置为中心，搜寻范围为中心±90°，把搜寻范围分为偶数个搜寻区时，先依次对预置位置进行左或右螺旋状搜寻，一侧搜寻区搜寻完成后，再转换至另一侧搜寻去进行搜索。

另外，作为本发明的一优选方案，在步骤D中，由几何法确定卫星位置，具体如下：

步骤D1，设为几何法确定的地固系下卫星位置，式中，为地固系下卫星位置向量坐标，分别为地固系下卫星在三个方向上的卫星向量值，将其转换到惯性系下：

式中，为惯性系下卫星位置向量坐标，H为常矩阵，G为虚拟观测量与待估参数之间的关系矩阵，

则

式中，为观测误差；为t时刻下卫星在惯性状态的矢量值，定为待估值；W′为几何法定轨结果的权阵。

另外，作为本发明的一优选方案，在步骤D中，采用对应时刻地面接收机接收到的各导航卫星状态观测量作为基本虚拟观测量，在考虑日月地对卫星的摄动影响后，得到几何轨道动力平滑需要的虚拟观测量。

另外，作为本发明的一优选方案，在步骤E中，模拟并建立虚拟观测量与待估参数之间的线性关系，具体如下：

步骤E1，采用扩展卡尔曼滤波处理因动力学模型造成的估值系统的非线性；

步骤E2，获取滤波器初值，在滤波过程中根据动力学信息对由几何法得到定轨粗差进行剔除；

步骤E3，建立虚拟观测量与待估参数之间的线性关系。

另外，作为本发明的一优选方案，在步骤F中，获取卫星实时状态，其中状态包含位置状态和速度信息的最优估值。

另外，作为本发明的一优选方案，速度信息的最优估值具体获取步骤如下：

步骤F1，获取t时刻导航卫星状态估值及其协方差矩阵，积分卫星运动方程和变分方程，得到状态预报值、协方差阵及状态转移矩阵；

步骤F2，利用“虚拟观测量”进行滤波过程的观测更新，包括计算增益矩阵、状态估值及其协方差矩阵；

步骤F3，在EKF的估计精度随着观测量的输入不断得到改善，在处理一定步数之后，其定轨精度及能够收敛；

步骤F4，获得待观测卫星在轨状态。

发明效果

1、本发明将地面接收机起始搜寻定位设定在寻星概算最大的区域，寻星以概算最大区域为中心，向两侧呈螺旋状搜寻方式，将寻星搜寻范围限定在概率最大及概率次之的几个区域中，通过系统设定，按照优先级顺序级进行由概率大向概率小范围依次搜寻寻星区域，极大缩小对无用空域的搜寻范围，大大提高了寻星的搜准率，达到快速寻星的效果；

2、在此基础上，又分析了几何法和短弧动力法在快速定轨各自存在的优缺点，以此为基础，借鉴“动力平滑”的思想，采用几何轨道动力平滑快速定轨方法，综合几何法和动力法的优势，实现精度高于几何法的实时定轨，并能够在一定时间之后(滤波收敛)，提供精度更高结果更稳定的卫星状态，实现几何轨道动力平滑快速定轨。

附图说明

图1为自动寻星控制流程框图。

图2为本发明的导航卫星定轨流程图。

具体实施方式

以下，基于附图针对本发明进行详细地说明。

如图1所示，上电后，地面接收机信息处理单元首先按照设置参数进行接口设置和初始化，按提前预制的位置区域螺旋搜索，有两种方式；

以预置位置为中心的±90°，把搜寻范围分为奇数个搜寻区时，先对预置位置区域进行螺旋式搜寻，然后再对中心两侧不同搜寻区进行螺旋状搜寻；

以预置位置为中心，搜寻范围为中心±90°，当搜寻范围分为偶数个搜寻区时，先依次对预置位置进行左或右螺旋状搜寻，一侧(左或右)搜寻区搜寻完成后，再转换至另一侧(右或左)搜寻去进行搜索；

信息处理单元进行工作状态巡检，并控制基带处理单元根据已存储跟踪导航卫星的观测量数据和导航电文的历史数据进行快速寻星；

地面接收机根据星历及卫星历史轨迹对导航卫星的轨迹进行预测，根据预测结果搜索卫星。先在概率大近区域内搜索，若仍未找到信号最大值，再以此为中心呈螺旋方式向两侧区域进行搜索，减少截获搜索时间；

利用观测的数据，由几何法确定卫星位置，以得到几何轨道动力平滑需要的“虚拟观测量”；

采用2×0阶地球引力的力模型，联合运动方程和变分方程进行数值求解，获取相应时刻的状态转移矩阵；

同时采用相对完善的4×4阶地球引力及日月引力的力模型，借助积分运动方程，获取相应时刻的卫星状态参考值；

虚拟观测量采用对应时刻地面接收机接收到的各星观测量；

模拟并建立“虚拟观测量”与待估参数之间的线性关系；

首先借助几何法将确定的卫星位置转换到惯性系下；

根据t时刻导航卫星在惯性系下的状态矢量、几何法定轨结果的权阵及观测误差得到“虚拟观测量”与待估参数之间的关系矩阵；

利用扩展卡尔曼滤波处理接收的数据，根据每一次观测，得到最新数据后，利用得到的轨道最新估算值不断替代最近时期的参考轨道，较好地减少因非线性化带来的误操作，EKF的处理方式分为时间替换和测量替换两部分；

根据t时刻导航卫星状态估值及其协方差矩阵，积分卫星运动方程和变分方程，得到状态预报值、协方差阵及状态转移矩阵；

由几何法定轨得到“虚拟观测量”，利用“虚拟观测量”进行滤波过程的观测更新，包括计算增益矩阵、状态估值及其协方差矩阵；

考虑前期利用几何法定轨结果中可能存在粗差，滤波器在滤波过程中可根据动力学信息对粗差进行剔除。在完成时间更新，开始观测更新之前，首先对几何法定轨结果进行检测，若满足条件，则认为几何法定轨结果为粗差，将其剔除，不再进行滤波过程的观测更新，开始处理下一个观测量。

EKF的估计精度随着观测量的输入不断得到改善，在处理一定步数之后，其定轨精度及能够收敛到一定水平。

根据附图2对本次发明的详细操作方法进行具体地介绍：

1.几何轨道动力平滑快速定轨中的摄动力、相应的运动方程、变分方程及两者的积分方法。

(1)为了提高数据处理的精确度，需要全面考虑动力学方面知识点.同时为了保证处理数据的高效性及有效性，动力学摄动力方面的影响又不能太过详细。兼顾高效性和有效性，同时兼顾到快速定轨一般仅涉及到较短弧段的卫星运动，在几何轨道动力平滑快速定轨中，考虑了如下的力模型：4×4阶地球引力、月球引力和太阳引力。根据以上内容模拟出来的模型，并没有过多的考虑除此之外的待估力学数值，在此基础上模拟出来的数据既能保证实时性又能够满足力学上对精确度方面的要求。

(2)计算日月对地球产生的引力加速度。

在惯性系下，日月对地球产生的引力加速度为：

式中，n＝1，表示太阳，n＝2，表示月球；GM_n为太阳(月球)引力常数；为太阳(月球)地心位置矢量。

相应地，日月对卫星产生的引力加速度为：

式中，为卫星地心位置矢量。

由此可得，在日月引力摄动作用下的卫星相对地球的加速度为：

根据上述内容，并将摄动力综合考虑在内的情况下，计算卫星的加速度如下所示：

式中，对应t时刻下卫星在惯性系的加速度矢量；表示4×4阶地球引力加速度；表示日月引力加速度；

2.获取几何轨道动力平滑需要的“虚拟观测量”。

(1)当地面接收机利用各种设备接收到观测值时，通过观测值只能获知信号接收时的接收机钟面时间，_R，设对应的系统时为T_R＝t_R-δt_R，δt_R为接收机钟差。信号从卫星上发射时那一刻的系统时T^s，T^s＝T_R-τ，τ为信号传播延迟，通常未知，是不确定值。在这里，一般情况下虚拟观测量直接套用对应时刻接收机接收到的各导航卫星的观测值。

(2)设为几何法确定的地固系下卫星位置，首先将其转换到惯性系下：

进一步，有

式中，为观测误差；为t时刻下卫星在惯性状态的矢量值，定为待估值；W′为几何法定轨结果的权阵；G为“虚拟观测量”与待估参数之间的关系矩阵，有如下简单形式：

3.单凭几何轨道动力平滑快速定轨，上述方程式是线性的，但动力学模型的非线性最终导致了估值系统的非线性，这里采用扩展卡尔曼滤波来处理这一非线性系统，处理办法分为时间更新和测量更新两部分。

(1)时间更新：由t_i-1时刻卫星状态估值及其协方差矩阵P⁺ _i-1，积分卫星运动方程和变分方程，得到状态预报值协方差阵及状态转移矩阵Φ_i，有

式中，Q(t_i-t_i-1)为状态噪声矩阵。

(2)观测更新：单纯由几何定轨得到“虚拟观测量”，利用“虚拟观测量”进行滤波过程的观测更新，包括增益矩阵K_i、状态估值及其协方差矩阵

4.考虑到单纯采用几何法定轨结果中可能存在粗差，在滤波过程中根据动力学信息对粗差进行剔除。

(1)在完成时间更新，开始观测更新之前，首先对几何法定轨结果进行检测，若其满足下式，则认为几何法定轨结果为粗差，将其剔除，不在进行滤波过程的观测更新，开始处理下一个观测量。

式中，表示t_i时刻几何法定轨获得的卫星位置转换到空固系下的结果；表示t_i时刻卫星状态预报值；σ_i为t_i时刻根据几何法定轨计算出来得到的卫星轨道中误差。

EKF的估值精度随着观测量的输入不断得到改善，因观测量精度等因素的限制，EKF在处理一定步数之后，其精度就基本能够收敛到一定水平。

需要说明的是，以上说明仅是本发明的优选实施方式，应当理解.对于本领域技术人员来说，在不脱离本发明技术构思的前提下还可以做出若干改变和改进，这些都包括在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种基于地面接收机的导航卫星快速寻星定轨方法，其特征在于：包含以下步骤：

步骤A，对地面接收机进行接口设置和初始化，按提前预制的位置区域进行螺旋搜索；

步骤B，对地面接收机的工作状态进行巡检，根据已存储跟踪导航卫星的观测量数据和导航电文的历史数据进行卫星搜索；

步骤C，地面接收机根据星历及卫星历史轨迹对导航卫星的轨迹进行预测，根据预测结果进行卫星搜索；

步骤D，利用地面接收机与导航卫星之间的观测数据由几何法确定卫星位置、进而得到几何轨道动力平滑需要的虚拟观测量，所述观测数据包括星历数据、时间数据、钟差修正数据；

步骤E，步骤D获取的虚拟观测量输入具有动力学信息的用于扩展卡尔曼滤波的滤波器中进行滤波处理，模拟并建立虚拟观测量与待估参数之间的线性关系，所述待估参数为位置状态参数或速度信息参数；

步骤F，获取卫星实时状态，进而实现导航卫星快速寻星定轨。

2.根据权利要求1所述的基于地面接收机的导航卫星快速寻星定轨方法，其特征在于：在步骤A中，按提前预制的位置区域进行螺旋搜索，包含如下两种方式：

1)以预置位置为中心的±90°，把搜寻范围分为奇数个搜寻区时，先对预置位置区域进行螺旋式搜寻，再对中心两侧不同搜寻区进行螺旋状搜寻；

2)以预置位置为中心，搜寻范围为中心±90°，把搜寻范围分为偶数个搜寻区时，先依次对预置位置进行左或右螺旋状搜寻，一侧搜寻区搜寻完成后，再转换至另一侧搜寻去进行搜索。

3.根据权利要求1所述的基于地面接收机的导航卫星快速寻星定轨方法，其特征在于：在步骤D中，由几何法确定卫星位置，具体如下：

步骤D1，设为几何法确定的地固系下卫星位置，式中，为地固系下卫星位置向量坐标，分别为地固系下卫星在三个方向上的卫星向量值，将其转换到惯性系下：

式中，为惯性系下卫星位置向量坐标，H为常矩阵，G为虚拟观测量与待估参数之间的关系矩阵，

则

式中，为观测误差；为t时刻下卫星在惯性状态的矢量值，定为待估值；W′为几何法定轨结果的权阵。

4.根据权利要求1所述的基于地面接收机的导航卫星快速寻星定轨方法，其特征在于：在步骤D中，采用对应时刻地面接收机接收到的各导航卫星状态观测量作为基本虚拟观测量，在考虑日月地对卫星的摄动影响后，得到几何轨道动力平滑需要的虚拟观测量。

5.根据权利要求1所述的基于地面接收机的导航卫星快速寻星定轨方法，其特征在于：在步骤E中，模拟并建立虚拟观测量与待估参数之间的线性关系，具体如下：

步骤E1，采用扩展卡尔曼滤波处理因动力学模型造成的估值系统的非线性；

步骤E2，获取滤波器初值，在滤波过程中根据动力学信息对由几何法得到定轨粗差进行剔除；

步骤E3，建立虚拟观测量与待估参数之间的线性关系。

6.根据权利要求1所述的基于地面接收机的导航卫星快速寻星定轨方法，其特征在于：在步骤F中，获取卫星实时状态，其中状态包含位置状态和速度信息的最优估值。

7.根据权利要求6所述的基于地面接收机的导航卫星快速寻星定轨方法，其特征在于：速度信息的最优估值具体获取步骤如下：

步骤F1，获取t时刻导航卫星状态估值及其协方差矩阵，积分卫星运动方程和变分方程，得到状态预报值、协方差阵及状态转移矩阵；

步骤F2，利用“虚拟观测量”进行滤波过程的观测更新，包括计算增益矩阵、状态估值及其协方差矩阵；

步骤F3，在EKF的估计精度随着观测量的输入不断得到改善，在处理一定步数之后，其定轨精度及能够收敛；

步骤F4，获得待观测卫星在轨状态。