CN109059916B - 一种基于惯导的浮空器掩星预报方法 - Google Patents

一种基于惯导的浮空器掩星预报方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于惯导的浮空器掩星预报方法，包括先根据掩星探测仪的定位设备获取WGS84坐标系下所有GNSS导航星的位置，然后计算浮空器的位置以及经度、纬度和高度，计算所有GNSS导航星的俯仰角、方位角及浮空器本体的方位角，判断得到的俯仰角Elv、方位角Azm及天线安装方位是否满足掩星事件的门限，若满足，则判定该GNSS导航星为掩星。本发明通过惯导设备采用连续弧段判断掩星事件，增强了预报结果的准确性，方法简单易行，对于实时预报具有重要应用价值。

Description

一种基于惯导的浮空器掩星预报方法
技术领域
本发明涉及大气掩星探测技术领域，具体涉及一种基于惯导的浮空器掩星预报方法，利用浮空器上的大气掩星探测设备和初始化硬件设备，提前预报掩星事件发生，为快速捕获掩星事件提供初始条件的方法。
背景技术
GPS/MET实验的成功，验证了GNSS无线电掩星技术对于地球大气探测的具有重大价值。随着GNSS无线电掩星技术的发展，掩星技术被越来越多国家重视。掩星事件是指GNSS卫星的导航信号经过地球表面的电离层和大气层而产生弯折的物理变化现象。掩星技术是指掩星事件发生时，掩星信号被掩星接收机捕获并跟踪，从而通过分析采集到的观测量来反演信号传播路径中的一些参量的技术。
浮空器内掩星接收机和掩星的相对速度较大，因此掩星现象通常持续时间较短，因此对于浮空器掩星探测仪捕获掩星事件，就需快速捕获，利用掩星预报算法，可以提高掩星捕获速度，因此结合天线指向，利用惯导设备获取当前姿态，通过精准预报，也能够合理设置通道，节省硬件资源。
现有的掩星预报算法主要是运用仿真软件计算，然后提前置入设备中，未考虑实际应用中的可见性和实时性，因此准确率不足，从而导致浪费硬件资源。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种基于惯导的浮空器掩星预报方法，克服现有技术的不足，通过坐标系转换，在保证GNSS导航星可视的情况下，计算连续弧段内GNSS导航星相对于浮空器是否满足掩星事件要求，解决了浮空器掩星探测仪实时精确预报的需求，有效的提高计算效率和预报准确度。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于惯导的浮空器掩星预报方法，包括以下步骤：
(1) 获取所有GNSS导航星位置
通过掩星探测仪的定位设备获取的各GNSS导航星的广播电文，根据各星座公布ICD接口文件获得所有导航星在当前时间的位置PGNSS，VGNSS；
(2) 获取浮空器的位置以及经度、纬度和高度
(3) 获取所有GNSS导航星相对于浮空器的俯仰角Elv、方位角Azm
方位角和俯仰角Elv，计算公式如下：
Figure 962292DEST_PATH_IMAGE001
；
Figure 776664DEST_PATH_IMAGE002
式中x RELnew , y RELnew , z RELnew 是GNSS导航星相对于浮空器转化为东北天坐标下的相对矢量的x轴、y轴和Z轴的各轴分量，由以下转化公式计算而来：
RRELnew=RREL*C
式中C为转换矩阵，用来将WGS-84坐标系下浮空器的位置计算转换到东北天坐标系；RREL为GNSS导航星相对于浮空器的相对矢量，由如下公式计算得到：
RREL= PGNSS- P
式中P为得到的浮空器的位置；PGNSS为步骤 (1) 中得到的各GNSS导航星在当前时间T的位置；
(4) 判断是否符合门限
利用步骤 (3) 中得到的俯仰角 Elv、方位角Azm和浮空器中天线的安装方位以及惯导设备取得的姿态角Azm惯导，来判断是否满足掩星事件的门限；若满足，则判定该导航星为掩星。
所述步骤（4）中的掩星事件的门限为：Elv min ≤Elv≤Elv max ，Azm min ≤Azm+Azm惯导≤Azm max ；
式中：Elv max 为掩星的俯仰角门限上限，Elv min 为掩星的俯仰角门限下限：所述Elv max 及Elv min 由如下公式计算：
Elv max =w/2+ae
Elv min =Elvtanget-2
式中：w为天线的幅角，ae为天线安装角俯仰角，az为方位角，Elvtanget为掩星事件切地球的最低俯仰角；所述最低俯仰角Elvtanget由如下公式计算：
Figure 661444DEST_PATH_IMAGE003
式中：切点最低高度a为地球半径，H为浮空器的高度。
所述步骤（4）中的天线方位角约束具体为：天线方位角az应该在天线幅角w范围内，即掩星实际的方位角和天线的安装角方位角的差dangle的绝对值小于w/2，天线的安装方位角由天线的安装角和惯导提供的姿态角相加获得。
5) 如果步骤(4)中的天线方位满足约束，则时间外推20min时间，分别计算步骤(1)~(3)是否满足步骤(4)中的掩星事件门限，其中浮空器动态相对较小，因此外推采用速度积分的方式外推。如果两次均满足，则判定该导航星为掩星。
本发明与现有技术相比的有益效果：
（1）本发明采用连续弧段判断掩星事件，避免了单次判断造成的误判或者漏判；
（2）本发明通过惯导设备来判断导航星的可见性，增强了预报结果的准确性，方法简单易行，对于实时预报具有重要应用价值；
（3）本发明综合考虑了航空浮空器实际的姿态和掩星天线的安装方向，增强了掩星事件预报的准确性。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细地描述，其中：
图1为本发明在WGS-84坐标系下的几何示意图。
图2为本发明基于惯导的浮空器掩星预报方法的流程图。
具体实施方式
下面结合实施例附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，描述的实施例仅仅是本发明的一个具体的实施例，不是全部的实施例。下述实施例是说明性的，不是限制性的，不能以下述实施例来限定本发明的保护范围。
以下结合图1阐述本发明星载实时掩星预报方法，详细步骤如下：
(1) 获取所有GNSS导航星位置
通过掩星探测仪的定位设备获取的各GNSS导航星的广播电文，根据各星座公布ICD接口文件获得所有导航星在当前时间的位置PGNSS，VGNSS；
(2) 获取浮空器的位置以及经度、纬度和高度
(3) 获取所有GNSS导航星相对于浮空器的俯仰角Elv、方位角Azm
方位角和俯仰角Elv，计算公式如下：
Figure 928477DEST_PATH_IMAGE001
；
Figure 127377DEST_PATH_IMAGE004
式中x RELnew , y RELnew , z RELnew 是GNSS导航星相对于浮空器转化为东北天坐标下的相对矢量的x轴、y轴和Z轴的各轴分量，由以下转化公式计算而来：
RRELnew=RREL*C
式中C为转换矩阵，用来将WGS-84坐标系下浮空器的位置计算转换到东北天坐标系；RREL为GNSS导航星相对于浮空器的相对矢量，由如下公式计算得到：
RREL= PGNSS- P
式中P为得到的浮空器的位置；PGNSS为步骤 (1) 中得到的各GNSS导航星在当前时间T的位置；
(4) 判断是否符合门限
利用步骤 (3) 中得到的俯仰角 Elv、方位角Azm和浮空器中天线的安装方位以及惯导设备取得的姿态角Azm惯导，来判断是否满足掩星事件的门限；若满足，则判定该导航星为掩星。
掩星事件的门限为：Elv min ≤Elv≤Elv max ，Azm min ≤Azm≤Azm max ；
式中：Elv max 为掩星的俯仰角门限上限，Elv min 为掩星的俯仰角门限下限：所述Elv max 及Elv min 由如下公式计算：
Elv max =w/2+ae
Elv min =Elvtanget-2
式中：w为天线的幅角，ae为天线安装角俯仰角，az为方位角，Elvtanget为掩星事件切地球的最低俯仰角；所述最低俯仰角Elvtanget由如下公式计算：
Figure 609305DEST_PATH_IMAGE003
式中：切点最低高度a为地球半径，H为浮空器的高度。
天线方位角约束具体为：天线方位角az应该在天线幅角w范围内，即掩星实际的方位角和天线的安装角方位角的差dangle的绝对值小于w/2，天线的安装方位角由天线的安装角和惯导提供的姿态角相加获得。
实施例
测试场景设计为：浮空器飞行高度20km，地点为（-2244788.560,4316130.960,4141765.440），UTC时间为2018年9月27日0：00：00到2018年9月27日16：00：00，浮空器接收天线幅角w为40度，天线安装俯仰角为-4，掩星切角为-4.5度，则天线俯仰角门限为[-7.5,16]，由于场景设计为三轴稳定，所以天线和运动方向保持重合，因此天线方位角门限为[-20，20]，如果天线有姿态机动，需引入惯导设备，加上姿态机动导致的天线方位变化。以时间60s为步长，部分预报结果和接收结果如下表所示：
Figure 664986DEST_PATH_IMAGE005
通过半实物仿真，得出以上表格，可以证实掩星探测仪可以根据预报结果快速、准确跟踪掩星事件。
本发明提供的星载实时掩星预报方法，增强了预报结果的准确性，方法简单易行，对于掩星实时预报具有重要应用价值。
上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，本发明说明书中未作详细阐述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (3)

1.一种基于惯导的浮空器掩星预报方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1) 获取所有GNSS导航星位置
通过掩星探测仪的定位设备获取的各GNSS导航星的广播电文，根据各星座公布ICD接口文件获得所有导航星在当前时间的位置PGNSS，VGNSS；
(2) 获取浮空器的位置以及经度、纬度和高度
通过定位设备获取浮空器的位置P，并转化为经纬高；
(3) 获取所有GNSS导航星相对于浮空器的俯仰角Elv、方位角Azm及切点高度h
方位角和俯仰角Elv，计算公式如下：
Figure 44018DEST_PATH_IMAGE001
；
Figure 774208DEST_PATH_IMAGE002
式中x RELnew , y RELnew , z RELnew 是GNSS导航星相对于浮空器转化为东北天坐标下的相对矢量的x轴、y轴和Z轴的各轴分量，由以下转化公式计算而来：
RRELnew=RREL*C
式中C为转换矩阵，通过步骤（2）获取的经纬高计算取得，用来将WGS-84坐标系下浮空器的位置计算转换到东北天坐标系；RREL为GNSS导航星相对于浮空器的相对矢量，由如下公式计算得到：
RREL= PGNSS- P
式中P为得到的浮空器的位置；PGNSS为步骤 (1) 中得到的各GNSS导航星在当前时间T的位置；
(4) 判断是否符合门限
利用步骤 (3) 中得到的俯仰角 Elv、方位角Azm和浮空器中天线的安装方位以及惯导设备取得的姿态角Azm惯导，来判断是否满足掩星事件的门限；若满足，则判定该导航星为掩星；
(5) 如果步骤(4)中的天线方位满足约束，则时间外推20min时间，分别计算步骤(1)~(3)是否满足步骤(4)中的掩星事件门限，如果两次均满足，则判定该导航星为掩星。
2.按照权利要求1所述的基于惯导的浮空器掩星预报方法，其特征在于，所述步骤（4）中的掩星事件的门限为：Elv min ≤Elv≤Elv max ，Azm min ≤Azm+Azm惯导≤Azm max ；
式中：Elv max 为掩星的俯仰角门限上限，Elv min 为掩星的俯仰角门限下限：所述Elv max 及Elv min 由如下公式计算：
Elv max =w/2+ae
Elv min =Elvtanget-2
Azm max x =w/2+az
Azm min x = -w/2+az
式中：w为天线的幅角，ae为天线安装角俯仰角，az为方位角，Elvtanget为掩星事件切地球的最低俯仰角；所述最低俯仰角Elvtanget由如下公式计算：
Figure 553945DEST_PATH_IMAGE003
式中：切点最低高度a为地球半径，H为浮空器的高度。
3.按照权利要求1所述的基于惯导的浮空器掩星预报方法，其特征在于，所述步骤（4）中的天线方位角约束具体为：天线方位角az应该在天线安装幅角w范围内，即掩星实际的方位角经过惯导设备获取的姿态角修正到浮空器上以后，应该和天线的安装方位角的差dangle的绝对值小于w/2。
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