CN111273326A - 一种基于低轨稀疏星座的蓝绿激光对潜艇高精度定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于低轨稀疏星座的蓝绿激光对潜艇高精度定位方法，卫星导航应用技术领域，本发明将蓝绿激光通信测距一体化与低轨卫星自身精密定轨结合，通过低轨星座与潜艇多次通信测距观测值，联合潜艇高程测量信息，从而实现潜艇的水下实时高精度定位。本发明基于低轨卫星的蓝绿激光星潜双向通信覆盖性好、隐蔽性强的特点，在激光通信中增加载波相位调制，实现潜艇激光接收器的被动伪距测量，获取卫星和潜艇的距离。潜艇依据卫星星历在星座覆盖区域，间隔1‑4min完成至少两次通信测距和导航电文接收，采用两组测距和轨道数据，联合高程测量信息进行定位解算。本发明克服了潜艇通信和导航定位的局限，大幅度提升潜艇的定位精度，以及潜艇的战场作战能力。

Description

一种基于低轨稀疏星座的蓝绿激光对潜艇高精度定位方法

技术领域

本发明涉及卫星导航应用技术领域，尤其涉及一种基于低轨稀疏星座的蓝绿激光对潜艇高精度定位方法。

背景技术

潜艇具有隐蔽性强、高效打击和长时间续航的优势，是国家现代化军事力量的重要组成部分。由于潜艇特殊的工作环境，在对其信息传输和导航定位方面都存在较多问题。特别是对潜艇定位，由于电磁波信号穿透海水的能力极差，潜艇在水下不能使用GNSS(Global Navigation Satellite System全球导航卫星系统)卫星导航，亟需有效的解决方案。

发明内容

本发明提供一种基于低轨稀疏星座的蓝绿激光对潜艇高精度定位方法，本发明基于低轨卫星精密定轨和蓝绿激光通信测距一体化研究基础，依托星载蓝绿激光平台对潜通信测距，设计基于低轨星座的对潜定位算法，实现潜艇水下有效定位，克服潜艇水下定位难的问题。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于低轨稀疏星座的蓝绿激光对潜高精度定位方法，包括：

S1、根据低轨星座对潜艇的定位解算、覆盖面积、覆盖时长需求设计三颗卫星组成的低轨稀疏星座。低轨稀疏星座包含三颗卫星，对低轨稀疏星座的约束条件包括轨道高度、轨道倾角、覆盖范围和重访时间。低轨稀疏星座参数构型的优化设计，包括轨道高度、轨道倾角、升交点赤经等差序列和真近点角。

S2、组成所述低轨稀疏星座的低轨卫星发送蓝绿激光信号，所述激光信号包括测距标识和测试时刻的计时信息。测距标识和计时信息是激光通信测距的内容，激光通信通过在光束载波的码里添加测距的标识位，来表明测距需求。计时信息是通过测距标志位来获取的。

S3、待测潜艇采集所述激光信号，解调出所述测距标识和测试时刻的计时信息。待测潜艇依据所述测距标识和计时信息，结合本地时标，同步得到所述测试时刻的计时信息在本地时标下所映射的时刻。

S4、根据所述测试时刻的计时信息进行伪距测量。

S5、经过采样间隔时间，重复执行S1-S4，得到两个测试时刻的伪测距值，根据低轨卫星在所述测量时刻的位置坐标和潜艇的高程测量值，计算得到潜艇的位置坐标。

进一步的，所述低轨稀疏星座的参数为：

可见轨道高度为900-1000km，轨道倾角为20°，升交点赤经分别为0°、20°和40°，真近点角分别为0°、5°和330°。

进一步的，所述S4包括：

假设卫星与潜艇间存在时差Δt

Δt＜min(τ_tN+R_NM+τ_rM,τ_tM+R_MN+τ_rN)

其中，发送时延为τ_t、接收时延为τ_r，R_NM为测距对象之间的距离，即卫星和潜艇的距离，M，N表征了两个潜艇和卫星两个测距对象，实际计时信息可以表示为：

T_M为星上计时信息，T_N为卫星计时信息；

则测距体制为

将测距体制R标记为所述伪距测量。

进一步的，在所述S5中，潜艇位置的解算方法包括：

伪测距值和潜艇的高程测量值为：

式中，ρ_t,i表示t₁,t₂时刻第i个卫星的伪距观测值， (x_t,i,y_t,i,z_t,i)(t＝t₁,t₂；i＝1,2,3)为3颗卫星在ECEF(Earth-Centered,Earth-Fixed 地心地固坐标系)坐标系下位置坐标，δt_μ为潜艇与卫星间等效钟差距离，R_e为地球半径，f为地球偏心率，H为潜艇在ECEF坐标系下的高程测量结果，ε_i表示伪距测量过程中激光在空气、水下传播、测量间隔期间的组合误差，ε表示高程测量误差，x_u、y_u、z_u分别为潜艇坐标的三维坐标值；

其中，待估计量包括x_u、y_u、z_u、δt_μ，将方程组(1)中的非线性方程在[X_k-1,δt_u,k-1]^T处进行线性化，k-1表示迭代历元，X_k-1为第k-1个历元的待估计参数，T表示矩阵转置，其中对所述待估计量的偏导数矩阵G和偏差输出量矩阵b如下所示：

上标s表示卫星编号，下标u表示用户编号，计算出偏导数矩阵 G和偏差输出量矩阵b后，利用最小二乘法求解位置改正量ΔX_u和激光接收机钟差改正量dδt_u，如式(2)所示，

[ΔX_u,Δδt_u]＝(G^TG)^-1G^Tb (2)

并利用位置改正量ΔX_u和激光接收机钟差改正量dδt_u修正位置和接收机钟差估计值，如式(3)所示，

X_u,k-1、δt_u,k-1与X_u,k、δt_u,k分别表示k-1历元与当前k历元的位置、钟差估计参数，ΔX_u,Δδt_u表示k-1历元到当前k历元的修正量；当修正量满足设定的精度要求或迭代次数达到迭代上限则输出潜艇坐标 X_u＝[x_u,y_u,z_u]和激光接收机钟差δt_u。

本发明的有益效果是：

本发明在蓝绿激光通信测距一体化及低轨卫星导航增强精密定轨的发展趋势下，结合三星无源定位和单星多普勒定位原理，设计三颗低轨卫星组成的稀疏星座，依托星载蓝绿激光实现对潜艇通信测距，获取伪距观测量，潜艇在星座过境期间完成多次数据接收，联合高程测量信息实现潜艇的水下高精度定位。

本发明在现有蓝绿激光对潜通信、激光通信测距一体化、低轨卫星精密定位等技术基础上，设计搭载蓝绿激光发射器的三颗卫星组成的低轨稀疏星座，利用蓝绿激光在对潜艇通信测距，在星座过境期间获取多组伪距观测值，联合潜艇高程测量信息进行最小二乘解算，进而实现满足潜艇水下定位和隐蔽性需求的导航定位服务。本发明通过低轨稀疏星座几何构型、卫星过境覆盖时间、覆盖期间PDOP(position dilution of precision位置精度强弱度)变化情况等进行数据处理和定位结果分析，最终确认相对最优的星座构型和定位方案，潜艇可依据星座星历预测最优过境时间窗口和覆盖区域，采取合适的测距采样间隔，从而提升导航定位服务时长和质量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1是低轨星座与潜艇多次通信测距原理图；

图2是低轨稀疏星座对潜艇覆盖图；

图3是低轨稀疏星座对潜艇定位技术流程图；

图4是星座过境期间PDOP变化情况；

图5是不同采样间隔对PDOP和定位精度的影响；

图6是伪距测量的原理示意图。

具体实施方式

为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

本发明实施例提供一种基于低轨稀疏星座的蓝绿激光对潜艇高精度定位方法，所适用的低轨星座与潜艇通信测距原理图示如图1所示，所述低轨稀疏星座对潜艇覆盖通信如图2所示，所述低轨稀疏星座对潜艇定位技术流程如图3所示。

定位方法包括：

S1、设计组成三颗卫星的低轨稀疏星座。本实施例中卫星轨道倾角的选取与地面目标区域的纬度相结合，设计在15-25°间。考虑低轨稀疏星座对潜艇定位的隐蔽性需求，低轨卫星导航定位时观测值的相关性较强的约束条件，以及星座的寿命及空间环境影响，将轨道高度选择在800-1000km。

为了使低轨星座具有较好的覆盖特性和几何构型为原则，通过控制变量设计三颗卫星的升交点赤经和真近点角来优化星座构型，并进行定位结果的仿真分析确定最终构型。包含三种轨道高度、三种轨道倾角与三种升交点赤经和真近点角组合，共构成27种不同的低轨稀疏星座，如表格1所示：

表格1低轨稀疏星座参数设计

S2、采用激光通信测距方法、码元相位同步测距方法测试卫星和潜艇之间的伪测距值。

低轨卫星激光发射器基于星钟倍频产生工作时钟，在同步脉冲时刻，由测距编码模块产生基带数据，调制后作为测距标识，数据帧插入计时信息。

潜艇接收激光信号并进行采样、码同步、帧同步等处理，解调出测距标识，并在NCO(Numerically Controlled Oscillator数字控制振荡器)时标模块比对，完成高精度计时，进而结合本地计时信息计算伪测距值。

解算的原理图如图6所示，具体解算方法为：

假设卫星与潜艇间存在时差Δt

Δt＜min(τ_tN+R_NM+τ_rM,τ_tM+R_MN+τ_rN)

其中，发送时延为τ_t、接收时延为τ_r，R_NM为测距对象之间的距离，即卫星和潜艇的距离，M，N表征了两个潜艇和卫星两个测距对象，实际计时信息可以表示为：

T_M为星上计时信息，T_N为卫星计时信息；

则测距体制为

将测距体制R标记为所述伪距测量。

S3、测得伪测距值后采用三星定位原理、定位解算方法对影响导航定位精度的因素进行进一步分析，得到最终的潜艇位置坐标。

定位解算原理为：t₁时潜艇与低轨星座进行通信测距获得3个伪距测量值ρ_t1,i(i＝1,2,3)，经过时间间隔Δt，到t₂时刻再次接收数据获取伪距测量值ρ_t2,i(i＝1,2,3)。依靠低轨星座的星历数据即可获得测量时刻的卫星精确位置坐标(x_i,y_i,z_i)(i＝1,2,3)，并通过潜艇的高程测量计可获得高程测量值H，与t₁、t₂时刻两组伪距测量值构成7个观测方程，解算潜艇位置(x_u,y_u,z_u)和钟差，从而实现潜艇的快速实时导航定位。

具体方法为：

潜艇与低轨星座通信过程中，假定潜艇位置在两次通信间隔内保持不变，随着星座过境过程，其测得的量测值可表示为：

式中，ρ_t,i表示t₁,t₂时刻第i个卫星的伪距观测值， (x_t,i,y_t,i,z_t,i)(t＝t₁,t₂；i＝1,2,3)为3颗卫星在ECEF(Earth-Centered,Earth-Fixed 地心地固坐标系)坐标系下位置坐标，δt_μ为潜艇与卫星间等效钟差距离，R_e为地球半径，f为地球偏心率，H为潜艇在ECEF坐标系下的高程测量结果，ε_i表示伪距测量过程中激光在空气、水下传播、测量间隔期间的组合误差等，ε表示高程测量误差，x_u、y_u、z_u分别为潜艇坐标的三维坐标值，共有4个待估计量包括x_u、y_u、z_u、δt_μ。在牛顿迭代解算过程中，需要将方程组(1)中的非线性方程在[X_k-1,δt_u,k-1]^T处进行线性化，k-1表示迭代历元，X表征待估参数，即x_u、y_u、z_u、δt_μ构成的矩阵，X_k-1为第k-1个历元的待估计参数，T表示矩阵转置，其中对方程中待估参数的偏导数矩阵G和偏差输出量矩阵b如下所示：

其中

上标s表示卫星编号，下标u表示用户编号。在矩阵G和b的第一、二、三行中，s的取值分别为1、2、3。i表征的意义同样为卫星编号，因为有三颗卫星，所以i₁、i₂、i₃分别表示第一、二、三颗卫星，下标t_1,2i₁的意义为，第一颗卫星在t₁、t₂时刻的取值。

根据当前观测值数据计算出偏导数矩阵G和偏差输出量矩阵b后，可利用最小二乘法求解位置改正量ΔX_u和激光接收机钟差改正量dδt_u，如式(2)所示，并利用位置改正量和接收机钟差改正量修正位置和接收机钟差估计值，如式(3)所示。如果修正量满足一定精度要求或迭代次数达到迭代上限则输出潜艇坐标X_u＝[x_u,y_u,z_u]和激光接收机钟差δt_u。

[ΔX_u,Δδt_u]＝(G^TG)^-1G^Tb (2)

X_u,k-1、δt_u,k-1与X_u,k、δt_u,k分别表示k-1历元与当前k历元的位置、钟差估计参数，ΔX_u,Δδt_u表示k-1历元到当前k历元的修正量；当修正量满足设定的精度要求或迭代次数达到迭代上限则输出潜艇坐标 X_u＝[x_u,y_u,z_u]和激光接收机钟差δt_u。

参数优化和分析：

1)本实施例中，对星座参数设计实验方案，通过卫星工具包STK 软件进行仿真场景设计：将27种低轨稀疏星座组合依照控制变量法，依次按照不同轨道高度、轨道倾角、升交点赤经分成9组，每组3种星座，来分析星座参数对定位结果的影响。

基于对27种组合星座参数的仿真设计，通过对定位误差的分组对比，可见轨道高度900-1000km，轨道倾角20°，升交点赤经分别为0°， 20°和40°，真近点角分别为0°，5°和330°的稀疏星座，对潜艇定位性能较好。考虑卫星定轨、激光在空气和水下传播误差等，潜艇高程测量误差在10米级，可实现在X、Z方向定位误差优于100m，Y 方向误差约100-200m。

2)对所述最优低轨稀疏星座对服务区域的潜艇定位进行分析。

星座长期运行情况下，可以实现对南北纬30°区域的全覆盖，包括主要服务对象。较大的覆盖区域有利于避免敌方通过监测星座的运行轨迹来侦察潜艇位置，更有利于提升潜艇的隐蔽性。单个周期内地面覆盖区域，针对主要服务区域(10°-30°N，60°-180°E)可以实现完全覆盖。星座每日过境服务时长约5h，潜艇在服务区域内可根据星历计算满足定位需求的最优时间段。

低轨星座从首颗卫星可见到全部过境期间，伪距观测值采样间隔设为60s，如图所示，星座与仿真目标点的PDOP的变化趋势呈现“倒 U型”，星座渐入和渐出段PDOP值变化较大，在5-50之间，最低段保持在1.5-2.0区间。PDOP反应星座与目标点的几何位置关系，对最终定位误差的影响如公式(4)所示。

σ_pos＝PDOP×σ_UERE (4)

由此可见，星座过境期间，三颗卫星同时观测时段定位效果最佳，如图4所示。

三颗卫星同时过境期间，采样间隔从1-250s递增，如图5所示，随着潜艇通信测距采样间隔递增，PDOP逐渐减小，最终定位误差整体呈现递减趋势。随着观测值采样间隔递增，Y方向误差相对实现大幅度降低，X和Z方向误差整体影响不大，呈现小幅度上升，总体误差呈现降低趋势。进一步说明，基于低轨卫星快速运动的特性，增大通信测距采样间隔可以改善星座和潜艇的几何分布，降低PDOP进而提升定位精度。因此潜艇可通过与低轨星座连续多次进行通信测距，采用间隔较大的数据进行定位解算。

本发明的有益效果是：

基于低轨卫星的蓝绿激光对潜艇双向通信的可行方案，本发明设计三颗卫星组成的低轨稀疏星座，利用蓝绿激光在对潜艇通信测距一体化，在低轨卫星精密定轨的基础上，联合潜艇高程测量信息进而实现满足潜艇水下定位和隐蔽性需求的导航定位服务。本发明通过星座参数设计、STK仿真分析、数据处理和定位结果分析，最终确认相对最优的低轨星座，考虑卫星定轨精度、激光在大气、水下传播等误差，该星座可以实现潜艇在水下X、Z方向优于100m，Y方向定位误差在100-200m，对于提升潜艇水下作战能力具有重要意义。本发明分析了影响潜艇定位精度和可用性的因素，潜艇可依据星座星历预测最优过境时间窗口和覆盖区域，采用合适的通信测距采样间隔，从而提升星潜导航定位服务时长和质量。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种基于低轨稀疏星座的蓝绿激光对潜艇高精度定位方法，其特征在于，包括:

S1、根据低轨星座对潜艇定位解算、覆盖面积、覆盖时长的需求设计由三颗卫星组成的低轨稀疏星座；

S2、组成所述低轨稀疏星座的低轨卫星发送蓝绿激光信号，所述激光信号包括测距标识和测试时刻的计时信息；

S3、待测潜艇采集所述激光信号，解调出所述测距标识和测试时刻的计时信息；

待测潜艇依据所述测距标识和计时信息，结合本地时标，同步得到所述测试时刻的计时信息在本地时标下所映射的时刻；

S4、根据所述测试时刻的计时信息进行伪距测量；

S5、经过采样间隔时间，重复执行S1-S4，得到两个测试时刻的伪测距值，根据低轨卫星在所述测量时刻的位置坐标和潜艇的高程测量值，计算得到潜艇的位置坐标。

2.根据权利要求1所述的一种基于低轨稀疏星座的蓝绿激光对潜艇高精度定位方法，其特征在于，所述低轨稀疏星座的参数为：

可见轨道高度为900-1000km，轨道倾角为20°，升交点赤经分别为0°、20°和40°，真近点角分别为0°、5°和330°。

3.根据权利要求1所述的一种基于低轨稀疏星座的蓝绿激光对潜艇高精度定位方法，所述S4包括：

假设卫星与潜艇间存在时差Δt

Δt＜min(τ_tN+R_NM+τ_rM,τ_tM+R_MN+τ_rN)

其中，发送时延为τ_t、接收时延为τ_r，R_NM为测距对象之间的距离，即卫星和潜艇的距离，M，N表征了两个潜艇和卫星两个测距对象，实际计时信息可以表示为：

T_M为星上计时信息，T_N为卫星计时信息；

则测距体制为

将测距体制R标记为所述伪距测量。

4.根据权利要求1所述的一种基于低轨稀疏星座的蓝绿激光对潜艇高精度定位方法，在所述S5中，潜艇位置的解算方法包括：

所述伪测距值和潜艇的高程测量值为：

式中，ρ_t,i表示t₁,t₂时刻第i个卫星的伪距观测值，(x_t,i,y_t,i,z_t,i)(t＝t₁,t₂；i＝1,2,3)为3颗卫星在ECEF(Earth-Centered,Earth-Fixed地心地固坐标系)坐标系下的位置坐标，δt_μ为潜艇与卫星间等效钟差距离，R_e为地球半径，f为地球偏心率，H为潜艇在ECEF坐标系下的高程测量结果，ε_i表示伪距测量过程中激光在空气、水下传播、测量间隔期间的组合误差，ε表示高程测量误差，x_u、y_u、z_u分别为潜艇坐标的三维坐标值；

其中，待估计量包括x_u、y_u、z_u、δt_μ，将方程组(1)中的非线性方程在[X_k-1,δt_u,k-1]^T处进行线性化，k-1表示迭代历元，X_k-1为第k-1个历元的待估计参数，T表示矩阵转置，其中对所述待估计量的偏导数矩阵G和偏差输出量矩阵b如下所示：

上标s表示卫星，下标u表示用户代号，计算出偏导数矩阵G和偏差输出量矩阵b后，利用最小二乘法求解位置改正量ΔX_u和激光接收机钟差改正量Δδt_u，如式(2)所示，

[ΔX_u,Δδt_u]＝(G^TG)^-1G^Tb (2)

并利用位置改正量ΔX_u和激光接收机钟差改正量dδt_u修正位置和接收机钟差估计值，如式(3)所示，

X_u,k-1、δt_u,k-1与X_u,k、δt_u,k分别表示k-1历元与当前k历元的位置、钟差估计参数，ΔX_u,Δδt_u表示k-1历元到当前k历元的修正量；当修正量满足设定的精度要求或迭代次数达到迭代上限则输出潜艇坐标X_u＝[x_u,y_u,z_u]和激光接收机钟差δt_u。

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