CN111830536A - 一种结合地形影响的卫星可见性判断方法 - Google Patents

一种结合地形影响的卫星可见性判断方法 Download PDF

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沈飞
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Abstract

本发明公开了一种结合地形影响的卫星可见性判断方法，包括如下步骤：步骤1，选择观测区域，并确定测站点，利用卫星坐标和测站点的位置坐标计算卫星仰角，判断观测区域的卫星的可见性；步骤2，引入地形影响，计算地形采样点仰角，与卫星仰角对比分析，再次判断卫星可见性。采用本发明方法，考虑实验区地形遮挡后，可见卫星数量和卫星的定位精度相比于不考虑地形遮挡时有了明显下降。

Description

一种结合地形影响的卫星可见性判断方法
技术领域
本发明涉及一种结合地形影响的卫星可见性判断方法。
背景技术
GPS定位中需要多颗卫星覆盖所在测区方能获得较好的测量结果，然而实际工作中受地形的影响往往导致卫星的可见数量降低。如山区地形的多样性和城市建筑物的影响使得卫星信号被高楼、立交桥、自然地形阻碍，导致卫星的可见数量明显降低，甚至卫星数量无法达到最低定位标准。而大多数卫星可见性分析忽略了这些因素的影响，导致卫星可见性评价结果与实际相差较大。
发明内容
发明目的：为了更准确地对GPS卫星可见性进行评估，本发明在卫星可见性分析中引入地形因素，提供了一种结合地形影响的卫星可见性判断方法，包括如下步骤：
步骤1，选择观测区域，并确定测站点，利用卫星坐标和测站点的位置坐标计算卫星仰角，判断观测区域的卫星的可见性；
步骤2，引入地形影响，计算地形采样点仰角，与卫星仰角对比分析，再次判断卫星可见性。
步骤1包括：
步骤1-1，将卫星地心空间直角坐标系的坐标归化到以测站为原点的站心坐标系中；
步骤1-2，根据站心坐标差计算卫星仰角和方位角；
步骤1-3，判断观测区域的卫星的可见性。
步骤1-1包括：
步骤1-1-1，设定P为测站点，大地经度L，大地纬度B，Q为卫星位置，XQ、YQ、ZQ为Q点在地心空间直角坐标系中的三个坐标分量，XP、YP、ZP为P点在地心空间直角坐标系中的三个坐标分量，E、N、U为卫星Q相对于站点P的站心坐标，空间直角坐标和站心坐标的转换关系如下所示：
Figure BDA0002625004720000011
通过转换得到地心空间直角坐标向站心坐标的计算公式：
Figure BDA0002625004720000021
其中：
dX＝XQ-XP
dY＝YQ-YP
dZ＝ZQ-ZP
dX、dY、dZ为P、Q两点在空间直角坐标系下三个坐标分量的差值。
步骤1-2包括：
通过公式(2)计算出以卫星的站心坐标系坐标(Ei，Ni，Ui)，用如下公式计算卫星仰角和卫星方位角：
Figure BDA0002625004720000022
Figure BDA0002625004720000023
其中Ele为卫星仰角，Azi为卫星方位角。
步骤1-3包括：设定截止高度角阈值，卫星仰角Ele高于截止高度角阈值的卫星表示为可见，否则为不可见。
步骤2包括：
步骤2-1，确定测站点，利用卫星坐标和测站点的位置坐标确定观测区域内可见的卫星，计算可见卫星的仰角和卫星方位角；
步骤2-2，根据卫星方位角，在数字高程模型上确定需要的地形采样点；
步骤2-3，根据数字高程模型的行列号等计算地形采样点所对应的经纬度坐标；
步骤2-4，将经纬度坐标转换为地心空间直角坐标；将地心空间直角坐标转换为站心坐标；
步骤2-5，计算地形采样点方位角；
步骤2-6，将地形采样点方位角与卫星方位角对比找出与卫星方向一致的地形采样点；
步骤2-7，计算方向一致的采样点的仰角；
步骤2-8，将步骤2-7得到的方向一致的采样点的仰角与同方向卫星仰角比较确定可见卫星。
步骤2-1包括：根据公式(3)计算卫星仰角SatEi，按公式(4)计算卫星方位角SatAi，其中i＝1，2，…，m，m为观测区域所有可见卫星数量；
步骤2-2包括：如果卫星方位角为45°的整数倍，即卫星位于数字高程模型栅格的对角线方向，直接获取由对角线方向所穿过的栅格点坐标为地形采样点坐标，地形采样点的位置用行号、列号和高程表示；如果卫星的方位角不是45°的整数倍，需要获取离测站与卫星连线两侧临近的栅格点作为地形采样点。
步骤2-3包括：根据如下公式计算指定栅格位置的地理坐标：
geoX＝geoX0+C*xPixel (5)
geoY＝geoY0+R*yPixel (6)
其中，(geoX，geoY)表示指定栅格位置的地理坐标，geoX0，geoY0分别为栅格左上角X坐标和Y坐标，R为栅格所在行号，C为栅格所在列号。
步骤2-4中，根据如下公式计算出采样点的地心空间直角坐标；
通过地球椭球上任意一点的大地经度L、纬度B和大地高H计算地心空间直角坐标(X,Y,Z)的变换式为：
Figure BDA0002625004720000032
式中N表示地球卯酉圈曲率半径：
Figure BDA0002625004720000031
其中a、e分别为椭球的第一偏心率平方和长半径，此处使用CGCS2000国家大地坐标系参数；
将步骤2-3计算所得大地经度geoX、大地纬度geoY以及对应栅格点大地高H(该大地高由栅格点的高程和由全球超高阶地球重力场模型EGM2008确定的栅格点高程异常求和得到)，代入上述公式即能够计算出对应的地心空间直角坐标，再按公式(2)计算出地形采样点的站心坐标；
步骤2-5中，按公式(4)计算出地形采样点的方位角Aj，j＝1、2、3…n，n为所有栅格采样点个数；
步骤2-6中，将卫星到地形采样点的方位角Aj与测站到卫星的方位角SatAi对比，如果两个方位角之差小于1′时认定为方向一致；
步骤2-7中，方向一致的地形采样点坐标代入公式(3)计算出地形采样点的仰角Eu；
步骤2-8中，判断地形采样点的仰角Eu和卫星仰角SatEi的大小，对于测站的一系列地形采样点仰角Eu，求取它们的最大值E_Max，如果满足卫星仰角SatEk>E_Max，且SatEk大于截止高度角阈值，则判定卫星可见，否则判定为不可见。
有益效果：卫星定位中需要多颗卫星覆盖所在测区方能获得较好的测量结果，然而实际工作中受地形的影响往往导致卫星的可见数量降低。如山区地形的多样性和城市建筑物的影响使得卫星信号被高楼、立交桥、自然地形阻碍，导致卫星的可见数量明显降低，甚至卫星数量无法达到最低定位标准。而大多数卫星可见性分析忽略了这些因素的影响，导致卫星可见性评价结果与实际相差较大。本发明在卫星可见性分析中引入地形因素，设计出考虑地形情况下卫星可见性判断的方法，可以更准确地对卫星可见性进行评估。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明做更进一步的具体说明，本发明的上述或其他方面的优点将会变得更加清楚。
图1是地心空间直角坐标转化为站心空间直角坐标示意图。
图2是卫星可视性分析流程图。
图3是根据卫星方位角确定地形采样点示意图。
图4是卫星仰角和采样点仰角比较示意图。
图5为利用不同ENU坐标绘制出的卫星分布图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。
实施例
本实施例提供了一种结合地形影响的卫星可见性判断方法，首先选择实验区，在实验区内选择一点为测站点，并确定观测时间，该算法利用卫星坐标和所在观测点的位置坐标判断该区域的卫星可见性，首先计算卫星的仰角、方位角，再利用计算结果判断卫星的可见性；其次引入地形影响，重新计算仰角再次判断卫星可见性并作出对比。
通过卫星仰角直接判断卫星可见性的步骤是：(1)将卫星地心坐标系的坐标归化到以测站为原点的站心坐标系中；(2)根据站心坐标差计算卫星仰角和方位角。
地心空间直角坐标转化为站心空间直角坐标的方法如下，如图1，以P为测站(大地经度L，大地纬度B)，Q为卫星位置，Q相对于P的坐标可表示为[N,E,U]T，XYZ和ENU的关系式如下所示：
Figure BDA0002625004720000051
通过转换可以得到地心空间直角坐标向站心坐标的计算公式：
Figure BDA0002625004720000054
其中：
dX＝XQ-XP
dY＝YQ-YP
dZ＝ZQ-ZP
dX、dY、dZ为P、Q两点在空间直角坐标系下三个坐标分量的差值。
卫星的仰角和方位角是判断卫星可见性的常用数据，根据站心坐标差计算卫星仰角和方位角的方法如下。通过公式(2)计算出以卫星的站心坐标系坐标(Ei，Ni，Ui)，用如下公式计算卫星仰角和卫星方位角：
Figure BDA0002625004720000052
Figure BDA0002625004720000053
其中Ele为卫星仰角，Azi为卫星方位角。
卫星的仰角较低时，即使不考虑地形原因，也会因为电离层、对流层等因素使得卫星信号受到影响，导致定位精度不足。因此，在确定可见卫星时，通常设定截止高度角，筛除掉仰角过低的卫星，此处设定截止高度角为10°，高于10°的卫星表示为可见，低于10°的不可见。
测站可见卫星的数量直接与所在区域的地形有关，如城市高层建筑物，自然地形高低起伏等会造成障碍遮挡从而影响卫星的可见性，因此，有必要结合区域的地形进一步分析卫星的可见性。
此处选择数字高程模型(DEM)作为障碍物模型进行卫星可视性分析，分析步骤如图2所示。
首先获取该区域无地形遮挡时的可见卫星数据，包括仰角和方位角；根据卫星的方位角在DEM上确定需要的地形采样点；根据DEM的行列号等计算采样点所对应的经纬度坐标；将经纬度坐标转换为地心空间直角坐标；将地心坐标转换为站心坐标；计算地形采样点方位角；与卫星方位角对比找出与卫星方向一致的地形采样点；计算方向一致的采样点的仰角；与同方向卫星仰角比较确定可见卫星。
每一步的具体做法如下：
(1)根据公式(3)计算卫星仰角SatEi，按公式(4)计算卫星方位角SatAi，其中i＝1，2，…，m，m为观测区域所有可见卫星数量；
(2)确定需要的地形采样点。如图3所示，如果卫星方位角为45°的整数倍，即卫星位于栅格的对角线方向(图3中S1)，可以直接获取由该方向所穿过的栅格点坐标为采样点坐标，地形采样点的位置用行号(R)、列号(C)和高程(H)表示。如果卫星的方位角不是45°的整数倍(S2)，需要获取离测站与卫星连线两侧临近的栅格点作为地形采样点(如D1、D2、D3、D4…)。
(3)计算采样点经纬度坐标。以DEM文件左上角地理坐标为基础，通过像素分辨率和行、列数按如下公式计算，可以获得指定栅格位置的地理坐标(geoX，geoY)，即经纬度坐标。
geoX＝geoX0+C*xPixel (5)
geoY＝geoY0+R*yPixel (6)
其中，(geoX，geoY)表示指定栅格位置的地理坐标，geoX0，geoY0分别为栅格左上角X坐标和Y坐标，R为栅格所在行号，C为栅格所在列号。
(4)将经纬度坐标转换为地心空间直角坐标。根据如下公式计算出采样点的地心空间直角坐标；
通过地球椭球上任意一点的大地经度L、纬度B和大地高H计算地心空间直角坐标(X,Y,Z)的变换式为：
Figure BDA0002625004720000072
式中N表示地球卯酉圈曲率半径：
Figure BDA0002625004720000071
其中a、e分别为椭球的第一偏心率平方和长半径，此处使用CGCS2000国家大地坐标系参数；
将步骤2-3计算所得大地经度geoX、大地纬度geoY以及对应栅格点大地高H，代入上述公式即能够计算出对应的地心空间直角坐标；
(5)将地心坐标转换为站心坐标。按公式(2)计算出地形采样点的站心坐标。
(6)计算地形采样点方位角。按公式(4)计算出采样点的方位角Aj(j＝1、2、3…n，n为所有栅格采样点个数)。
(7)找出与卫星方向一致的地形采样点。将卫星到地形采样点的方位角Aj与测站到卫星的方位角SatAi对比，若两个方位角之差小于1′时认定为方向一致。
(8)计算方向一致的采样点的仰角。将上一步中方向一致的采样点坐标代入公式(3)计算出地形采样点的仰角Eu。
(9)与同方向卫星仰角比较，确定可见卫星。判断采样点的仰角Eu和卫星仰角SatEk的大小，如图4所示，对于测站的一系列地形采样点仰角Eu，求取它们的最大值E_Max，如果满足卫星仰角SatEk>E_Max，且SatEk>10°(截止高度角)，那么该卫星可见，否则则该卫星不可见(其中u＝1、2、3…N2，N2为处于测站——卫星连线上的采样点个数)。
通过实例分析，在DEM数据内部任意选取某一点作为测站点，并设定观测时间，以测站为原点建立ENU坐标系。图5为利用不同ENU坐标绘制出的卫星分布图，分别显示了只考虑截止高度角(图5左)和同时考虑截止高度角及地形遮挡(图5右)的可见卫星分布，可以发现，地形因素使得可见卫星数目从9颗下降到了5颗。实验结果表明：在实验区域内，考虑地形遮挡后，可见卫星数量和卫星的定位精度相比于不考虑地形遮挡时有了明显下降。
本发明提供了一种结合地形影响的卫星可见性判断方法，具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅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，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。

Claims (10)

1.一种结合地形影响的卫星可见性判断方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，选择观测区域，并确定测站点，利用卫星坐标和测站点的位置坐标计算卫星仰角，判断观测区域的卫星的可见性；
步骤2，引入地形影响，计算地形采样点仰角，与卫星仰角对比分析，再次判断卫星可见性。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1包括：
步骤1-1，将卫星地心空间直角坐标系的坐标归化到以测站为原点的站心坐标系中；
步骤1-2，根据站心坐标差计算卫星仰角和方位角；
步骤1-3，判断观测区域的卫星的可见性。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤1-1包括：
步骤1-1-1，设定P为测站点，大地经度L，大地纬度B，Q为卫星位置，XQ、YQ、ZQ为Q点在地心空间直角坐标系中的三个坐标分量，XP、YP、ZP为P点在地心空间直角坐标系中的三个坐标分量，E、N、U为卫星Q相对于站点P的站心坐标，空间直角坐标和站心坐标的转换关系如下所示：
Figure FDA0002625004710000011
通过转换得到地心空间直角坐标向站心坐标的计算公式：
Figure FDA0002625004710000012
其中：
dX＝XQ-XP
dY＝YQ-YP
dZ＝ZQ-ZP
dX、dY、dZ为P、Q两点在空间直角坐标系下三个坐标分量的差值。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤1-2包括：
通过公式(2)计算出以卫星的站心坐标系坐标(Ei，Ni，Ui)，用如下公式计算卫星仰角和卫星方位角：
Figure FDA0002625004710000021
Figure FDA0002625004710000022
其中Ele为卫星仰角，Azi为卫星方位角。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤1-3包括：设定截止高度角阈值，卫星仰角Ele高于截止高度角阈值的卫星表示为可见，否则为不可见。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤2包括：
步骤2-1，确定测站点，利用卫星坐标和测站点的位置坐标确定观测区域内可见的卫星，计算可见卫星的仰角和卫星方位角；
步骤2-2，根据卫星方位角，在数字高程模型上确定需要的地形采样点；
步骤2-3，根据数字高程模型的行列号等计算地形采样点所对应的经纬度坐标；
步骤2-4，将经纬度坐标转换为地心空间直角坐标；将地心空间直角坐标转换为站心坐标；
步骤2-5，计算地形采样点方位角；
步骤2-6，将地形采样点方位角与卫星方位角对比找出与卫星方向一致的地形采样点；
步骤2-7，计算方向一致的采样点的仰角；
步骤2-8，将步骤2-7得到的方向一致的采样点的仰角与同方向卫星仰角比较确定可见卫星。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤2-1包括：根据公式(3)计算卫星仰角SatEi，按公式(4)计算卫星方位角SatAi，其中i＝1，2，...，m，m为观测区域所有可见卫星数量。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，步骤2-2包括：如果卫星方位角为45°的整数倍，即卫星位于数字高程模型栅格的对角线方向，直接获取由对角线方向所穿过的栅格点坐标为地形采样点坐标，地形采样点的位置用行号、列号和高程表示；如果卫星的方位角不是45°的整数倍，需要获取离测站与卫星连线两侧临近的栅格点作为地形采样点。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，步骤2-3包括：根据如下公式计算指定栅格位置的地理坐标：
geoX＝geoX0+C*xPixel (5)
geoY＝geoY0+R*yPixel (6)
其中，(geoX，geoY)表示指定栅格位置的地理坐标，geoX0，geoY0分别为栅格左上角X坐标和Y坐标，R为栅格所在行号，C为栅格所在列号。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，步骤2-4中，根据如下公式计算出采样点的地心空间直角坐标；
通过地球椭球上任意一点的大地经度L、纬度B和大地高H计算地心空间直角坐标(X，Y，Z)的变换式为：
Figure FDA0002625004710000031
式中N表示地球卯酉圈曲率半径：
Figure FDA0002625004710000032
其中a、e分别为椭球的第一偏心率平方和长半径，此处使用CGCS2000国家大地坐标系参数；
将步骤2-3计算所得大地经度geoX、大地纬度geoY以及对应栅格点大地高H，代入上述公式即能够计算出对应的地心空间直角坐标，再按公式(2)计算出地形采样点的站心坐标；
步骤2-5中，按公式(4)计算出地形采样点的方位角Aj，j＝1、2、3...n，n为所有栅格采样点个数；
步骤2-6中，将卫星到地形采样点的方位角Aj与测站到卫星的方位角SatAi对比，如果两个方位角之差小于1′时认定为方向一致；
步骤2-7中，方向一致的地形采样点坐标代入公式(3)计算出地形采样点的仰角Eu；
步骤2-8中，判断地形采样点的仰角Eu和卫星仰角SatEi的大小，对于测站的一系列地形采样点仰角Eu，求取它们的最大值E_Max，如果满足卫星仰角SatEk＞E_Max，且SatEk大于截止高度角阈值，则判定卫星可见，否则判定为不可见。
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