CN111948675A - 一种地基增强卫星导航系统的伪卫星布设方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种地基增强卫星导航系统的伪卫星布设方法，用以提高地基增强卫星导航系统的服务性能，并节约成本。所述地基增强卫星导航系统的伪卫星布设方法，在分析北斗导航卫星可见性和待布设伪卫星区域内光纤链路的基础上，在可见性低于预设阈值的区域和可用光纤链路区域的重合区域内，对网管中心逐个进行可见性分析、精度因子计算并选择布设点位。本发明依托布设场景，结合北斗导航卫星系统，对覆盖区场景进行深入分析，充分利用有限的伪卫星资源，进行伪卫星系统的搭建，有效地减少了伪卫星数量，节约经费；同时采用光纤时频进行频率传递和时间同步，提高了定位的精度、准确性、稳定性、可靠性，实现系统服务效果的最优化。

Description

一种地基增强卫星导航系统的伪卫星布设方法

技术领域

本发明属于导航领域，具体涉及一种地基增强卫星导航系统的伪卫星布设方法。

背景技术

在卫星导航系统中，遇到特征地形时会影响卫星导航的服务性能，如矿山、隧道等，通常通过在地面增设伪卫星的方式，以提高导航系统的定位精度、可靠性、连续性、完备性和有效性等。增加了伪卫星的卫星导航系统，称为地基增强卫星导航系统(简称伪卫星系统)。在地基增强卫星导航系统中，伪卫星发射的信号类似于导航卫星信号，具有测距的功能，可携带导航电文，布设灵活，功率可调。

伪卫星系统的建设通常具有较强的针对性，伪卫星布站过程中，不同空间地形条件下，实际卫星可见性、伪卫星空间分布、多径效应、远近效应等因素，均会影响到伪卫星系统的服务性能。

现有技术中，在进行伪卫星布设时，通常以精度衰减因子(Dilution ofPrecision,DOP)为目标函数，考评伪卫星可见性，开展最优化设计，对其余各项因素的综合考量不够充分，对覆盖区场景针对性不强。同时，当前伪卫星系统内部各站(伪卫星、数据处理中心等)之间的时间同步通常采用卫星双向时间同步实现，对布设环境、测距精度要求高，且时间同步精度不高，同时在算法上采用遍历的方式进行设计，计算量大，效率低。

发明内容

本发明实施的目的是提高地基增强卫星导航系统的服务性能，为此提出了一种地基增强卫星导航系统的伪卫星布设方法，结合北斗卫星导航系统，对覆盖区场景进行深入分析，综合考虑建站成本难度、光纤时频传递的可行性，优选布设点位，减少伪卫星数量，降低建设成本；同时采用光纤时间同步的方式进行伪卫星间时间同步，提高地基增强卫星导航系统的定位精度、准确性等服务性能。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

本发明实施例提供了一种地基增强卫星导航系统的伪卫星布设方法，基于北斗卫星导航系统，所述布设方法包括如下步骤：

步骤S1，分析待布设伪卫星区域的北斗导航卫星可见性；

步骤S2，在所述北斗导航卫星可见性分析结果中，将可见性低于预设阈值的区域，作为第一待选区域；

步骤S3，分析所述待布设伪卫星区域内光纤链路，划定可用光纤链路区域；

步骤S4，寻找所述伪卫星布设第一待选区域和所述可见光纤链路区域的重合区域，作为第二待选区域；

步骤S5，在所述第二待选区域内，选择网管中心作为初步点位；

步骤S6，对所述初步点位逐个进行伪卫星可见性分析、精度因子计算，并进行伪卫星/北斗卫星导航系统协同模式的可见性、精度因子计算，将满足预定精度因子阈值的初步点位作为布设点位，根据所述布设点位进行伪卫星布设。

优选地，所述北斗导航卫星可见性分析，同时考虑信号传播中的电离层延迟改正量、星历误差项和多路径效应。

优选地，所述卫星可见性通过以下步骤计算：

选定坐标系为地心地固系CGCS2000，在此坐标系下，卫星S的坐标向量为

地面点P的坐标向量为

卫星的星下点为S′；

卫星和地面点之间的距离为：

由下式(2)计算卫星相对于地面观测点的观测角度：

其中，R+R_e为卫星S到地心的距离；R_e为地球半径；α为卫星和地面点到地心的夹角；γ为卫星和地心到地面点的夹角；e为卫星相对观测者的仰角。

优选地，所述光纤链路，用于实现伪卫星、监测站网络间亚纳秒时间传递及时间同步。

优选地，所述精度因子DOP值，是用户等效距离误差UERE到最终定位误差或定时误差的放大系数，包括几何精度因子GDOP、位置精度因子PDOP、水平精度因子HDOP。

优选地，所述精度因子DOP，具体计算过程如下：

在用户的本地坐标系中，设矩阵G为用户到定位星S_i(i＝1,2…k,k≥4)方向余弦矩阵为：

其中，l_i，m_i，n_i分别为用户到定位星S_i的方向余弦；

记矩阵(GTG)-1的主对角线元素为σ_ii(i＝1,2,3,4)，则对零均值等精度的独立观测而言，各DOP值分别为：

本发明具有如下有益效果：

本发明实施例的地基增强卫星导航系统的伪卫星布设方法，结合北斗卫星导航系统，对覆盖区场景进行深入分析，选择布设点位，有效地减少了伪卫星数量，节约成本；同时采用光纤时间同步的方式进行伪卫星站间时间同步，选择布设点位，提高地基增强卫星导航系统定位的精度、准确性、稳定性、可靠性等服务性能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述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他的附图。

图1为本发明实施例基于地基增强卫星导航系统的伪卫星布设方法流程图；

图2为本发明实施例中卫星可见性分析原理图；

图3为本发明实施例中卫星可见性分析示例图。

具体实施方式

下面通过参考示范性实施例，对本发明技术问题、技术方案和优点进行详细阐明。以下所述示范性实施例仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非在这里进行定义，否则不会用理想化或过于正式的含义来解释。

本发明结合现有的北斗卫星导航系统，提出了一种地基增强卫星导航系统的伪卫星布设方法，采用光纤时频同步，综合考虑北斗卫星的可用性、空间分布及伪卫星/北斗卫星导航系统协同模式的可见性、DOP值及增强效果选择布设点位，完成覆盖区内的伪卫星布设，提高地基增强卫星导航系统的服务性能，同时减少卫星数量，节约成本。

下面通过一下具体的实施例对本发明作进一步详细的说明。

图1所示为本实施所述地基增强卫星导航系统的伪卫星布设方法流程图。如图1所示，本实施例的地基增强卫星导航系统的伪卫星布设方法包括如下步骤：

步骤S1，分析待布设伪卫星区域的北斗导航卫星可见性。

卫星可见性是指卫星相对于观测者在可观测区域。

本步骤中的观测者，即为伪卫星布设区域。

图2所示为卫星可见性分析原理图。如图2所示，当卫星相对观测者的仰角高于地平或大于一定仰角后(通常为5°)，卫星便进入了观测域。若设定最低仰角为

相对卫星而言其可见区是以星下点S′为中心，PS′为半径在地球表面的一个凸球面。

卫星可见性可通过以下步骤计算。

选定坐标系为地心地固系CGCS2000，在此坐标系下，卫星S的坐标向量为

地面点P的坐标向量为

卫星的星下点为S′，点位相互关系如图2所示。

则卫星和地面点之间的距离为：

根据几何关系，存在如下等式：

其中，R+R_e为卫星S到地心的距离；R_e为地球半径；ρ为卫星和地面点到地心的夹角；γ为卫星和地心到地面点的夹角；e为卫星相对γ观测者的仰角。

由上式，可计算出卫星相对于地面观测点的观测角度。

伪卫星主要分为地面和机载两种，机载伪卫星的可见性明显优于地面伪卫星，但机载伪卫星运行过程中自身坐标计算不准确，给系统运行控制带来不小的挑战。

本步骤中，以待布设伪卫星区域为基准，同时考虑信号传播中的电离层延迟改正量、星历误差项和多路径效应，分析北斗导航卫星的可见性。

优选地，所述分析北斗导航卫星可见性，采用可见性分析仿真模型，以待布设伪卫星区域的经纬度和卫星位置为输入值，进行分析。图3所示为卫星可见性仿真分析结果。图中颜色越浅的区域，DOP值越小。

步骤S2，在所述北斗导航卫星可见性分析结果中，将可见性低于预设阈值的区域，作为第一待选区域。

步骤S3，分析所述待布设伪卫星区域内光纤链路，划定可用光纤链路区域。

本步骤中的光纤链路，用来基于光纤网络进行伪卫星布设，可实现伪卫星、监测站网络间亚纳秒时间同步，有效提高伪卫星定位精度。

步骤S4，寻找所述伪卫星布设第一待选区域和所述可见光纤链路区域的重合区域，作为第二待选区域。

步骤S5，在所述第二待选区域内，选择网管中心作为初步点位。

步骤S6，对所述初步点位逐个进行伪卫星可见性分析、精度因子计算，并进一步进行伪卫星/北斗卫星导航系统协同模式的可见性、精度因子计算，将满足预定精度因子阈值的初步点位作为布设点位，根据所述布设点位进行伪卫星布设。

本步骤中，当不满足预定精度因子阈值时，则不在网管中心布设伪卫星，从而减少伪卫星的布设数量，节约成本。

本步骤中伪卫星的可见性分析，采用交会法，用户接收来自多个伪卫星的观测信息构造观测方程，实现位置解算。采用CDMA模式进行交会法定位的过程中，用户定位误差可表示为用户测距误差和精度衰减因子的乘积(ERROR＝ URE×DOP)，而用户测距误差(URE)与信号体制、误差修正模型等因素息息相关，但精度衰减因子(简称：精度因子，DOP)则仅与参与定位解算的卫星在空中的分布相关，参与解算的伪卫星在水平和垂直方向的空间分布，决定了定位结果的精度，实现伪卫星可见性和空间分布的最优化，有助于用户获得可靠、高精度的定位结果。

本步骤中，所述精度因子DOP值，是用户等效距离误差UERE到最终定位误差或定时误差的放大系数，包括几何精度因子GDOP、位置精度因子PDOP、水平精度因子HDOP，具体的计算方法如下：

在用户的本地坐标系(东北天)中，设矩阵G为用户到定位星Si(i＝1,2…k,k≥4)方向余弦矩阵，

即：

其中，l_i，m_i，n_i分别为用户到定位星S_i的方向余弦。记矩阵(GTG)-1的主对角线元素为σ_ii(i＝1,2,3,4)，则对零均值等精度的独立观测而言，各DOP值分别为：

首先给定3颗伪卫星的点位，根据伪卫星个数，将伪卫星网络覆盖范围进行网格划分，增加一颗伪卫星，遍历网格点计算DOP值，根据DOP改善程度择优选择当前伪卫星的布设点位，再增加伪卫星。

由以上可以看出，本实施例地基增强卫星导航系统的伪卫星布设方法，依托布设场景，结合北斗导航卫星系统，对覆盖区场景进行深入分析，针对性强，充分利用有限的伪卫星资源，进行伪卫星系统的搭建，有效地减少了伪卫星数量，节约经费；同时采用光纤时频传递系统在各站之间进行频率传递和时间同步，提高地基增强卫星导航系统定位的精度、准确性、稳定性、可靠性，实现系统服务效果的最优化。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，本发明并不受限于以上所公开的示范性实施例，说明书的实质仅仅是帮助相关领域技术人员综合理解本发明的具体细节。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，在本发明揭露的技术范围做出的若干改进和润饰、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。

Claims (6)

1.一种地基增强卫星导航系统的伪卫星布设方法，基于北斗卫星导航系统，其特征在于，所述布设方法包括如下步骤：

步骤S1，分析待布设伪卫星区域的北斗导航卫星可见性；

步骤S2，在所述北斗导航卫星可见性分析结果中，将可见性低于预设阈值的区域，作为第一待选区域；

步骤S3，分析所述待布设伪卫星区域内光纤链路，划定可用光纤链路区域；

步骤S4，寻找所述伪卫星布设第一待选区域和所述可见光纤链路区域的重合区域，作为第二待选区域；

步骤S5，在所述第二待选区域内，选择网管中心作为初步点位；

步骤S6，对所述初步点位逐个进行伪卫星可见性分析、精度因子计算，并进行伪卫星/北斗卫星导航系统协同模式的可见性、精度因子计算，将满足预定精度因子阈值的初步点位作为布设点位，根据所述布设点位进行伪卫星布设。

2.根据权利要求1所述的地基增强卫星导航系统的伪卫星布设方法，其特征在于，所述北斗导航卫星可见性分析，同时考虑信号传播中的电离层延迟改正量、星历误差项和多路径效应。

3.根据权利要求2所述的地基增强卫星导航系统的伪卫星布设方法，其特征在于，所述卫星可见性通过以下步骤计算：

选定坐标系为地心地固系CGCS2000，在此坐标系下，卫星S的坐标向量为

地面点P的坐标向量为

卫星的星下点为S′；

卫星和地面点之间的距离为：

由下式(2)计算卫星相对于地面观测点的观测角度：

其中，R+R_e为卫星S到地心的距离；R_e为地球半径；α为卫星和地面点到地心的夹角；γ为卫星和地心到地面点的夹角；e为卫星相对观测者的仰角。

4.根据权利要求1所述的地基增强卫星导航系统的伪卫星布设方法，其特征在于，所述光纤链路，用于实现伪卫星、监测站网络间亚纳秒时间传递及时间同步。

5.根据权利要求1所述的地基增强卫星导航系统的伪卫星布设方法，其特征在于，所述精度因子DOP值，是用户等效距离误差UERE到最终定位误差或定时误差的放大系数，包括几何精度因子GDOP、位置精度因子PDOP、水平精度因子HDOP。

6.根据权利要求5所述的地基增强卫星导航系统的伪卫星布设方法，其特征在于，所述精度因子DOP，具体计算过程如下：

在用户的本地坐标系中，设矩阵G为用户到定位星S_i(i＝1,2…k,k≥4)方向余弦矩阵为：

其中，l_i，m_i，n_i分别为用户到定位星S_i的方向余弦；

记矩阵(GTG)-1的主对角线元素为σ_ii(i＝1,2,3,4)，则对零均值等精度的独立观测而言，各DOP值分别为：

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