CN112596077A - 一种针对终端载体为低轨卫星的卫星导航信号仿真方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种针对终端载体为低轨卫星的导航信号仿真方法，该方法在传统卫星信号仿真的基础上，考虑低轨卫星处于电离层中间，导航信号未完全穿越电离层的特点，对传统的电离层模型做相应改进，乘以与低轨卫星高度相关的比例因子,得到适应于低轨的电离层模型。另外，由于电离层模型无法完全表征真实的电离层状态，通常仅能修正真实时延60％～70％，所以在计算伪距叠加电离层误差时乘以系数1.3，以达到更贴近实际的状态。在生成导航电文时，直接采用设置电离层参数。通过以上方法，实现了对低轨卫星所接收的卫星导航信号的仿真模拟，为低轨卫星所搭载的GNSS接收机及相关系统提供了测试工具。

Description

一种针对终端载体为低轨卫星的卫星导航信号仿真方法
技术领域
本发明属于卫星导航领域，涉及一种针对终端载体为低轨卫星的卫星导航信号仿真方法。
背景技术
全球卫星导航定位系统具有全球、全天候、连续和高精度的特点。目前广泛应用于陆地、海洋、航空航天等领域。低轨卫星(low earth orbit，LEO)由于轨道高度低，一般在200～1000km之间，具备传输延时短、路径损耗小的特点，多应用于军事探测和移动通信领域。
通常离地面约70～1000km的大气层被称为电离层。当电磁波穿过充满电子的电离层时，它的传播速度和方向会发生变化，由此造成卫星导航测量中的电离层时延误差。在导航信号仿真过程中，需考虑电离层时延误差仿真。目前常用的电离层仿真有两种，一是采用外部实际电离层格网点数据，进行插值获得所需位置的电离层时延，同时通过海量的电离层格网点数据反演导航电文中电离层参数；另一种是采用全球卫星导航系统接口控制文件中公开的电离层模型(GPS为GPSKlob模型、BD2为BDSKlob模型、BD3为BDGIM模型)，设置电离层模型参数，根据模型计算得到电离层时延，导航电文中直接播发所设置的电离层参数。第一种方法的优点是准确，缺点是依赖外部数据且计算量过大；第二种方法优点是计算简便，缺点是当载体是低轨卫星时，描述电离层时延不正确。
电离层薄层假说是将电离层自由电子集中在某一指定高度无限薄的球面上，在该球面上对电离层自由电子的水平分布进行建模。对于完全穿越电离层的信号，采用基于电离层薄层假说的电离层模型，可有效建模模拟电离层延迟；对于处于70～1000km中的，未完全穿越整个电离层的情况，基于电离层薄层假说的电离层模型就不适用。GPSKlob、BDSKlob、BDGIM模型均是基于电离层薄层假说，低轨卫星位置处于电离层中间，卫星导航信号不会完全穿越电离层。所以GPSKlob、BDSKlob、BDGIM模型不适用于对载体是低轨卫星的电离层仿真。
发明内容
本发明的目的在于：克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种针对终端载体为低轨卫星的卫星导航信号仿真方法。该方法在现有的卫星导航信号仿真基础上，针对低轨卫星处于电离层中间的特点，对电离层模型进行适应性修正，实现了对低轨卫星所接收的卫星导航信号的仿真模拟，为低轨卫星所搭载的GNSS接收机及相关系统提供了测试工具。
本发明采用的技术方案为：
一种针对终端载体为低轨卫星的卫星导航信号仿真方法，包含如下步骤：
步骤1，设置仿真环境，包括仿真时刻、星历、钟差、电离层参数、低轨卫星载体轨道点位文件；
步骤2，仿真低轨卫星载体信息；
步骤3，仿真导航星信息，计算出导航星的卫星位置；
步骤4，仿真空间环境效应；
步骤5，仿真观测数据；
步骤6，根据仿真时刻、星历、钟差、电离层参数生成符合接口文件的导航电文。
进一步的，所述低轨卫星载体轨道点位文件中包括低轨卫星的位置、速度、加速度、加加速度信息。
进一步的，在步骤2中，根据设定的低轨卫星载体轨道点位文件和仿真时刻，获取低轨卫星载体在ECEF坐标系的位置。
进一步的，在步骤3中，根据设定的星历和仿真时刻，计算出导航星的卫星位置，具体为：
步骤3.1，设置导航星的伪距的初值为0.07s；
步骤3.2，计算信号发射时间tranTs，
tranTs＝t-pr，
式中，t为仿真时刻，pr为伪距；
步骤3.3，计算时钟误差clkErr，时钟误差为卫星钟差和相对论误差之和；
步骤3.4，计算信号发射时间tranTsys，
tranTsys＝tranTs-clkErr；
步骤3.5，根据信号发射时间tranTsys和星历参数计算导航星的位置；
步骤3.6，根据地球自转效应修正导航星位置。
进一步的，所述步骤4仿真空间环境效应包含如下步骤：
步骤4.1，电离层效应仿真，计算电离层延迟delayiono；
步骤4.2，对流层效应仿真，计算对流层延迟delaytrop。
进一步的，计算电离层延迟delayiono具体为：
步骤4.1.1，根据低轨卫星所在高度，计算比例因子
Figure BDA0002750371920000031
其中，λIP,
Figure BDA0002750371920000032
hIP分别为低轨卫星的经度、纬度和高度；h0为假定的薄层电离层高度，选为420km；H为标高，选为100km；zIP＝(hIP-h0)/H，TEC表示电离层浓度；
步骤4.1.2，根据导航星座和设置的电离层参数值，仿真对应接口控制文件中的电离层模型，得到完全穿越电离层的电离层延迟delayiono_all；
步骤4.1.3，低轨载体对应的电离层延迟delayiono＝α*delayiono_all。
进一步的，计算对流层延迟delaytrop，具体为：
对流层延迟
Figure BDA0002750371920000033
Figure BDA0002750371920000041
式中：P0、Tk0、e00分别表示地面上高度为零处的大气总压力、热力学温度、水汽分压；θ为导航星相对低轨卫星载体的高度角；freq为载波频率；Hd是以海平面为基准的对流层干分量的上限，Hd＝40136+148.72*(Tk-273.16)；Tk是以开尔文为单位的热力学温度；Hw是对流层湿分量的上限，取11km。
进一步的，步骤5仿真观测数据包含如下步骤：
步骤5.1，根据地球自转效应修正导航星位置，并计算导航星到低轨卫星载体的真距tr；
步骤5.2，计算伪距：pr＝tr+1.3*delayiono+delaytrop-clkErr；
步骤5.3，重复步骤3～步骤5，直到两次算出的伪距差值小于迭代误差1.0e-12；
步骤5.4，计算观测数据，包括载波相位和多普勒。
进一步的，步骤6中生成导航电文时，使用的电离层参数为步骤1所设置的参数；
本发明与现有技术相比的有益效果：
(1)本发明针对低轨卫星处于电离层中间，导航信号未完全穿越电离层的特点，在接口文件中公开的电离层模型基础上，乘以与低轨卫星高度相关的比例因子，得到适应于低轨的电离层模型。
(2)本发明在计算伪距时，将电离层模型计算得到的电离层时延乘以系数1.3，更加真实表征的电离层状态，同时避免了导航信号仿真端与载体接收机端采用相同电离层模型，电离层时延完全消除，不符合实际在轨状态的情况。
(3)本发明的电离层时延仿真算法，只对接口文件中公开的电离层模型乘以比例因子，计算简单，方便实现，同时，所采用的电离层参数没有改变，可在电文生成时直接使用设置的电离层参数，避免了反演导航电文中电离层参数的复杂算法。
(4)本发明提供一种针对终端载体为低轨卫星的导航信号仿真方法，该方法在传统卫星信号仿真的基础上，考虑低轨卫星处于电离层中间，导航信号未完全穿越电离层的特点，对传统的电离层模型做相应改进，乘以与低轨卫星高度相关的比例因子,得到适应于低轨的电离层模型。另外，由于电离层模型无法完全表征真实的电离层状态，通常仅能修正真实时延60％～70％，所以在计算伪距叠加电离层误差时乘以系数1.3，以达到更贴近实际的状态。在生成导航电文时，直接采用设置电离层参数。通过以上方法，实现了对低轨卫星所接收的卫星导航信号的仿真模拟，为低轨卫星所搭载的GNSS接收机及相关系统提供了测试工具，具有一定创新性。
附图说明
图1为本发明的针对于终端载体为低轨卫星的卫星导航信号仿真方法的流程框图；
图2为导航星仿真流程图；
图3为电离层时延仿真流程图；
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，本发明的针对终端载体为低轨卫星的卫星导航信号仿真方法，具体步骤如下：
(1)设置仿真环境，包括仿真时刻、星历、钟差、电离层参数、低轨卫星载体轨道点位文件，所述低轨卫星载体轨道点位文件中包括低轨卫星的位置、速度、加速度、加加速度信息。
(2)根据设定的低轨卫星载体轨道点位文件和仿真时刻t，生成低轨卫星载体在ECEF坐标系的位置(Xu,Yu,Zu)。
(3)根据设定的导航星座的广播星历参数(即星历)和仿真时刻t计算出信号发射时刻，导航星的卫星位置为(Xs,Ys,Zs)，具体步骤如图2所示。
3.1设置导航星的伪距pr的初值为0.07s。
3.2计算信号发射时间(卫星时)tranTs＝t-pr；其中pr为伪距，单位s；t为仿真时刻，单位s。
3.3计算时钟误差clkErr，时钟误差由卫星钟差和相对论误差组成，时钟误差为卫星钟差和相对论误差之和。
3.4计算信号发射时间(系统时)tranTsys＝tranTs-clkErr。
3.5根据信号发射时间(系统时)tranTsys和广播星历参数计算导航星的位置。
3.6根据地球自转效应修正导航星位置。
(4)空间环境效应仿真：
空间环境效应仿真包括电离层效应仿真以及对流层效应仿真。
4.1进行电离层效应仿真，计算电离层延迟delayiono，如图3所示。
4.1.1根据低轨卫星所在高度，计算比例因子
Figure BDA0002750371920000061
其中，λIP,
Figure BDA0002750371920000062
hIP分别为低轨卫星的经度、纬度和高度；h0为假定的薄层电离层高度，选为420km；H为标高，通常选为100km；zIP＝(hIP-h0)/H。TEC表示电离层浓度。
4.1.2根据导航星座和设置的电离层参数值，仿真对应接口控制文件中的电离层模型(GPSKlob、BDSKlob、BDGIM模型)，得到完全穿越电离层的电离层迟delayiono_all。
4.1.3低轨载体对应的电离层延迟delayiono＝α*delayiono_all
4.2对流层效应仿真，对流层延迟delaytrop；
对流层延迟
Figure BDA0002750371920000071
式中：P0、Tk0、e00分别表示地面上高度为零处的大气总压力、热力学温度、水汽分压；θ为导航星相对低轨卫星载体的高度角；freq为载波频率；Hd是以海平面为基准的对流层干分量的上限，Hd＝40136+148.72*(Tk-273.16)；Tk是以开尔文为单位的热力学温度；Hw是对流层湿分量的上限，取11km。
(5)生成观测数据
步骤5.1根据地球自转效应修正导航星位置，并计算导航星到低轨卫星载体的真距tr
步骤5.2，修正电离层/对流误差和钟差，计算伪距，由于电离层模型无法完全表征真实的电离层状态，通常能修正真实时延60％～70％，所以叠加电离层误差时乘以系数1.3，以达到更贴近实际的状态。伪距计算公式如下：
伪距：pr＝tr+1.3*delayiono+delaytrop-clkErr
步骤5.3重复步骤3～5，直到两次算出的伪距差值小于迭代误差1.0e-12。
步骤5.4计算载波相位、多普勒等其他观测数据。
(6)根据仿真时间、星历、钟差、电离层参数生成符合接口文件的导航电文。从而完成导航信号的仿真，该导航信号包括导航电文和观测数据两方面。
本发明一种针对终端载体为低轨卫星的导航信号仿真方法，该方法在传统卫星信号仿真的基础上，考虑低轨卫星处于电离层中间，导航信号未完全穿越电离层的特点，对传统的电离层模型做相应改进，乘以与低轨卫星高度相关的比例因子,得到适应于低轨的电离层模型。另外，由于电离层模型无法完全表征真实的电离层状态，通常仅能修正真实时延60％～70％，所以在计算伪距叠加电离层误差时乘以系数1.3，以达到更贴近实际的状态。在生成导航电文时，直接采用设置电离层参数。通过以上方法，实现了对低轨卫星所接收的卫星导航信号的仿真模拟，为低轨卫星所搭载的GNSS接收机及相关系统提供了测试工具。
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 (9)

1.一种针对终端载体为低轨卫星的卫星导航信号仿真方法，其特征在于，包含如下步骤：
步骤1，设置仿真环境，包括仿真时刻、星历、钟差、电离层参数、低轨卫星载体轨道点位文件；
步骤2，仿真低轨卫星载体信息；
步骤3，仿真导航星信息，计算出导航星的卫星位置；
步骤4，仿真空间环境效应；
步骤5，仿真观测数据；
步骤6，根据仿真时刻、星历、钟差、电离层参数生成符合接口文件的导航电文。
2.根据权利要求1所述的针对终端载体为低轨卫星的卫星导航信号仿真方法，其特征在于：所述低轨卫星载体轨道点位文件中包括低轨卫星的位置、速度、加速度、加加速度信息。
3.根据权利要求1所述的针对终端载体为低轨卫星的卫星导航信号仿真方法，其特征在于：在步骤2中，根据设定的低轨卫星载体轨道点位文件和仿真时刻，获取低轨卫星载体在ECEF坐标系的位置。
4.根据权利要求1所述的针对终端载体为低轨卫星的卫星导航信号仿真方法，其特征在于：在步骤3中，根据设定的星历和仿真时刻，计算出导航星的卫星位置，具体为：
步骤3.1，设置导航星的伪距的初值；
步骤3.2，计算信号发射时间tranTs，
tranTs＝t-pr，
式中，t为仿真时刻，pr为伪距；
步骤3.3，计算时钟误差clkErr，时钟误差为卫星钟差和相对论误差之和；
步骤3.4，计算信号发射时间tranTsys，
tranTsys＝tranTs-clkErr；
步骤3.5，根据信号发射时间tranTsys和星历参数计算导航星的位置；
步骤3.6，根据地球自转效应修正导航星位置。
5.根据权利要求4所述的针对终端载体为低轨卫星的卫星导航信号仿真方法，其特征在于：所述步骤4仿真空间环境效应包含如下步骤：
步骤4.1，电离层效应仿真，计算电离层延迟delayiono；
步骤4.2，对流层效应仿真，计算对流层延迟delaytrop。
6.根据权利要求5所述的针对终端载体为低轨卫星的卫星导航信号仿真方法，其特征在于：计算电离层延迟delayiono具体为：
步骤4.1.1，根据低轨卫星所在高度，计算比例因子
Figure FDA0002750371910000021
其中，λIP，
Figure FDA0002750371910000022
hIP分别为低轨卫星的经度、纬度和高度；h0为假定的薄层电离层高度；H为标高；zIP＝(hIP-h0)/H，TEC表示电离层浓度；
步骤4.1.2，根据导航星座和设置的电离层参数值，仿真对应接口控制文件中的电离层模型，得到完全穿越电离层的电离层延迟delayiono_all；
步骤4.1.3，低轨载体对应的电离层延迟delayiono＝α*delayiono_all。
7.根据权利要求5所述的针对终端载体为低轨卫星的卫星导航信号仿真方法，其特征在于：计算对流层延迟delaytrop，具体为：
对流层延迟
Figure FDA0002750371910000023
Figure FDA0002750371910000024
式中：P0、Tk0、e00分别表示地面上高度为零处的大气总压力、热力学温度、水汽分压；θ为导航星相对低轨卫星载体的高度角；freq为载波频率；Hd是以海平面为基准的对流层干分量的上限，Hd＝40136+148.72*(Tk-273.16)；Tk是以开尔文为单位的热力学温度；Hw是对流层湿分量的上限。
8.根据权利要求5所述的针对终端载体为低轨卫星的卫星导航信号仿真方法，其特征在于：步骤5仿真观测数据包含如下步骤：
步骤5.1，根据地球自转效应修正导航星位置，并计算导航星到低轨卫星载体的真距tr；
步骤5.2，计算伪距：pr＝tr+1.3*delayiono+delaytrop-clkErr；
步骤5.3，重复步骤3～步骤5，直到两次算出的伪距差值小于迭代误差1.0e-12；
步骤5.4，计算观测数据，包括载波相位和多普勒。
9.根据权利要求1所述的针对终端载体为低轨卫星的卫星导航信号仿真方法，其特征在于：步骤6中生成导航电文时，使用的电离层参数为步骤1所设置的参数。
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