CN115685266B - 基于全球网格的gps信号分量调整中心点确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于全球网格的GPS信号分量调整中心点确定方法，该方法主要是根据IGS或iGMAS跟踪站数据，得出GPS卫星信号载噪比变化情况，统计载噪比增高和降低的操作时刻，利用卫星星历计算卫星位置，再将全球划分为若干个网格点，计算网格点对该卫星的仰角，通过统计的方法确定GPS系统所选择的中心点。对于利用中心点规划卫星信号分量调整的模式，实施本方法可以找到相应的中心点。本发明首次涉及GPS系统信号分量调整所选中心点的确定方法，利用公开的数据，通过简单的统计计算即可确定出中心点；研究结果有助于增进对GPS系统信号调整时机、任务规划能力的了解。

Description

基于全球网格的GPS信号分量调整中心点确定方法

技术领域

本发明涉及卫星导航领域，特别是一种基于全球网格的GPS信号分量调整中心点确定方法。

背景技术

GPS系统能为各类用户提供高精度定位、授时以及测速服务，但由于GPS卫星与地面距离远，下行信号落地功率低，如果接收机附近的电磁环境复杂，则可能导致用户接收信号失锁。GPS现代化计划提出后，GPS IIR-M、GPS IIF以及GPS III卫星都具备星上信号分量的调整能力，能够根据需要调整卫星下播的信号分量，调整过程中可以将一部分信号的能量分配给指定的信号，由于指定信号分量获得了更大的能量，其落地信号的功率也将增高。通过信号分量调整的方式能够使GPS指定信号的下行功率增大，抵消一部分电磁环境的不利影响。例如，为减小地面对GPS下行信号的压制式干扰，2018年GPS系统曾通过调整不同信号能量配比的方式使P(Y)码落地信号功率得到增高。

中国发明专利CN201810922419.0一种卫星导航信号高精度时域性能评估方法，采集卫星导航信号，对卫星导航信号包含的N个信号分量进行数据预处理；根据预处理结果将导航信号转换为基带信号，获取需要恢复的第n个信号分量的基带波形；将恢复的基带波形与理想基带波形对比，获取卫星导航信号第n个信号分量的基带波形下降沿抖动的均值和标准差，与预设指标值对比，评估基带波形时域性能。

中国发明专利CN201980007696.1一种基于扩频码时移位置调制的卫星通信导航信号生成方法，包括：生成导频信号分量扩频码和数据信号分量扩频码(110)；根据导频信号分量扩频码，调制生成导频分量扩频调制信号S_pilot(t)(120)；根据数据信号分量扩频码，采用扩频码时移为止调制的方式对二进制的电文或数据信息进行调制，生成数据分量扩频调制信号S_data(t)(130)；采用中心频率为f_c、相位不相同的载波，将导频分量扩频调制信号S_pilot(t)和数据分量扩频调制信号S_data(t)调制到射频，得到两路射频分量信号，再将两路射频信号分量叠加，得到射频调制信号S_RF(t)(140)。

GPS卫星调整信号分量其中一种模式是选取中心点，以中心点对卫星的仰角变化规划信号能量分配的时机。确定GPS系统规划信号分量调整所选择的中心点，可增进对GPS系统信号调整时机、任务规划能力的了解。

发明内容

本发明需要解决的技术问题是提供一种基于全球网格的GPS信号分量调整中心点确定方法。

为解决上述技术问题，本发明包括一种基于全球网格的GPS信号分量调整中心点确定方法，包括以下步骤：

S1：GPS卫星信号载噪比操作时刻确定，通过分布在全球各地的跟踪站确定GPS卫星载噪比增高和降低的操作时刻；

S2：载噪比操作时刻的卫星位置计算，根据星历计算卫星载噪比操作时刻的卫星位置；

S3：计算网格点对操作卫星的仰角，将全球划分为若干网格，每个网格的经度、纬度分别记为i°、j°，求出位于(i°,j°)的网格点对操作卫星的仰角α(i,j,k)，

其中，i＝-180,-179,…0,…179，j＝-90,-89,…0,…89,k＝1,2,…,N，N为信号分量调整操作的卫星编号；

S4：临界角设置，设置不同的临界角β_m(m＝1,2,…,15)，临界角从0°开始，每次步进1°直至15°；

S5：操作卫星数量统计，统计全球不同网格点在不同临界角观测到的操作卫星数；

S6：找出观测到操作卫星数最多的网格点(i_M°,j_M°)和临界角β_M；

S7：仰角极值差判断，如果对所有的k＝1,2,…,N，α(i_M,j_M,k)极差值小于阈值，则认为只有一个中心点，否则，剔除已找到中心点的卫星，再次重复步骤S3-S7继续寻找其他中心点；

S8：确定更加精确的经纬度和临界角，找到中心点后，以中心点为原点，东西、南北拓展范围选择10-30°，划分网格精度选择0.1-0.3°，重复步骤S3～S7一次，以找到更加精确的经纬度和临界角。

优选的，步骤S2中所述星历采用卫星广播星历或者精密星历。

优选的，步骤S7中所述阈值不大于3°。

优选的，所述步骤S8中，以中心点为原点，东西、南北拓展范围选择20°，以0.2°间隔划分网格。

优选的，所述步骤S3中，以1°间隔将全球划分为360×180个网格，高程设置为0。

采用上述方法后，本发明具有以下优点：

(1)本发明首次涉及GPS系统信号分量调整所选中心点的确定方法，利用公开的数据，通过简单的统计计算即可确定出中心点；

(2)研究结果有助于增进对GPS系统信号调整时机、任务规划能力的了解。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明中心点确定方法示意图；

图2为本发明中心点确定方法流程图。

具体实施方式

图1为中心点确定方法的示意图，假设中心点对1号星和2号星仰角为3°时调整卫星信号分量，此时两颗卫星的位置如图1所示，曲线C1上任意一点对1号星仰角均为3°，曲线C2上任意一点对2号星仰角均为3°，两条曲线的交点为A点和B点，这两个点均可能是中心点。实际应用时，由于被操作的卫星数量较多，每一颗卫星都会在地球表面形成一条曲线，所有曲线将交汇在若干个交点，交点最为集中的点即可认为是中心点。

图2为基于全球网格的GPS信号分量调整中心点确定方法的流程图，图1所示的是在地球上画出一个个圆再找交点，图2所示的则是在地球上划分不同的网格、再找出全球观测操作卫星数最大的位置，二者实质是一致的。以载噪比增高所对应的中心点为例，结合附图对本方法各步骤说明如下：

步骤S1，分布在全球各地的跟踪站能够观测到不同卫星信号的载噪比，通过载噪比的瞬时变化可以确定卫星信号载噪比增高(以下记作“操作”)的时刻，由多个跟踪站数据确定出一颗卫星的操作时刻，按此方法统计出所有卫星的操作时刻。

步骤S2，在IGS网站可以下载广播星历或精密星历，利用星历能够计算出步骤1中操作时刻的卫星位置。利用广播星历计算GPS卫星位置见《GPS测量与数据处理(第三版)》75-78页，利用精密星历计算GPS卫星位置见《GPS测量与数据处理(第三版)》78页。

步骤S3，以1°间隔将全球划分为360×180个网格，高程设置为0，每个网格点的经度、纬度分别记为i°、j°，其中，i＝-180,-179,…0,…179，j＝-90,-89,…0,…89，依次将操作卫星编号为1,2,…,N。由于经过仿真分析，几公里的高程变化对于中心点确定的精度影响不大，为简化方法步骤，提高中心点确定效率，因此将高程设置为0。地面观测点对卫星仰角计算方法见《GPS原理与接收机设计(第二版)》48-49页。

步骤S4，设置临界角β_m，临界角从0°开始，每次步进1°直至15°。临界角最大值设置为15°，主要是考虑到，从实用性考虑，转换时机一般设置为比较小的临界角，实际应用中15°可根据实际情况有所变更。信号分量调整所选择的临界角并不唯一，0～15°只是覆盖了临界角度可能的范围；例如，如果临界角度选择的是3°，那么，利用本方法时只要搜索的最大角度大于3°即可；再例如，如果临界角选择的是18°，则利用本方法0～15°范围去搜索，就得不到正确的临界角，此时就需要增大搜索范围。因此，15°只是以往应用本方法时得出的一个经验值。

步骤S5，当步骤3中的α(i,j,k)与步骤4中的β_m差值在一定阈值th以内时(如th＝1°)，则认为(i°,j°)网格点观察到卫星k在临界角β_m时进行了1次信号分量调整操作，记作观测到操作卫星数1颗，阈值th设置为1°主要是考虑到卫星执行信号分量调整指令可能出现延迟，导致不同卫星载噪比增高对应的仰角有细微差异，阈值th也并不仅限于1°。统计出(i°,j°)网格点在临界角β_m时观察到的操作卫星数T(m,i,j)。利用问号表达式描述T(m,i,j)计算方法，从1到N遍历每颗卫星，如果α(i,j,k)与β_m差值小于阈值th，则T(m,i,j)加1，否则T(m,i,j)不增加计数。

步骤S6，对于每个临界角β_m(β_m＝0°,1°,…,15°)，分别求出步骤5中T(m,i,j)的最大值T₀(m)

使T₀(m)达到最大的临界角记作β_M，即β_M满足

相应的经纬度分别为i_M、j_M，此时(i_M°,j_M°)网格点在临界角β_M时观察到的操作卫星数为T(M,i_M,j_M)。如果有多个集中在同一区域的多个点，可对经纬度取中值，例如，记能使观测操作卫星数最大的邻近的网格点数量为p，记q₁,q₂,…q_p为前述p个网格点的经度值，记w₁,w₂,…w_p为前述p个网格点的纬度值，则中心点经度值为

中心点纬度值为

步骤S7，如果对所有的k＝1,2,…,N，α(i_M,j_M,k)极差值小于3°，则认为只有一个中心点，中心点坐标为(i_M°,j_M°)，临界角为β_M，否则，剔除已找到中心点的卫星，再次重复步骤3～步骤7继续寻找其他中心点。极差值阈值设为3°的原因是规划信号分量调整时对同一中心点可能设置多个数值相近的临界角，同时考虑到卫星执行指令可能存在延迟，极差值在一定范围内即可认为中心点只有一个，阈值并不仅限于3°。

步骤S8，找到中心点后，以中心点为原点，向东、西、南、北各拓展20°，以0.2°间隔划分网格，重复步骤3～步骤7一次，找到更加精确的经纬度和临界角。通过更细小的网格点确定中心点，能够进一步确定出中心点精确的位置和临界角，网格范围、大小可结合实际进行调整。步骤S3～S7只需要重复1次，图2中“重新划分网格，精细寻找中心点和临界角”即是代表此步骤。重复一次步骤S3～S7的目的是使寻找到的中心点经纬度精度更高。实际上，进行到S7步骤，找到的中心点经纬度精度为1°，进行到S8(即重复一次S3～S7后)，找到的中心点经纬度精度为0.2°

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域熟练技术人员应当理解，这些仅是举例说明，可以对本实施方式作出多种变更或修改，而不背离本发明的原理和实质，本发明的保护范围仅由所附权利要求书限定。

Claims (5)

1.一种基于全球网格的GPS信号分量调整中心点确定方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：GPS卫星信号载噪比操作时刻确定，通过分布在全球各地的跟踪站确定GPS卫星载噪比增高和降低的操作时刻；

S2：载噪比操作时刻的卫星位置计算，根据星历计算卫星载噪比操作时刻的卫星位置；

S3：计算网格点对操作卫星的仰角，将全球划分为若干网格，每个网格的经度、纬度分别记为i°、j°，求出位于(i°,j°)的网格点对操作卫星的仰角α(i,j,k)，

其中，i＝-180,-179,...0,...179，j＝-90,-89,...0,...89,k＝1,2,…,N，N为信号分量调整操作的卫星编号；

S4：临界角设置，设置不同的临界角β_m(m＝1,2,…,15)，临界角从0°开始，每次步进1°直至15°；

S5：操作卫星数量统计，统计全球不同网格点在不同临界角观测到的操作卫星数；

S6：找出观测到操作卫星数最多的网格点(i_M°,j_M°)和临界角β_M；

S7：仰角极值差判断，如果对所有的k＝1,2,…,N，α(i_M,j_M,k)极差值小于阈值，则认为只有一个中心点，否则，剔除已找到中心点的卫星，再次重复步骤S3-S7继续寻找其他中心点；

S8：确定更加精确的经纬度和临界角，找到中心点后，以中心点为原点，东西、南北拓展范围选择10-30°，划分网格精度选择0.1-0.3°，重复步骤S3～S7一次，以找到更加精确的经纬度和临界角。

2.根据权利要求1所述的基于全球网格的GPS信号分量调整中心点确定方法，其特征在于：步骤S2中所述星历采用卫星广播星历或者精密星历。

3.根据权利要求1所述的基于全球网格的GPS信号分量调整中心点确定方法，其特征在于：步骤S7中所述阈值不大于3°。

4.根据权利要求1所述的基于全球网格的GPS信号分量调整中心点确定方法，其特征在于：所述步骤S8中，以中心点为原点，东西、南北拓展范围选择20°，以0.2°间隔划分网格。

5.根据权利要求1所述的基于全球网格的GPS信号分量调整中心点确定方法，其特征在于：所述步骤S3中，以1°间隔将全球划分为360×180个网格，高程设置为0。

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