CN115902967A - 基于低轨导航增强卫星信号的导航定位方法、系统及飞行平台 - Google Patents

基于低轨导航增强卫星信号的导航定位方法、系统及飞行平台 Download PDF

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CN115902967A CN202211298056.0A CN202211298056A CN115902967A CN 115902967 A CN115902967 A CN 115902967A CN 202211298056 A CN202211298056 A CN 202211298056A CN 115902967 A CN115902967 A CN 115902967A
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Abstract

本发明公开了一种基于低轨导航增强卫星信号的导航定位方法、系统及飞行平台。导航定位方法利用惯导辅助信息，获取用户接收机的概率位置速度，利用卫星星历信息获取低轨导航增强卫星的位置、速度、钟差以及传播路径延迟校正量，以预测用户接收机的概率码相位，缩减用户接收机的码相位搜索范围提升信号捕获速度。在完成信号捕获后，收集到4颗低轨卫星的真实捕获码相位与预估概率码相位的相位差值，直接利用相位差值修正预估用户接收机位置，计算用户接收机准确位置，直接利用预估多普勒与跟踪多普勒的频率差值，计算用户接收机准确速度。本发明可快速提供用户接收机位置速度，实现低轨导航增强卫星信号的快速接收定位。

Description

基于低轨导航增强卫星信号的导航定位方法、系统及飞行平台
技术领域
本发明涉及卫星定位技术领域，尤其涉及一种基于低轨导航增强卫星信号的导航定位方法、系统及飞行平台。
背景技术
卫星导航接收机广泛应用于航空航天等高科技领域中。卫星导航接收机由天线和导航处理机组成，天线一般放置在用户载体表面观测条件较好的位置，接收来自于天顶方向的导航信号，导航处理机接收来自于天线的射频信号，将射频信号放大滤波下变频处理后，由基带处理部分完成信号处理和导航解算，计算出位置速度。
低轨导航增强卫星是北斗系统的重要组成部分，与传统的中高轨导航卫星相比，具有视距方向变化快，在RTK技术或PPP技术应用中可支撑用户快速完成载波相位模糊度固定实现高精度定位。与此同时，低轨导航增强卫星信号多普勒变化率大，用户捕获跟踪低轨导航增强信号需采用针对性策略。考虑到低轨导航增强卫星的单星可视时间较短，大多数情况下仅有十几分钟可视时间。
发明内容
本发明实施例提供一种基于低轨导航增强卫星信号的导航定位方法、系统及飞行平台，用以解决现有技术中低轨导航增强卫星信号导航定位困难的问题。
根据本发明实施例的基于低轨导航增强卫星信号的导航定位方法，包括：
步骤一、计算用户接收机与四颗低轨导航增强卫星间的单位方向矢量、以及所述用户接收机分别从所述四颗低轨导航增强卫星接收到的概率码相位和对应的概率多普勒，包括：
针对每颗低轨导航增强卫星执行以下步骤：
基于飞行平台搭载的惯导器件获取用户接收机的概率位置和概率速度，并基于低轨导航增强卫星星历信息预估低轨导航增强卫星的概率位置；
基于所述用户接收机的概率位置和所述低轨导航增强卫星的概率位置，预估所述低轨导航增强卫星的发射时间，并基于所述发射时间确定所述低轨导航增强卫星的实际位置、实际速度、钟差、信号传播路径延迟校正参数；
基于所述低轨导航增强卫星的实际位置和所述用户接收机的概率位置，计算所述低轨导航增强卫星与所述用户接收机间的单位方向矢量；
根据公式1和公式2，分别计算用户接收机接收到的低轨导航增强卫星的概率码相位
Figure BDA0003903176400000021
和用户接收机的概率多普勒
Figure BDA0003903176400000022
Figure BDA0003903176400000023
Figure BDA0003903176400000024
其中，Ts表示发射时间，τs表示钟差，εs表示号传播路径延迟校正参数，Tch ip为低轨导航增强卫星相应导航信号的码片周期，
Figure BDA0003903176400000025
表示概率速度，Vs(Vs，x，Vs，y，Vs，z)表示实际速度，
Figure BDA0003903176400000026
表示单位方向矢量；
步骤二、基于每颗低轨导航增强卫星对应的概率码相位和概率多普勒，确定一个搜索范围，并基于所述搜索范围执行并行搜索捕获，以获得对应的跟踪码相位和跟踪多普勒；
步骤三、基于每颗低轨导航增强卫星对应的概率码相位和跟踪码相位，结合所述用户接收机与四颗低轨导航增强卫星间的单位方向矢量，根据公式3-4，计算用户接收机的位置修正量和本地时间修正量，并基于所述位置修正量和本地时间修正量，结合所述用户接收机的概率位置和本地概率时间，计算定位后的用户接收机位置以及定位后的用户接收机本地时间：
Figure BDA0003903176400000031
Figure BDA0003903176400000032
其中，H表示导航矩阵，
Figure BDA0003903176400000033
表示用户接收机与四颗低轨导航增强卫星间的四个单位方向矢量，c表示光速，Δτ1、Δτ2、Δτ3、Δτ4表示四颗低轨导航增强卫星间对应的概率码相位和跟踪码相位间的四个相位差，ΔPu(ΔPu，x，ΔPu，y，ΔPu，z)表示位置修正量，ΔTu表示本地时间修正量；
步骤四、基于每颗低轨导航增强卫星对应的概率多普勒和跟踪多普勒，结合所述用户接收机与四颗低轨导航增强卫星间的单位方向矢量，根据公式5，计算用户接收机的速度修正量，并基于所述速度修正量，结合所述用户接收机的概率速度，计算定位后的飞行速度：
Figure BDA0003903176400000034
其中，λ表示载波波长，Δdu，1、Δdu，2、Δdu，3、Δdu，4表示四颗低轨导航增强卫星间对应的概率多普勒和跟踪多普勒间的四个多普勒频率差，ΔVu(ΔVu，x，ΔVu，y，ΔVu，z)表示速度修正量，
Figure BDA0003903176400000035
表示本地时钟频率修正量。
根据本发明的一些实施例，所述步骤二，包括：
在概率码相位前后1ms、概率多普勒附近500Hz展开并行搜索捕获。
根据本发明的一些实施例，所述基于低轨导航增强卫星星历信息预估低轨导航增强卫星的概率位置，包括：
从飞行平台的守时电路获取本地概率时间；
从飞行平台的存储模块获取低轨导航增强卫星星历信息，或者通过低轨互联网星座通信链路获取低轨导航增强卫星星历信息；
基于所述本地概率时间查询所述低轨导航增强卫星星历信息，以获取所述低轨导航增强卫星的概率位置。
根据本发明的一些实施例，所述基于所述用户接收机的概率位置和所述低轨导航增强卫星的概率位置，预估所述低轨导航增强卫星的发射时间，包括：
基于所述用户接收机的概率位置和所述低轨导航增强卫星的概率位置，计算所述用户接收机和所述低轨导航增强卫星之间的概率距离；
基于所述概率距离，根据公式6，预估所述低轨导航增强卫星的发射时间：
Figure BDA0003903176400000041
其中，
Figure BDA0003903176400000042
表示本地概率时间，rus′表示概率距离，Ts表示发射时间。
根据本发明实施例的基于低轨导航增强卫星信号的导航定位系统，包括：
计算单元，用于计算用户接收机与四颗低轨导航增强卫星间的单位方向矢量、以及所述用户接收机分别从所述四颗低轨导航增强卫星接收到的概率码相位和对应的概率多普勒，包括：
针对每颗低轨导航增强卫星执行以下步骤：
基于飞行平台搭载的惯导器件获取用户接收机的概率位置和概率速度，并基于低轨导航增强卫星星历信息预估低轨导航增强卫星的概率位置；
基于所述用户接收机的概率位置和所述低轨导航增强卫星的概率位置，预估所述低轨导航增强卫星的发射时间，并基于所述发射时间确定所述低轨导航增强卫星的实际位置、实际速度、钟差、信号传播路径延迟校正参数；
基于所述低轨导航增强卫星的实际位置和所述用户接收机的概率位置，计算所述低轨导航增强卫星与所述用户接收机间的单位方向矢量；
根据公式1和公式2，分别计算用户接收机接收到的低轨导航增强卫星的概率码相位
Figure BDA0003903176400000043
和用户接收机的概率多普勒
Figure BDA0003903176400000044
Figure BDA0003903176400000045
Figure BDA0003903176400000051
其中，Ts表示发射时间，τs表示钟差，εs表示号传播路径延迟校正参数，Tch ip为低轨导航增强卫星相应导航信号的码片周期，
Figure BDA0003903176400000052
表示概率速度，Vs(Vs，x，Vs，y，Vs，z)表示实际速度，
Figure BDA0003903176400000053
表示单位方向矢量；
搜索单元，用于基于每颗低轨导航增强卫星对应的概率码相位和概率多普勒，确定一个搜索范围，并基于所述搜索范围执行并行搜索捕获，以获得对应的跟踪码相位和跟踪多普勒；
定位单元，用于基于每颗低轨导航增强卫星对应的概率码相位和跟踪码相位，结合所述用户接收机与四颗低轨导航增强卫星间的单位方向矢量，根据公式3-4，计算用户接收机的位置修正量和本地时间修正量，并基于所述位置修正量和本地时间修正量，结合所述用户接收机的概率位置和本地概率时间，计算定位后的用户接收机位置以及定位后的用户接收机本地时间：
Figure BDA0003903176400000054
Figure BDA0003903176400000055
其中，H表示导航矩阵，
Figure BDA0003903176400000056
表示用户接收机与四颗低轨导航增强卫星间的四个单位方向矢量，c表示光速，Δτ1、Δτ2、Δτ3、Δτ4表示四颗低轨导航增强卫星间对应的概率码相位和跟踪码相位间的四个相位差，ΔPu(ΔPu，x，ΔPu，y，ΔPu，z)表示位置修正量，ΔTu表示本地时间修正量；
所述定位单元还用于基于每颗低轨导航增强卫星对应的概率多普勒和跟踪多普勒，结合所述用户接收机与四颗低轨导航增强卫星间的单位方向矢量，根据公式5，计算用户接收机的速度修正量，并基于所述速度修正量，结合所述用户接收机的概率速度，计算定位后的飞行速度：
Figure BDA0003903176400000061
其中，λ表示载波波长，Δdu，1、Δdu，2、Δdu，3、Δdu，4表示四颗低轨导航增强卫星间对应的概率多普勒和跟踪多普勒间的四个多普勒频率差，ΔVu(ΔVu，x，ΔVu，y，ΔVu，z)表示速度修正量，
Figure BDA0003903176400000062
表示本地时钟频率修正量。
根据本发明的一些实施例，所述搜索单元用于：
在概率码相位前后1ms、概率多普勒附近500Hz展开并行搜索捕获。
根据本发明的一些实施例，所述计算单元用于：
从飞行平台的守时电路获取本地概率时间；
从飞行平台的存储模块获取低轨导航增强卫星星历信息，或者通过低轨互联网星座通信链路获取低轨导航增强卫星星历信息；
基于所述本地概率时间查询所述低轨导航增强卫星星历信息，以获取所述低轨导航增强卫星的概率位置。
根据本发明的一些实施例，所述计算单元用于：
基于所述用户接收机的概率位置和所述低轨导航增强卫星的概率位置，计算所述用户接收机和所述低轨导航增强卫星之间的概率距离；
基于所述概率距离，根据公式6，预估所述低轨导航增强卫星的发射时间：
Figure BDA0003903176400000063
其中，
Figure BDA0003903176400000064
表示本地概率时间，rus′表示概率距离，Ts表示发射时间。
根据本发明实施例的飞行平台，包括：如上所述的基于低轨导航增强卫星信号的导航定位系统。
根据本发明实施例的计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有信息传递的实现程序，所述程序被处理器执行时实现如上所述的基于低轨导航增强卫星信号的导航定位方法的步骤。
采用本发明实施例，可在完成信号初步捕获跟踪后，快速提供用户位置速度，实现低轨导航增强卫星信号的快速接收定位，提升低轨导航增强信号的可用性。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。
附图说明
通过阅读下文实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。在附图中：
图1为本发明利用多源辅助低轨增强信号快速接收定位方法示意图；
图2为本发明实施低轨导航增强卫星信号概率码相位计算示意图；
图3为本发明实施概率码相位、概率多普勒小区域捕获搜索示意图；
图4为本发明获取跟踪码相位与概率码相位的相位差示意图；
图5为本发明实施首次快速定位示意图；
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施例。虽然附图中显示了本发明的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。另外，在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。
根据本发明实施例的基于低轨导航增强卫星信号的导航定位方法，包括：
步骤一、计算用户接收机与四颗低轨导航增强卫星间的单位方向矢量、以及所述用户接收机分别从所述四颗低轨导航增强卫星接收到的概率码相位和对应的概率多普勒，包括：
针对每颗低轨导航增强卫星执行以下步骤：
基于飞行平台搭载的惯导器件获取飞行平台上用户接收机的概率位置和概率速度，并基于低轨导航增强卫星星历信息预估低轨导航增强卫星的概率位置；
基于所述用户接收机的概率位置和所述低轨导航增强卫星的概率位置，预估所述低轨导航增强卫星的发射时间，并基于所述发射时间确定所述低轨导航增强卫星的实际位置、实际速度、钟差、信号传播路径延迟校正参数；
基于所述低轨导航增强卫星的实际位置和所述用户接收机的概率位置，计算所述低轨导航增强卫星与所述用户接收机间的单位方向矢量；
例如，计算低轨导航增强卫星的实际位置Ps(Ps，x，Ps，y，Ps，z)和用户接收机的概率位置
Figure BDA0003903176400000081
间的距离rus，以计算单位方向矢量
Figure BDA0003903176400000082
Figure BDA0003903176400000083
Figure BDA0003903176400000084
根据公式1和公式2，分别计算用户接收机接收到的低轨导航增强卫星的概率码相位
Figure BDA0003903176400000085
和用户接收机的概率多普勒
Figure BDA0003903176400000086
Figure BDA0003903176400000087
Figure BDA0003903176400000088
其中，Ts表示发射时间，τs表示钟差，εs表示号传播路径延迟校正参数，Tch ip为低轨导航增强卫星相应导航信号的码片周期，
Figure BDA0003903176400000089
表示概率速度，Vs(Vs，x，Vs，y，Vs，z)表示实际速度，
Figure BDA00039031764000000810
表示单位方向矢量；
步骤二、基于每颗低轨导航增强卫星对应的概率码相位和概率多普勒，确定一个搜索范围，并基于所述搜索范围执行并行搜索捕获，以获得对应的跟踪码相位和跟踪多普勒；
通过概率码相位和概率多普勒来获取一个搜索范围，大幅减小了低轨导航增强卫星无周期长码信号的码相位搜索区域。
步骤三、基于每颗低轨导航增强卫星对应的概率码相位和跟踪码相位，结合所述用户接收机与四颗低轨导航增强卫星间的单位方向矢量，根据公式3-4，计算用户接收机的位置修正量和本地时间修正量：
Figure BDA0003903176400000091
Figure BDA0003903176400000092
其中，H表示导航矩阵，
Figure BDA0003903176400000093
表示用户接收机与四颗低轨导航增强卫星间的四个单位方向矢量，c表示光速，Δτ1、Δτ2、Δτ3、Δτ4表示四颗低轨导航增强卫星间对应的概率码相位和跟踪码相位间的四个相位差，ΔPu(ΔPu，x，ΔPu，y，ΔPu，z)表示位置修正量，ΔTu表示本地时间修正量；
基于所述位置修正量和本地时间修正量，结合所述用户接收机的概率位置和本地概率时间，计算定位后的用户接收机位置以及定位后的用户接收机本地时间。换言之，利用位置修正量修正用户接收机的概率位置，以获得定位后的用户接收机位置。利用本地时间修正量修正本地概率时间，以获得定位后的用户接收机本地时间。
步骤四、基于每颗低轨导航增强卫星对应的概率多普勒和跟踪多普勒，结合所述用户接收机与四颗低轨导航增强卫星间的单位方向矢量，根据公式5，计算用户接收机的速度修正量，并基于所述速度修正量，结合所述用户接收机的概率速度，计算定位后的飞行速度：
Figure BDA0003903176400000101
其中，λ表示载波波长，Δdu，1、Δdu，2、Δdu，3、Δdu，4表示四颗低轨导航增强卫星间对应的概率多普勒和跟踪多普勒间的四个多普勒频率差，ΔVu(ΔVu，x，ΔVu，y，ΔVu，z)表示速度修正量，
Figure BDA0003903176400000102
表示本地时钟频率修正量。
这里需要说明的是，步骤三与步骤四的执行顺序不做限定，步骤三可以在步骤四之前或之后执行。
采用本发明实施例，可在完成信号初步捕获跟踪后，快速提供用户位置速度，实现低轨导航增强卫星信号的快速接收定位，提升低轨导航增强信号的可用性。
在上述实施例的基础上，进一步提出各变型实施例，在此需要说明的是，为了使描述简要，在各变型实施例中仅描述与上述实施例的不同之处。
根据本发明的一些实施例，所述步骤二，包括：
在概率码相位前后1ms、概率多普勒附近500Hz展开并行搜索捕获。在实际过程中，对于“1ms”、“500Hz”的值进行适应性修改。
根据本发明的一些实施例，所述基于低轨导航增强卫星星历信息预估低轨导航增强卫星的概率位置，包括：
从飞行平台的守时电路获取本地概率时间；
从飞行平台的存储模块获取低轨导航增强卫星星历信息，或者通过低轨互联网星座通信链路获取低轨导航增强卫星星历信息；
基于所述本地概率时间查询所述低轨导航增强卫星星历信息，以获取所述低轨导航增强卫星的概率位置。
根据本发明的一些实施例，所述基于所述用户接收机的概率位置和所述低轨导航增强卫星的概率位置，预估所述低轨导航增强卫星的发射时间，包括：
基于所述用户接收机的概率位置和所述低轨导航增强卫星的概率位置，计算所述用户接收机和所述低轨导航增强卫星之间的概率距离；
基于所述概率距离，根据公式6，预估所述低轨导航增强卫星的发射时间：
Figure BDA0003903176400000111
其中，
Figure BDA0003903176400000112
表示本地概率时间，rus′表示概率距离，Ts表示发射时间。
下面参照图1-图5以一个具体的实施例详细描述根据本发明实施例的基于低轨导航增强卫星信号的导航定位方法。值得理解的是，下述描述仅是示例性说明，而不是对本发明的具体限制。凡是采用本发明的相似结构及其相似变化，均应列入本发明的保护范围。
参照图1所示，本发明实施例提供一种基于低轨导航增强卫星信号的导航定位方法，该方法适用于高速机动飞行器。所述方法包括以下步骤：
(1)高速运动载体卫星导航接收机低轨导航增强信号接收定位模块启动工作后，惯导器件提供初始概率位置
Figure BDA0003903176400000113
以及初始概率速度
Figure BDA0003903176400000114
Figure BDA0003903176400000115
守时电路提供本地概率时间
Figure BDA0003903176400000116
通过通信链路获取或者读取预存的低轨导航卫星星历。所述位置信息优于50Km，守时信息优于500us。所述低轨卫星信号捕获方法采用业界通用的并行快速捕获方法，这里就不再赘述。
(2)根据步骤(1)所得的本地概率时间
Figure BDA0003903176400000117
与低轨导航卫星星历计算低轨导航卫星概率位置Ps′(Ps，x′，Ps，y′，Ps，z′)。
(3)根据步骤(1)所得的用户初始概率位置
Figure BDA0003903176400000118
与步骤(2)所得的低轨导航卫星概率位置Ps′，计算低轨导航增强卫星与用户的概率距离rus′，具体公式如下：
Figure BDA0003903176400000119
(4)根据步骤(1)所得的本地概率时间
Figure BDA00039031764000001110
与步骤(3)所得的低轨导航增强卫星与用户的概率距离rus′，计算低轨导航增强卫星信号发射时间Ts，具体公式如下：
Figure BDA00039031764000001111
其中，c为光速。
(5)根据步骤(4)所得的低轨导航增强卫星信号发射时间
Figure BDA0003903176400000121
计算准确的低轨导航卫星位置Ps(Ps，x，Ps，y，Ps，z)、低轨导航卫星速度Vs(Vs，x，Vs，y，Vs，z)，以及低轨导航卫星钟差τs，计算该低轨导航增强卫星信号的传播路径延迟校正参数εs，εs包含对流层延迟、电离层延迟、地球自转、相对论效应等所有校正量。所述通过星历计算导航卫星位置、速度、钟差以及传播路径延迟修正量等方法采用业界通用方法，此处也不再对其赘述。
(6)根据步骤(5)所得的低轨导航卫星位置Ps与步骤(1)所得的用户初始概率位置
Figure BDA0003903176400000122
计算用户与修正位置后低轨导航增强卫星间的距离rus以及用户与低轨导航增强卫星间单位方向矢量
Figure BDA0003903176400000123
具体由公式如下：
Figure BDA0003903176400000124
Figure BDA0003903176400000125
(7)根据步骤(4)所得的低轨导航增强卫星信号发射时间Ts，与步骤(5)所得的低轨导航卫星钟差τs，计算用户接收到的低轨导航增强卫星概率码相位，如图2所示。具体公式如下所示：
Figure BDA0003903176400000126
其中，Tch ip为低轨导航增强卫星相应导航信号的码片周期，特定导航信号的码片周期为固定常数。
(8)根据步骤(1)所得的用户初始概率速度
Figure BDA0003903176400000127
步骤(5)所得的低轨导航卫星速度Vs、步骤(6)所得的用户与低轨导航增强卫星间单位方向矢量
Figure BDA0003903176400000128
计算用户概率多普勒。具体公式如下所示：
Figure BDA0003903176400000129
(9)如图3所示，根据步骤(7)所得到的用户接收到的低轨导航增强卫星概率码相位
Figure BDA00039031764000001210
与步骤(8)所得到的用户概率多普勒
Figure BDA00039031764000001211
在概率码相位
Figure BDA00039031764000001212
前后1ms，以及概率多普勒
Figure BDA0003903176400000131
附近500Hz展开并行搜索捕获，并行捕获结束后，记录跟踪码相位τch ip与跟踪多普勒du。
(10)如图4所示，根据步骤(7)所得到的用户接收到的低轨导航增强卫星概率码相位
Figure BDA0003903176400000132
与步骤(9)所得到的跟踪码相位τch ip。计算低轨导航增强卫星的跟踪码相位τch ip与概率码相位
Figure BDA0003903176400000133
之间的相位差Δτ，具体由公式如下所示：
Figure BDA0003903176400000134
(11)根据步骤(8)所得的用户概率多普勒与步骤(9)所得的用户跟踪多普勒du，计算多普勒频率差，具体由公式如下所示：
Figure BDA0003903176400000135
(12)从第一颗低轨导航增强卫星到第四颗低轨导航增强卫星，依次重复步骤(2)到步骤(11)，分别获得用户与各颗低轨导航增强卫星间的单位方向矢量
Figure BDA0003903176400000136
具体如下：
Figure BDA0003903176400000137
Figure BDA0003903176400000138
Figure BDA0003903176400000139
Figure BDA00039031764000001310
所示；分别获得各颗低轨导航增强卫星的跟踪码相位与概率码相位间相位差Δτ1、Δτ2、Δτ3、Δτ4；分别获得各颗导航卫星的跟踪多普勒与概率多普勒间频率差Δdu，1、Δdu，2、Δdu，3、Δdu，4。
(13)根据步骤(12)所得的用户与各颗低轨导航增强卫星间的单位方向矢量
Figure BDA00039031764000001311
构建导航矩阵H，具体由公式如下所示：
Figure BDA0003903176400000141
(14)如图5所示，根据步骤(13)所得的导航矩阵H，以及步骤(12)所得的各颗低轨导航增强卫星的跟踪码相位与概率码相位间相位差Δτ1、Δτ2、Δτ3、Δτ4。计算用户的位置修正量ΔPu(ΔPu，x，ΔPu，y，ΔPu，z)与本地时间修正量ΔTu，具体如公式如下所示：
Figure BDA0003903176400000142
其中，c为光速。
(15)根据步骤(13)所得的导航矩阵H，以及步骤(12)所得的各颗导航卫星的跟踪多普勒与概率多普勒间频率差Δdu，1、Δdu，2、Δdu，3、Δdu，4。计算用户的速度修正量ΔVu(ΔVu，x，ΔVu，y，ΔVu，z)与本地时钟频率修正量
Figure BDA0003903176400000143
具体如公式如下所示：
Figure BDA0003903176400000144
其中，λ为低轨导航增强信号的载波波长。
(16)根据步骤(1)所得的用户概率位置
Figure BDA0003903176400000145
与步骤(14)所得的用户位置修正量ΔPu，计算定位后的用户位置Pu(Pu，x，Pu，y，Pu，z)，具体由公式如下所示：
Figure BDA0003903176400000146
(17)根据步骤(1)所得的本地概率时间
Figure BDA0003903176400000147
与步骤(14)所得的本地时间修正量ΔTu，计算定位后的本地时间Tu，具体由公式如下所示。
Figure BDA0003903176400000151
其中，c为光速。
(18)根据步骤(1)所得的用户概率速度
Figure BDA0003903176400000152
与步骤(15)所得的用户速度修正量ΔVu，计算定位后的用户速度Vu(Pu，x，Pu，y，Pu，z)，具体由公式如下所示：
Figure BDA0003903176400000153
(19)通过步骤(16)、步骤(17)、步骤(18)实现低轨导航增强卫星信号的快速接收定位。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明根据多源辅助信息，预估用户接收到的低轨导航增强信号的概率多普勒与概率码相位。在码相位搜索捕获跟踪过程中，将本地码相位直接切换到以概率码相位为中心，宽度为2ms的搜索区域，大幅减小了低轨导航增强卫星无周期长码信号的码相位搜索区域。
(2)本发明在完成低轨导航增强卫星信号初始捕获跟踪后，计算出跟踪码相位与概率码相位的相位差值。获取到4颗低轨导航增强卫星的相位差值后，在无需其它信息的情况下，直接完成初始的导航定位计算，缩短了首次定位时间。
(3)本发明在完成低轨导航增强卫星信号初始捕获跟踪后，计算出跟踪多普勒与概率多普勒的频率差值。获取到4颗低轨导航增强卫星的频率差值后，在无需其它信息的情况下，直接完成初始的导航测速计算，缩短了测速时间。
(4)本发明提升了低轨导航增强卫星信号的可用性，在旋转、机动等飞行平台中，只需有4颗低轨导航增强卫星可视时间连续超过1sec时间，即可利用完成定位测速，并为飞行平台携带的惯性器件、守时电路提供闭环修正信息，增强了低轨导航增强信号在恶劣环境复杂场景的适用性。
以上所述，仅为本发明一个具体实施方式，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。
相应的，本发明实施例还提出一种基于低轨导航增强卫星信号的导航定位系统，包括：
计算单元，用于计算用户接收机与四颗低轨导航增强卫星间的单位方向矢量、以及所述用户接收机分别从所述四颗低轨导航增强卫星接收到的概率码相位和对应的概率多普勒，包括：
针对每颗低轨导航增强卫星执行以下步骤：
基于飞行平台搭载的惯导器件获取用户接收机的概率位置和概率速度，并基于低轨导航增强卫星星历信息预估低轨导航增强卫星的概率位置；
基于所述用户接收机的概率位置和所述低轨导航增强卫星的概率位置，预估所述低轨导航增强卫星的发射时间，并基于所述发射时间确定所述低轨导航增强卫星的实际位置、实际速度、钟差、信号传播路径延迟校正参数；
基于所述低轨导航增强卫星的实际位置和所述用户接收机的概率位置，计算所述低轨导航增强卫星与所述用户接收机间的单位方向矢量；
根据公式1和公式2，分别计算用户接收机接收到的低轨导航增强卫星的概率码相位
Figure BDA0003903176400000161
和用户接收机的概率多普勒
Figure BDA0003903176400000162
Figure BDA0003903176400000163
Figure BDA0003903176400000164
其中，Ts表示发射时间，τs表示钟差，εs表示号传播路径延迟校正参数，Tch ip为低轨导航增强卫星相应导航信号的码片周期，
Figure BDA0003903176400000165
表示概率速度，Vs(Vs，x，Vs，y，Vs，z)表示实际速度，
Figure BDA0003903176400000166
表示单位方向矢量；
搜索单元，用于基于每颗低轨导航增强卫星对应的概率码相位和概率多普勒，确定一个搜索范围，并基于所述搜索范围执行并行搜索捕获，以获得对应的跟踪码相位和跟踪多普勒；
定位单元，用于基于每颗低轨导航增强卫星对应的概率码相位和跟踪码相位，结合所述用户接收机与四颗低轨导航增强卫星间的单位方向矢量，根据公式3-4，计算用户接收机的位置修正量和本地时间修正量，并基于所述位置修正量和本地时间修正量，结合所述用户接收机的概率位置和本地概率时间，计算定位后的用户接收机位置以及定位后的用户接收机本地时间：
Figure BDA0003903176400000171
Figure BDA0003903176400000172
其中，H表示导航矩阵，
Figure BDA0003903176400000173
表示用户接收机与四颗低轨导航增强卫星间的四个单位方向矢量，c表示光速，Δτ1、Δτ2、Δτ3、Δτ4表示四颗低轨导航增强卫星间对应的概率码相位和跟踪码相位间的四个相位差，ΔPu(ΔPu，x，ΔPu，y，ΔPu，z)表示位置修正量，ΔTu表示本地时间修正量；
所述定位单元还用于基于每颗低轨导航增强卫星对应的概率多普勒和跟踪多普勒，结合所述用户接收机与四颗低轨导航增强卫星间的单位方向矢量，根据公式5，计算用户接收机的速度修正量，并基于所述速度修正量，结合所述用户接收机的概率速度，计算定位后的飞行速度：
Figure BDA0003903176400000174
其中，λ表示载波波长，Δdu，1、Δdu，2、Δdu，3、Δdu，4表示四颗低轨导航增强卫星间对应的概率多普勒和跟踪多普勒间的四个多普勒频率差，ΔVu(ΔVu，x，ΔVu，y，ΔVu，z)表示速度修正量，
Figure BDA0003903176400000175
表示本地时钟频率修正量。
根据本发明的一些实施例，所述搜索单元用于：
在概率码相位前后1ms、概率多普勒附近500Hz展开并行搜索捕获。
根据本发明的一些实施例，所述计算单元用于：
从飞行平台的守时电路获取本地概率时间；
从飞行平台的存储模块获取低轨导航增强卫星星历信息，或者通过低轨互联网星座通信链路获取低轨导航增强卫星星历信息；
基于所述本地概率时间查询所述低轨导航增强卫星星历信息，以获取所述低轨导航增强卫星的概率位置。
根据本发明的一些实施例，所述计算单元用于：
基于所述用户接收机的概率位置和所述低轨导航增强卫星的概率位置，计算所述用户接收机和所述低轨导航增强卫星之间的概率距离；
基于所述概率距离，根据公式6，预估所述低轨导航增强卫星的发射时间：
Figure BDA0003903176400000181
其中，
Figure BDA0003903176400000182
表示本地概率时间，rus′表示概率距离，Ts表示发射时间。
根据本发明实施例的飞行平台，包括：如上所述的基于低轨导航增强卫星信号的导航定位系统。
根据本发明实施例的计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有信息传递的实现程序，所述程序被处理器执行时实现如上所述的基于低轨导航增强卫星信号的导航定位方法的步骤。
需要说明的是，本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (10)

1.一种基于低轨导航增强卫星信号的导航定位方法，其特征在于，包括：
步骤一、计算用户接收机与四颗低轨导航增强卫星间的单位方向矢量、以及所述用户接收机分别从所述四颗低轨导航增强卫星接收到的概率码相位和对应的概率多普勒，包括：
针对每颗低轨导航增强卫星执行以下步骤：
基于飞行平台搭载的惯导器件获取用户接收机的概率位置和概率速度，并基于低轨导航增强卫星星历信息预估低轨导航增强卫星的概率位置；
基于所述用户接收机的概率位置和所述低轨导航增强卫星的概率位置，预估所述低轨导航增强卫星的发射时间，并基于所述发射时间确定所述低轨导航增强卫星的实际位置、实际速度、钟差、信号传播路径延迟校正参数；
基于所述低轨导航增强卫星的实际位置和所述用户接收机的概率位置，计算所述低轨导航增强卫星与所述用户接收机间的单位方向矢量；
根据公式1和公式2，分别计算用户接收机接收到的低轨导航增强卫星的概率码相位
Figure FDA0003903176390000011
和用户接收机的概率多普勒
Figure FDA0003903176390000012
Figure FDA0003903176390000013
Figure FDA0003903176390000014
其中，Ts表示发射时间，τs表示钟差，εs表示号传播路径延迟校正参数，Tchip为低轨导航增强卫星相应导航信号的码片周期，
Figure FDA0003903176390000015
表示概率速度，Vs(Vs,x，Vs,y，Vs,z)表示实际速度，
Figure FDA0003903176390000016
表示单位方向矢量；
步骤二、基于每颗低轨导航增强卫星对应的概率码相位和概率多普勒，确定一个搜索范围，并基于所述搜索范围执行并行搜索捕获，以获得对应的跟踪码相位和跟踪多普勒；
步骤三、基于每颗低轨导航增强卫星对应的概率码相位和跟踪码相位，结合所述用户接收机与四颗低轨导航增强卫星间的单位方向矢量，根据公式3-4，计算用户接收机的位置修正量和本地时间修正量，并基于所述位置修正量和本地时间修正量，结合所述用户接收机的概率位置和本地概率时间，计算定位后的用户接收机位置以及定位后的用户接收机本地时间：
Figure FDA0003903176390000021
Figure FDA0003903176390000022
其中，H表示导航矩阵，
Figure FDA0003903176390000023
表示用户接收机与四颗低轨导航增强卫星间的四个单位方向矢量，c表示光速，Δτ1、Δτ2、Δτ3、Δτ4表示四颗低轨导航增强卫星间对应的概率码相位和跟踪码相位间的四个相位差，ΔPu(ΔPu,x,ΔPu,y,ΔPu,z)表示位置修正量，ΔTu表示本地时间修正量；
步骤四、基于每颗低轨导航增强卫星对应的概率多普勒和跟踪多普勒，结合所述用户接收机与四颗低轨导航增强卫星间的单位方向矢量，根据公式5，计算用户接收机的速度修正量，并基于所述速度修正量，结合所述用户接收机的概率速度，计算定位后的飞行速度：
Figure FDA0003903176390000024
其中，λ表示载波波长，Δdu,1、Δdu,2、Δdu,3、Δdu,4表示四颗低轨导航增强卫星间对应的概率多普勒和跟踪多普勒间的四个多普勒频率差，ΔVu(ΔVu,x,ΔVu,y,ΔVu,z)表示速度修正量，
Figure FDA0003903176390000025
表示本地时钟频率修正量。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤二，包括：
在概率码相位前后1ms、概率多普勒附近500Hz展开并行搜索捕获。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于低轨导航增强卫星星历信息预估低轨导航增强卫星的概率位置，包括：
从飞行平台的守时电路获取本地概率时间；
从飞行平台的存储模块获取低轨导航增强卫星星历信息，或者通过低轨互联网星座通信链路获取低轨导航增强卫星星历信息；
基于所述本地概率时间查询所述低轨导航增强卫星星历信息，以获取所述低轨导航增强卫星的概率位置。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述基于所述用户接收机的概率位置和所述低轨导航增强卫星的概率位置，预估所述低轨导航增强卫星的发射时间，包括：
基于所述用户接收机的概率位置和所述低轨导航增强卫星的概率位置，计算所述用户接收机和所述低轨导航增强卫星之间的概率距离；
基于所述概率距离，根据公式6，预估所述低轨导航增强卫星的发射时间：
Figure FDA0003903176390000031
其中，
Figure FDA0003903176390000032
表示本地概率时间，rus'表示概率距离，Ts表示发射时间。
5.一种基于低轨导航增强卫星信号的导航定位系统，其特征在于，包括：
计算单元，用于计算用户接收机与四颗低轨导航增强卫星间的单位方向矢量、以及所述用户接收机分别从所述四颗低轨导航增强卫星接收到的概率码相位和对应的概率多普勒，包括：
针对每颗低轨导航增强卫星执行以下步骤：
基于飞行平台搭载的惯导器件获取用户接收机的概率位置和概率速度，并基于低轨导航增强卫星星历信息预估低轨导航增强卫星的概率位置；
基于所述用户接收机的概率位置和所述低轨导航增强卫星的概率位置，预估所述低轨导航增强卫星的发射时间，并基于所述发射时间确定所述低轨导航增强卫星的实际位置、实际速度、钟差、信号传播路径延迟校正参数；
基于所述低轨导航增强卫星的实际位置和所述用户接收机的概率位置，计算所述低轨导航增强卫星与所述用户接收机间的单位方向矢量；
根据公式1和公式2，分别计算用户接收机接收到的低轨导航增强卫星的概率码相位
Figure FDA0003903176390000041
和用户接收机的概率多普勒
Figure FDA0003903176390000042
Figure FDA0003903176390000043
Figure FDA0003903176390000044
其中，Ts表示发射时间，τs表示钟差，εs表示号传播路径延迟校正参数，Tchip为低轨导航增强卫星相应导航信号的码片周期，
Figure FDA0003903176390000045
表示概率速度，Vs(Vs,x，Vs,y，Vs,z)表示实际速度，
Figure FDA0003903176390000046
表示单位方向矢量；
搜索单元，用于基于每颗低轨导航增强卫星对应的概率码相位和概率多普勒，确定一个搜索范围，并基于所述搜索范围执行并行搜索捕获，以获得对应的跟踪码相位和跟踪多普勒；
定位单元，用于基于每颗低轨导航增强卫星对应的概率码相位和跟踪码相位，结合所述用户接收机与四颗低轨导航增强卫星间的单位方向矢量，根据公式3-4，计算用户接收机的位置修正量和本地时间修正量，并基于所述位置修正量和本地时间修正量，结合所述用户接收机的概率位置和本地概率时间，计算定位后的用户接收机位置以及定位后的用户接收机本地时间：
Figure FDA0003903176390000047
Figure FDA0003903176390000048
其中，H表示导航矩阵，
Figure FDA0003903176390000049
表示用户接收机与四颗低轨导航增强卫星间的四个单位方向矢量，c表示光速，Δτ1、Δτ2、Δτ3、Δτ4表示四颗低轨导航增强卫星间对应的概率码相位和跟踪码相位间的四个相位差，ΔPu(ΔPu,x,ΔPu,y,ΔPu,z)表示位置修正量，ΔTu表示本地时间修正量；
所述定位单元还用于基于每颗低轨导航增强卫星对应的概率多普勒和跟踪多普勒，结合所述用户接收机与四颗低轨导航增强卫星间的单位方向矢量，根据公式5，计算用户接收机的速度修正量，并基于所述速度修正量，结合所述用户接收机的概率速度，计算定位后的飞行速度：
Figure FDA0003903176390000051
其中，λ表示载波波长，Δdu,1、Δdu,2、Δdu,3、Δdu,4表示四颗低轨导航增强卫星间对应的概率多普勒和跟踪多普勒间的四个多普勒频率差，ΔVu(ΔVu,x,ΔVu,y,ΔVu,z)表示速度修正量，
Figure FDA0003903176390000052
表示本地时钟频率修正量。
6.如权利要求5所述的系统，其特征在于，所述搜索单元用于：
在概率码相位前后1ms、概率多普勒附近500Hz展开并行搜索捕获。
7.如权利要求5所述的系统，其特征在于，所述计算单元用于：
从飞行平台的守时电路获取本地概率时间；
从飞行平台的存储模块获取低轨导航增强卫星星历信息，或者通过低轨互联网星座通信链路获取低轨导航增强卫星星历信息；
基于所述本地概率时间查询所述低轨导航增强卫星星历信息，以获取所述低轨导航增强卫星的概率位置。
8.如权利要求7所述的系统，其特征在于，所述计算单元用于：
基于所述用户接收机的概率位置和所述低轨导航增强卫星的概率位置，计算所述用户接收机和所述低轨导航增强卫星之间的概率距离；
基于所述概率距离，根据公式6，预估所述低轨导航增强卫星的发射时间：
Figure FDA0003903176390000053
其中，
Figure FDA0003903176390000054
表示本地概率时间，rus'表示概率距离，Ts表示发射时间。
9.一种飞行平台，其特征在于，包括：如权利要求5-8中任一项所述的基于低轨导航增强卫星信号的导航定位系统。
10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质上存储有信息传递的实现程序，所述程序被处理器执行时实现如权利要求1至4中任一项所述的基于低轨导航增强卫星信号的导航定位方法的步骤。
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