一种卫星联合导航方法技术

技术编号:15745160 阅读:219 留言:0更新日期:2017-07-02 21:42
本发明专利技术提供一种卫星联合导航方法,包括:步骤S1,建立基于共地面轨迹星座的小卫星导航系统;步骤S2,基于回删模型筛选北斗卫星导航系统和小卫星导航系统,以组成卫星联合导航系统;步骤S3,通过参数选择优化所述卫星联合导航系统。本例设计了基于共地面轨迹星座的小卫星导航系统,并通过回删模型实现了北斗卫星导航系统与小卫星导航系统之间的有机结合,主要解决的问题是空间快速响应及覆盖加强。本发明专利技术在北斗卫星导航系统对目标区域无覆盖时,通过共地面轨迹星座设计的小卫星导航系统实现快速导航服务;并在焦点区域北斗卫星导航系统无法满足基本覆盖或精度要求的条件下,通过所述卫星联合导航方法提高了定位精度,减少了卫星发射成本。

Satellite integrated navigation method

The invention provides a combined navigation method, a satellite includes: step S1, the establishment of small satellite navigation system based on common track constellation; step S2 to delete screening model of Beidou satellite navigation system and satellite navigation system based on satellite navigation system, to form a joint; step S3, optimization of the satellite navigation system combined selection through parameter. In this case the design of the satellite navigation system based on common track constellation, and through the model back delete can integrate the Beidou satellite navigation system and satellite navigation system, mainly to solve the problem of fast response and strengthen the coverage of space. The present invention in the Beidou satellite navigation system without coverage of the target area, to achieve fast navigation services through small satellite navigation system common track constellation design; and not be satisfied in the focal region of Beidou satellite navigation system basic coverage or accuracy requirements, through a combination of the satellite navigation method improves the positioning accuracy and reduce the satellite the cost of launching.

【技术实现步骤摘要】
一种卫星联合导航方法
本专利技术涉及一种导航系统设计方法,尤其涉及一种卫星联合导航的设计方法。
技术介绍
全球导航卫星系统(GlobalNavigationSatelliteSystem,GNSS)主要有GPS(GlobalPositioningSystem)、北斗卫星导航系统BDS(BeiDouNavigationSystem)、格洛纳斯(GLONASS)以及伽利略卫星导航系统(GALLILEO),其主要的作用是可以在地球表面或近地空间的任何地点为用户提供全天候的三维坐标和速度以及时间信息的空基无线电导航定位。而进一步的发展过程中出现的分布式卫星网络,差分增强,星间链路等相关技术的发展可以使得卫星系统对于区域的导航定位能力达到了米级,其广泛应用于授时,导航,定位,气象,测绘,交通等生活各个方面。与此同时,具有低成本、易部署、研发周期短等特点的小卫星成为新技术、新系统、新概念演示验证的重要方式。小卫星形成的多星低轨通信卫星星座,能够提供无人数据采集和战场短报文通信的能力,在导航通信领域,引入小卫星能有效进行信号覆盖增强,提高系统的稳健性、覆盖范围和定位精度。而在小卫星体系概念创新领域,快速响应空间和提高军事作战效能的空间系统等项目相继提出进一步的增加了小卫星技术的应用场景,通过一箭多星技术和利用空间站快速部署组成星座系统,可向前线基层作战人员快速,按需提供实时的战场数据,取得战场的信息非对称情况下的主导优势。现在仅可通过全球导航系统才能实现目标区域或全球的导航服务,于我国来说,北斗卫星导航系统具有覆盖范围广,工作寿命长,全天候工作的优点,但在实际环境中面临诸多挑战:一、部署时间长,成本高;太空中物理与电磁打击都会对卫星功能造成严重破坏,卫星本身的通信与其他功能在诸多干扰的条件下也会停止服务。重新弥补缺失的系统卫星部署时间较长,发射成本相比小卫星高出数倍。二、高轨位资源有限;所有GNSS的GEO同步卫星及IGSO卫星都在高轨位,稀缺的轨位资源成为各个国家竞争的对象。可发射的卫星数目十分有限。三、卫星复用率低;对于GPS,BDS等卫星导航系统,卫星的复用率较低,除完成系统本身的指定任务外,其还可以联合其他系统外的卫星完成其他功能,避免卫星资源被闲置。四、导航精度有限;对于GNSS的全球覆盖来说,要实现局部区域的高精度导航要求是不够的,且对于尚未完善的BDS,或是缺失卫星的其他GNSS来说,完成一些盲点区域的导航更需要其他卫星的辅助。可快速辅助导航卫星系统,提高特定区域覆盖精度的最佳选择便是低轨小卫星。低轨位小卫星具有部署时间少、成本低、性能好和研制周期短等特点,且轨位资源丰富等优点,但单独用于导航系统的建设的时候存在有一些缺点,比如覆盖范围有限,一般用于低轨的小卫星较多,由于其轨道较低,对于地面覆盖的范围有限,如果目标区域面积较大,所需要的低轨小卫星数量较多,这也会造成太空垃圾的产生。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是需要提供一种能够结合北斗卫星导航系统与小卫星导航系统组建的卫星联合导航方法,并实现对特定区域的高精度覆盖,并进一步实现系统最小化设计和有效提升资源利用率的目的。对此,本专利技术提供一种卫星联合导航方法,包括以下步骤:步骤S1,建立基于共地面轨迹星座的小卫星导航系统;步骤S2,基于回删模型筛选北斗卫星导航系统和小卫星导航系统,以组成卫星联合导航系统;步骤S3,通过参数选择优化所述卫星联合导航系统。本专利技术的进一步改进在于,所述步骤S1包括以下子步骤:步骤S101,选定目标区域和轨道周期;步骤S102,计算小卫星导航系统的导航星座卫星总个数的下限值N;步骤S103,根据导航星座卫星总个数的下限值N,列举所有适合做导航星座的星座方案;步骤S104,计算每个星座方案的相邻两个轨道面之间的升交点赤经差ΔΩ和同一轨道面相邻卫星的平近点角差△M;步骤S105,得到每个星座方案的最佳星座倾角;步骤S106,比较每个星座的定位性能,并通过定位精度验证确定其中一个星座方案作为所述小卫星导航系统。本专利技术的进一步改进在于,所述步骤S102中,通过公式计算小卫星导航系统的导航星座卫星总个数的下限值N,其中,θ为共地面轨迹星座中相邻两颗卫星的圆心与地心连线之间的半夹角;n为一个恒星日内卫星绕地球的运动圈数,n为整数。本专利技术的进一步改进在于,所述步骤S104中,通过公式NsΔΩ=NeΔω或者NsΔΩ-NeΔω=Ne2kπ计算每个星座方案的相邻两个轨道面之间的升交点赤经差ΔΩ,其中,Ns为小卫星围绕地球的运动圈数,Ne是地球的自转圈数,Δω是位于不同轨道平面上任意两颗卫星的相对相位。本专利技术的进一步改进在于,所述步骤S105包括以下子步骤:步骤S1051,利用STK建模仿真得到每个星座方案在不同星座倾角时的平均覆盖率Cov(i)、平均仰角El(i)和平均定位精度DOP(i);步骤S1052,根据公式W(i)=wcov×Cov(i)+wDOP×DOP(i)+wEl×El(i)计算权重值W(i),其中,wcov为平均覆盖率Cov(i)的权值,wDOP为平均仰角El(i)的权值,wEl为平均定位精度DOP(i)的权值;步骤S1053,通过权重值W(i)取得最大值时的最大权重值W(i')对应的星座倾角i’,此时的星座倾角i’为该星座方案的最佳星座倾角。本专利技术的进一步改进在于,所述步骤S106中,通过STK仿真每个星座方案在最佳星座倾角时两个以上测试点的卫星连接个数NOA、几何定位精度GDOP、位置定位精度PDOP、水平定位精度HDOP和垂直定位精度VDOP,然后对两个以上测试点的卫星连接个数NOA、几何定位精度GDOP、位置定位精度PDOP、水平定位精度HDOP和垂直定位精度VDOP做平均,进而选取卫星连接个数NOA越大且方差越小以及几何定位精度GDOP、位置定位精度PDOP、水平定位精度HDOP和垂直定位精度VDOP越小且方差越小的星座方案作为最佳星座方案;通过定位精度验证判断所述最佳星座方案的卫星总个数的下限值N是否满足定位要求,若是则以此最佳星座方案作为所述小卫星导航系统,并结束;若否则增加卫星总个数的下限值N的值,并返回步骤S103。本专利技术的进一步改进在于,所述步骤S2包括以下子步骤:步骤S2011,定义北斗卫星选择矩阵为其维度为1×m,表示的是共有m颗北斗卫星可用来对目标区域进行覆盖,当选择第i颗北斗卫星则当第i颗北斗卫星可用但不选择进行覆盖则定义小卫星选择矩阵为其维度为1×M,表示的是共有M颗小卫星可用来对目标区域进行覆盖,当选择第j颗小卫星则当第j颗小卫星可用但不选择进行覆盖则i和j为整数;步骤S2012,把卫星的服务时间,按照步长1秒按时间序列展开,可以得到一个卫星的服务时间矩阵,维度为1×T,T是周期,则所有卫星的服务时间矩阵为和其中,LBD是北斗卫星服务矩阵,bij=1表示第i颗北斗卫星在j时隙可用;LLEO表示小卫星服务时间矩阵,lij=0表示第i颗小卫星在j时隙不可用。本专利技术的进一步改进在于,所述步骤S3中,在可行卫星组合的集合中根据精度条件与可见卫星数量实现优化,得到最后的卫星组合方案。本专利技术的进一步改进在于,所述步骤S3中,通过公式满足对目标区域的多重覆盖要求,其中,Θ∈R1*T,Θ为覆盖重数门限本文档来自技高网
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一种卫星联合导航方法

【技术保护点】
一种卫星联合导航方法,其特征在于,包括以下步骤:步骤S1,建立基于共地面轨迹星座的小卫星导航系统;步骤S2,基于回删模型筛选北斗卫星导航系统和小卫星导航系统,以组成卫星联合导航系统;步骤S3,通过参数选择优化所述卫星联合导航系统。

【技术特征摘要】
1.一种卫星联合导航方法,其特征在于,包括以下步骤:步骤S1,建立基于共地面轨迹星座的小卫星导航系统;步骤S2,基于回删模型筛选北斗卫星导航系统和小卫星导航系统,以组成卫星联合导航系统;步骤S3,通过参数选择优化所述卫星联合导航系统。2.根据权利要求1所述的卫星联合导航方法,其特征在于,所述步骤S1包括以下子步骤:步骤S101,选定目标区域和轨道周期;步骤S102,计算小卫星导航系统的导航星座卫星总个数的下限值N;步骤S103,根据导航星座卫星总个数的下限值N,列举所有适合做导航星座的星座方案;步骤S104,计算每个星座方案的相邻两个轨道面之间的升交点赤经差ΔΩ和同一轨道面相邻卫星的平近点角差△M;步骤S105,得到每个星座方案的最佳星座倾角;步骤S106,比较每个星座的定位性能,并通过定位精度验证确定其中一个星座方案作为所述小卫星导航系统。3.根据权利要求2所述的卫星联合导航方法,其特征在于,所述步骤S102中,通过公式计算小卫星导航系统的导航星座卫星总个数的下限值N,其中,θ为共地面轨迹星座中相邻两颗卫星的圆心与地心连线之间的半夹角;n为一个恒星日内卫星绕地球的运动圈数,n为整数。4.根据权利要求2所述的卫星联合导航方法,其特征在于,所述步骤S104中,通过公式NsΔΩ=NeΔω或者NsΔΩ-NeΔω=Ne2kπ计算每个星座方案的相邻两个轨道面之间的升交点赤经差ΔΩ,其中,Ns为小卫星围绕地球的运动圈数,Ne是地球的自转圈数,Δω是位于不同轨道平面上任意两颗卫星的相对相位。5.根据权利要求2所述的卫星联合导航方法,其特征在于,所述步骤S105包括以下子步骤:步骤S1051,利用STK建模仿真得到每个星座方案在不同星座倾角时的平均覆盖率Cov(i)、平均仰角El(i)和平均定位精度DOP(i);步骤S1052,根据公式W(i)=wcov×Cov(i)+wDOP×DOP(i)+wEl×El(i)计算权重值W(i),其中,wcov为平均覆盖率Cov(i)的权值,wDOP为平均仰角El(i)的权值,wEl为平均定位精度DOP(i)的权值;步骤S1053,通过权重值W(i)取得最大值时的最大权重值W(i')对应的星座倾角i′,此时的星座倾角i′为该星座方案的最佳星座倾角。6.根据权利要求2所述的卫星联合导航方法,其特征在于,所述步骤S106中,通过STK仿真每个星座方案在最...

【专利技术属性】
技术研发人员:张钦宇胡有军张田田高厚莲张可洪靖轩
申请(专利权)人:哈尔滨工业大学深圳研究生院
类型:发明
国别省市:广东,44

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