一种伪卫星侧向导航组网实现方法技术

本发明专利技术提供一种伪卫星侧向导航组网实现方法，其将伪卫星部署在服务区之外，其定义描述伪卫星导航组网性能的指标，在地理环境、平台特性、用户需求等约束条件的基础上，通过构建相应数学模型和指标函数，综合设计伪卫星最优组网目标函数；并采用最优化算法对伪卫星最优组网目标函数进行多维度精寻优，最后获得伪卫星导航组网最优方案。与现有技术相比，本发明专利技术所提出的伪卫星“侧向”组网方法，可以在不受导航服务区内恶劣因素影响的情况下，实现导航定位与增强。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及导航及其增强
，尤其涉及一种伪卫星侧向导航组网实现方 法。
技术介绍
从20世纪70年代的GPS研制初期至今，伪卫星得到了广泛应用。最初的伪卫星主要 用来测试地面接收机设备，而如今的伪卫星则可作为导航卫星星座的重要补充和增强资 源，在室内、地下等无法接收卫星导航信号的环境下替代导航卫星星座，为用户提供导航定 位服务。当前的伪卫星导航组网方式，主要有"正向"和"倒向"两种。"正向"方式将伪卫星部 署在服务区正上方，一般通过在浮空器或无人机上搭载导航信号源，并向下播发导航信号 实现；"倒向"方式是将伪卫星部署在服务区地面，一般通过在基站、车辆或舰船上搭载导航 信号源，并向上播发导航信号实现。 然而，针对灾区或气象条件恶劣等区域，"正向"和"倒向"部署伪卫星十分困难。这 是因为灾区或气象条件恶劣区域的上空和地面伪卫星平台工作风险大，很有可能被自然灾 害所摧毁，同时维护和维修十分不便。
技术实现思路
为解决上述技术问题，本专利技术提供，"侧向"即 通过将伪卫星部署在灾区和气象恶劣区域之外，充分利用可部署区内的地面设施，实现有 效的时空基准统一，具有工作安全可靠、维护与维修方便、备份补充便捷的优势。 本专利技术是通过以下技术方案实现： -种伪卫星侧向导航组网实现方法，其包括以下步骤： 步骤1，以m颗伪卫星部署在导航服务区之外为前提条件，设计m颗伪卫星在导航服 务区之外的最优组网目标函数E( {PSJ ): 其中，j = l，2…m，GDOPiAPS)})是部署伪卫星位置坐标的集合误差函数； 八￥3；[1&13；[1〖7({?5」})是导航服务区内采样点处的可视伪卫星的最大可用和函数，'\￥1、'\￥2为指 标权重;且：，⑶OPi是第i个采样点的有效⑶0P值，i = l，2."n，n为 导航服务区内均匀分布的有效观测采样总点数；，tr( ·)为求矩阵 的迹，将第j个伪卫星的位置坐标表示为^AS?) '导航服务区内第i个采样点 的坐标表示为s; =(S'41,S':.,S) '则有 其 中，availablePLnumber(i)为第i个采样点可用伪卫星数量； W1+W2 = 1; 步骤2,利用最优化算法对最优组网目标函数E({PSj)进行多维度精寻优，获得伪 卫星导航组网最优方案，根据该伪卫星导航组网最优方案在服务区之外部署伪卫星。 效果较好的，wi = 0.1、W2 = 0.9。 与现有的技术相比，本专利技术的有益效果是： 本专利技术将伪卫星部署在服务区之外，其定义描述伪卫星导航组网性能的指标，在 地理环境、平台特性、用户需求等约束条件的基础上，通过构建相应数学模型和指标函数， 综合设计伪卫星最优组网目标函数;并采用最优化算法对伪卫星最优组网目标函数进行多 维度精寻优，最后获得伪卫星导航组网最优方案。与现有技术相比，本专利技术所提出的伪卫星 "侧向"组网方法，可以在不受导航服务区内恶劣因素影响的情况下，实现导航定位与增强。【附图说明】 图la为本专利技术四颗伪卫星最优侧向部署俯视图； 图lb为本专利技术四颗伪卫星最优侧向部署示意图；图2a为本专利技术四颗伪卫星最优侧向部署⑶0P值3D图； 图2b为本专利技术四颗伪卫星最优侧向部署⑶0P值的分布图； 图3为本专利技术四颗伪卫星侧向部署服务区覆盖性分析图； 图4a为本专利技术六颗伪卫星最优侧向部署俯视图； 图4b为本专利技术六颗伪卫星最优侧向部署示意图；图5a为本专利技术六颗伪卫星最优侧向部署⑶0P值3D图；图5b为本专利技术六颗伪卫星最优侧向部署⑶0P值的分布图； 图6为本专利技术六颗伪卫星侧向部署服务区覆盖性分析图； 图7为本专利技术的伪卫星侧向导航组网实现方法示意图。【具体实施方式】 为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对 本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并 不用于限定本专利技术。 如图7所示，，其包括以下步骤：步骤1，将伪卫星部署在导航服务区之外，定义描述伪卫星导航组网性能的指标， 在地理环境、平台特性、用户需求等约束条件的基础上，通过构建相应数学模型和指标函 数，以综合设计伪卫星最优组网目标函数，该伪卫星最优组网目标函数表示为 GDOP({/^.*)-f u·, 0其中，j = 1，2…m，是平均GDOP值，GDOP是位置误差几何误差系数;PSj是第j 颗伪卫星部署的位置坐标，{PS」}是伪卫星部署的位置坐标集合，反^(.丨AS,!.)是部署伪 卫星位置坐标的集合误差函数;Availability是导航服务区内采样点处达到最多可用伪卫 星个数，Availabilty({PSj})是服务区内采样点处的可视伪卫星的最大可用和函数，W1、W2 为指标权重。通常来讲，伪卫星平台组网的性能指标描述主要有：导航增强服务区域的GD0P值 和伪卫星的可用性，它们是评价组网效果的基本依据，下面分别对其进行数学定义： (1)⑶0P值与 详见目标函数部分。 (3)最大可用性 MaxVisiblei 考虑到用户可观测伪卫星数量对导航性能有很大的影响，定义最大可用性指标。 其中，visiblePLnumber为采样点可用伪卫星数量;其计算方法是导航服务区内第 i个观测采样点的可用伪卫星数量等于伪卫星总数时，记为vailablei = l，认为全部伪卫星 对该采样点可用，否则记为vailablei = 0。该指标用于判断所有伪卫星能否对导航增强区 域内观测采样点完全可用，间接描述了伪卫星导航增强网络对区域可用性的贡献程度。 综上，本专利技术考虑以增强服务区有效平均GD0P值和最大可用星数量为指标构造目 标函数如下：厂Π 朽,.丨)=叫GDOP{丨RS,丨)+ %。，⑶〇Pi是第i个采样点的有效⑶0Ρ值，i = 1，2… n，n为导航服务区内均匀分布的有效观测采样总点数；求矩阵的迹，将第j个伪卫星的位置坐标表示为q ,导航服务区内第i 个采样点的坐标表示为sy =饮4, si),则有 中，availablePL number(i)为第i个采样点可用伪卫星数量;wi+W2 = l，wi、W2为指标权重， 用于综合各项指标，以控制最终导航组网性能；为了防止最优化算法趋于减少可用伪卫星 数量来降低反又分，通常将《2设置为一个较大的数。 本例中wi = 0 · 1，W2 = 0 · 9。 步骤2，使用最优化算法如MATLAB PSO too 1 box 的a par t i c 1 e swarm optimization algorithm(PSO)算法搜索伪卫星"侧向"最优组网方案。 设导航服务区范围X，高度6km。伪卫星部署范围 X X 。通过针对4颗和6颗伪卫星组网方案的分析(分别对应 实例1和实例2)。 实施例1: 通过PS0算法求取目标函数E( ·)的最小值，获得四颗伪卫星的侧向最优部署位置 为：（119。，38。，30km)，（119。，31.12。，30km)，（116.89。，37.93。，0.8km)，（119。，44.9。， 30km)。伪卫星组网示意图如图la和图lb所示，其中点阵为导航服务区，圈为伪卫星。此种侧向部署方式使导航增强区域⑶0P的平均值在5.8左右，最小值为1.9771，最 大值为9.59本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种伪卫星侧向导航组网实现方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，以m颗伪卫星部署在导航服务区之外为前提条件，设计m颗伪卫星在导航服务区之外的最优组网目标函数E({PSj})：E({PSj})=w1GDOP‾({PSj})+w2[Availabilty({PSj})-n]]]>其中，j＝1,2…m，是部署伪卫星位置坐标的集合误差函数；Availabilty({PSj})是导航服务区内采样点处的可视伪卫星的最大可用和函数，w1、w2为指标权重；且:GDOPi是第i个采样点的有效GDOP值，i＝1,2…n，n为导航服务区内均匀分布的有效观测采样总点数；tr(·)为求矩阵的迹，将第j个伪卫星的位置坐标表示为导航服务区内第i个采样点的坐标表示为则有：Gi=cosα1icosβ1icosγ1i1cosα2icosβ2icosγ2i1·······&CenterDot;····cosαjicosβjicosγji1············cosαmicosβmicosγmi1,]]>其中，cosαji=(PSxj-Sxi)dji,cosβji=(PSyj-Syi)dji,cosγji=(PSzj-Szi)dji,]]>dji=(PSxj-Sxi)2+(PSyj-Syi)2+(PSzj-Szi)2;]]>Availabilty({PSj})=Σi=1nMaxVisiblei,MaxVisiblei=1,if available PL number(i)=m0,if available PL number(i)<m,]]>其中，availablePL number(i)为第i个采样点可用伪卫星数量；w1+w2＝1；步骤2，利用最优化算法对最优组网目标函数E({PSj})进行多维度精寻优，获得伪卫星导航组网最优方案，根据该伪卫星导航组网最优方案在服务区之外部署伪卫星。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：李大朋，曲艺，邓平科，陈潇，刘婷，曾陵川，
申请(专利权)人：中国科学院光电研究院，
类型：发明
国别省市：北京;11