一种基于低轨卫星多重覆盖场景下的快速定位方法技术

本发明专利技术公开了一种基于低轨卫星多重覆盖场景下的快速定位方法，针对巨型星座等卫星多重覆盖场景提出了一种实时或准实时定位技术，采用粗略位置估计和精确位置确定两个步骤来获得接收机位置。首先基于多重覆盖特性、卫星波束位置参数、伪距观测参数和多普勒观测参数估计出接收机的初始粗略位置；然后以估计位置为输入，进行多普勒定位，快速获得接收机位置；在卫星覆盖重数较多的情况下，可直接观测伪距进行三维绝对定位。该方法可使卫星通信系统在位置获取层面完全独立于GNSS，更安全可靠。

【技术实现步骤摘要】
一种基于低轨卫星多重覆盖场景下的快速定位方法
本专利技术涉及低轨卫星系统定位导航
，尤其涉及一种基于低轨卫星多重覆盖场景下的快速定位方法。
技术介绍
近年来，随着国内外商业航天事业的蓬勃发展，尤其是低轨卫星通信系统的研究与建设受到航天领域的重视，一大批从事低轨卫星系统研究、建设与运营的公司和机构如雨后春笋般涌现，大型、超大型甚至巨型星座规划多种多样。传统的低轨卫星星座卫星数量较少，如铱星系统除了少数区域，单重卫星覆盖是主流，而成千上万颗卫星组成的星座势必会带来多重卫星覆盖的应用场景。另一方面，由于系统运行时移动性管理过程中位置上报急需定位技术的支撑，而且低轨卫星通信系统的独立性、安全性和可靠性要求使得系统需要自己的定位技术，不再依赖于GNSS。所以定位技术研究是低轨卫星通信系统建设过程中必不可少的。在传统低轨卫星系统中，定位方法主要是多普勒定位方法，既有连续观测场景下的多普勒积分方法，也有时间间断观测场景下的多普勒测量方法，这种方法在“子午仪”系统中早有应用。然而这种方法定位精度不高，观测时间较长，不能实时定位。
技术实现思路
针对上述现有技术的不足，本专利申请所要解决的技术问题是：如何提供一种能够快速定位，结果准确性高，安全可靠的基于低轨卫星多重覆盖场景下的快速定位方法。为了实现上述目的，本专利技术采用了如下技术方案：一种基于低轨卫星多重覆盖场景下的快速定位方法，包括以下步骤：S1：接收机同时接收1～N号卫星广播信号，解析其中的卫星编号信息、卫星位置信息、卫星速度信息和波束位置信息并本地存储；S2：接收机同时接收1～N号卫星下发的测距信号，解析得到伪距观测量信息和多普勒观测量信息并本地存储；S3：判断接收机被覆盖的卫星数量N，若N≥4，则转到步骤S11；若N≤3，则转到步骤S4；S4：选定卫星编号m，筛选出接收机对应的接收到的波束位置信息，划定接收机所处位置的大致经纬度范围Φ1；S5：筛选卫星编号m的卫星位置信息和伪距观测量信息，划定接收机所处位置的大致位置范围Φ2；S6：筛选卫星编号m的卫星位置信息和多普勒观测量信息，划定接收机所处位置的大致曲线范围Φ3；S7：联合处理卫星编号m的粗估范围Φ1、Φ2和Φ3，得到基于卫星编号m的位置估计范围Ω1；S8：在卫星多重覆盖场景下，对覆盖接收机的所有卫星进行卫星编号m的卫星相同的操作处理步骤，即步骤S3～S7，得到卫星多重覆盖场景下接收机的位置粗估范围Ω2、…、ΩN；S9：联合处理卫星多重覆盖场景下接收机的位置粗估范围Ω1、…、ΩN，得到接收机最终的粗略估计位置R0；S10：以粗略估计位置R0为输入参数，利用卫星位置信息、卫星速度信息和连续多普勒观测量信息进行多普勒定位，得到接收机的精确位置R1；S11：选取其中DOP精度因子最小的4颗卫星的位置信息和相应的伪距观测量信息进行三维绝对定位，得到接收机的精确位置R1。进一步的，步骤S11中，所述三维绝对定位采用伪距定位原理。进一步的，所述伪距定位原理采用以下方式实现：其中，x(m),y(m),z(m)为卫星编号m的卫星的三维位置信息，x,y,z为接收机精确位置，δtu为接收机钟差,ρc(m)为卫星编号m的卫星与接收机之间的伪距观测量信息。进一步的，步骤S9中，所述粗略估计位置采用以下方法实现：采用波束位置信息、多普勒观测量信息、伪距观测量信息在多重覆盖场景下实现联合估计。进一步的，步骤S10中，进行多普勒定位时采用以下步骤：A1：将多普勒频移观测量fd转换成伪距率观测量ρ；A2：给定初值rb和以粗略位置估计R0作为初值rb；A3：计算偏导数矩阵G和观测量残差矩阵b；A4：利用最小二乘法计算rb和的修正量Δrb和Δδt；A5：利用修正量修正rb和A6：重复步骤A3和A4直到定位精度达到预设精度或迭代次数达到要求次数。进一步的，进行多普勒定位时采用以下公式实现：1)基于卫星广播信号构建待估参数的偏导数矩阵：其中vk、分别为k时刻卫星的速度向量、位置向量和第i次迭代得到的终端接收机的位置向量；根据最小二乘法的原理，计算偏导数矩阵G的公式如下：2)利用最小二乘法求得待估计参数第i次迭代计算的修正量为：[Δrb(i)Δδt(i)]＝(GTG)-1GTbrb(i)＝rb(i-1)+Δrb(i)δt(i)＝δt(i-1)+Δδt(i)本专利技术所述一种基于低轨卫星多重覆盖场景下的快速定位方法，采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：1)本专利技术的基于低轨卫星多重覆盖场景下的快速定位方法，充分利用巨型星座卫星多重覆盖特性，辅以波束位置、伪距和多普勒信息进行粗略位置估计，结果更准确；2)本专利技术的基于低轨卫星多重覆盖场景下的快速定位方法，充分利用巨型星座卫星多重覆盖特性，在覆盖重数至少为4时，直接利用伪距实时定位，可以达到类GNSS效果；3)本专利技术的基于低轨卫星多重覆盖场景下的快速定位方法，在获得更为准确的粗略位置估计后，利用多普勒定位方法进行定位时，观测量大大减少，观测时间也大大缩短。本专利技术所设计的一种基于低轨卫星多重覆盖场景下的快速定位方法，针对巨型星座等卫星多重覆盖场景提出了一种实时或准实时定位技术，采用粗略位置估计和精确位置确定两个步骤来获得接收机位置。在卫星覆盖重数较多的情况下，只需观测伪距进行定位，这样既能减少接收机的运算量，也能快速位置收敛。该方法可使卫星通信系统在位置获取层面完全独立于GNSS，更安全可靠。附图说明：图1为本专利技术基于低轨卫星多重覆盖场景下的快速定位方法的方法流程图；图2是本专利技术基于低轨卫星多重覆盖场景下粗略位置估计过程的示意图；图3是本专利技术基于低轨卫星多重覆盖场景下伪距定位原理示意图；图4是本专利技术基于低轨卫星多普勒定位示意图。具体实施方式下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。参照图1-图4，一种基于低轨卫星多重覆盖场景下的快速定位方法，包括以下步骤：S1：接收机同时接收1～N号卫星广播信号，解析其中的卫星编号信息、卫星位置信息、卫星速度信息和波束位置信息并本地存储；S2：接收机同时接收1～N号卫星下发的测距信号，解析得到伪距观测量信息和多普勒观测量信息并本地存储；S3：判断接收机被覆盖的卫星数量N，若N≥4，则转到步骤S11；若N≤3，则转到步骤S4；S4：选定卫星编号m，筛选出接收机对应的接收到的波束位置信息，划定接收机所处位置的大致经纬度范围Φ1；S5：筛选卫星编号m的卫星本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于低轨卫星多重覆盖场景下的快速定位方法，其特征在于，包括以下步骤：/nS1：接收机同时接收1～N号卫星广播信号，解析其中的卫星编号信息、卫星位置信息、卫星速度信息和波束位置信息并本地存储；/nS2：接收机同时接收1～N号卫星下发的测距信号，解析得到伪距观测量信息和多普勒观测量信息并本地存储；/nS3：判断接收机被覆盖的卫星数量N，若N≥4，则转到步骤S11；若N≤3，则转到步骤S4；/nS4：选定卫星编号m，筛选出接收机对应的接收到的波束位置信息，划定接收机所处位置的大致经纬度范围Φ

【技术特征摘要】
1.一种基于低轨卫星多重覆盖场景下的快速定位方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：接收机同时接收1～N号卫星广播信号，解析其中的卫星编号信息、卫星位置信息、卫星速度信息和波束位置信息并本地存储；
S2：接收机同时接收1～N号卫星下发的测距信号，解析得到伪距观测量信息和多普勒观测量信息并本地存储；
S3：判断接收机被覆盖的卫星数量N，若N≥4，则转到步骤S11；若N≤3，则转到步骤S4；
S4：选定卫星编号m，筛选出接收机对应的接收到的波束位置信息，划定接收机所处位置的大致经纬度范围Φ1；
S5：筛选卫星编号m的卫星位置信息和伪距观测量信息，划定接收机所处位置的大致位置范围Φ2；
S6：筛选卫星编号m的卫星位置信息和多普勒观测量信息，划定接收机所处位置的大致曲线范围Φ3；
S7：联合处理卫星编号m的粗估范围Φ1、Φ2和Φ3，得到基于卫星编号m的位置估计范围Ω1；
S8：在卫星多重覆盖场景下，对覆盖接收机的所有卫星进行卫星编号m的卫星相同的操作处理步骤，即步骤S3～S7，得到卫星多重覆盖场景下接收机的位置粗估范围Ω2、…、ΩN；
S9：联合处理卫星多重覆盖场景下接收机的位置粗估范围Ω1、…、ΩN，得到接收机最终的粗略估计位置R0；
S10：以粗略估计位置R0为输入参数，利用卫星位置信息、卫星速度信息和连续多普勒观测量信息进行多普勒定位，得到接收机的精确位置R1；
S11：选取其中DOP精度因子最小的4颗卫星的位置信息和相应的伪距观测量信息进行三维绝对定位，得到接收机的精确位置R1。


2.根据权利要求1所述的一种基于低轨卫星多重覆盖场景下的快速定位方法，其特征在于，步骤S11中，所述三维绝对定位采用伪距定位原理。


3.根据权利要求2所述的一种基于低轨卫星多重覆盖场景下的快速定位方法，其特征在于，所述伪距定位原理采用以下方式实现：


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【专利技术属性】
技术研发人员：杨波，
申请(专利权)人：东方红卫星移动通信有限公司，
类型：发明
国别省市：重庆;50