一种基于低轨稀疏星座的蓝绿激光对潜艇高精度定位方法技术

本发明专利技术公开了一种基于低轨稀疏星座的蓝绿激光对潜艇高精度定位方法，卫星导航应用技术领域，本发明专利技术将蓝绿激光通信测距一体化与低轨卫星自身精密定轨结合，通过低轨星座与潜艇多次通信测距观测值，联合潜艇高程测量信息，从而实现潜艇的水下实时高精度定位。本发明专利技术基于低轨卫星的蓝绿激光星潜双向通信覆盖性好、隐蔽性强的特点，在激光通信中增加载波相位调制，实现潜艇激光接收器的被动伪距测量，获取卫星和潜艇的距离。潜艇依据卫星星历在星座覆盖区域，间隔1‑4min完成至少两次通信测距和导航电文接收，采用两组测距和轨道数据，联合高程测量信息进行定位解算。本发明专利技术克服了潜艇通信和导航定位的局限，大幅度提升潜艇的定位精度，以及潜艇的战场作战能力。

A blue-green laser positioning method for submarine based on low orbit sparse constellation

【技术实现步骤摘要】
一种基于低轨稀疏星座的蓝绿激光对潜艇高精度定位方法
本专利技术涉及卫星导航应用
，尤其涉及一种基于低轨稀疏星座的蓝绿激光对潜艇高精度定位方法。
技术介绍
潜艇具有隐蔽性强、高效打击和长时间续航的优势，是国家现代化军事力量的重要组成部分。由于潜艇特殊的工作环境，在对其信息传输和导航定位方面都存在较多问题。特别是对潜艇定位，由于电磁波信号穿透海水的能力极差，潜艇在水下不能使用GNSS(GlobalNavigationSatelliteSystem全球导航卫星系统)卫星导航，亟需有效的解决方案。
技术实现思路
本专利技术提供一种基于低轨稀疏星座的蓝绿激光对潜艇高精度定位方法，本专利技术基于低轨卫星精密定轨和蓝绿激光通信测距一体化研究基础，依托星载蓝绿激光平台对潜通信测距，设计基于低轨星座的对潜定位算法，实现潜艇水下有效定位，克服潜艇水下定位难的问题。为达到上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种基于低轨稀疏星座的蓝绿激光对潜高精度定位方法，包括：S1、根据低轨星座对潜艇的定位解算、覆盖面积、覆盖时长需求设计三颗卫星组成的低轨稀疏星座。低轨稀疏星座包含三颗卫星，对低轨稀疏星座的约束条件包括轨道高度、轨道倾角、覆盖范围和重访时间。低轨稀疏星座参数构型的优化设计，包括轨道高度、轨道倾角、升交点赤经等差序列和真近点角。S2、组成所述低轨稀疏星座的低轨卫星发送蓝绿激光信号，所述激光信号包括测距标识和测试时刻的计时信息。测距标识和计时信息是激光通信测距的内容，激光通信通过在光束载波的码里添加测距的标识位，来表明测距需求。计时信息是通过测距标志位来获取的。S3、待测潜艇采集所述激光信号，解调出所述测距标识和测试时刻的计时信息。待测潜艇依据所述测距标识和计时信息，结合本地时标，同步得到所述测试时刻的计时信息在本地时标下所映射的时刻。S4、根据所述测试时刻的计时信息进行伪距测量。S5、经过采样间隔时间，重复执行S1-S4，得到两个测试时刻的伪测距值，根据低轨卫星在所述测量时刻的位置坐标和潜艇的高程测量值，计算得到潜艇的位置坐标。进一步的，所述低轨稀疏星座的参数为：可见轨道高度为900-1000km，轨道倾角为20°，升交点赤经分别为0°、20°和40°，真近点角分别为0°、5°和330°。进一步的，所述S4包括：假设卫星与潜艇间存在时差ΔtΔt＜min(τtN+RNM+τrM,τtM+RMN+τrN)其中，发送时延为τt、接收时延为τr，RNM为测距对象之间的距离，即卫星和潜艇的距离，M，N表征了两个潜艇和卫星两个测距对象，实际计时信息可以表示为：TM为星上计时信息，TN为卫星计时信息；则测距体制为将测距体制R标记为所述伪距测量。进一步的，在所述S5中，潜艇位置的解算方法包括：伪测距值和潜艇的高程测量值为：式中，ρt,i表示t1,t2时刻第i个卫星的伪距观测值，(xt,i,yt,i,zt,i)(t＝t1,t2；i＝1,2,3)为3颗卫星在ECEF(Earth-Centered,Earth-Fixed地心地固坐标系)坐标系下位置坐标，δtμ为潜艇与卫星间等效钟差距离，Re为地球半径，f为地球偏心率，H为潜艇在ECEF坐标系下的高程测量结果，εi表示伪距测量过程中激光在空气、水下传播、测量间隔期间的组合误差，ε表示高程测量误差，xu、yu、zu分别为潜艇坐标的三维坐标值；其中，待估计量包括xu、yu、zu、δtμ，将方程组(1)中的非线性方程在[Xk-1,δtu,k-1]T处进行线性化，k-1表示迭代历元，Xk-1为第k-1个历元的待估计参数，T表示矩阵转置，其中对所述待估计量的偏导数矩阵G和偏差输出量矩阵b如下所示：上标s表示卫星编号，下标u表示用户编号，计算出偏导数矩阵G和偏差输出量矩阵b后，利用最小二乘法求解位置改正量ΔXu和激光接收机钟差改正量dδtu，如式(2)所示，[ΔXu,Δδtu]＝(GTG)-1GTb(2)并利用位置改正量ΔXu和激光接收机钟差改正量dδtu修正位置和接收机钟差估计值，如式(3)所示，Xu,k-1、δtu,k-1与Xu,k、δtu,k分别表示k-1历元与当前k历元的位置、钟差估计参数，ΔXu,Δδtu表示k-1历元到当前k历元的修正量；当修正量满足设定的精度要求或迭代次数达到迭代上限则输出潜艇坐标Xu＝[xu,yu,zu]和激光接收机钟差δtu。本专利技术的有益效果是：本专利技术在蓝绿激光通信测距一体化及低轨卫星导航增强精密定轨的发展趋势下，结合三星无源定位和单星多普勒定位原理，设计三颗低轨卫星组成的稀疏星座，依托星载蓝绿激光实现对潜艇通信测距，获取伪距观测量，潜艇在星座过境期间完成多次数据接收，联合高程测量信息实现潜艇的水下高精度定位。本专利技术在现有蓝绿激光对潜通信、激光通信测距一体化、低轨卫星精密定位等技术基础上，设计搭载蓝绿激光发射器的三颗卫星组成的低轨稀疏星座，利用蓝绿激光在对潜艇通信测距，在星座过境期间获取多组伪距观测值，联合潜艇高程测量信息进行最小二乘解算，进而实现满足潜艇水下定位和隐蔽性需求的导航定位服务。本专利技术通过低轨稀疏星座几何构型、卫星过境覆盖时间、覆盖期间PDOP(positiondilutionofprecision位置精度强弱度)变化情况等进行数据处理和定位结果分析，最终确认相对最优的星座构型和定位方案，潜艇可依据星座星历预测最优过境时间窗口和覆盖区域，采取合适的测距采样间隔，从而提升导航定位服务时长和质量。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。图1是低轨星座与潜艇多次通信测距原理图；图2是低轨稀疏星座对潜艇覆盖图；图3是低轨稀疏星座对潜艇定位技术流程图；图4是星座过境期间PDOP变化情况；图5是不同采样间隔对PDOP和定位精度的影响；图6是伪距测量的原理示意图。具体实施方式为使本领域技术人员更好地理解本专利技术的技术方案，下面结合具体实施方式对本专利技术作进一步详细描述。本专利技术实施例提供一种基于低轨稀疏星座的蓝绿激光对潜艇高精度定位方法，所适用的低轨星座与潜艇通信测距原理图示如图1所示，所述低轨稀疏星座对潜艇覆盖通信如图2所示，所述低轨稀疏星座对潜艇定位技术流程如图3所示。定位方法包括：S1、设计组成三颗卫星的低轨稀疏星座。本实施例中卫星轨道倾角的选取与地面目标区域的纬度相结合，设计在15-25°间。考虑低轨稀疏星座对潜艇定位的隐蔽性需求，低轨卫星导航定位时观测值的相关性较强的约束条件，以及星座的寿命及空间环境影响，将轨道高度选择本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于低轨稀疏星座的蓝绿激光对潜艇高精度定位方法，其特征在于，包括:/nS1、根据低轨星座对潜艇定位解算、覆盖面积、覆盖时长的需求设计由三颗卫星组成的低轨稀疏星座；/nS2、组成所述低轨稀疏星座的低轨卫星发送蓝绿激光信号，所述激光信号包括测距标识和测试时刻的计时信息；/nS3、待测潜艇采集所述激光信号，解调出所述测距标识和测试时刻的计时信息；/n待测潜艇依据所述测距标识和计时信息，结合本地时标，同步得到所述测试时刻的计时信息在本地时标下所映射的时刻；/nS4、根据所述测试时刻的计时信息进行伪距测量；/nS5、经过采样间隔时间，重复执行S1-S4，得到两个测试时刻的伪测距值，根据低轨卫星在所述测量时刻的位置坐标和潜艇的高程测量值，计算得到潜艇的位置坐标。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于低轨稀疏星座的蓝绿激光对潜艇高精度定位方法，其特征在于，包括:
S1、根据低轨星座对潜艇定位解算、覆盖面积、覆盖时长的需求设计由三颗卫星组成的低轨稀疏星座；
S2、组成所述低轨稀疏星座的低轨卫星发送蓝绿激光信号，所述激光信号包括测距标识和测试时刻的计时信息；
S3、待测潜艇采集所述激光信号，解调出所述测距标识和测试时刻的计时信息；
待测潜艇依据所述测距标识和计时信息，结合本地时标，同步得到所述测试时刻的计时信息在本地时标下所映射的时刻；
S4、根据所述测试时刻的计时信息进行伪距测量；
S5、经过采样间隔时间，重复执行S1-S4，得到两个测试时刻的伪测距值，根据低轨卫星在所述测量时刻的位置坐标和潜艇的高程测量值，计算得到潜艇的位置坐标。


2.根据权利要求1所述的一种基于低轨稀疏星座的蓝绿激光对潜艇高精度定位方法，其特征在于，所述低轨稀疏星座的参数为：
可见轨道高度为900-1000km，轨道倾角为20°，升交点赤经分别为0°、20°和40°，真近点角分别为0°、5°和330°。


3.根据权利要求1所述的一种基于低轨稀疏星座的蓝绿激光对潜艇高精度定位方法，所述S4包括：
假设卫星与潜艇间存在时差Δt
Δt＜min(τtN+RNM+τrM,τtM+RMN+τrN)
其中，发送时延为τt、接收时延为τr，RNM为测距对象之间的距离，即卫星和潜艇的距离，M，N表征了两个潜艇和卫星两个测距对象，实际计时信息可以表示为：



TM为星上计时信息，TN为卫星计时信息；
则测距体制为



将测距体制R标记为所述伪距测量。


4.根据权利要求1所述的一种基于低轨稀疏星座的...

【专利技术属性】
技术研发人员：康国华，徐伟证，刘佳露，张琪，张晗，张文豪，华寅淼，吴佳奇，赵腾，魏建宇，刘奇弦，王强，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32