本發(fā)明涉及一種導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計方法，尤其涉及一種衛(wèi)星聯(lián)合導(dǎo)航的設(shè)計方法。
背景技術(shù)：
：全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GlobalNavigationSatelliteSystem,GNSS)主要有GPS(GlobalPositioningSystem)、北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)BDS(BeiDouNavigationSystem)、格洛納斯(GLONASS)以及伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(GALLILEO)，其主要的作用是可以在地球表面或近地空間的任何地點為用戶提供全天候的三維坐標和速度以及時間信息的空基無線電導(dǎo)航定位。而進一步的發(fā)展過程中出現(xiàn)的分布式衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，差分增強，星間鏈路等相關(guān)技術(shù)的發(fā)展可以使得衛(wèi)星系統(tǒng)對于區(qū)域的導(dǎo)航定位能力達到了米級，其廣泛應(yīng)用于授時，導(dǎo)航，定位，氣象，測繪，交通等生活各個方面。與此同時，具有低成本、易部署、研發(fā)周期短等特點的小衛(wèi)星成為新技術(shù)、新系統(tǒng)、新概念演示驗證的重要方式。小衛(wèi)星形成的多星低軌通信衛(wèi)星星座，能夠提供無人數(shù)據(jù)采集和戰(zhàn)場短報文通信的能力，在導(dǎo)航通信領(lǐng)域，引入小衛(wèi)星能有效進行信號覆蓋增強，提高系統(tǒng)的穩(wěn)健性、覆蓋范圍和定位精度。而在小衛(wèi)星體系概念創(chuàng)新領(lǐng)域，快速響應(yīng)空間和提高軍事作戰(zhàn)效能的空間系統(tǒng)等項目相繼提出進一步的增加了小衛(wèi)星技術(shù)的應(yīng)用場景，通過一箭多星技術(shù)和利用空間站快速部署組成星座系統(tǒng)，可向前線基層作戰(zhàn)人員快速，按需提供實時的戰(zhàn)場數(shù)據(jù)，取得戰(zhàn)場的信息非對稱情況下的主導(dǎo)優(yōu)勢?，F(xiàn)在僅可通過全球?qū)Ш较到y(tǒng)才能實現(xiàn)目標區(qū)域或全球的導(dǎo)航服務(wù)，于我國來說，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)具有覆蓋范圍廣，工作壽命長，全天候工作的優(yōu)點，但在實際環(huán)境中面臨諸多挑戰(zhàn)：一、部署時間長，成本高；太空中物理與電磁打擊都會對衛(wèi)星功能造成嚴重破壞，衛(wèi)星本身的通信與其他功能在諸多干擾的條件下也會停止服務(wù)。重新彌補缺失的系統(tǒng)衛(wèi)星部署時間較長，發(fā)射成本相比小衛(wèi)星高出數(shù)倍。二、高軌位資源有限；所有GNSS的GEO同步衛(wèi)星及IGSO衛(wèi)星都在高軌位，稀缺的軌位資源成為各個國家競爭的對象?？砂l(fā)射的衛(wèi)星數(shù)目十分有限。三、衛(wèi)星復(fù)用率低；對于GPS，BDS等衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，衛(wèi)星的復(fù)用率較低，除完成系統(tǒng)本身的指定任務(wù)外，其還可以聯(lián)合其他系統(tǒng)外的衛(wèi)星完成其他功能，避免衛(wèi)星資源被閑置。四、導(dǎo)航精度有限；對于GNSS的全球覆蓋來說，要實現(xiàn)局部區(qū)域的高精度導(dǎo)航要求是不夠的，且對于尚未完善的BDS，或是缺失衛(wèi)星的其他GNSS來說，完成一些盲點區(qū)域的導(dǎo)航更需要其他衛(wèi)星的輔助?？煽焖佥o助導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)，提高特定區(qū)域覆蓋精度的最佳選擇便是低軌小衛(wèi)星。低軌位小衛(wèi)星具有部署時間少、成本低、性能好和研制周期短等特點，且軌位資源豐富等優(yōu)點，但單獨用于導(dǎo)航系統(tǒng)的建設(shè)的時候存在有一些缺點，比如覆蓋范圍有限，一般用于低軌的小衛(wèi)星較多，由于其軌道較低，對于地面覆蓋的范圍有限，如果目標區(qū)域面積較大，所需要的低軌小衛(wèi)星數(shù)量較多，這也會造成太空垃圾的產(chǎn)生。技術(shù)實現(xiàn)要素：本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是需要提供一種能夠結(jié)合北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)與小衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)組建的衛(wèi)星聯(lián)合導(dǎo)航方法，并實現(xiàn)對特定區(qū)域的高精度覆蓋，并進一步實現(xiàn)系統(tǒng)最小化設(shè)計和有效提升資源利用率的目的。對此，本發(fā)明提供一種衛(wèi)星聯(lián)合導(dǎo)航方法，包括以下步驟：步驟S1，建立基于共地面軌跡星座的小衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)；步驟S2，基于回刪模型篩選北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)和小衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，以組成衛(wèi)星聯(lián)合導(dǎo)航系統(tǒng)；步驟S3，通過參數(shù)選擇優(yōu)化所述衛(wèi)星聯(lián)合導(dǎo)航系統(tǒng)。本發(fā)明的進一步改進在于，所述步驟S1包括以下子步驟：步驟S101，選定目標區(qū)域和軌道周期；步驟S102，計算小衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的導(dǎo)航星座衛(wèi)星總個數(shù)的下限值N；步驟S103，根據(jù)導(dǎo)航星座衛(wèi)星總個數(shù)的下限值N，列舉所有適合做導(dǎo)航星座的星座方案；步驟S104，計算每個星座方案的相鄰兩個軌道面之間的升交點赤經(jīng)差ΔΩ和同一軌道面相鄰衛(wèi)星的平近點角差△M；步驟S105，得到每個星座方案的最佳星座傾角；步驟S106，比較每個星座的定位性能，并通過定位精度驗證確定其中一個星座方案作為所述小衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。本發(fā)明的進一步改進在于，所述步驟S102中，通過公式計算小衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的導(dǎo)航星座衛(wèi)星總個數(shù)的下限值N，其中，θ為共地面軌跡星座中相鄰兩顆衛(wèi)星的圓心與地心連線之間的半夾角；n為一個恒星日內(nèi)衛(wèi)星繞地球的運動圈數(shù)，n為整數(shù)。本發(fā)明的進一步改進在于，所述步驟S104中，通過公式NsΔΩ＝NeΔω或者NsΔΩ-NeΔω＝Ne2kπ計算每個星座方案的相鄰兩個軌道面之間的升交點赤經(jīng)差ΔΩ，其中，Ns為小衛(wèi)星圍繞地球的運動圈數(shù)，Ne是地球的自轉(zhuǎn)圈數(shù)，Δω是位于不同軌道平面上任意兩顆衛(wèi)星的相對相位。本發(fā)明的進一步改進在于，所述步驟S105包括以下子步驟：步驟S1051，利用STK建模仿真得到每個星座方案在不同星座傾角時的平均覆蓋率Cov(i)、平均仰角El(i)和平均定位精度DOP(i)；步驟S1052，根據(jù)公式W(i)＝wcov×Cov(i)+wDOP×DOP(i)+wEl×El(i)計算權(quán)重值W(i)，其中，wcov為平均覆蓋率Cov(i)的權(quán)值，wDOP為平均仰角El(i)的權(quán)值，wEl為平均定位精度DOP(i)的權(quán)值；步驟S1053，通過權(quán)重值W(i)取得最大值時的最大權(quán)重值W(i')對應(yīng)的星座傾角i’，此時的星座傾角i’為該星座方案的最佳星座傾角。本發(fā)明的進一步改進在于，所述步驟S106中，通過STK仿真每個星座方案在最佳星座傾角時兩個以上測試點的衛(wèi)星連接個數(shù)NOA、幾何定位精度GDOP、位置定位精度PDOP、水平定位精度HDOP和垂直定位精度VDOP，然后對兩個以上測試點的衛(wèi)星連接個數(shù)NOA、幾何定位精度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，進而選取衛(wèi)星連接個數(shù)NOA越大且方差越小以及幾何定位精度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為最佳星座方案；通過定位精度驗證判斷所述最佳星座方案的衛(wèi)星總個數(shù)的下限值N是否滿足定位要求，若是則以此最佳星座方案作為所述小衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，并結(jié)束；若否則增加衛(wèi)星總個數(shù)的下限值N的值，并返回步驟S103。本發(fā)明的進一步改進在于，所述步驟S2包括以下子步驟：步驟S2011，定義北斗衛(wèi)星選擇矩陣為其維度為1×m，表示的是共有m顆北斗衛(wèi)星可用來對目標區(qū)域進行覆蓋，當(dāng)選擇第i顆北斗衛(wèi)星則當(dāng)?shù)趇顆北斗衛(wèi)星可用但不選擇進行覆蓋則定義小衛(wèi)星選擇矩陣為其維度為1×M,表示的是共有M顆小衛(wèi)星可用來對目標區(qū)域進行覆蓋，當(dāng)選擇第j顆小衛(wèi)星則當(dāng)?shù)趈顆小衛(wèi)星可用但不選擇進行覆蓋則i和j為整數(shù)；步驟S2012，把衛(wèi)星的服務(wù)時間，按照步長1秒按時間序列展開，可以得到一個衛(wèi)星的服務(wù)時間矩陣，維度為1×T,T是周期，則所有衛(wèi)星的服務(wù)時間矩陣為和其中，LBD是北斗衛(wèi)星服務(wù)矩陣，bij＝1表示第i顆北斗衛(wèi)星在j時隙可用；LLEO表示小衛(wèi)星服務(wù)時間矩陣，lij＝0表示第i顆小衛(wèi)星在j時隙不可用。本發(fā)明的進一步改進在于，所述步驟S3中，在可行衛(wèi)星組合的集合中根據(jù)精度條件與可見衛(wèi)星數(shù)量實現(xiàn)優(yōu)化，得到最后的衛(wèi)星組合方案。本發(fā)明的進一步改進在于，所述步驟S3中，通過公式滿足對目標區(qū)域的多重覆蓋要求，其中，Θ∈R1*T,Θ為覆蓋重數(shù)門限矩陣，H∈R1*(m+M)，L∈R(m+M)*T，H為服務(wù)矩陣，L為服務(wù)矩陣，R為實數(shù)域，且取值僅為0值或1值；即R為取值為0或1的矩陣。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果：設(shè)計了基于共地面軌跡星座的小衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，并通過回刪模型實現(xiàn)了北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)與小衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)之間有機結(jié)合的衛(wèi)星聯(lián)合導(dǎo)航方法，主要解決的問題是空間快速響應(yīng)及覆蓋加強。本發(fā)明在北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)對目標區(qū)域無覆蓋時，通過共地面軌跡星座設(shè)計的小衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(基本導(dǎo)航系統(tǒng))實現(xiàn)快速導(dǎo)航服務(wù)；在焦點區(qū)域北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)無法滿足基本覆蓋或精度要求的條件下，提出了一種所述衛(wèi)星聯(lián)合導(dǎo)航方法，在基本導(dǎo)航系統(tǒng)的基礎(chǔ)上設(shè)計出了小衛(wèi)星和北斗有機結(jié)合的衛(wèi)星聯(lián)合導(dǎo)航方法，提高了定位精度，減少了衛(wèi)星發(fā)射成本，實現(xiàn)了導(dǎo)航系統(tǒng)的最小化設(shè)計，使得所述衛(wèi)星聯(lián)合導(dǎo)航方法及其衛(wèi)星聯(lián)合導(dǎo)航系統(tǒng)的資源利用率得以大幅度提升。附圖說明圖1是本發(fā)明一種實施例的工作流程示意圖；圖2是本發(fā)明一種實施例設(shè)計小衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的工作流程示意圖；圖3是本發(fā)明一種實施例中計算星座方案的最佳星座傾角的工作流程示意圖；圖4是本發(fā)明一種實施例的衛(wèi)星覆蓋帶寬度計算示意圖；圖5是本發(fā)明一種實施例的回刪模型服務(wù)時間補償原理圖；圖6是本發(fā)明一種實施例的不同星座方案在軌道平面數(shù)目P＝4、每個軌道平面衛(wèi)星數(shù)量S＝7時的定位精度DOP的仿真對比圖；圖7是本發(fā)明一種實施例在軌道平面數(shù)目P＝4、每個軌道平面衛(wèi)星數(shù)量S＝7時的衛(wèi)星連接個數(shù)NOA的概率分布仿真圖；圖8是本發(fā)明一種實施例的不同星座方案在軌道平面數(shù)目P＝7、每個軌道平面衛(wèi)星數(shù)量S＝4時的定位精度DOP的仿真對比圖；圖9是本發(fā)明一種實施例在軌道平面數(shù)目P＝7、每個軌道平面衛(wèi)星數(shù)量S＝4時的衛(wèi)星連接個數(shù)NOA的概率分布仿真圖。具體實施方式下面結(jié)合附圖，對本發(fā)明的較優(yōu)的實施例作進一步的詳細說明。如圖1和圖2所示，本例提供一種衛(wèi)星聯(lián)合導(dǎo)航方法，包括以下步驟：步驟S1，建立基于共地面軌跡星座的小衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)；步驟S2，基于回刪模型篩選北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)和小衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，以組成衛(wèi)星聯(lián)合導(dǎo)航系統(tǒng)；所述衛(wèi)星聯(lián)合導(dǎo)航系統(tǒng)也就是北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)和小衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)有機結(jié)合后形成的新的異構(gòu)導(dǎo)航系統(tǒng)，該衛(wèi)星聯(lián)合導(dǎo)航系統(tǒng)其實就是所述衛(wèi)星聯(lián)合導(dǎo)航方法所對應(yīng)的聯(lián)合導(dǎo)航系統(tǒng)；步驟S3，通過參數(shù)選擇優(yōu)化所述衛(wèi)星聯(lián)合導(dǎo)航系統(tǒng)。也就是說，本例主要分兩部分內(nèi)容，第一部分是考慮沒有可用北斗導(dǎo)航衛(wèi)星的條件下，使用基于共地面軌跡星座的低軌小衛(wèi)星構(gòu)建基本導(dǎo)航系統(tǒng)，實現(xiàn)導(dǎo)航定位解算；第二部分是考慮北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)對于特定區(qū)域無法滿足較高精度覆蓋時，利用構(gòu)建異構(gòu)導(dǎo)航衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)提出的回刪模型，所述回刪模型BTD模型(BackTracingDeletionModel)，將小衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(基本導(dǎo)航系統(tǒng))與北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BDS)實現(xiàn)有機結(jié)合構(gòu)建小衛(wèi)星和北斗之間的衛(wèi)星聯(lián)合導(dǎo)航方法，進而得到該衛(wèi)星聯(lián)合導(dǎo)航方法對應(yīng)的導(dǎo)航系統(tǒng)。本例所述小衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)也稱衛(wèi)星基本導(dǎo)航系統(tǒng)，是以共地面軌跡星座理論為基礎(chǔ)，在滿足所要求的覆蓋率、定位精度需求的基礎(chǔ)之上使用最少數(shù)目的LEO小衛(wèi)星針對特定的目標區(qū)域提供導(dǎo)航服務(wù)，其設(shè)計和系統(tǒng)建立過程如圖2和圖3所示。如圖2所示，本例所述步驟S1包括以下子步驟：步驟S101，選定目標區(qū)域和軌道周期；步驟S102，計算小衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的導(dǎo)航星座衛(wèi)星總個數(shù)的下限值N；步驟S103，根據(jù)導(dǎo)航星座衛(wèi)星總個數(shù)的下限值N，列舉所有適合做導(dǎo)航星座的星座方案；步驟S104，計算每個星座方案的相鄰兩個軌道面之間的升交點赤經(jīng)差ΔΩ和同一軌道面相鄰衛(wèi)星的平近點角差△M；步驟S105，得到每個星座方案的最佳星座傾角；步驟S106，比較每個星座的定位性能，并通過定位精度驗證確定其中一個星座方案作為所述小衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。具體的，本例所述步驟S101中，選定需要被提供導(dǎo)航服務(wù)的區(qū)域，也就是衛(wèi)星的覆蓋區(qū)域作為目標區(qū)域，確定LEO小衛(wèi)星的軌道高度h，根據(jù)衛(wèi)星的軌道高度h即可確定所有LEO小衛(wèi)星的軌道周期(根據(jù)萬有引力公式可以得到)，本例將所述LEO小衛(wèi)星簡稱小衛(wèi)星。本例所述步驟S102中，通過公式計算小衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的導(dǎo)航星座衛(wèi)星總個數(shù)的下限值N，其中，θ為共地面軌跡星座中相鄰兩顆衛(wèi)星的圓心與地心連線之間的半夾角；n為一個恒星日內(nèi)衛(wèi)星繞地球的運動圈數(shù)，n為整數(shù)。根據(jù)所述步驟S101中選定的目標區(qū)域和軌道周期，導(dǎo)航星座衛(wèi)星總個數(shù)的下限值N的計算方法隨著不同的星座類型也不同。考慮到發(fā)射操作與軌道控制，所以在此選擇軌道周期與一個恒星日成整數(shù)倍的回歸軌道，因而圖2也是采用具有回歸軌道或者準回歸軌道的基于共地面軌跡星座來設(shè)計的小衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(LEO小衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng))，導(dǎo)航星座衛(wèi)星總個數(shù)的下限值N值通過公式進行估算。如圖4所示：軌道高度h為目標區(qū)域半高度，那么2h為覆蓋帶的寬帶，此外圖4中S1和S2分別表示兩顆衛(wèi)星的星下點位置。本例所述步驟S103中，根據(jù)所述步驟S102中計算的導(dǎo)航星座衛(wèi)星總個數(shù)的下限值N，列舉所有適合做小衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的導(dǎo)航星座的星座方案。本例所述步驟S104中，計算所述步驟S103中每個星座方案的相鄰兩個軌道面之間的升交點赤經(jīng)差ΔΩ和同一軌道面相鄰衛(wèi)星的平近點角差△M，其計算方法如下：具有回歸軌道或者準回歸軌道的共地面軌跡星座，其軌道周期Ts和地球自轉(zhuǎn)周期Te滿足公式NsTs＝NeTe，該公式中，Ns為小衛(wèi)星圍繞地球的運動圈數(shù)；Ne是地球的自轉(zhuǎn)圈數(shù)，也是星座的回歸周期。同一軌道面相鄰衛(wèi)星的平近點角差△M的計算公式如下：取不同值之差。此外，位于不同軌道平面的兩顆衛(wèi)星，他們的空間位置滿足公式該公式中，Δω是位于不同軌道平面上任意兩顆衛(wèi)星的相對相位；ωs為某確定高度的衛(wèi)星的角速度；ωe為地球的自轉(zhuǎn)角速度。結(jié)公式NsTs＝NeTe和具有回歸軌道或者準回歸軌道的共地面軌跡星座有關(guān)系式：NsΔΩ＝NeΔω或者NsΔΩ-NeΔω＝Ne2kπ，如果共地面軌跡星座有N顆衛(wèi)星，那么其共地面軌跡可能有N條或者1條。當(dāng)只有一條共地面軌跡時應(yīng)滿足公式Ne＝λS和Ns＝μP+λNc，該公式中，μ為整數(shù)；為了使回歸周期最小，λ為整數(shù)且通常取1；S為每個軌道平面內(nèi)的衛(wèi)星數(shù)，Nc∈[0,P-1]，Nc為相位參數(shù)，用于確定相鄰兩個軌道平面之間的相位差。P為軌道平面數(shù)，當(dāng)滿足覆蓋性能時，為了是衛(wèi)星軌道高度最小，Nc需要取最大值。假設(shè)星座中有N＝P*S顆星，P表示軌道平面數(shù)，S為每個軌道平面內(nèi)的衛(wèi)星數(shù)。對于一個星座來說，其構(gòu)型取決于相鄰兩個軌道面之間的升交點赤經(jīng)差ΔΩ和同一軌道面相鄰衛(wèi)星的平近點角差△M。通過相鄰兩個軌道面之間的升交點赤經(jīng)差ΔΩ和同一軌道面相鄰衛(wèi)星的平近點角差△M可計算得出第i個軌道面的第j顆衛(wèi)星的升交點赤經(jīng)Ωij與第i個軌道面的第j顆衛(wèi)星的平近點角Mij，它們滿足公式和其中，i＝0,1,…,P-1,j＝0,1,…,S-1，i和j均取整數(shù)。如圖3所示，本例所述步驟S105包括以下子步驟：步驟S1051，利用STK建模得到各個星座方案的星座構(gòu)型，通過仿真得到每個星座方案在不同星座傾角時的平均覆蓋率Cov(i)、平均仰角El(i)和平均定位精度DOP(i)；步驟S1052，設(shè)置平均覆蓋率Cov(i)、平均仰角El(i)和平均定位精度DOP(i)的不同權(quán)重分別為wcov、wDOP和wEL。然后根據(jù)公式W(i)＝wcov×Cov(i)+wDOP×DOP(i)+wEl×El(i)計算權(quán)重值W(i)，其中，wcov為平均覆蓋率Cov(i)的權(quán)值，wDOP為平均仰角El(i)的權(quán)值，wEl為平均定位精度DOP(i)的權(quán)值；步驟S1053，通過權(quán)重值W(i)取得最大值時的最大權(quán)重值W(i')對應(yīng)的星座傾角i’，此時的星座傾角i’為該星座方案的最佳星座傾角。本例所述步驟S106中，首先通過STK仿真每個星座方案在最佳星座傾角時兩個以上測試點的衛(wèi)星連接個數(shù)NOA(NumberofAccess,)、幾何定位精度GDOP、位置定位精度PDOP、水平定位精度HDOP和垂直定位精度VDOP，所述幾何定位精度GDOP、位置定位精度PDOP、水平定位精度HDOP和垂直定位精度VDOP統(tǒng)稱定位精度或定位精度DOP；然后對兩個以上測試點的衛(wèi)星連接個數(shù)NOA、幾何定位精度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。此處衛(wèi)星連接個數(shù)NOA的值越大且方差越小表明衛(wèi)星連接個數(shù)越多且穩(wěn)定。幾何定位精度GDOP、位置定位精度PDOP、水平定位精度HDOP和垂直定位精度VDOP的值越小且方差越小表明定位精度越高且能保持穩(wěn)定。因此比較每個星座方案的衛(wèi)星連接個數(shù)NOA、幾何定位精度GDOP、位置定位精度PDOP、水平定位精度HDOP和垂直定位精度VDOP，通過比較得出定位性能最好的星座構(gòu)型方案。即選取衛(wèi)星連接個數(shù)NOA越大且方差越小以及幾何定位精度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為最佳星座方案。最后，通過定位精度驗證判斷所述最佳星座方案的衛(wèi)星總個數(shù)的下限值N是否滿足定位要求，若是則以此最佳星座方案作為所述小衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，并結(jié)束；若否則增加衛(wèi)星總個數(shù)的下限值N的值，并返回步驟S103，如圖2所示。即，利用STK從多方面驗證在所述步驟S106中選出的衛(wèi)星總個數(shù)的下限為N的最佳星座方案，包括目標區(qū)域的邊緣地帶的衛(wèi)星連接個數(shù)NOA、幾何定位精度GDOP、位置定位精度PDOP、水平定位精度HDOP和垂直定位精度VDOP等。然后通過定位精度驗證，如果不滿足定位要求，則需加大N值，重復(fù)步驟S103至步驟S106；如果滿足定位要求，則在步驟S106中選出的星座方案就是滿足要求且衛(wèi)星個數(shù)最少的最佳星座方案，其實現(xiàn)過程如圖2所示。本例所述小衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是一個由LEO小衛(wèi)星組成，能夠獨立提供導(dǎo)航服務(wù)的完整的區(qū)域性導(dǎo)航系統(tǒng)，通過一箭多星技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)盲點區(qū)域的緊急導(dǎo)航定位功能。在前面，本例設(shè)計了基于小衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的基本導(dǎo)航系統(tǒng)，其主要功能是在無可用星座情況下對指定區(qū)域快速響應(yīng)并實現(xiàn)覆蓋與導(dǎo)航。雖然北斗衛(wèi)星不斷發(fā)射，全球覆蓋能力也不斷加強，但對于某些地區(qū)其可見衛(wèi)星數(shù)量依然較少，不足以提供較高精度的覆蓋，結(jié)合基本導(dǎo)航系統(tǒng)，利用特定區(qū)域?qū)Ш较到y(tǒng)衛(wèi)星，設(shè)計基于北斗的高軌與低軌結(jié)合的異構(gòu)導(dǎo)航衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，可對該區(qū)域?qū)崿F(xiàn)高精度連續(xù)覆蓋。為設(shè)計最優(yōu)的小衛(wèi)星和北斗之間的衛(wèi)星聯(lián)合導(dǎo)航方法，也稱異構(gòu)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，本例基于衛(wèi)星服務(wù)時間提出了回刪模型(BacktracingDeletionModel)?；貏h模型是一個衛(wèi)星星座篩選模型，它以小衛(wèi)星數(shù)目最少為原則，在滿足覆蓋率，導(dǎo)航精度的條件下，用于篩選北斗衛(wèi)星和基本導(dǎo)航衛(wèi)星組成最優(yōu)的聯(lián)合導(dǎo)航系統(tǒng)，最終完成區(qū)域覆蓋功能?；貏h模型主要包括三個部分，首先，本例根據(jù)SOICC算法，該SOICC算法可以參考以下這篇文獻：唐榮富.LEO衛(wèi)星可見性問題研究[D].國防科學(xué)技術(shù)大學(xué),2007。所述SOICC算法為變軌交圓補償算法，即shiftorbitintersectscirclecompensation,SOICC，進而得到每顆衛(wèi)星的服務(wù)時間，形成一個所有衛(wèi)星的服務(wù)時間矩陣。然后根據(jù)覆蓋條件對所有方案進行篩選，得到可行方案集合。最后根據(jù)精度條件與可見衛(wèi)星數(shù)量，得到最后的衛(wèi)星組合方案，即為本例所述的衛(wèi)星聯(lián)合導(dǎo)航方法所在的聯(lián)合導(dǎo)航系統(tǒng)，其回刪模型算法原理如圖5所示。如圖5所示，每顆衛(wèi)星在回歸周期內(nèi)對于目標區(qū)域都有固定的服務(wù)時間段，把每顆衛(wèi)星在連接時的服務(wù)狀態(tài)時隙記為1，不可見的服務(wù)狀態(tài)時隙為0，時隙時長為1秒，每顆衛(wèi)星的服務(wù)狀態(tài)用1*T維度的信息服務(wù)矩陣來表示，T為回歸周期時長，單位秒。例如某顆GEO北斗衛(wèi)星對南海區(qū)域是全天候覆蓋，則矩陣為全1矩陣。將所有衛(wèi)星服務(wù)信息置于一個矩陣中，其維度為M*T，M表示衛(wèi)星個數(shù)，在M顆衛(wèi)星中選用M1顆衛(wèi)星在服務(wù)時間上進行補償疊加，滿足每個時隙都保證多重覆蓋，則此時M1顆衛(wèi)星的組合方案即為本例可行的衛(wèi)星組合方案。為在數(shù)學(xué)上表示回刪算法，本例首先定義其相關(guān)變量，其中，所述步驟S2包括以下子步驟：步驟S2011，定義北斗衛(wèi)星選擇矩陣為其維度為1×m，表示的是共有m顆北斗衛(wèi)星可用來對目標區(qū)域進行覆蓋，當(dāng)選擇第i顆北斗衛(wèi)星則當(dāng)?shù)趇顆北斗衛(wèi)星可用但不選擇進行覆蓋則同時，定義小衛(wèi)星選擇矩陣為其維度為1×M,表示的是共有M顆小衛(wèi)星可用來對目標區(qū)域進行覆蓋，當(dāng)選擇第j顆小衛(wèi)星則當(dāng)?shù)趈顆小衛(wèi)星可用但不選擇進行覆蓋則i和j為整數(shù)；步驟S2012，把衛(wèi)星的服務(wù)時間，按照步長1秒按時間序列展開，可以得到一個衛(wèi)星的服務(wù)時間矩陣，維度為1×T,T是周期，單位為秒，則所有衛(wèi)星的服務(wù)時間矩陣為和其中，LBD是北斗衛(wèi)星服務(wù)矩陣，bij＝1表示第i顆北斗衛(wèi)星在j時隙可用；LLEO表示小衛(wèi)星服務(wù)時間矩陣，lij＝0表示第i顆小衛(wèi)星在j時隙不可用。那么，相應(yīng)的，bij＝0表示第i顆北斗衛(wèi)星在j時隙不可用；lij＝1表示第i顆小衛(wèi)星在j時隙可用。本例所述步驟S3中，在可行衛(wèi)星組合的集合中根據(jù)精度條件與可見衛(wèi)星數(shù)量實現(xiàn)優(yōu)化，得到最后的衛(wèi)星組合方案。即，所述步驟S3的參數(shù)選擇就是精度條件與可見衛(wèi)星數(shù)量，更為確切地，所述步驟S3通過參數(shù)選擇優(yōu)化所述衛(wèi)星聯(lián)合導(dǎo)航系統(tǒng)，其實就是要對目標區(qū)域的多重覆蓋要求，則有公式其中，Θ∈R1*T,Θ為覆蓋重數(shù)門限矩陣，該覆蓋重數(shù)門限矩陣元素全為Θ。公式表示通過選用合適的北斗衛(wèi)星與基本導(dǎo)航系統(tǒng)的小衛(wèi)星，使得目標區(qū)域滿足覆蓋要求，H∈R1*(m+M)，L∈R(m+M)*T，H為服務(wù)矩陣，L為服務(wù)矩陣，R為實數(shù)，取值為0或1。當(dāng)已知所在區(qū)域的可用北斗導(dǎo)航衛(wèi)星和覆蓋重數(shù)門限時，結(jié)合所述小衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(基本導(dǎo)航系統(tǒng))，基于回刪模型便可計算出本例所述衛(wèi)星聯(lián)合導(dǎo)航方法的衛(wèi)星星座方案。在軟件實現(xiàn)過程中，本例所述回刪模型的回刪算法偽代碼如下所示：1：INPUT：m，M，Targetarea，Proposal(0)＝null，H(0)＝null//可行方案與選擇矩陣為空2：OUTPUT：Hoptimization3：L←SOICC(m，M，Targetarea)//SIOCC算法計算信息服務(wù)矩陣3：segment←Select(L)//將L按時間劃分為5％，15％，25％，45％共4個segment4：fori＜＝lastsegmentdo5：Proposal(i)←lookfor(ithsegment，H(i-1)，L)//找到可行衛(wèi)星組合集合6：H(i)←Backtracing(Proposal(i)，L)//刪掉多余方案得到優(yōu)化后的多個H(i)7：i＝i+18：endfor9：Hoptimization←compare(H(i))//比較DOP，NOA等參數(shù)選擇最優(yōu)H即，在輸入目標區(qū)域，可用北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)以及小衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的基本參數(shù)后，初始化可用方案集合和對應(yīng)的選擇矩陣。進一步使用SOICC算法計算衛(wèi)星服務(wù)信息矩陣，并將回歸周期T劃分為4段。從回歸周期的第一段開始，根據(jù)信息服務(wù)矩陣，和上一段時間下的可行衛(wèi)星組合H(i-1)得到在此段時間下的所有組合方案Proposal(i)，根據(jù)衛(wèi)星組合方案的覆蓋情況刪除不可用方案，得到可行衛(wèi)星組合H(i)。直到遍歷完整個回歸周期，得到可行方案組合。最后在可行方案下比較定位精度DOP、衛(wèi)星連接個數(shù)NOA及衛(wèi)星個數(shù)等參數(shù)選擇最優(yōu)的衛(wèi)星聯(lián)合導(dǎo)航方法中的衛(wèi)星方案Hoptimization。為實現(xiàn)GNSS(GlobalNavigationSatelliteSystem)在故障或緊急情況下對焦點區(qū)域的全天候、高精度定位導(dǎo)航服務(wù)的快速建立，本例以北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BDS)為例，針對南海區(qū)域，構(gòu)建了基于小衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)和北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)有機結(jié)合的衛(wèi)星聯(lián)合導(dǎo)航方法，進而得到其衛(wèi)星聯(lián)合導(dǎo)航系統(tǒng)?；诒倍沸l(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)和小衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，設(shè)定目標區(qū)域為北緯0～20度、東經(jīng)106～124度的南海區(qū)域。在所述小衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的設(shè)計中，為滿足導(dǎo)航要求，我們設(shè)置在目標區(qū)域至少滿足4重覆蓋。計算得最少需要28顆高度為1681km的低軌小衛(wèi)星。其可能的星座構(gòu)型如表1所示：表1N＝28的星座方案比較表P表示軌道平面數(shù)目，S表示每個軌道平面衛(wèi)星數(shù)量。由表1可知僅有P＝7，S＝4和P＝7，S＝4符合要求。在保證覆蓋的條件下，得到最佳仰角(P＝4，S＝7星座最佳仰角為9度，P＝7，S＝4星座最佳仰角為10度)后，對二者定位精度因子(DilutionofPrecision,DOP)以及可見衛(wèi)星數(shù)(NumberofAccess,NOA)行了對比，如圖6至圖9所示。由圖6至圖9可知，P＝4，S＝7的星座構(gòu)型相較P＝7，S＝4其DOP值更低，精度更高，NOA分布更加集中。所以P＝4，S＝7為小衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的星座方案(星座構(gòu)型)。其具體參數(shù)如表2所示：表2P＝4，S＝7的星座參數(shù)表Ω(deg)Mi1(deg)Mi2(deg)Mi3(deg)Mi4(deg)Mi5(deg)Mi6(deg)Mi7(deg)軌道平面10051.43102.86154.29205.71257.14308.57軌道平面290051.43102.86154.29205.71257.14308.57軌道平面3180051.43102.86154.29205.71257.14308.57軌道平面4270051.43102.86154.29205.71257.14308.57基于小衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，假設(shè)在目標區(qū)域有m＝2顆可用北斗衛(wèi)星，設(shè)定覆蓋重數(shù)門限值Θ＝4。根據(jù)回刪模型，本例得到可行的五種方案，并對其幾何定位精度GDOP、位置定位精度PDOP、水平定位精度HDOP和垂直定位精度VDOP進行了比較，如下表3所示，其都滿足覆蓋率百分百，可見衛(wèi)星數(shù)4顆以上的要求。表3本例所述衛(wèi)星聯(lián)合導(dǎo)航方法的可行方案比較表如表3中所示，方案1的幾何定位精度GDOP、位置定位精度PDOP、水平定位精度HDOP和垂直定位精度VDOP的數(shù)值都較低，相較其他方案，其精度較高，對應(yīng)的衛(wèi)星編號為4,5，6,7,8,9,10,11,13,14,17,20,24。包括兩顆北斗衛(wèi)星，其衛(wèi)星選擇矩陣H＝[110001111111101100100100010000]。L是信息服務(wù)矩陣，維度為30*T，T＝604800s。H即對應(yīng)最優(yōu)的小衛(wèi)星和北斗的衛(wèi)星聯(lián)合導(dǎo)航方法,其具體對應(yīng)衛(wèi)星有，在plane1軌道平面為第4、5、6、7顆衛(wèi)星，在plane2軌道平面為第1,2,3,4,6,7顆衛(wèi)星，在plane3軌道平面為第3、6顆衛(wèi)星，在plane4軌道平面為第2顆衛(wèi)星，每顆衛(wèi)星對應(yīng)的軌道相位如表2所示。綜上，本例設(shè)計了基于共地面軌跡星座的小衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，并通過回刪模型實現(xiàn)了北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)與小衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)之間有機結(jié)合的衛(wèi)星聯(lián)合導(dǎo)航方法，主要解決的問題是空間快速響應(yīng)及覆蓋加強。本發(fā)明在北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)對目標區(qū)域無覆蓋時，通過共地面軌跡星座設(shè)計的小衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(基本導(dǎo)航系統(tǒng))實現(xiàn)快速導(dǎo)航服務(wù)；在焦點區(qū)域北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)無法滿足基本覆蓋或精度要求的條件下，提出了一種所述衛(wèi)星聯(lián)合導(dǎo)航方法，在基本導(dǎo)航系統(tǒng)的基礎(chǔ)上設(shè)計出了小衛(wèi)星和北斗有機結(jié)合的衛(wèi)星聯(lián)合導(dǎo)航方法，提高了定位精度，減少了衛(wèi)星發(fā)射成本，實現(xiàn)了導(dǎo)航系統(tǒng)的最小化設(shè)計，使得所述衛(wèi)星聯(lián)合導(dǎo)航方法及其衛(wèi)星聯(lián)合導(dǎo)航系統(tǒng)的資源利用率得以大幅度提升。以上內(nèi)容是結(jié)合具體的優(yōu)選實施方式對本發(fā)明所作的進一步詳細說明，不能認定本發(fā)明的具體實施只局限于這些說明。對于本發(fā)明所屬
技術(shù)領(lǐng)域：
的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干簡單推演或替換，都應(yīng)當(dāng)視為屬于本發(fā)明的保護范圍。當(dāng)前第1頁1 2 3