一種基于動(dòng)力學(xué)軌道外推的星載輔助gps方法及系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于動(dòng)力學(xué)軌道外推的星載輔 助GPS方法及系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 星載GPS接收機(jī)在定位時(shí)，需要對(duì)所有GPS衛(wèi)星（目前為32顆）進(jìn)行捕獲搜索， 得到可見GPS衛(wèi)星的PRN(PseudoRandomNoisecode，偽隨機(jī)噪聲碼）號(hào)；對(duì)其中信號(hào)質(zhì) 量較好的可見GPS衛(wèi)星進(jìn)行跟蹤，基于至少4顆GPS衛(wèi)星信號(hào)進(jìn)行定位解算。在沒有輔助 的情況下，星載GPS接收機(jī)捕獲模塊通常采用類似輪詢的方法，依次對(duì)所有GPS衛(wèi)星進(jìn)行捕 獲，得到可見GPS衛(wèi)星；這需要花費(fèi)較多的捕獲搜索時(shí)間（對(duì)32顆GPS衛(wèi)星捕獲大約需要 幾分鐘時(shí)間），導(dǎo)致定位速度很慢。
[0003] 許多地面導(dǎo)航定位終端（智能手機(jī)、車載GPS等）通過AGPS(Assisted Global Positioning System，輔助全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)）定位技術(shù)解決了上述問題。地面AGPS技術(shù) 結(jié)合了GPS定位和移動(dòng)基站定位的優(yōu)勢，借助移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸功能，可以達(dá)到很高的 定位精度和很快的定位速度。地面AGPS技術(shù)從定位啟動(dòng)到GPS接收機(jī)找到可用GPS衛(wèi)星 的基本流程主要包括：設(shè)備從移動(dòng)基站獲取到當(dāng)前所在的蜂窩小區(qū)位置；設(shè)備通過移動(dòng)網(wǎng) 絡(luò)將當(dāng)前所在的蜂窩小區(qū)位置傳送給網(wǎng)絡(luò)中的AGPS位置服務(wù)器;AGPS位置服務(wù)器根據(jù)當(dāng) 前小區(qū)位置查詢該區(qū)域當(dāng)前可用的衛(wèi)星信息（包括衛(wèi)星的頻段、方位角、俯仰角等相關(guān)信 息），并返回給設(shè)備；GPS接收機(jī)根據(jù)得到的可用衛(wèi)星信息，可以快速捕獲當(dāng)前可用的GPS衛(wèi) 星。至此，GPS接收機(jī)已經(jīng)可正常接收GPS信號(hào)，GPS初始化過程結(jié)束。但是，星載GPS接收 機(jī)工作于數(shù)百千米甚至更高的人造衛(wèi)星軌道上，無法利用移動(dòng)基站和移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)。因此，地面 的AGPS技術(shù)無法應(yīng)用于星載GPS接收機(jī)，搜索次數(shù)多、定位速度慢仍是星載GPS接收機(jī)需 要解決的一大問題。
[0004] 星載GPS接收機(jī)與地面GPS接收機(jī)相比，主要具有以下不同特點(diǎn)：
[0005] -、星載GPS接收機(jī)的可見GPS衛(wèi)星分布與低軌衛(wèi)星軌道高度和GPS衛(wèi)星天線覆 蓋角有關(guān)：隨著軌道高度的增加，一方面，水平面以上可見GPS衛(wèi)星數(shù)減少，另一方面，因地 球遮擋的天球錐體部分減小使得負(fù)接收仰角的GPS衛(wèi)星數(shù)增加?？傮w上，星載GPS接收機(jī) 可見GPS衛(wèi)星數(shù)目隨著衛(wèi)星軌道的增高而減少，這意味著在較高的低軌軌道上為找到至少 4顆可見GPS衛(wèi)星需要更多的搜索次數(shù)，更多的捕獲時(shí)間；
[0006] 二、低軌衛(wèi)星處于高速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，星載GPS接收機(jī)視野內(nèi)可見GPS衛(wèi)星的切換較 快，比地面GPS接收機(jī)更容易發(fā)生定位失鎖。如果接收機(jī)發(fā)生短暫的定位中斷，視野內(nèi)可見 GPS衛(wèi)星分布變化較大，接收機(jī)內(nèi)保存的上一次定位結(jié)果不能直接用來預(yù)測當(dāng)前可見GPS 衛(wèi)星，只能以冷啟動(dòng)模式重新定位。因此，星載GPS接收機(jī)較少出現(xiàn)熱啟動(dòng)、溫啟動(dòng)，基本為 冷啟動(dòng)；
[0007] 三、星載GPS接收機(jī)在設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)整體的功耗有嚴(yán)格的要求，在不影響定位的前提 下，接收機(jī)所產(chǎn)生的功耗越少越好。為節(jié)省電源功耗，星載GPS接收機(jī)常常被設(shè)計(jì)為間歇工 作模式，以便于進(jìn)行其他載荷任務(wù)。比如，加拿大發(fā)射的CanX-2衛(wèi)星，其星載GPS接收機(jī)連 續(xù)工作時(shí)間不超過50分鐘；德國的BIRD納衛(wèi)星考慮到功耗限制，當(dāng)星載紅外相機(jī)打開時(shí)， GPS接收機(jī)只能被關(guān)閉；美國的PCsat衛(wèi)星的星載GPS接收機(jī)在大多數(shù)情況下必須關(guān)機(jī)，以 便于在軌通信遙感系統(tǒng)能夠工作，常規(guī)情況下，該星載GPS接收機(jī)最大持續(xù)工作時(shí)間不超 過9分鐘。
[0008] 由于星載GPS接收機(jī)的以上這些特點(diǎn)，減少捕獲搜索時(shí)間已成為星載GPS接收機(jī) 一個(gè)亟待解決的問題。如何設(shè)計(jì)簡單、有效、快速、高精度、研發(fā)費(fèi)用低的星載GPS接收機(jī)捕 獲輔助系統(tǒng)，解決盲搜方法存在的耗時(shí)問題，提高導(dǎo)航定位系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能和快速定位能 力，在有限的開機(jī)運(yùn)行時(shí)間內(nèi)，進(jìn)行盡可能多的GPS定位測量，是星載GPS接收機(jī)設(shè)計(jì)的新 的技術(shù)挑戰(zhàn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 本發(fā)明的目的在于，針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中星載GPS接收機(jī)捕獲搜索次數(shù)較多、時(shí)間較 長、定位速度較慢的技術(shù)問題，提供一種基于動(dòng)力學(xué)軌道外推的星載輔助GPS方法及系統(tǒng)， 以低軌衛(wèi)星軌道運(yùn)動(dòng)規(guī)律為輔助信息，實(shí)現(xiàn)減少星載GPS接收機(jī)的捕獲搜索次數(shù)、提高定 位速度。
[0010] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種基于動(dòng)力學(xué)軌道外推的星載輔助GPS方法， 包括如下步驟：（1)根據(jù)低軌衛(wèi)星動(dòng)力學(xué)模型和J2000. 0坐標(biāo)系下星載GPS接收機(jī)最近一 次定位結(jié)果進(jìn)行軌道位置外推，獲取星載GPS接收機(jī)的外推位置并轉(zhuǎn)換到ECEF坐標(biāo)系；（2) 根據(jù)有效GPS歷書計(jì)算獲取ECEF坐標(biāo)系下所有GPS衛(wèi)星的位置；（3)計(jì)算同一歷元時(shí)刻所 有GPS衛(wèi)星對(duì)星載GPS接收機(jī)的俯仰角，判斷每一GPS衛(wèi)星對(duì)星載GPS接收機(jī)是否可見，并 按照可見性概率對(duì)所有GPS衛(wèi)星進(jìn)行排序，獲取排序過的GPS衛(wèi)星PRN號(hào)列表；（4)根據(jù)所 述GPS衛(wèi)星PRN號(hào)列表對(duì)星載GPS接收機(jī)的捕獲通道進(jìn)行GPS衛(wèi)星優(yōu)先配置。
[0011] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明還提供了一種基于動(dòng)力學(xué)軌道外推的星載輔助GPS系 統(tǒng)，包括：動(dòng)力學(xué)軌道外推模塊、GPS衛(wèi)星位置計(jì)算模塊、可見GPS衛(wèi)星計(jì)算模塊以及捕獲通 道配置模塊；所述動(dòng)力學(xué)軌道外推模塊，用于根據(jù)低軌衛(wèi)星動(dòng)力學(xué)模型和J2000. 0坐標(biāo)系 下星載GPS接收機(jī)最近一次定位結(jié)果進(jìn)行軌道位置外推，獲取星載GPS接收機(jī)的外推位置 并轉(zhuǎn)換到ECEF坐標(biāo)系；所述GPS衛(wèi)星位置計(jì)算模塊，用于根據(jù)有效GPS歷書計(jì)算獲取ECEF 坐標(biāo)系下所有GPS衛(wèi)星的位置；所述可見GPS衛(wèi)星計(jì)算模塊分別與所述動(dòng)力學(xué)軌道外推模 塊以及GPS衛(wèi)星位置計(jì)算模塊相連，用于計(jì)算同一歷元時(shí)刻所有GPS衛(wèi)星對(duì)星載GPS接收 機(jī)的俯仰角，判斷每一GPS衛(wèi)星對(duì)星載GPS接收機(jī)是否可見，并按照可見性概率對(duì)所有GPS 衛(wèi)星進(jìn)行排序，獲取排序過的GPS衛(wèi)星PRN號(hào)列表；所述捕獲通道配置模塊與所述可見GPS 衛(wèi)星計(jì)算模塊相連，用于根據(jù)所述GPS衛(wèi)星PRN號(hào)列表對(duì)星載GPS接收機(jī)的捕獲通道進(jìn)行 可見GPS衛(wèi)星優(yōu)先配置。
[0012] 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：
[0013] 1)、通過預(yù)測一段時(shí)間內(nèi)的可見GPS衛(wèi)星，優(yōu)先將可見概率大的GPS衛(wèi)星配置給星 載GPS接收機(jī)的捕獲通道，實(shí)時(shí)對(duì)視野內(nèi)可見GPS衛(wèi)星的捕獲跟蹤進(jìn)行切換，可以減少接收 機(jī)捕獲搜索次數(shù)，有效地減少定位時(shí)間，尤其能大大縮短冷啟動(dòng)模式下星載GPS接收機(jī)的 首次定位時(shí)間以及較高低軌衛(wèi)星軌道上GPS接收機(jī)的搜索時(shí)間；
[0014] 2)、在計(jì)算可見GPS衛(wèi)星時(shí)，充分考慮星載環(huán)境的特點(diǎn)，根據(jù)低軌衛(wèi)星軌道高度和 GPS衛(wèi)星天線覆蓋范圍，提出適合星載GPS接收機(jī)的可見GPS衛(wèi)星判據(jù)，相比地面接收機(jī)視 俯仰角大于5度或10度的GPS衛(wèi)星為可見，本發(fā)明能更有效準(zhǔn)確地預(yù)測星載GPS接收機(jī)視 野內(nèi)的可見GPS衛(wèi)星；
[0015] 3)、俯仰角的計(jì)算不僅可用于判斷可見GPS衛(wèi)星。當(dāng)視野內(nèi)可見GPS衛(wèi)星數(shù)目較 多時(shí)，根據(jù)俯仰角和方位角簡單地選擇幾何分布較好的可見GPS衛(wèi)星組合，可以提高接收 機(jī)的定位精度；除俯仰角為正的GPS衛(wèi)星用于定位計(jì)算、軌道確定外，俯仰角為負(fù)的GPS衛(wèi) 星可用于掩星探測，適用于大氣反演等對(duì)地測量任務(wù)的衛(wèi)星；
[0016] 4)、由于冷啟動(dòng)時(shí)間縮短，可在不需要星載GPS接收機(jī)工作時(shí)關(guān)閉接收機(jī)；當(dāng)需 GPS定位時(shí)，打開接收機(jī)，快速恢復(fù)GPS定位，減少星載GPS接收機(jī)的整體功耗；
[0017] 5)、以軟件形式實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和功能，不需要額外的硬件設(shè)計(jì)，節(jié)省開發(fā)成本，縮 短設(shè)計(jì)周期，簡化調(diào)試工作。
【附圖說明】
[0018] 圖1，本發(fā)明所述的基于動(dòng)力學(xué)軌道外推的星載輔助GPS方法的流程圖；
[0019] 圖2,本發(fā)明所述的星載GPS接收機(jī)的捕獲通道配置流程示意圖；
[0020] 圖3,本發(fā)明所述的基于動(dòng)力學(xué)軌道外推的星載輔助GPS系統(tǒng)的架構(gòu)示意圖；
[0021] 圖4,本發(fā)明所述基于動(dòng)力學(xué)軌道外推的星載輔助GPS方法一實(shí)施例的處理流程 圖；
[0022] 圖5,單顆GPS衛(wèi)星對(duì)星載GPS接收機(jī)的空間覆蓋特點(diǎn)示意圖；