單衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)實(shí)時(shí)定軌實(shí)現(xiàn)方法及系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于衛(wèi)星導(dǎo)航定位領(lǐng)域，尤其是涉及一種基于衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)測(cè)量的單 系統(tǒng)實(shí)時(shí)定軌實(shí)現(xiàn)方法和系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] GPS/GL0NASS是一種可以定時(shí)和測(cè)距的空間交會(huì)定位的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，可以向全 球用戶提供全天候、連續(xù)、實(shí)時(shí)、高精度的三維位置、三維速度和時(shí)間信息。衛(wèi)星自主導(dǎo)航的 觀測(cè)模式主要分為天文導(dǎo)航和無線電測(cè)距導(dǎo)航兩種方式。天文導(dǎo)航利用對(duì)自然天體的光磁 特性的測(cè)量實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星自主導(dǎo)航，無線電測(cè)距導(dǎo)航利用星載無線電測(cè)量?jī)x器可以得到衛(wèi)星相 對(duì)于位置已知的信標(biāo)的距離和距離的變化率的測(cè)量值。上述兩類自主導(dǎo)航方法各有所長(zhǎng)， 其中無線電測(cè)距方法具有較高的導(dǎo)航精度，但需人造信標(biāo)的支持，天體光學(xué)測(cè)量方法具有 完全的自主能力。研究衛(wèi)星自主導(dǎo)航技術(shù)主要考慮以下四個(gè)方面：導(dǎo)航的測(cè)量類型、動(dòng)力學(xué) 模型的建立、導(dǎo)航算法和星載計(jì)算機(jī)。導(dǎo)航定位方法是利用觀測(cè)模型和導(dǎo)航原理將觀測(cè)量 轉(zhuǎn)換成所需要的位置和速度的方法。
[0003] 根據(jù)是否考慮低軌衛(wèi)星所受的攝動(dòng)力影響及與攝動(dòng)力學(xué)模型的關(guān)系，衛(wèi)星自主導(dǎo) 航的導(dǎo)航算法可分為純幾何法、動(dòng)力學(xué)法和綜合動(dòng)力法三種：純幾何法的基本原理是空間 距離交會(huì)，它是指不依賴于任何力學(xué)模型、完全由空間無線電測(cè)距數(shù)據(jù)對(duì)低軌衛(wèi)星定軌的 方法；動(dòng)力法即是傳統(tǒng)意義上的定軌方法，利用軌道動(dòng)力學(xué)和統(tǒng)計(jì)或?yàn)V波理論，從通常較稀 疏和有噪聲的測(cè)量中獲得精確而穩(wěn)定的軌道解，動(dòng)力學(xué)定軌的精度主要取決于力學(xué)模型； 為了解決動(dòng)力學(xué)定軌中動(dòng)力學(xué)模型誤差及幾何法中存在的問題，Yunck等科學(xué)家提出了將 動(dòng)力學(xué)法與幾何法聯(lián)合起來的綜合動(dòng)力學(xué)定軌方法，用卡爾曼濾波形式，把分批濾波后得 到的動(dòng)力學(xué)軌道作為參考軌道，又在后續(xù)的序貫濾波過程中附加了過程噪聲參數(shù)來吸收動(dòng) 力學(xué)模型中沒有考慮到的攝動(dòng)因素和沒有被精確模型化的動(dòng)力學(xué)模型誤差，通過在動(dòng)力學(xué) 模型和衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)觀測(cè)值提供的幾何信息之間的最優(yōu)選權(quán)，使得純動(dòng)力學(xué)模型的影 響被削弱。
[0004] 上述綜合動(dòng)力學(xué)定軌方法的缺點(diǎn)在于應(yīng)用在工程實(shí)踐中建模簡(jiǎn)單、不能充分接近 實(shí)際模型。同時(shí)，現(xiàn)有星載衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)接收機(jī)通常采用簡(jiǎn)單幾何方法進(jìn)行單點(diǎn)定位， 其實(shí)時(shí)精度相對(duì)較低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于：克服現(xiàn)有技術(shù)中綜合動(dòng)力學(xué)定軌方法建模簡(jiǎn)單、不能充分接 近實(shí)際模型、以及現(xiàn)有采用簡(jiǎn)單幾何方法進(jìn)行單點(diǎn)定位的星載衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)實(shí)時(shí)精度 相對(duì)較低的缺陷，提供一種實(shí)時(shí)高精度的衛(wèi)星導(dǎo)航定軌方法。
[0006] 鑒于此，本發(fā)明的技術(shù)解決方案是：一種單衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)實(shí)時(shí)定軌實(shí)現(xiàn)方法， 包括以下步驟：
[0007] 依據(jù)當(dāng)前定軌工作模式及衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的可用星數(shù)，確定應(yīng)切換到的的定軌 工作模式并執(zhí)行切換；
[0008] 將衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)觀測(cè)數(shù)據(jù)通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換從地固坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到軌坐標(biāo)道系；
[0009] 將通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的觀測(cè)數(shù)據(jù)輸入卡爾曼濾波器，并對(duì)卡爾曼濾波器的狀態(tài)量進(jìn)行 時(shí)間更新，得到軌道根數(shù)一步預(yù)報(bào)；
[0010] 在所述時(shí)間更新完成后，用衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)卡爾曼濾波器的狀態(tài)量 進(jìn)行測(cè)量更新。
[0011] 進(jìn)一步的，所述用衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)卡爾曼濾波器的狀態(tài)量進(jìn)行測(cè)量 更新包括：
[0012] 用偽距觀測(cè)量對(duì)卡爾曼濾波器的狀態(tài)量的偽距濾波誤差方差陣進(jìn)行測(cè)量更新；
[0013] 用多普勒觀測(cè)量對(duì)卡爾曼濾波器的狀態(tài)量的多普勒濾波誤差方差陣進(jìn)行測(cè)量更 新。
[0014] 進(jìn)一步的，所述依據(jù)軌道動(dòng)力學(xué)模型對(duì)卡爾曼濾波器的狀態(tài)量進(jìn)行時(shí)間更新包 括：
[0015] 用先前歷元的軌道根數(shù)狀態(tài)量，計(jì)算出導(dǎo)航星受到的攝動(dòng)力；
[0016] 根據(jù)所述攝動(dòng)力合成加速度攝動(dòng)項(xiàng)，并計(jì)算出各個(gè)狀態(tài)量的變化率；
[0017] 將所述各個(gè)狀態(tài)量的變化率疊加到先前歷元上，通過攝動(dòng)運(yùn)動(dòng)方程，計(jì)算出當(dāng)前 歷元的狀態(tài)量的預(yù)報(bào)值。
[0018] 進(jìn)一步的，所述的單衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)實(shí)時(shí)定軌實(shí)現(xiàn)方法，還包括：
[0019] 通過判斷鐘差的收斂性、可用星數(shù)及幾何精度因子的值，確定卡爾曼濾波器啟動(dòng) 的條件。
[0020] 進(jìn)一步的，所述的單衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)實(shí)時(shí)定軌實(shí)現(xiàn)方法，還包括：
[0021] 判斷偽距的觀測(cè)量與計(jì)算量之差的次小值是否超限，如果是，判定卡爾曼濾波器 發(fā)散；
[0022] 判斷軌道板濾波之后的位置與通道板單點(diǎn)定位的位置之差的模是否超限，如果 是，判定卡爾曼濾波器發(fā)散；
[0023] 當(dāng)監(jiān)測(cè)到卡爾曼濾波器發(fā)散時(shí)，重啟所述卡爾曼濾波器。
[0024] 進(jìn)一步的，所述的單衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)實(shí)時(shí)定軌實(shí)現(xiàn)方法，還包括：
[0025] 定期向星載接收機(jī)上注卡爾曼濾波器轉(zhuǎn)換參數(shù)并進(jìn)行數(shù)據(jù)備份；
[0026] 所述數(shù)據(jù)備份包括熱備份和冷備份，對(duì)應(yīng)的備份數(shù)據(jù)所訪問的器件包括快速器件 和慢速器件。
[0027] 進(jìn)一步的，所述的單衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)實(shí)時(shí)定軌實(shí)現(xiàn)方法，還包括：
[0028] 以狀態(tài)量的時(shí)間更新為基準(zhǔn)，通過設(shè)定門限剔除超差的觀測(cè)量。
[0029] 進(jìn)一步的，所述的單衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)實(shí)時(shí)定軌實(shí)現(xiàn)方法，還包括：
[0030] 設(shè)置雙緩沖區(qū)域，中斷服務(wù)程序與卡爾曼濾波器的主循環(huán)程序按時(shí)序交替訪問兩 個(gè)緩存區(qū)。
[0031] 本發(fā)明還提供了一種單衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)實(shí)時(shí)定軌工程實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)，包括：
[0032] 定軌工作模式切換模塊：用于依據(jù)當(dāng)前定軌工作模式及衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的可用 星數(shù)，確定應(yīng)采用的定軌工作模式；
[0033] 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模塊，用于將衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)觀測(cè)數(shù)據(jù)通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換從地固坐標(biāo)系轉(zhuǎn) 換到軌道系；
[0034] 軌道根數(shù)一步預(yù)報(bào)模塊，用于依據(jù)軌道動(dòng)力學(xué)模型對(duì)卡爾曼濾波器的狀態(tài)量進(jìn)行 時(shí)間更新，得到軌道根數(shù)一步預(yù)報(bào)；
[0035] 卡爾曼濾波模塊，用衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)卡爾曼濾波器的狀態(tài)量進(jìn)行測(cè) 量更新。
[0036] 進(jìn)一步的，所述單衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)實(shí)時(shí)定軌工程實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)，還包括：
[0037] 數(shù)據(jù)上注模塊，用于定期向星載接收機(jī)上注卡爾曼濾波器轉(zhuǎn)換參數(shù)。
[0038] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于：本發(fā)明采用基于軌道動(dòng)力學(xué)模型的卡爾曼濾 波方法和系統(tǒng)，聯(lián)合了動(dòng)力學(xué)法和卡爾曼濾波估計(jì)方法。在動(dòng)力學(xué)法中，提高了定軌的模型 精度；在卡爾曼濾波估計(jì)方法中，通過對(duì)動(dòng)力學(xué)模型中攝動(dòng)運(yùn)動(dòng)方程的線性化和數(shù)值積分， 將卡爾曼濾波器推廣到擴(kuò)展的卡爾曼濾波方法。該方法和系統(tǒng)更接近于實(shí)際建模，且實(shí)時(shí) 精度高。在提高定位精度的同時(shí)，亦具備定軌功能，通過判斷當(dāng)前衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的可用 星數(shù)，在不同的定軌模式之間自動(dòng)切換，滿足高精度實(shí)時(shí)定軌與衛(wèi)星自主導(dǎo)航的需要。并且 可以應(yīng)用到GPS、GL0NASS、北斗二代和GALILEO等多種衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)中。
【附圖說明】
[0039] 圖1為本申請(qǐng)實(shí)施例提供的一種單衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)實(shí)時(shí)定軌工程實(shí)現(xiàn)方法流 程圖；
[0040] 圖2為本申請(qǐng)實(shí)施例提供的一種定軌工作模式切換機(jī)制圖；
[0041] 圖3為本申請(qǐng)實(shí)施例提供的一種坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系圖；
[0042] 圖4為本申請(qǐng)實(shí)施例提供的一種軌道根數(shù)一步預(yù)報(bào)模型圖；
[0043] 圖5為本申請(qǐng)實(shí)施例提供的一種保障條件與狀態(tài)的關(guān)系圖；
[0044] 圖6為本申請(qǐng)實(shí)施例提供的一種卡爾曼濾波流程圖；
[0045] 圖7為本申請(qǐng)實(shí)施例提供的一種數(shù)據(jù)上注模塊和備份機(jī)制圖；
[0046] 圖8為本申請(qǐng)實(shí)施例提供的一種雙緩存機(jī)制的內(nèi)存結(jié)構(gòu)圖；
[0047] 圖9為本申請(qǐng)實(shí)施例提供的一種單衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)實(shí)時(shí)定軌工程實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)結(jié) 構(gòu)圖；
[0048] 圖10為本發(fā)明的數(shù)學(xué)仿真結(jié)構(gòu)圖；
[0049] 圖11為本申請(qǐng)實(shí)施例提供的物理仿真結(jié)構(gòu)圖；
[0050] 圖12為本本申請(qǐng)實(shí)施例提供的信號(hào)仿真器的系統(tǒng)構(gòu)成框圖；
[0051] 圖13為本申請(qǐng)實(shí)施例提供的星載單點(diǎn)定位方法進(jìn)行定位的誤差圖；
[0052] 圖14為本申請(qǐng)實(shí)施例提供的星載實(shí)時(shí)定軌方法穩(wěn)定濾波的誤差圖；
[0053] 圖15為本申請(qǐng)實(shí)施例提供的星載實(shí)時(shí)定軌方法短期預(yù)報(bào)的誤差圖。
【具體實(shí)施方式】
[0054] 本發(fā)明實(shí)施例主要提供了一種單衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)實(shí)時(shí)定軌實(shí)現(xiàn)方法，用于解決 現(xiàn)有技術(shù)中綜合動(dòng)力學(xué)定軌方法在工程實(shí)踐中建模比較簡(jiǎn)單，不能充分接近實(shí)際模型的問 題，將現(xiàn)有星載衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)接收機(jī)采用簡(jiǎn)單幾何方法進(jìn)行單點(diǎn)定位的方案改進(jìn)為星 載實(shí)時(shí)定軌方法，提高其實(shí)時(shí)精度。
[0055] 參見圖1所示的流程圖，所述單衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)實(shí)時(shí)定軌實(shí)現(xiàn)方法至少包括以 下步驟：
[0056] 步驟S101，依據(jù)當(dāng)前定軌工作模式及衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的可用星數(shù)，確定應(yīng)切換 到的定軌工作模式并執(zhí)行切換；
[0057] 以GPS/GL0NASS為例，依據(jù)當(dāng)前的定軌工作模式及GPS/GL0NASS的可用星數(shù)，確定 本秒應(yīng)