一种利用iHCO通信卫星实现全球导航定位的方法

摘要

本发明公开了一种利用iHCO通信卫星实现全球导航定位的方法，该方法包括以下步骤：步骤1、利用多颗iHCO通信卫星组成导航定位星座；步骤2、地面导航站采用伪随机噪声码对每颗iHCO通信卫星上行导航信号，每颗iHCO通信卫星广播地面导航站上行的导航信号；步骤3、用户终端接收多颗iHCO通信卫星广播的导航信号并解调出导航电文和广域增强信息，并计算得到用户终端到每颗iHCO通信卫星测量伪距；步骤4、用户终端根据用户终端到每颗iHCO通信卫星测量伪距对用户终端的位置坐标进行解算，最终得到用户终端位置的准确坐标。本发明能够实现全球覆盖的卫星导航定位。

说明书

技术领域

本发明涉及卫星导航定位技术，尤其是一种利用iHCO通信卫星实现 全球导航定位的方法，适用于通信卫星导航定位系统。

背景技术

2002年，中国科学院艾国祥院士领衔发明了基于通信卫星的卫星导航 定位系统(专利申请号：CN200410046064.1，发明名称：转发器卫星通信 导航定位系统，发明人：艾国祥、施浒立、吴海涛、颜毅华、边玉敬、胡 永辉、李志刚、郭际、蔡贤德，2009年7月29日获得授权)。该项专利申 请把通信卫星上的通信频点作为导航使用，开创了由全频通信拓展成为全 频导航的一个新开端。对寿命末期的地球同步轨道通信卫星采用倾轨操作， 即只保持卫星的东西方向轨道位置，南北方向任其漂移，在日月引力的摄 动作用下，通信卫星漂移成为小倾角的倾斜地球同步轨道卫星。采用该倾 轨操作可以大幅度延长通信卫星的在轨工作寿命，利用通信卫星上的转发 器资源，可以实现导航通信一体化(专利申请号：CN200610055909.2， 发明名称：用退役卫星改作小倾角同步导航卫星的方法，发明人：施浒立、 艾国祥、陈吉斌、韩延本、耿建平、马利华，2009年6月3日获得授权)。 地面导航站采用伪随机噪声码对每颗通信卫星上行三路导航信号，每颗通 信卫星广播地面导航站上行的三路导航信号，用户终端接收导航信号得到 每颗通信卫星轨道位置，实现每颗通信卫星到用户终端的三个频率的伪距 测量和载波相位测量，可以在关于内实现快速、高精度的导航定位新系统 (专利申请号：CN200910131310.6，发明名称：卫星导航定位中三频码波 伪距和载波相位的组合方法，发明人：艾国祥、马利华、施浒立、郭际、 李志刚、吴海涛、边玉敬、马冠一、孙希延、李孝辉，2011年8月17日 获得授权)。同时对每颗通信卫星进行伪距测量和多普勒频移测量，可以 把用户终端约束到一个圆锥的底面圆周上，利用两颗以上(含两颗)通信 卫星的伪距测量值和多普勒频移测量值就可以实现用户终端的导航定位 (申请号：CN201110164385.1，发明名称：卫星导航中结合多普勒测速的 定位方法，发明人：马利华、艾国祥、季海福)。每颗通信卫星同时下行 多个导航载波，可以有效降低该通信卫星的等效伪距测量误差，提高用户 终端的导航定位精度(申请号：CN201110228917.3，发明名称：卫星导航 中多载波的定位方法，发明人：马利华、艾国祥、季海福)。如果每颗卫 星下行的载波数不同，从物理层面对利用多个载波频点倍增用户终端的定 位精度做了全新的科学阐述，可以在多频卫星导航定位系统中利用多个载 波频点资源来倍增用户终端的定位精度(申请号：CN201210090864.8，发 明名称：一种卫星导航定位系统中倍增定位精度的方法，发明人：艾国祥， 马利华、施浒立、季海福)。

利用高于地球同步轨道(GeoSynchronous Orbit，GSO)200千米左右 的高倾斜圆(inclined Highly Circular Orbit，iHCO)轨道内的通信卫星组 成导航定位星座。iHCO通信卫星相对地球向西漂移，地面导航站采用伪 随机噪声码对每颗iHCO通信卫星上行导航电文和广域增强信息，每颗 iHCO通信卫星广播地面导航站上行的导航信号，用户终端接收导航信号， 实现iHCO通信卫星到用户终端的伪距测量，利用不少于4颗iHCO通信 卫星的伪距观测量构建方程组，通过迭代计算解算出用户终端位置的准确 坐标。利用iHCO通信卫星组成导航定位星座实现全球覆盖的导航定位系 统。

发明内容

本发明的目的是提供一种利用iHCO通信卫星实现全球覆盖的导航定 位新系统。利用高于地球同步轨道(GeoSynchronous Orbit，GSO)200千 米左右的高倾斜圆(inclined Highly Circular Orbit，iHCO)轨道内的通信 卫星组成导航定位星座，可以组建全球覆盖的导航定位系统。地面导航站 采用伪随机噪声码对每颗iHCO通信卫星上行导航电文和广域增强信息， 每颗iHCO通信卫星广播地面导航站上行的导航信号，用户终端接收导航 信号并解调导航电文和广域增强信息，利用导航电文得到iHCO通信卫星 轨道位置，利用广域增强信息改正电离层时延和对流层时延误差，实现 iHCO通信卫星到用户终端的伪距测量。利用不少于4颗iHCO通信卫星 的伪距观测误差方程构建方程组，通过迭代计算解算出用户终端位置的准 确坐标。

为了达到上述目的，本发明提出一种利用iHCO通信卫星实现全球导 航定位的方法，该方法包括以下步骤：

步骤1、利用多颗iHCO通信卫星组成导航定位星座；

步骤2、地面导航站采用伪随机噪声码对每颗iHCO通信卫星上行导 航信号，每颗iHCO通信卫星广播地面导航站上行的导航信号；

步骤3、用户终端接收多颗iHCO通信卫星广播的导航信号并解调出 导航电文和广域增强信息，并计算得到用户终端到每颗iHCO通信卫星测 量伪距；

步骤4、用户终端根据用户终端到每颗iHCO通信卫星测量伪距对用 户终端的位置坐标进解算，最终得到用户终端位置的准确坐标。

本发明的方法能够实现通信卫星的全球导航定位。

附图说明

图1是本发明中利用iHCO通信卫星实现全球覆盖的导航定位系统图；

图2是本发明中利用iHCO通信卫星实现全球覆盖的导航定位方法流 程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实 施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

图1示出了本发明提出的利用iHCO通信卫星实现全球覆盖的导航定 位系统的结构示意图。如图1所示，该系统包括：导航定位星座、地面导 航站和用户终端。

所述导航定位星座由高于地球同步轨道一定高度的高倾斜圆轨道内 的多颗iHCO通信卫星组成，所述地面导航站采用伪随机噪声码为每颗 iHCO通信卫星上行传输包括导航电文和广域增强信息的导航信号，每颗 iHCO通信卫星广播地面导航站上行传输的所述导航信号。所述用户终端 接收iHCO通信卫星广播的所述导航信号并解调导航电文和广域增强信息， 用户终端利用导航电文得到iHCO通信卫星的轨道位置，利用广域增强信 息改正电离层时延和对流层时延误差，实现可视iHCO通信卫星到用户终 端的伪距测量。所述用户终端可以为固定终端或移动终端，所述固定终端， 为固定卫星接收设备；所述移动终端为车载、船载或手持接收设备。

其中，用户终端根据不少于4颗可视iHCO通信卫星的伪距测量值， 以及卫星轨道位置对用户终端的位置坐标进行迭代解算，最终得到用户终 端位置的准确坐标。

图2示出了本发明提出的一种利用iHCO通信卫星实现全球覆盖的导 航定位方法流程图。如图2所示，该方法具体包括以下步骤：

步骤1，利用高于地球同步轨道(GeoSynchronous Orbit，GSO)200 千米左右的高倾斜圆(inclined Highly Circular Orbit，iHCO)轨道内的多 颗通信卫星组成导航定位星座；

步骤2，地面导航站采用伪随机噪声码对每颗iHCO通信卫星上行传 输包括导航电文和广域增强信息的导航信号，每颗iHCO通信卫星广播地 面导航站上行传输的导航信号；

所述伪随机噪声码实现对iHCO通信卫星的标识，每颗iHCO通信卫 星对应于一组固定的伪随机噪声码；用户终端在接收到所述伪随机码之后 利用所述伪随机噪声码的自相关和互相关特性来测量导航信号从iHCO通 信卫星到用户终端的传输时间，并利用该传输时间乘以电波传输速度即光 速得到iHCO通信卫星到用户终端的测量伪距；所述导航电文包含卫星系 统时间、iHCO通信卫星的时钟改正参数、iHCO通信卫星的轨道位置及卫 星健康状况；所述广域增强信息包含iHCO通信卫星的轨道改正数据、电 离层延迟模型参数、对流层延迟模型参数和完好性信息。

所述卫星导航定位系统内部的M(M≥4)颗可视iHCO通信卫星都同 时下行导航信号。

步骤3，用户终端接收iHCO通信卫星广播的导航信号并解调导航电 文和广域增强信息，并计算得到用户终端到每颗iHCO通信卫星测量伪距；

该步骤中，用户终端根据伪随机噪声码得到每颗iHCO通信卫星到用 户终端的测量伪距进一步包括：

在测量时刻t_k，用户终端测量得到iHCO通信卫星S_j到用户终端的测 量伪距其可根据伪随机码噪声码的自相关和互相关 特性测量得到的导航信号从iHCO通信卫星到用户终端的传输时间，乘以 电波传输速度即光速得到，其中，M(M≥4)为iHCO通信卫星的颗数；

建立所述iHCO通信卫星S_j到用户终端的测量伪距 的伪距观测方程，如下表示：

${\rho }_k^j={[{(X^j-X_k)}^2+{(Y^j-Y_k)}^2+{(Z^j-Z_k)}^2]}^{1/2}$

$+b_k-\mathrm{c\Delta }{t}^j+\Delta {\rho }_{k_n}^j+\Delta {\rho }_{k_P}^j---\left(1\right)$

式中，为测量伪距，为已知量；(X_k，Y_k，Z_k)为待定位的用户终端 在t_k时刻的准确坐标(待求量)；(X^j，Y^j，Z^j)为iHCO通信卫星S_j在发射 导航信号时的位置坐标；b_k为用户终端钟差的等效距离(待求量)；Δt^j为 iHCO通信卫星的时钟改正参数，可从iHCO通信卫星发送的导航电文中 获得；c为真空光速，为电离层时延，为对流层时延，所述电离 层时延和对流层时延可以根据所述广域增强信息中的电离层模型参数和 对流层延迟模型参数得到。

考虑观测随机误差为建立伪距观测的误差方程，如下表示：

$v_k^j={\rho }_k^j-{[{(X^j-X_k)}^2+{(Y^j-Y_k)}^2+{(Z^j-Z_k)}^2]}^{1/2}$

$-b_k+\mathrm{c\Delta }{t}^j-\Delta {\rho }_{k_n}^j-\Delta {\rho }_{k_P}^j---\left(2\right)$

步骤4，用户终端根据用户终端到不少于4颗可视iHCO通信卫星的 伪距测量值，以及卫星轨道位置对用户终端的位置坐标进行迭代解算，最 终得到用户终端位置的准确坐标。

所述步骤4进一步包括以下步骤：

步骤4.1，在对用户终端进行定位解算时，首先设定一个用户终端位 置坐标的初始值，即用户终端的概略位置坐标(X_k⁰，Y_k⁰，Z_k⁰)；

步骤4.2，然后对式(2)所示的伪距观测的误差方程进行1阶泰勒级 数展开，得到含有用户终端位置坐标修正步长的、所述伪距观测误差方程 的线性化形式：

$v_k^j=l_k^j\delta X_k+m_k^j\delta Y_k+n_k^j\delta Z_k$

$-b_k+{\rho }_k^j-{R_k}^j+\mathrm{c\Delta }{t}^j-\Delta {\rho }_{k_n}^j-\Delta {\rho }_{k_P}^j---\left(3\right)$

式中，δX_k、δY_k和δZ_k分别为用户终端位置坐标X_k、Y_k和Z_k的修 正步长，为用户终端的概略位置坐标到iHCO通信卫星S_j的方 向余弦：

$l_k^j=\frac{X^j-{X_k}^i}{{R_k}^j},m_k^j=\frac{Y^j-{Y_k}^i}{{R_k}^j},n_k^j=\frac{Z^j-{Z_k}^i}{{R_k}^j}---\left(4\right)$

其中，(X_kⁱ，Y_kⁱ，Z_kⁱ)为前次迭代得到的用户终端的概略位置坐标，第 一次迭代时其值为(X_k⁰，Y_k⁰，Z_k⁰)；R_k^j为用户终端的概略位置坐标到iHCO 通信卫星S_j的距离：

R_k^j＝[(X^j-X_kⁱ)²+(Y^j-Y_kⁱ)²+(Z^j-Z_kⁱ)²]^1/2          (5)

根据导航信号发射时刻的iHCO通信卫星的位置坐标(X^j，Y^j，Z^j)， 利用用户终端的概略位置坐标通过式(4)和(5)计算得到用户终端的概 略位置坐标到iHCO通信卫星S_j的方向余弦和用户终端的概略 位置坐标到iHCO通信卫星S_j的几何距离R_k^j。

步骤4.3，求解所述步骤4.2得到的线性化伪距观测的误差方程，得到 用户终端位置坐标的修正步长；

所述步骤4.3进一步包括以下步骤：

步骤4.3.1，将所述线性化伪距观测误差方程(3)中的已知项用表 示，有：

$v_k^j=l_k^j\delta X_k+m_k^j\delta Y_k+n_k^j\delta Z_k-b_k-L_k^j---\left(6\right)$

式中，为所述线性化伪距观测误差方程的常数项：

$L_k^j={R_k}^j-{\rho }_k^j-\mathrm{c\Delta }{t}^j+\Delta {\rho }_{k_n}^j+\Delta {\rho }_{k_P}^j---\left(7\right)$

步骤4.3.2，将式(6)写成矩阵形式：

V＝AX-L                          (8)

式中，X为待定参数矢量：

X＝[δX_k δY_k δZ_k b_k]^T               (9)

A为待定参数的系数矩阵：

$A=\left(\begin{array}{cccc}{l}_k^1& m_k^1& n_k^1& -1\\ l_k^2& m_k^2& n_k^2& -1\\ ···& ···& ···& ···\\ l_k^j& m_k^j& n_k^j& -1\\ ···& ···& ···& ···\\ l_k^M& m_k^M& n_k^M& -1\end{array}\right)---\left(10\right)$

其中，一颗iHCO通信卫星S_j在矩阵A中对应一行。

L为常数项矢量：

$L={\left(\begin{array}{cccccc}{L}_k^1& L_k^2& ···& L_k^j& ···& L_k^M\end{array}\right)}^T---\left(11\right)$

V为随机误差矢量：

$V={\left(\begin{array}{cccccc}{v}_k^1& v_k^2& ···& v_k^j& ···& v_k^M\end{array}\right)}^T---\left(12\right)$

步骤4.3.3，利用最小二乘法求解式(8)，可以得到待定参数矢量X：

X＝(A^TA)^-1A^TL                  (13)

步骤4.4，使用所述步骤4.3得到的用户终端位置坐标的修正步长对用 户终端的概略位置坐标进行修正；

将式(13)计算出来的待定参数矢量X带入下式，对用户终端的概略 位置坐标进行修正：

$\left(\begin{array}{c}{X}_k={X_k}^i+\delta X_k\\ Y_k={Y_k}^i+\delta Y_k\\ Z_k={Z_k}^i+\delta Z_k\end{array}\right)---\left(14\right)$

步骤4.5，将修正后的用户终端的位置坐标作为用户终端的概略位置 坐标重复步骤4.3-步骤4.4进行迭代计算，直到满足迭代结束条件，此时 得到的用户终端的位置坐标即为用户终端位置的准确坐标。

根据实际应用的需要，所述迭代结束条件可以为次数要求(比如最多 迭代次数为5次)或者精度要求(比如前后两次迭代每个坐标值的差值小 于某一固定值，比如0.5米)。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行 了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已， 并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、 等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。