一种GLONASS卫星轨道计算方法和系统

摘要

本发明公开了一种GLONASS卫星轨道计算方法和系统，包括以下步骤：捕获GLONASS卫星广播信号转换成GLONASS卫星数据并传至时间判断模块；判断GLONASS卫星数据中的卫星参考时间t

说明书

技术领域

本发明涉及格洛纳斯卫星导航系统(GLONASS)，具体地，涉及一种支持 GLONASS卫星轨道计算方法和系统。

背景技术

随着GLONASS现代化进程的不断推进，截至2011年12月8日， GLONASS在轨工作卫星达24颗，已恢复系统完全运行能力。GPS系统在全 球范围实时提供全天候定位定时服务，随着GLONASS系统的修复和完善，GPS/ 北斗/GLONASS多模组合导航定位得到了越来越广泛使用，多模定位增加了观 测卫星数目，改善了卫星几何分布结构，提高了定位的精度和可用性，因此对 GLONASS系统的研究,具有非常重要的使用价值。与GPS和北斗系统不同， GLONASS卫星轨道计算由于卫星广播星历的不同，可以采用欧拉法、龙格-库 塔法及阿达姆斯法等，研究人员也一直不断研究各种方法来提高GLONASS卫 星轨道计算的精度，如清华大学提出的用轨道积分方法来精确计算GLONASS 卫星坐标的公式，东南大学提出的自动积分步长的GLONASS卫星轨道龙格库 塔法,这些方法都很好地提高了GLONASS卫星轨道的计算精度和减少计算的时 间和空间复杂度。

由于关于GLONASS卫星坐标计算的四阶龙格库塔法可以得到很好的精度， 因此在很长一段时间内得到很广泛的应用。随着导航定位需求的不断发展，涌 现出来的各种不同类型的定位接收机和用户终端，导航定位对快速定位的要求 越来越高，而且小型化导航芯片的不断发展需要减少芯片算法运算量来减少定 位时间和降低芯片功耗。基于传统的四阶龙格库塔法对GLONASS卫星进行轨 道计算是每次从卫星广播的参考时间进行轨道积分，由于GLONASS卫星的星 历是在星历参考时间的±15分钟内有效，当定位系统进入有效时间段时，龙格 库塔积分需要以固定步长，通常是60秒，从星历参考时间，积分到星历参考时 间-15分钟，(经过15步长)；在下一个历元，通常是在一秒钟后，传统方法又 从同样的星历参考时间起，积分到新历元时间，(还是15步长)。因此需要较长 的积分时间，并且随着积分时间的增大计算量也越大，占用CPU大量的资源， 不符合高速发展高效定位的要求。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中的不足之处，提供一种简单了积分过程和 减少了积分时间，而且很大程度上节省接收机的资源调用的GLONASS卫星轨 道计算方法。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种GLONASS卫星轨道计算方法，包括以下步骤：

S1：捕获GLONASS卫星广播信号，并转换成可用的GLONASS卫星数据， 将GLONASS卫星数据传送至时间判断模块；

S2：时间判断模块首先判断GLONASS卫星数据中的卫星参考时间t_b是否与 上一历元有所改变，如果判断发生参考时间t_b改变，更新参考时间t_b和卫星定位 数据，执行步骤S3，否则，保留原来的数据，执行步骤S4；

S3：时间判断模块选择将GLONASS卫星数据传送至GLONASS步长积分 轨道计算模块，GLONASS步长积分轨道计算模块经过多次龙格库塔法积分计算 出GLONASS卫星位置和速度；

S4：时间判断模块比较卫星参考时间和卫星发射时间的大小，如果当前时 间大于卫星参考时间并且当前时间与卫星参考时间差在一个采样历元间隔时， 用GLONASS步长积分轨道计算模块重新校正GLONASS卫星位置和速度，否 则，选择GLONASS高效轨道计算模块计算GLONASS卫星轨道，经一次龙格 库塔法积分计算出GLONASS卫星位置和速度。

具体的，所述步骤S3的具体步骤为：

GLONASS步长积分轨道计算模块运用四阶龙格库塔法从卫星参考时间t_b时刻开始积分，其中，初始位置为卫星数据中参考时刻t_b的参考坐标、速度和加 速度，经过多次累积积分后，得到GLONASS卫星在当前历元的位置和速度， 最终输出卫星位置和速度值。

具体的，所述步骤S4的具体步骤为：

S401：经过时间判断模块第一次判断参考时间t_b没有发生改变之后，时间判 断模块再次判断GLONASS卫星参考时间t_b与GLONASS卫星星历发射时间t_current之间的差值是否小于确定好的历元间间隔，即判断t_current-t_b≤T，如果是，则执行 步骤S402；否则，执行步骤S403；

S402：经过一预设时间的GLONASS卫星轨道计算之后，累积了该预设时间 内的误差，用星历参考值来重新校正卫星积分轨道；

S403：GLONASS高效轨道计算模块运用四阶龙格库塔法从上一历元开始积 分，积分的初始时间为上一历元的卫星星历发射时间，初始位置为上一历元 GLONASS卫星轨道计算后所得的卫星位置、速度以及星历中的加速度，一次积 分后得到GLONASS卫星在当前历元的位置和速度，最终输出卫星位置和速度 值。

具体的，所述步骤S402的具体操作为：

GLONASS步长积分轨道计算模块运用四阶龙格库塔法从参考时间t_b时刻 开始积分，初始位置为卫星数据中参考时刻t_b的参考坐标、速度和加速度，经过 多次累积积分后，得到GLONASS卫星在当前历元的位置和速度，最终输出卫 星位置和速度值。

在一种优选的方案中，所述GLONASS步长积分轨道计算模块是基于四阶 龙格库塔积分法，根据GLONASS卫星运动微分方程式，由参考时刻t_b到卫星当 前时刻t_current的多次积分，其中GLONASS卫星运动微分方程式为:

$\frac{dx}{dt}=\stackrel{·}{x}$

$\frac{dy}{dt}=\stackrel{·}{y}$

$\frac{dz}{dt}=\stackrel{·}{z}$

$\frac{d\stackrel{·}{x}}{dt}=-\frac{\mu }{r^3}x-\frac{3}{2}{J}_0^2\frac{{\mathrm{\mu a}}^2}{r^5}x(1-5\frac{z^2}{r^2})+{\stackrel{·}{\Omega }}_e^{2}x+2{\stackrel{·}{\Omega }}_e\stackrel{·}{y}+{\stackrel{··}{x}}_n$

$\frac{d\stackrel{·}{y}}{dt}=-\frac{\mu }{r^3}y-\frac{3}{2}{J}_0^2\frac{{\mathrm{\mu a}}^2}{r^5}y(1-5\frac{z^2}{r^2})+{\stackrel{·}{\Omega }}_e^{2}y+2{\stackrel{·}{\Omega }}_e\stackrel{·}{x}+{\stackrel{··}{y}}_n$

$\frac{d\stackrel{·}{z}}{dt}=-\frac{\mu }{r^3}z-\frac{3}{2}{J}_0^2\frac{{\mathrm{\mu a}}^2}{r^5}z(3-5\frac{z^2}{r^2})+{\stackrel{··}{z}}_n$

其中(x,y,z)分别为卫星位置，(dx,dy,dz)分别为卫星速度,r为卫星与地球中心 的几何距离，为地球扁率的二阶带谐系数，a、μ为PZ-90坐标系所采 用的基本大地参数。

在一种优选的方案中，所述GLONASS高效轨道计算模块是基于四阶龙格 库塔积分法，根据GLONASS卫星运动方程式，由上一历元GLONASS卫星解 算位置和速度的时间t_current-T到当前GLONASS卫星当前时刻t_current的一次积分。 其中积分过程为：

Y₁＝X_i-1

$Y_2=X_{i-1}+\frac{\Delta t}{2}f\left(Y_1\right)$

$Y_3=X_{i-1}+\frac{\Delta t}{2}f\left(Y_2\right)$

Y₄＝X_i-1+Δtf(Y₃)

$X_i=X_{i-1}+\frac{\Delta t}{6}[f\left(Y_1\right)+2f\left(Y_2\right)+3f\left(Y_3\right)+f\left(Y_4\right)]$

其中向量X_i＝[x,y,z,dx,dy,dz]，X_i-1则为上一历元的卫星的位置和速度向量， Y₁、Y₂、Y₃、Y₄为计算过程的值。

由于GLONASS高效轨道计算模块只有一次积分过程，所以求解卫星位置 和速度过程非常高效，不仅节省很多时间，而且节省了CPU大量资源。

在一种优选的方案中，所述方法适用于所有使用GLONASS系统进行定位 的接收机和用户终端。

基于同一构思，本发明还提供一种GLONASS卫星轨道计算的系统，包括：

定位接收机，捕获GLONASS卫星广播信号，并将跟踪到的GLONASS卫 星广播信号转换为可用的GLONASS卫星数据；

时间判断模块，接收GLONASS卫星数据，判断GLONASS卫星数据中的 卫星参考时间的改变量，并根据该改变量更新或保留参考时间和卫星定位数据；

GLONASS步长积分轨道计算模块，接收更新的参考时间和卫星定位数据， 经过多次龙格库塔法积分计算并输出GLONASS卫星位置和速度值；

GLONASS高效轨道计算模块，接收保留的参考时间和卫星定位数据，经一 次龙格库塔法积分计算并输出GLONASS卫星位置和速度，

所述定位接收机与时间判断模块连接，所述时间判断模块分别与GLONASS 步长积分轨道计算模块及GLONASS高效轨道计算模块连接。

本发明提出的GLONASS高效轨道计算方法，最大程度上减少接收机运算 时间的同时，还能明显地节省接收机CPU运算资源。本发明将基于所有涵括 GLONASS卫星定位的接收机。本方法在GLONASS卫星广播星历改变的第一历 元调用GLONASS步长积分轨道计算模块从广播的参考时间进行轨道积分，从 第二历元起基于上一历元轨道计算调用GLONASS高效轨道计算模块，可以一 次积分得到卫星位置和速度；当卫星发射时间到达参考时间时，重新运用 GLONASS步长积分轨道计算模块校正卫星轨道，下一历元继续使用GLONASS 高效轨道计算模快求解卫星轨道的位置和速度。

本发明相比现有技术具有以下优点及有益效果：

与现有技术相比，本发明基于四阶龙格库塔积分法在上一历元的GLONASS 卫星位置和速度的基础上，计算当前历元的GLONASS卫星位置和速度，只需 要一次积分就可以得到结果，大大简单了积分过程和减少了积分时间，而且很 大程度上节省了接收机的资源调用。

附图说明

图1是本发明的GLONASS卫星轨道计算系统的整体框架图。

图2是本发明GLONASS高效轨道计算方法的方法流程图。

图3是本发明GLONASS高效轨道计算方法的说明图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方 式不限于此。

实施例

如图1，本发明所述的一种GLONASS高效轨道计算系统，主要有4个组成 部分：定位接收机、时间判断模块、GLONASS步长积分轨道计算模块和 GLONASS高效轨道计算模块。时间判断模块具有判断GLONASS卫星广播星历 参考时间是否改变以及比较参考时间和卫星当前时间值的功能。当卫星参考时 间改变时，时间判断模块选择GLONASS步长积分轨道计算模块，经过多次龙 格库塔法积分计算出GLONASS卫星位置和速度；当卫星参考时间不改变时， 时间判断模快比较卫星参考时间和卫星发射时间的大小，如果当前时间刚好大 于参考时间并且当前时间与参考时间差在一个采样历元间隔时，用GLONASS 步长积分轨道计算模块重新校正GLONASS卫星位置和速度，否则，选择 GLONASS高效轨道计算模块计算GLONASS卫星轨道，经一次龙格库塔法积分 就计算出GLONASS卫星位置和速度。以下分别进行详细说明。

请参考图1、2，3，本实施例提供一种GLONASS高效轨道计算的方法，包 括步骤：

S1：涵括GLONASS定位系统的定位接收机将捕获和跟踪到的GLONASS 卫星广播信号转换为可用的GLONASS卫星数据，并将卫星数据送进时间判断 模块；

S2：时间判断模块判断首先判断卫星数据中的卫星参考时间t_b是否与上一历 元有所改变，如果判断参考时间t_b改变了，更新参考时间t_b和卫星定位数据，执 行步骤S3，否则，判断出参考时间t_b没有改变，保留原来的数据，执行步骤S4；

S3：GLONASS步长积分轨道计算模块运用四阶龙格库塔法从参考时间t_b时 刻开始积分，初始位置为卫星数据中参考时刻t_b的参考坐标、速度和加速度。经 过多次累积积分后，得到GLONASS卫星在当前历元的位置和速度，最终输出 卫星位置和速度值；

S4:经过时间判断模块第一次判断参考时间t_b没有发生改变之后，时间判断 模块再次判断GLONASS卫星参考时间t_b与GLONASS卫星当前时间t_current之间的 差值是否小于确定好的历元间间隔，即t_current-t_b≤T.如果是，则执行步骤S5；否 则，执行步骤S6；

S5：经过大约15分钟的GLONASS卫星轨道计算之后，累积了一定程度的 误差，需要用星历参考值来重新校正卫星积分轨道。GLONASS步长积分轨道计 算模块运用四阶龙格库塔法从参考时间t_b时刻开始积分，初始位置为卫星数据中 参考时刻t_b的参考坐标、速度和加速度。经过多次累积积分后，得到GLONASS 卫星在当前历元的位置和速度，最终输出卫星位置和速度值；

S6：GLONASS高效轨道计算模块运用四阶龙格库塔法从上一历元开始积 分，积分的初始时间为当前时间的上一历元，初始位置为上一历元GLONASS 卫星轨道计算后所得的卫星位置、速度以及星历中的加速度。由于积分时间长 度相对于积分步长来说很小，只需要一次积分后就得到GLONASS卫星在当前 历元的位置和速度，最终输出卫星位置和速度值。

在一种优选的方案中，所述GLONASS步长积分轨道计算模块是基于四阶 龙格库塔积分法，根据GLONASS卫星运动微分方程式，由参考时刻t_b到卫星当 前时刻t_current的多次积分。其中GLONASS卫星运动微分方程式为:

$\frac{dx}{dt}=\stackrel{·}{x}$

$\frac{dy}{dt}=\stackrel{·}{y}$

$\frac{dz}{dt}=\stackrel{·}{z}$

$\frac{d\stackrel{·}{x}}{dt}=-\frac{\mu }{r^3}x-\frac{3}{2}{J}_0^2\frac{{\mathrm{\mu a}}^2}{r^5}x(1-5\frac{z^2}{r^2})+{\stackrel{·}{\Omega }}_e^{2}x+2{\stackrel{·}{\Omega }}_e\stackrel{·}{y}+{\stackrel{··}{x}}_n$

$\frac{d\stackrel{·}{y}}{dt}=-\frac{\mu }{r^3}y-\frac{3}{2}{J}_0^2\frac{{\mathrm{\mu a}}^2}{r^5}y(1-5\frac{z^2}{r^2})+{\stackrel{·}{\Omega }}_e^{2}y+2{\stackrel{·}{\Omega }}_e\stackrel{·}{x}+{\stackrel{··}{y}}_n$

$\frac{d\stackrel{·}{z}}{dt}=-\frac{\mu }{r^3}z-\frac{3}{2}{J}_0^2\frac{{\mathrm{\mu a}}^2}{r^5}z(3-5\frac{z^2}{r^2})+{\stackrel{··}{z}}_n$

其中(x,y,z)分别为卫星位置，(dx,dy,dz)分别为卫星速度,r为卫星与地球中心 的几何距离，为地球扁率的二阶带谐系数，a、μ为PZ-90坐标系所采 用的基本大地参数。

在一种优选的方案中，所述GLONASS高效轨道计算模块是基于四阶龙格 库塔积分法，根据GLONASS卫星运动方程式，由上一历元GLONASS卫星解 算位置和速度的时间t_current-T到当前GLONASS卫星当前时刻t_current的一次积分。 其中积分过程为：

Y₁＝X_i-1

$Y_2=X_{i-1}+\frac{\Delta t}{2}f\left(Y_1\right)$

$Y_3=X_{i-1}+\frac{\Delta t}{2}f\left(Y_2\right)$

Y₄＝X_i-1+Δtf(Y₃)

$X_i=X_{i-1}+\frac{\Delta t}{6}[f\left(Y_1\right)+2f\left(Y_2\right)+3f\left(Y_3\right)+f\left(Y_4\right)]$

其中向量X_i＝[x,y,z,dx,dy,dz]，X_i-1则为上一历元的卫星的位置和速度向量， Y₁、Y₂、Y₃、Y₄为计算过程的值。

由于GLONASS高效轨道计算模块只有一次积分过程，所以求解卫星位置 和速度过程非常高效，不仅节省很多时间，而且节省了CPU大量资源。

在一种优选的方案中，所述方法适用于所有使用GLONASS系统进行定位 的接收机和用户终端。

与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：本发明基于四阶龙格库 塔积分法在上一历元的GLONASS卫星位置和速度的基础上，计算当前历元的 GLONASS卫星位置和速度，只需要一次积分就可以得到结果，大大简单了积分 过程和减少了积分时间，而且很大程度上节省了接收机的资源调用。当定位系 统进入有效时间段时，新方法和旧方法一样，利用龙格库塔积分以固定步长， 从星历参考时间，积分到星历参考时间-15分钟；但是在下一个历元，新方法不 再从星历参考时间起进行积分，而是从上历元时间开始，积分到本历元。上历 元到本历元的时间很短，通常在一秒钟以内。龙格库塔积分只需要一个步长就 可以算出卫星的位置和速度。以后的历元也是重复这个方法，只要一步积分,直 到系统达到新的星历有效时间段。本方法还有一个质量控制机制：当系统当前 历元第一次大于本星历的参考时间时，龙格库塔积分不再以上一历元为出发点， 而已星历参考时间和参考时间的卫星位置和速度为初始值进行积分。这样本方 法消除了龙格库塔积分在星历参考时的-15分钟到星历参考时间段内的积累误 差。因此本方法可以大大提高GLONASS卫星位置、速度的计算效率，而不增 加误差。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实 施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、 替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。