一種基于動力學軌道外推的星載輔助gps方法及系統的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及衛星導航定位技術領域，尤其涉及一種基于動力學軌道外推的星載輔 助GPS方法及系統。
【背景技術】
[0002] 星載GPS接收機在定位時，需要對所有GPS衛星（目前為32顆）進行捕獲搜索， 得到可見GPS衛星的PRN(PseudoRandomNoisecode，偽隨機噪聲碼）號；對其中信號質 量較好的可見GPS衛星進行跟蹤，基于至少4顆GPS衛星信號進行定位解算。在沒有輔助 的情況下，星載GPS接收機捕獲模塊通常采用類似輪詢的方法，依次對所有GPS衛星進行捕 獲，得到可見GPS衛星；這需要花費較多的捕獲搜索時間（對32顆GPS衛星捕獲大約需要 幾分鐘時間），導致定位速度很慢。
[0003] 許多地面導航定位終端（智能手機、車載GPS等）通過AGPS(Assisted Global Positioning System，輔助全球衛星定位系統）定位技術解決了上述問題。地面AGPS技術 結合了GPS定位和移動基站定位的優勢，借助移動網絡的數據傳輸功能，可以達到很高的 定位精度和很快的定位速度。地面AGPS技術從定位啟動到GPS接收機找到可用GPS衛星 的基本流程主要包括：設備從移動基站獲取到當前所在的蜂窩小區位置；設備通過移動網 絡將當前所在的蜂窩小區位置傳送給網絡中的AGPS位置服務器;AGPS位置服務器根據當 前小區位置查詢該區域當前可用的衛星信息（包括衛星的頻段、方位角、俯仰角等相關信 息），并返回給設備；GPS接收機根據得到的可用衛星信息，可以快速捕獲當前可用的GPS衛 星。至此，GPS接收機已經可正常接收GPS信號，GPS初始化過程結束。但是，星載GPS接收 機工作于數百千米甚至更高的人造衛星軌道上，無法利用移動基站和移動網絡。因此，地面 的AGPS技術無法應用于星載GPS接收機，搜索次數多、定位速度慢仍是星載GPS接收機需 要解決的一大問題。
[0004] 星載GPS接收機與地面GPS接收機相比，主要具有以下不同特點：
[0005] -、星載GPS接收機的可見GPS衛星分布與低軌衛星軌道高度和GPS衛星天線覆 蓋角有關：隨著軌道高度的增加，一方面，水平面以上可見GPS衛星數減少，另一方面，因地 球遮擋的天球錐體部分減小使得負接收仰角的GPS衛星數增加。總體上，星載GPS接收機 可見GPS衛星數目隨著衛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衛星需要更多的搜索次數，更多的捕獲時間；
[0006] 二、低軌衛星處于高速運動狀態，星載GPS接收機視野內可見GPS衛星的切換較 快，比地面GPS接收機更容易發生定位失鎖。如果接收機發生短暫的定位中斷，視野內可見 GPS衛星分布變化較大，接收機內保存的上一次定位結果不能直接用來預測當前可見GPS 衛星，只能以冷啟動模式重新定位。因此，星載GPS接收機較少出現熱啟動、溫啟動，基本為 冷啟動；
[0007] 三、星載GPS接收機在設計時，對整體的功耗有嚴格的要求，在不影響定位的前提 下，接收機所產生的功耗越少越好。為節省電源功耗，星載GPS接收機常常被設計為間歇工 作模式，以便于進行其他載荷任務。比如，加拿大發射的CanX-2衛星，其星載GPS接收機連 續工作時間不超過50分鐘；德國的BIRD納衛星考慮到功耗限制，當星載紅外相機打開時， GPS接收機只能被關閉；美國的PCsat衛星的星載GPS接收機在大多數情況下必須關機，以 便于在軌通信遙感系統能夠工作，常規情況下，該星載GPS接收機最大持續工作時間不超 過9分鐘。
[0008] 由于星載GPS接收機的以上這些特點，減少捕獲搜索時間已成為星載GPS接收機 一個亟待解決的問題。如何設計簡單、有效、快速、高精度、研發費用低的星載GPS接收機捕 獲輔助系統，解決盲搜方法存在的耗時問題，提高導航定位系統的動態性能和快速定位能 力，在有限的開機運行時間內，進行盡可能多的GPS定位測量，是星載GPS接收機設計的新 的技術挑戰。
【發明內容】
[0009] 本發明的目的在于，針對現有技術中星載GPS接收機捕獲搜索次數較多、時間較 長、定位速度較慢的技術問題，提供一種基于動力學軌道外推的星載輔助GPS方法及系統， 以低軌衛星軌道運動規律為輔助信息，實現減少星載GPS接收機的捕獲搜索次數、提高定 位速度。
[0010] 為實現上述目的，本發明提供了一種基于動力學軌道外推的星載輔助GPS方法， 包括如下步驟：（1)根據低軌衛星動力學模型和J2000. 0坐標系下星載GPS接收機最近一 次定位結果進行軌道位置外推，獲取星載GPS接收機的外推位置并轉換到ECEF坐標系；（2) 根據有效GPS歷書計算獲取ECEF坐標系下所有GPS衛星的位置；（3)計算同一歷元時刻所 有GPS衛星對星載GPS接收機的俯仰角，判斷每一GPS衛星對星載GPS接收機是否可見，并 按照可見性概率對所有GPS衛星進行排序，獲取排序過的GPS衛星PRN號列表；（4)根據所 述GPS衛星PRN號列表對星載GPS接收機的捕獲通道進行GPS衛星優先配置。
[0011] 為實現上述目的，本發明還提供了一種基于動力學軌道外推的星載輔助GPS系 統，包括：動力學軌道外推模塊、GPS衛星位置計算模塊、可見GPS衛星計算模塊以及捕獲通 道配置模塊；所述動力學軌道外推模塊，用于根據低軌衛星動力學模型和J2000. 0坐標系 下星載GPS接收機最近一次定位結果進行軌道位置外推，獲取星載GPS接收機的外推位置 并轉換到ECEF坐標系；所述GPS衛星位置計算模塊，用于根據有效GPS歷書計算獲取ECEF 坐標系下所有GPS衛星的位置；所述可見GPS衛星計算模塊分別與所述動力學軌道外推模 塊以及GPS衛星位置計算模塊相連，用于計算同一歷元時刻所有GPS衛星對星載GPS接收 機的俯仰角，判斷每一GPS衛星對星載GPS接收機是否可見，并按照可見性概率對所有GPS 衛星進行排序，獲取排序過的GPS衛星PRN號列表；所述捕獲通道配置模塊與所述可見GPS 衛星計算模塊相連，用于根據所述GPS衛星PRN號列表對星載GPS接收機的捕獲通道進行 可見GPS衛星優先配置。
[0012] 本發明的優點在于：
[0013] 1)、通過預測一段時間內的可見GPS衛星，優先將可見概率大的GPS衛星配置給星 載GPS接收機的捕獲通道，實時對視野內可見GPS衛星的捕獲跟蹤進行切換，可以減少接收 機捕獲搜索次數，有效地減少定位時間，尤其能大大縮短冷啟動模式下星載GPS接收機的 首次定位時間以及較高低軌衛星軌道上GPS接收機的搜索時間；
[0014] 2)、在計算可見GPS衛星時，充分考慮星載環境的特點，根據低軌衛星軌道高度和 GPS衛星天線覆蓋范圍，提出適合星載GPS接收機的可見GPS衛星判據，相比地面接收機視 俯仰角大于5度或10度的GPS衛星為可見，本發明能更有效準確地預測星載GPS接收機視 野內的可見GPS衛星；
[0015] 3)、俯仰角的計算不僅可用于判斷可見GPS衛星。當視野內可見GPS衛星數目較 多時，根據俯仰角和方位角簡單地選擇幾何分布較好的可見GPS衛星組合，可以提高接收 機的定位精度；除俯仰角為正的GPS衛星用于定位計算、軌道確定外，俯仰角為負的GPS衛 星可用于掩星探測，適用于大氣反演等對地測量任務的衛星；
[0016] 4)、由于冷啟動時間縮短，可在不需要星載GPS接收機工作時關閉接收機；當需 GPS定位時，打開接收機，快速恢復GPS定位，減少星載GPS接收機的整體功耗；
[0017] 5)、以軟件形式實現系統設計和功能，不需要額外的硬件設計，節省開發成本，縮 短設計周期，簡化調試工作。
【附圖說明】
[0018] 圖1，本發明所述的基于動力學軌道外推的星載輔助GPS方法的流程圖；
[0019] 圖2,本發明所述的星載GPS接收機的捕獲通道配置流程示意圖；
[0020] 圖3,本發明所述的基于動力學軌道外推的星載輔助GPS系統的架構示意圖；
[0021] 圖4,本發明所述基于動力學軌道外推的星載輔助GPS方法一實施例的處理流程 圖；
[0022] 圖5,單顆GPS衛星對星載GPS接收機的空間覆蓋特點示意圖；