一種偽衛星側向導航組網實現方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及導航及其增強技術領域,尤其涉及一種偽衛星側向導航組網實現方 法。
【背景技術】
[0002] 從20世紀70年代的GPS研制初期至今,偽衛星得到了廣泛應用。最初的偽衛星主要 用來測試地面接收機設備,而如今的偽衛星則可作為導航衛星星座的重要補充和增強資 源,在室內、地下等無法接收衛星導航信號的環境下替代導航衛星星座,為用戶提供導航定 位服務。當前的偽衛星導航組網方式,主要有"正向"和"倒向"兩種。"正向"方式將偽衛星部 署在服務區正上方,一般通過在浮空器或無人機上搭載導航信號源,并向下播發導航信號 實現;"倒向"方式是將偽衛星部署在服務區地面,一般通過在基站、車輛或艦船上搭載導航 信號源,并向上播發導航信號實現。
[0003] 然而,針對災區或氣象條件惡劣等區域,"正向"和"倒向"部署偽衛星十分困難。這 是因為災區或氣象條件惡劣區域的上空和地面偽衛星平臺工作風險大,很有可能被自然災 害所摧毀,同時維護和維修十分不便。
【發明內容】
[0004] 為解決上述技術問題,本發明提供一種偽衛星側向導航組網實現方法,"側向"即 通過將偽衛星部署在災區和氣象惡劣區域之外,充分利用可部署區內的地面設施,實現有 效的時空基準統一,具有工作安全可靠、維護與維修方便、備份補充便捷的優勢。
[0005] 本發明是通過以下技術方案實現:
[0006] -種偽衛星側向導航組網實現方法,其包括以下步驟:
[0007] 步驟1,以m顆偽衛星部署在導航服務區之外為前提條件,設計m顆偽衛星在導航服 務區之外的最優組網目標函數E( {PSJ ):
[0008] [(《PS, i) = u'丨 GDOP{ !PS, S) + w2[Availabiity{ jPS, j) - n]
[0009] 其中,j = l,2…m,GDOPiAPS)})是部署偽衛星位置坐標的集合誤差函數; 八¥3;[1&13;[1〖7({?5」})是導航服務區內采樣點處的可視偽衛星的最大可用和函數,'\¥1、'\¥2為指 標權重;且:
[0010]
,⑶OPi是第i個采樣點的有效⑶0P值,i = l,2."n,n為 導航服務區內均勻分布的有效觀測采樣總點數;
,tr( ·)為求矩陣 的跡,將第j個偽衛星的位置坐標表示為^AS?) '導航服務區內第i個采樣點 的坐標表示為s; =(S'41,S':.,S) '則有
[0013]
其 中,availablePLnumber(i)為第i個采樣點可用偽衛星數量;
[0014] W1+W2 = 1;
[0015] 步驟2,利用最優化算法對最優組網目標函數E({PSj)進行多維度精尋優,獲得偽 衛星導航組網最優方案,根據該偽衛星導航組網最優方案在服務區之外部署偽衛星。
[0016] 效果較好的,wi = 0.1、W2 = 0.9。
[0017] 與現有的技術相比,本發明的有益效果是:
[0018] 本發明將偽衛星部署在服務區之外,其定義描述偽衛星導航組網性能的指標,在 地理環境、平臺特性、用戶需求等約束條件的基礎上,通過構建相應數學模型和指標函數, 綜合設計偽衛星最優組網目標函數;并采用最優化算法對偽衛星最優組網目標函數進行多 維度精尋優,最后獲得偽衛星導航組網最優方案。與現有技術相比,本發明所提出的偽衛星 "側向"組網方法,可以在不受導航服務區內惡劣因素影響的情況下,實現導航定位與增強。
【附圖說明】
[0019] 圖la為本發明四顆偽衛星最優側向部署俯視圖;
[0020] 圖lb為本發明四顆偽衛星最優側向部署示意圖;
[0021 ]圖2a為本發明四顆偽衛星最優側向部署⑶0P值3D圖;
[0022] 圖2b為本發明四顆偽衛星最優側向部署⑶0P值的分布圖;
[0023] 圖3為本發明四顆偽衛星側向部署服務區覆蓋性分析圖;
[0024] 圖4a為本發明六顆偽衛星最優側向部署俯視圖;
[0025] 圖4b為本發明六顆偽衛星最優側向部署示意圖;
[0026]圖5a為本發明六顆偽衛星最優側向部署⑶0P值3D圖;
[0027]圖5b為本發明六顆偽衛星最優側向部署⑶0P值的分布圖;
[0028] 圖6為本發明六顆偽衛星側向部署服務區覆蓋性分析圖;
[0029] 圖7為本發明的偽衛星側向導航組網實現方法示意圖。
【具體實施方式】
[0030] 為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白,以下結合附圖及實施例,對 本發明進行進一步詳細說明。應當理解,此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明,并 不用于限定本發明。
[0031] 如圖7所示,一種偽衛星側向導航組網實現方法,其包括以下步驟:
[0032]步驟1,將偽衛星部署在導航服務區之外,定義描述偽衛星導航組網性能的指標, 在地理環境、平臺特性、用戶需求等約束條件的基礎上,通過構建相應數學模型和指標函 數,以綜合設計偽衛星最優組網目標函數,該偽衛星最優組網目標函數表示為 GDOP({/^.*)-f u·,[.4vailabiltyi |,|)-?] 0
[0033]其中,j = 1,2…m,是平均GDOP值,GDOP是位置誤差幾何誤差系數;PSj是第j 顆偽衛星部署的位置坐標,{PS」}是偽衛星部署的位置坐標集合,反^(.丨AS,!.)是部署偽 衛星位置坐標的集合誤差函數;Availability是導航服務區內采樣點處達到最多可用偽衛 星個數,Availabilty({PSj})是服務區內采樣點處的可視偽衛星的最大可用和函數,W1、W2 為指標權重。
[0034]通常來講,偽衛星平臺組網的性能指標描述主要有:導航增強服務區域的GD0P值 和偽衛星的可用性,它們是評價組網效果的基本依據,下面分別對其進行數學定義:
[0035] (1)⑶0P值與
[0036] 詳見目標函數部分。
[0037] (3)最大可用性 MaxVisiblei
[0038] 考慮到用戶可觀測偽衛星數量對導航性能有很大的影響,定義最大可用性指標。
[0040] 其中,visiblePLnumber為采樣點可用偽衛星數量;其計算方法是導航服務區內第 i個觀測采樣點的可用偽衛星數量等于偽衛星總數時,記為vailablei = l,認為全部偽衛星 對該采樣點可用,否則記為vailablei = 0。該指標用于判斷所有偽衛星能否對導航增強區 域內觀測采樣點完全可用,間接描述了偽衛星導航增強網絡對區域可用性的貢獻程度。
[0041] 綜上,本發明考慮以增強服務區有效平均GD0P值和最大可用星數量為指標構造目 標函數如下:廠Π 朽,.丨)=叫GDOP{丨RS,丨)+ %[加《麻(丨/?)!.)-η]。
[0042]
,⑶〇Pi是第i個采樣點的有效⑶0Ρ值,i = 1,2… n,n為導航服務區內均勻分布的有效觀測采樣總點數;
求矩陣的跡,將第j個偽衛星的位置坐標表示為q ,導航服務區內第i 個采樣點的坐標表示為sy =飲4, si),則有
[0045]
中,availablePL number(i)為第i個采樣點可用偽衛星數量;wi+W2 = l,wi、W2為指標權重, 用于綜合各項指標,以控制最終導航組網性能;為了防止最優化算法趨于減少可用偽衛星 數量來降低反又分,通常將《2設置為一個較大的數。
[0046] 本例中wi = 0 · 1,W2 = 0 · 9。
[0047] 步驟2,使用最優化算法如MATLAB PSO too 1 box 的a par t i c 1 e swarm optimization algorithm(PSO)算法搜索偽衛星"側向"最優組網方案。
[0048] 設導航服務區范圍[37°,39°]X[119°,121°],高度6km。偽衛星部署范圍[17°, 49° ] X [99° ,119° ] X [0.8km,30km]。通過針對4顆和6顆偽衛星組網方案的分析(分別對應 實例1和實例2)。
[0049] 實施例1:
[0050] 通過PS0算法求取目標函數E( ·)的最小值,獲得四顆偽衛星的側向最優部署位置 為:(119。,38。,30km),(119。,31.12。,30km),(116.89。,37.93。,0.8km),(119。,44.9。, 30km)。偽衛星組網示意圖如圖la和圖lb所示,其中點陣為導航服務區,圈為偽衛星。
[0051 ]此種側向部署方式使導航增強區域⑶0P的平均值在5.8左右,最小值為1.9771,最 大值為9.5933,且大部分集中在6左右,如圖2a和圖2b所示。
[0052] 圖3是四顆偽衛星側向組網對導航服務區的覆蓋性分析,圖中灰度越深表明偽衛 星覆蓋數量越多。其中矩形線框是導航服務區,可以看到服務區內可以達到偽衛星4重覆 蓋。
[0053] 實施例2:
[0054] 通過PS0算法求取目標函數E( ·)的最小值,獲得六顆偽衛星的側向最優部署位置 為:(119。,37.52。,30km),(119。,38。,0.8km),(111。,37.57。,29.5km),(119。,38.49。, 30km) ,(119° ,31.12°,30km) ,(119° ,44.9°,30km)。偽衛星組網示意圖如圖4a和圖4b所示, 其中點陣為導航服務區,圈為偽衛星。
[0055] 此種側向部署方式使導航增強區域⑶0P的平均值在4.2左右,最小值為1.5722,, 最大值為7.0780,且大部分集中在4左右,如圖5a和圖5b所示。
[0056] 圖6是六顆偽衛星側向組網對導航服務區的覆蓋性分析,圖中灰度越深表明偽衛 星覆蓋數量越多。其中矩形線框是導航服務區,可以看到服務區內可以達到偽衛星6重覆 蓋。
[0057] 以上所述僅為本發明的較佳實施例而已,并不用以限制本發明,凡在本發明的精 神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等,均應包含在本發明的保護范圍之內。
【主權項】
1. 一種偽衛星側向導航組網實現方法,其特征在于,包括W下步驟: 步驟1,Wm顆偽衛星部署在導航服務區之外為前提條件,設計m顆偽衛星在導航服務區 之外的最優組網目標函數E( {PSj}):其中,j = 1,2…m,GDOP{ ?巧,)是部署偽衛星位置坐標的集合誤差函數;Availabi 1 ty ({P&})是導航服務區內采樣點處的可視偽衛星的最大可用和函數,W1、W2為指標權重;且:GDOPi是第i個采樣點的有效GDOP值,i = 1,2···η,n為導航 服務區內均勻分布的有效觀測采樣總點數;tr(.)為求矩陣的跡, 將第j個偽衛星的位置坐標表示為戶巧,>導航服務區內第i個采樣點的坐 標表示為S'=巧,s;.,s':),則有其中,其中,available化number(i)為第i個采樣點可用偽衛星數量; W1+W2二1; 步驟2,利用最優化算法對最優組網目標函數E({PSJ)進行多維度精尋優,獲得偽衛星 導航組網最優方案,根據該偽衛星導航組網最優方案在服務區之外部署偽衛星。2. 如權利要求1所述的偽衛星側向導航組網實現方法,其特征在于, wi = 0.1、W2 = 0.9。
【專利摘要】本發明提供一種偽衛星側向導航組網實現方法,其將偽衛星部署在服務區之外,其定義描述偽衛星導航組網性能的指標,在地理環境、平臺特性、用戶需求等約束條件的基礎上,通過構建相應數學模型和指標函數,綜合設計偽衛星最優組網目標函數;并采用最優化算法對偽衛星最優組網目標函數進行多維度精尋優,最后獲得偽衛星導航組網最優方案。與現有技術相比,本發明所提出的偽衛星“側向”組網方法,可以在不受導航服務區內惡劣因素影響的情況下,實現導航定位與增強。
【IPC分類】G01S19/10
【公開號】CN105549032
【申請號】CN201610005950
【發明人】李大朋, 曲藝, 鄧平科, 陳瀟, 劉婷, 曾陵川
【申請人】中國科學院光電研究院
【公開日】2016年5月4日
【申請日】2016年1月5日