一種用于衛(wèi)星導(dǎo)航信號模擬的星歷和歷書的獲取方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)領(lǐng)域，尤其設(shè)及一種用于衛(wèi)星導(dǎo)航信號模擬的星歷或歷 書轉(zhuǎn)換方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 實時獲取衛(wèi)星的位置、速度和鐘差修正量信息是衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)進(jìn)行定位的前 提條件，而衛(wèi)星的位置、速度和鐘差修正量可W由衛(wèi)星廣播星歷及相應(yīng)的鐘差修正參數(shù)計 算得到，因此，衛(wèi)星星歷及相應(yīng)的時鐘修正參數(shù)對于衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是不可或缺的。廣播星歷 作為星歷的一種，由衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的地面運行控制中屯、站計算得到，由衛(wèi)星W廣播星歷參 數(shù)的形式轉(zhuǎn)發(fā)給用戶，主要用于實時導(dǎo)航定位，其中包含6個軌道根數(shù)，星歷參考時刻和9 個攝動改正參數(shù)。與廣播星歷相比，歷書僅提供各衛(wèi)星的基本軌道參數(shù)，歷書參考時刻和兩 個鐘差改正數(shù)，因此，歷書的精度較低，但有效時間大大增加。在衛(wèi)星導(dǎo)航模擬中，星歷與歷 書參數(shù)的獲取是十分重要的。目前，根據(jù)衛(wèi)星軌道參數(shù)進(jìn)行星歷/歷書擬合的算法已較為 完善，但星歷/歷書間相互轉(zhuǎn)換的方法尚未被提出，在衛(wèi)星導(dǎo)航模擬中，需要獲取星歷及歷 書參數(shù)，用于仿真實際衛(wèi)星信號。當(dāng)采用外部導(dǎo)入的方式獲取星歷或歷書時，若兩者同時進(jìn) 行導(dǎo)入，需要考慮有效時間的統(tǒng)一性，有時不便于實現(xiàn)，在該種情況下，可利用本方法進(jìn)行 星歷與歷書的相互轉(zhuǎn)換。本發(fā)明設(shè)及的是一種用于衛(wèi)星導(dǎo)航模擬的星歷/歷書精確轉(zhuǎn)換方 法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 為解決上述問題，本發(fā)明提供一種用于衛(wèi)星導(dǎo)航信號模擬的星歷或歷書轉(zhuǎn)換方 法，實現(xiàn)星歷/歷書參數(shù)的精確轉(zhuǎn)換。
[0004] 本發(fā)明的用于衛(wèi)星導(dǎo)航信號模擬的星歷和歷書的獲取方法，應(yīng)用于已知歷書或星 歷中的一個，在需要另一個時不通過采集衛(wèi)星軌道信息直接獲取，而通過二者之間的相互 轉(zhuǎn)換獲??；設(shè)A為已知項、B為未知項，當(dāng)星歷為A時，歷書為B，當(dāng)歷書為A時，星歷為B，所 述轉(zhuǎn)換包括W下步驟：
[0005] 步驟1，利用m個時刻的已知項計算每個時刻的地固系中衛(wèi)星位置；
[0006] 步驟2,建立狀態(tài)方程X=X成，t。，t)和觀測方程Y=Y〇(，t) =Y成，t。，t);
[0007] 其中，X為t時刻的B的參數(shù)矢量，X。為t。時刻的B的參數(shù)矢量，t。為星歷參考時 間，Y為一個含有m個觀測量的觀測列矢量，m要大于或等于A的參數(shù)個數(shù)，m個觀測量對應(yīng) 于m個時刻的地固系中衛(wèi)星位置；
[000引步驟3,Wy和H為中間量建立X。的最優(yōu)估計而的表達(dá)式有=(HIH)IHly,利用 迭代的方式根據(jù)為=(H'H)iH'y獲取每一次迭代的最優(yōu)估計為，第i次迭代的最優(yōu)估計 記為屯,。，并將私。作為Xi/。，根據(jù)Xi/尸X片1/。的關(guān)系獲得X。；
[000引其中，y=Y-Y狂i/。，t。，t)
Xi/。為中間量，Xi/。為 第i次迭代的X。迭代初值；
[0010] 迭代的內(nèi)容包括：
[00川第1次迭代時，初始值為Xi/。，根據(jù)為=(H'lH)IH'ly獲得本次迭代Xi/。的最優(yōu)估值 為/U;其中，Xi/。為設(shè)定值；
[001引第2次迭代時，初始值為X,,。=i,,。+X。。，并根據(jù)兩=(HTHTiHTy獲得本次迭代 X2/CI的最優(yōu)估值i;/。；
[001引第i次迭代時，初始值X,,。=i<,._l,,。+X(,._w。，并根據(jù)兩=(H'H)lH、'獲得本次迭 代Xi/。的最優(yōu)估值私。；若本次迭代滿足I巧+1-巧I< €，則停止迭代運算； 巧
[0014] 其中，0i為第i次迭代的統(tǒng)計誤差，e為根據(jù)精度要求設(shè)置的最小量；
[00巧]若第I次停止迭代，則將考/?和Xi/。代入X 1/。= X n-Xi/。獲得X。；
[0016] 步驟4,將步驟3獲得的X。作為B的參數(shù)矢量值，即為轉(zhuǎn)換后的星歷/歷書參數(shù)。
【具體實施方式】
[0017] 衛(wèi)星導(dǎo)航模擬中需要獲取星歷參數(shù)或歷書參數(shù)，星歷參數(shù)比較全面，從而準(zhǔn)確性 高，但是其有效時間短；歷書參數(shù)則數(shù)量比較少，從而準(zhǔn)確性不高，但是其有效時間較長。 星歷參數(shù)或歷書參數(shù)各有其優(yōu)點和缺點，需要根據(jù)衛(wèi)星導(dǎo)航模擬的實際需求去獲取目標(biāo)參 數(shù)?，F(xiàn)有技術(shù)中在已知一種參數(shù)而需要另一種參數(shù)時，需要采用外部導(dǎo)入的方式獲取，導(dǎo)入 時需要考慮兩種參數(shù)的有效時間的統(tǒng)一性，不便實現(xiàn)；也有可能外部存儲的不全，導(dǎo)致不能 獲取需要的參數(shù)。而且在模擬源發(fā)電文的時候也同時需要星歷和歷書，而由于某些原因可 能星歷或歷書獲取不到，該時候只能通過多種采集方式去獲取需要的星歷或歷書。正是基 于該種技術(shù)問題，本申請在已知參數(shù)的情況下，提出了本申請的技術(shù)方案根據(jù)已知參數(shù)轉(zhuǎn) 換成需要的參數(shù)，方法簡單、便于實現(xiàn)，而且準(zhǔn)確性比較高。
[0018] 擬合星歷或歷書時，需要不同時刻的多組衛(wèi)星軌道數(shù)據(jù)，因此，需要在歷書或星歷 有效時間內(nèi)按照一定的時間間隔計算相應(yīng)衛(wèi)星軌道數(shù)據(jù)。
[0019] 當(dāng)已知星歷信息時，應(yīng)當(dāng)W星歷參考時刻為基準(zhǔn)，選取適當(dāng)?shù)臅r間間隔，計算星歷 參考時刻前后一段時間內(nèi)的衛(wèi)星軌道數(shù)據(jù)信息。選取時間間隔時應(yīng)當(dāng)注意，為了使得擬合 結(jié)果更加精確，所計算的衛(wèi)星軌道位置對應(yīng)的時間需要包含歷書參考時刻的值。為滿足該 一要求，W美國的GPS(全球定位系統(tǒng)）為例，考慮到其星歷每兩小時更新一次，星歷參考時 刻*。。（W秒為單位）為7200的整倍數(shù)，而歷書的參考時刻t^(W秒為單位）為4096的整 倍數(shù)，為了使得所選取的衛(wèi)星軌道數(shù)據(jù)包含t。。時刻的衛(wèi)星軌道數(shù)據(jù)信息，所選取的時間間 隔（W秒為單位）應(yīng)當(dāng)為4096和7200的最小公因數(shù)或可被其最小公因數(shù)整除，具體實現(xiàn) 見步驟一。
[0020] 步驟一，根據(jù)已知的星歷參數(shù)利用星歷用戶算法計算地固系中衛(wèi)星位置，或根據(jù) 已知的歷書參數(shù)利用歷書用戶算法計算地固系中衛(wèi)星位置；
[0021] 步驟1、若A為星歷，B為歷書，則利用星歷用戶算法計算地固系中衛(wèi)星位置：
[0022] 步驟101 ;計算星歷參考時刻下的衛(wèi)星平均角速度n。：
[0023]
(式1)
[0024] 其中，y為地球引力常數(shù)，A為軌道半長軸；對于不同的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，y需要對 應(yīng)于不同的坐標(biāo)系進(jìn)行取值，在我國的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中，y為CGCS2000坐標(biāo)系的地球 引力常數(shù)，取值如式2所示；
[0027] 步驟102,利用步驟101獲得的衛(wèi)星平均角速度n。對星歷參考時刻衛(wèi)星平均角速 度進(jìn)行修正，得到修正后的平均角速度n:
[0028]n=n〇+An (式巧
[0029] 其中，An為星歷參數(shù)中公布的參數(shù)值；
[0030] 步驟103,計算當(dāng)前時間t與星歷參考時間t。。的時間差tk;
[0031] tk=t-t〇e (式 4)
[003引步驟104,利用星歷參數(shù)中參考時間的平近點角M。、步驟102獲得的修正后的平均 角速度nW及步驟103獲得的時間差tk計算當(dāng)前時間的平近點角Mk;
[0033] Mk=M〇+ntk (式6)
[0034] 步驟105,結(jié)合步驟104獲得的平近點角Mk利用迭代的方法計算當(dāng)前時間的偏近 點角Ek:
[003引Ek=Mk_esinEk (式 7)
[0036] 該迭代方法為現(xiàn)有技術(shù)，迭代公式為Ek(w)=Mk-esinEkw，迭代初始值Ek(i)給 定，如果當(dāng)前Ekw不滿足設(shè)定需求，則根據(jù)迭代公式求Ekuw，若Ekuw獲得滿足設(shè)定需求， 則停止迭代，當(dāng)前Ekuw即為當(dāng)前時間的偏近點角Ek。
[0037] 上式中的e為星歷參數(shù)中的偏屯、率。
[003引步驟106,利用步驟105獲得的偏近點角Ek計算當(dāng)前時間的真近點角fk;
[0039]
[0040] 步驟107,利用步驟106獲得的真近點角fk計算當(dāng)前時間的紳度幅角巧^
[0041]
(式9)
[0042] 上式中的W為星歷參數(shù)中的近地點幅角。
[0043] 步驟108,利用步驟107獲得的紳度幅角&考慮二階帶諧項攝動對紳度幅角、衛(wèi)星 矢徑和軌道傾角進(jìn)行改正，得到紳度幅角改正項5Uk、徑向改正項5rkW及軌道傾角改正 項5ik如下式；
[0044]
[004引上式中的Cus、Cue分別為紳度幅角的正弦、余弦調(diào)和改正項的振幅，Crs、Cr。分別為 軌道半徑的正弦、余弦調(diào)和改正項的振幅，Ck、分別為軌道傾角的正弦、余弦調(diào)和改正項 的振幅。
[0046] 步驟109,利用步驟108獲得的紳度幅角改正項5Uk、徑向改正項5rkW及軌道 傾角改正項5ik計算改正后的紳度幅角yk、衛(wèi)星矢徑町和軌道傾角ik;
[0047]
[0048] 上式中的IDOT為星歷參數(shù)中的軌道傾角變化率，i。為星歷中公布的軌道傾角。
[0049] 步驟110,利用步驟109獲得的改正后的紳度幅角Uk、衛(wèi)星矢徑rk計算衛(wèi)星在軌 道坐標(biāo)系的坐標(biāo)（x'k，y'k):
[0050] X' k二rkCos^k
[0051] y'k二rkSin^k(式 12)
[0052] 步驟111，利用步驟103獲得的時間差tk計算觀測時刻升交點的大地經(jīng)度Qk;
[0053]
[0054] 上式中，Q。為星歷參數(shù)中星歷參考時刻的升交點赤經(jīng)，a為星歷參數(shù)中的升交點 赤經(jīng)變化率，Qg為地球旋轉(zhuǎn)速率，對于不同的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，Hg需要對應(yīng)于不同的坐標(biāo)系 進(jìn)行取值，在我國的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中，a為CGCS2000坐標(biāo)系的地球旋轉(zhuǎn)速率，取值如 式14所示。
[00 巧]
[005引步驟112,利用步驟109獲得的軌道傾角ik、步驟110獲得的衛(wèi)星在軌道坐標(biāo)系的 坐標(biāo)（x'k，y'k)和步驟111獲得的大地經(jīng)度Qk計算地固系中衛(wèi)星位置（Xk，