高动态条件下北斗同步轨道卫星信号多普勒估计方法

摘要

本发明提供了一种高动态条件下北斗同步轨道卫星信号多普勒估计方法，包括：北斗同步轨道卫星信号多普勒估计初始化；飞行载体速度在与两颗可见卫星视线方向矢量上的速度大小估计；飞行载体的速度矢量估计；飞行载体速度在与北斗同步轨道卫星视线方向矢量上的速度大小估计；北斗同步轨道卫星多普勒频移估计。本发明可辅助高动态飞行载体上的卫星导航接收机工作，通过在飞行载体由于姿态变化导致卫星导航接收机天线可见卫星减少，甚至短时间内失去定位解算能力时(仅跟踪2至3颗导航卫星)，仅利用接收机仍可持续跟踪的两颗卫星多普勒测量值，实现对不可见北斗同步轨道卫星发射信号多普勒的估计。

权利要求

1.一种高动态条件下北斗同步轨道卫星信号多普勒估计方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤S1：初始化北斗同步轨道卫星信号多普勒估计；

步骤S2：估计飞行载体速度在两颗可见卫星视线方向矢量上的速度大小；

步骤S3：估计飞行载体的速度矢量；

步骤S4：估计飞行载体速度在北斗同步轨道卫星视线方向矢量上的速度大小；

步骤S5：估计北斗同步轨道卫星多普勒频移；

所述步骤S1中，开展北斗同步轨道卫星信号多普勒估计初始化，依次设定：机上时间：所述机上时间t由卫星导航接收机提供；

飞行载体概略位置和速度：飞行载体在地心地固（Earth‑Centered, Earth‑Fixed，ECEF）坐标系下的概略位置坐标为 ，速度为 ；

两颗可见卫星位置和速度：两颗可见卫星在ECEF坐标系下的位置坐标分别为和 ，速度分别为和 ；

两颗可见卫星信号在接收机中的多普勒测量值：两颗可见卫星发射信号标称频率均为，在接收机中的多普勒测量值分别为 和 ；

北斗同步轨道卫星在ECEF坐标系下的坐标为 ，其发射信号标称频率为 ；

所述步骤S2包括：

计算视线方向单位矢量：飞行载体与两颗可见卫星间的视线方向矢量 和近似表示为（1）

（2）

相应的视线方向单位矢量 和 为（3）

（4）

其中 为取模运算；

计算卫星速度在视线方向矢量上的投影大小：两卫星速度在视线方向单位矢量上的投影大小 和 为卫星速度与视线方向单位矢量的点积（5）

（6）

计算飞行载体速度在与两颗卫星视线方向矢量上的速度大小估计值：设定两速度大小估计值分别为 和 ，分别为（7）

（8）

其中，c为光速；

步骤S3中，在短时姿态变化时，飞行载体速度 的大小基本维持不变，则（9）同时，由飞行载体速度在与两颗卫星视线方向矢量上速度投影大小为（10）

求解出的 有两个值，分别记为 和 ；

所述步骤S4包括：

计算飞行载体与北斗同步轨道卫星视线方向单位矢量：飞行载体与北斗同步轨道卫星间的视线方向矢量 近似表示为（11）

相应的视线方向单位矢量 为（12）

计算飞行载体速度在视线方向矢量上的投影大小：将步骤S3求取的2个速度矢量和 分别与 求取点积，得到两个速度大小 和 分别为（13）

（14）。

2.根据权利要求1所述的高动态条件下北斗同步轨道卫星信号多普勒估计方法，其特征在于，飞行载体的位置和速度由卫星导航接收机在可见星数量减少到不足以进行定位结算前给出；两颗可见卫星的位置和速度均通过卫星导航接收机存储的星历和机上时间t计算得到。

3.根据权利要求1所述的高动态条件下北斗同步轨道卫星信号多普勒估计方法，其特征在于，步骤S5包括：根据式（13）和式（14）的两个估计值，分别得到两个北斗同步轨道卫星多普勒频移的估计值 和 ，分别为（15）

（16）。

说明书

高动态条件下北斗同步轨道卫星信号多普勒估计方法

技术领域

[0001] 本发明涉及卫星导航接收机领域，具体地，涉及一种高动态条件下北斗同步轨道卫星信号多普勒估计方法。

背景技术

[0002] 卫星导航系统因其高效、低成本的定位、导航、授时能力，被广泛应用于军用和民用航空领域，各类航空飞行器通过卫星导航接收机接收卫星导航系统中各颗卫星发射的导航信号，并进而解算获得高精度的位置、速度和时间信息。

[0003] 中国北斗卫星导航系统是中国自主研制的卫星导航系统，能够提供卫星导航定位服务和北斗短报文服务，其星座构成包括中圆轨道卫星、倾斜同步轨道卫星和同步轨道卫星。其中，北斗同步轨道卫星既发射卫星导航信号，还需要发射区域卫星短报文通信出站信号，是北斗卫星导航系统星座中最重要的组成部分。

[0004] 在高动态飞行载体进行短时机动时，会发生载体姿态的变化，此时卫星导航接收机天线口面不再朝向天顶方向，可能出现可见卫星数量急剧减少，并且位于赤道上方位置不变的同步轨道卫星更易出现不可见的情况。在飞行载体机动结束后，需要快速估计在机动过程中丢失的卫星信号的多普勒，特别是既发射导航信号又发射短报文通信出站信号的北斗同步轨道卫星信号多普勒频率，从而实现对信号的快速重捕获。

发明内容

[0005] 针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种高动态条件下北斗同步轨道卫星信号多普勒估计方法。

[0006] 根据本发明提供的一种高动态条件下北斗同步轨道卫星信号多普勒估计方法，包括如下步骤：

[0007] 步骤S1：初始化北斗同步轨道卫星信号多普勒估计；

[0008] 步骤S2：估计飞行载体速度在与两颗可见卫星视线方向矢量上的速度大小；

[0009] 步骤S3：估计飞行载体的速度矢量；

[0010] 步骤S4：估计飞行载体速度在与北斗同步轨道卫星视线方向矢量上的速度大小；

[0011] 步骤S5：估计北斗同步轨道卫星多普勒频移。

[0012] 优选地，所述步骤S1中，开展北斗同步轨道卫星信号多普勒估计初始化，依次设定：

[0013] 机上时间：所述机上时间t由卫星导航接收机提供；

[0014] 飞行载体概略位置和速度：飞行载体在地心地固(Earth‑Centered,Earth‑Fixed，ECEF)坐标系下的概略位置坐标为PU＝[xU,yU,zU]，速度为vU＝[vxU,vyU,vzU]；

[0015] 两颗可见卫星位置和速度：两颗可见卫星在ECEF坐标系下的位置坐标分别为Ps1(t)＝[xs1(t),ys1(t),zs1(t)]和Ps2(t)＝[xs2(t),ys2(t),zs2(t)]，速度分别为vs1(t)＝[vxs1(t),vys1(t),vzs1(t)]和vs2(t)＝[vxs2(t),vys2(t),vzs2(t)]；

[0016] 两颗可见卫星信号在接收机中的多普勒测量值：两颗可见卫星发射信号标称频率均为f0，在接收机中的多普勒测量值分别为fds1(t)和fds2(t)；

[0017] 北斗同步轨道卫星在ECEF坐标系下的坐标为PG＝[xG,yG,zG]，其发射信号标称频率为fG。

[0018] 优选地，飞行载体的位置和速度由卫星导航接收机在可见星数量减少到不足以进行定位结算前给出；两颗可见卫星的位置和速度均通过卫星导航接收机存储的星历和机上时间t计算得到。

[0019] 优选地，所述步骤S2包括：

[0020] 计算视线方向单位矢量：飞行载体与两颗可见卫星间的视线方向矢量US1(t)和US2(t)近似表示为

[0021] US1(t)＝PU‑Ps1(t)                  (1)

[0022] US2(t)＝PU‑Ps2(t)                  (2)

[0023] 相应的视线方向单位矢量US1_u(t)和US2_u(t)为

[0024]

[0025]

[0026] 其中||·||为取模运算；

[0027] 计算卫星速度在视线方向矢量上的投影大小：两卫星速度在视线方向单位矢量上的投影大小vs1_p(t)和vs2_p(t)为卫星速度与视线方向单位矢量的点积

[0028] vs1_p(t)＝vs1(t)·US1_u(t)              (5)

[0029] vs2_p(t)＝vs2(t)·US2_u(t)             (6)

[0030] 计算飞行载体速度在与两颗卫星视线方向矢量上的速度大小估计值：设定两速度大小估计值分别为vUs1(t)和vUs2(t)，分别为

[0031]

[0032]

[0033] 其中，c为光速。

[0034] 优选地，步骤S3中，在高动态飞行载体转弯等情况导致的短时姿态变化时，飞行载体速度vU(t)的大小可认为基本维持不变，则

[0035]

[0036] 同时，由飞行载体速度在与两颗卫星视线方向矢量上速度投影大小为[0037]

[0038] 求解出的vU(t)有两个值，分别记为vU1(t)和vU2(t)。

[0039] 优选地，所述步骤S4包括：

[0040] 计算飞行载体与北斗同步轨道卫星视线方向单位矢量：飞行载体与北斗同步轨道颗可见卫星间的视线方向矢量UG可近似表示为

[0041] UG＝PU‑PG                   (11)

[0042] 相应的视线方向单位矢量UG_u为

[0043]

[0044] 计算飞行载体速度在视线方向矢量上的投影大小：将步骤S3求取的2个速度矢量vU1(t)和vU2(t)分别与UG_u求取点积，得到两个速度大小vUG1(t)和vUG2(t)分别为[0045] vUG1(t)＝vU1(t)·UG_u                (13)

[0046] vUG2(t)＝vU2(t)·UG_u                (14)。

[0047] 优选地，步骤S5包括：

[0048] 根据式(13)和式(14)的两个估计值，分别得到两个北斗同步轨道卫星多普勒频移的估计值fdG1(t)和fdG2(t)，分别为

[0049]

[0050]

[0051] 与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

[0052] 1、本发明仅利用接收机仍可持续跟踪的两颗卫星多普勒测量值，实现对不可见北斗同步轨道卫星发射信号多普勒的估计。

[0053] 2、本发明无需接收机满足定位条件并完成对载体速度的精确解算，仅需要载体概略位置和机动前的速度大小，结合两颗可见卫星的多普勒测量值就可以估计北斗同步轨道卫星发射信号的多普勒，用于辅助相应信号的捕获。

[0054] 3、在载体机动中速度大小值基本不变的情况下，本发明中的方法相对需要接收机满足定位解算条件的多普勒估计算法实现条件更为宽松，相对首先假定载体为静止，依据星历首先估算卫星运动造成的多普勒作为多普勒估计值的算法精度更高，从而使接收机信号捕获时的搜索范围更小。

附图说明

[0055] 通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

[0056] 图1为高动态条件下北斗同步轨道卫星信号多普勒估计方法步骤流程图。

具体实施方式

[0057] 下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

[0058] 如图1所示，本发明提出一种高动态条件下北斗同步轨道卫星信号多普勒估计方法，针对在高动态条件下飞行载体由于姿态变化导致卫星导航接收机天线可见卫星减少，甚至短时间内失去定位解算能力时(仅跟踪2至3颗导航卫星)，仅利用接收机仍可持续跟踪的两颗卫星多普勒测量值，实现对不可见北斗同步轨道卫星发射信号多普勒的估计。下面结合附图对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

[0059] 高动态条件下北斗同步轨道卫星信号多普勒估计方法包括如下步骤：

[0060] 步骤S1，北斗同步轨道卫星信号多普勒估计初始化，支撑后续的多普勒估计开展。

[0061] 开展北斗同步轨道卫星信号多普勒估计初始化，依次设定：

[0062] 1、机上时间：机上时间t由卫星导航接收机提供，在接收机可见星减少前实现由卫星导航系统授时，在可见星减少时的短时间内仍能保持较高精度；

[0063] 2、飞行载体概略位置和速度：飞行载体在地心地固(Earth‑Centered,Earth‑Fixed，ECEF)坐标系下的概略位置坐标为PU＝[xU,yU,zU]，速度为vU＝[vxU,vyU,vzU]。该位置和速度由卫星导航接收机在可见星数量减少到不足以进行定位结算前给出；

[0064] 3、两颗可见卫星位置和速度：两颗可见卫星在ECEF坐标系下的位置坐标分别为Ps1(t)＝[xs1(t),ys1(t),zs1(t)]和Ps2(t)＝[xs2(t),ys2(t),zs2(t)]，速度分别为vs1(t)＝[vxs1(t),vys1(t),vzs1(t)]和vs2(t)＝[vxs2(t),vys2(t),vzs2(t)]。两颗卫星的位置和速度均通过接收机存储的星历和当前时间t计算得到；

[0065] 4、两颗可见卫星信号在接收机中的多普勒测量值：两颗可见卫星发射信号标称频率均为f0，在接收机中的多普勒测量值分别为fds1(t)和fds2(t)；

[0066] 5、北斗同步轨道卫星在ECEF坐标系下的坐标为PG＝[xG,yG,zG]，其发射信号标称频率为fG。

[0067] 步骤S2，开展飞行载体速度在与两颗可见卫星视线方向矢量上的速度大小估计，支撑飞行载体速度矢量的求解。

[0068] 1.计算视线方向单位矢量：由于飞行载体姿态变化时间通常较短，在此期间其位置变化相对于载体与卫星间距离可忽略，因此飞行载体与两颗可见卫星间的视线方向矢量US1(t)和US2(t)可近似表示为

[0069] US1(t)＝PU‑Ps1(t)                  (1)

[0070] US2(t)＝PU‑Ps2(t)                   (2)

[0071] 相应的视线方向单位矢量US1_u(t)和US2_u(t)为

[0072]

[0073]

[0074] 其中||·||为取模运算。

[0075] 2.计算卫星速度在视线方向矢量上的投影大小：两卫星速度在视线方向单位矢量上的投影大小vs1_p(t)和vs2_p(t)为卫星速度与视线方向单位矢量的点积

[0076] vs1_p(t)＝vs1(t)·US1_u(t)              (5)

[0077] vs2_p(t)＝vs2(t)·US2_u(t)             (6)

[0078] 3.计算飞行载体速度在与两颗卫星视线方向矢量上的速度大小估计值：设定两速度大小估计值分别为vUs1(t)和vUs2(t)，其分别为

[0079]

[0080]

[0081] 其中，c为光速。

[0082] 步骤S3，开展飞行载体的速度矢量估计，支撑北斗同步轨道卫星多普勒的估计。

[0083] 在高动态飞行载体转弯等情况导致的短时姿态变化时，飞行载体速度vU(t)的大小可认为基本维持不变，即有

[0084]

[0085] 同时，由飞行载体速度在与两颗卫星视线方向矢量上速度投影大小为[0086]

[0087] 通过(9)和(10)式建立方程组，可以求解vU(t)值。但由于式(9)为二次型方程，因此求解的vU(t)有两个值，分别记为vU1(t)和vU2(t)。

[0088] 步骤S4，开展飞行载体速度在与北斗同步轨道卫星视线方向矢量上的速度大小估计，支撑北斗同步轨道卫星多普勒的估计。

[0089] 1、计算飞行载体与北斗同步轨道卫星视线方向单位矢量：与步骤S2原理相同，飞行载体与北斗同步轨道颗可见卫星间的视线方向矢量UG可近似表示为

[0090] UG＝PU‑PG                   (11)

[0091] 相应的视线方向单位矢量UG_u为

[0092]

[0093] 2、计算飞行载体速度在视线方向矢量上的投影大小：将步骤S3求取的2个速度矢量vU1(t)和vU2(t)分别与UG_u求取点积，可以得到两个速度大小vUG1(t)和vUG2(t)分别为[0094] vUG1(t)＝vU1(t)·UG_u                (13)

[0095] vUG2(t)＝vU2(t)·UG_u                (14)

[0096] 步骤S5，开展北斗同步轨道卫星多普勒频移估计，获取失锁重捕频率范围。

[0097] 根据式(13)和式(14)的两个估计值，可以分别得到两个北斗同步轨道卫星多普勒频移的估计值fdG1(t)和fdG2(t)，分别为

[0098]

[0099]

[0100] 在北斗同步轨道卫星恢复可见时，可以同时在以上两个多普勒频移估计值为中心的频带上对卫星信号进行捕获，从而有效缩小捕获频率的搜索范围，提升重捕性能。

[0101] 鉴于高动态飞行载体姿态变化时卫星导航接收机天线可见卫星数量可能急剧减少，甚至减少到无法完成定位、测速解算的2至3颗卫星，并且位于赤道位置不变的北斗同步轨道卫星更是常处于不可见状态，为提高北斗同步轨道卫星恢复可见时的重捕性能，本文提出一种方法，仅利用接收机可持续跟踪的两颗卫星多普勒测量值，实现对不可见北斗同步轨道卫星发射信号多普勒的估计。

[0102] 本方法相对大量使用卫星信号失锁前的多普勒频率作为初始捕获频率估计的方法，能够充分利用已有信息估计北斗同步轨道卫星的即时多普勒频率，从而适应高动态条下速度矢量方向变化较快的场景，更有效提升对北斗同步轨道卫星的失锁重捕性能。

[0103] 本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同功能。所以，本发明提供的系统及其各项装置、模块、单元可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种功能的装置、模块、单元也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的装置、模块、单元视为既可以是实现方法的软件模块又可以是硬件部件内的结构。

[0104] 以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。