CN103149571A - 一种基于gnss信号辅助的时频差综合修正方法 - Google Patents

一种基于gnss信号辅助的时频差综合修正方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于GNSS信号辅助的时频差综合修正方法，具体步骤如下：（1）利用低轨卫星星载导航接收机与GEO卫星的位置坐标算出2颗低轨卫星在当前历元的轨道坐标与运动速度，以及2颗低轨卫星分别至GEO卫星的距离及2颗低轨卫星间的距离。（2）根据GEO卫星坐标以及算出的2颗低轨卫星当前历元轨道坐标与速度参数，计算出低轨卫星的到达时差修正量和到达频差修正量，并据此修正量对低轨卫星导航接收机得到的辐射源的修正前到达时差和到达频差进行修正，得到修正后的到达时差和到达频差。采用本方法能够对辐射源到达时频差的固定偏差进行很好的修正，从而显著提高空天无源定位***的辐射源定位精度。

Description

一种基于GNSS信号辅助的时频差综合修正方法
技术领域
本发明涉及卫星定位领域，具体涉及一种基于GNSS信号辅助的时频差综合修正方法。
背景技术
卫星对辐射源的精确定位在空间信息对抗、卫星通信等领域具有重要的意义。国内外学者就低轨双星无源定位体制已经开展大量相关研究。当前，低轨双星无源定位主要采用TDOA（Time difference of Arrival，TDOA）和FDOA（Frequency difference of Arrival，FDOA）联合定位的方式，但由于受到相对钟差和其信号在转发过程中的转发器延迟、频率固定偏差等因素的影响，其定位精度一般只能达到3-10公里。众多研究成果表明，低轨卫星的到达时频差的误差给辐射源无源定位的精准带来了重要的影响，是影响低轨双星无源定位精度的最重要的因素。现有的双星低轨辐射源无源定位模型并没有对到达时差和到达频差进行良好的修正，由此带来的定位误差影响较大，如何对低轨卫星的到达时频差的误差进行有效的修正，是提高辐射源无源定位精度需要考虑的重要问题。
发明内容
本发明针对目前如何提高低轨双星无源定位精度的问题，提出了一种基于GNSS信号辅助的时频差综合修正方法。采用本方法可以对到达时频差中固定偏差进行良好的消除，从而显著提高定位精度。
仿真结果表明，采用本发明，低轨双星辐射源无源定位***的到达时间差误差由60-100ns修正到10ns以下，到达频差偏差由1-10HZ控制到1HZ以内，定位精度在星下点中线上由公里级别修正到100m以下，其他定位区域内的定位精度也由现有的3-10km提高到1km以下。
    本发明的技术方案通过下述步骤实现：
（1）利用低轨卫星星载导航接收机与GEO卫星的位置坐标解算出2颗低轨卫星在当前历元的轨道位置坐标与运动速度，以及2颗低轨卫星分别至GEO卫星的几何距离及2颗低轨卫星间的几何距离；
    （2）根据GEO卫星位置坐标以及解算得出的2颗低轨卫星当前历元轨道位置与速度参数，计算出低轨卫星的到达时差修正量，并根据此修正量对低轨卫星星载导航接收机得到的辐射源的修正前到达时差进行修正，得到修正后的到达时差；
    （3）根据GEO卫星位置坐标以及解算得出的2颗低轨卫星当前历元轨道位置与速度参数，计算出低轨卫星的到达频差修正量，并根据此修正量对低轨卫星星载导航接收机得到的辐射源的修正前到达频差进行修正，得到修正后的到达频差。
所述的到达时差修正量由下述数学式计算得到：
Figure 2013100522346100002DEST_PATH_IMAGE002
；
式中：
Figure 2013100522346100002DEST_PATH_IMAGE004
为到达时差修正量；
Figure 2013100522346100002DEST_PATH_IMAGE006
为低轨卫星星载导航接收机接收到的GEO卫星信号经过两条链路的修正前到达时差；
Figure 2013100522346100002DEST_PATH_IMAGE008
为根据解算得出的轨道参数而计算得出的GEO卫星到低轨卫星2的伪距；
Figure 2013100522346100002DEST_PATH_IMAGE010
为根据解算得出的轨道参数而计算得出的GEO卫星到低轨卫星1的伪距；
Figure 2013100522346100002DEST_PATH_IMAGE012
为根据轨道参数计算得出的2颗低轨卫星间的几何距离；
Figure 2013100522346100002DEST_PATH_IMAGE014
为光速；
所述修正后的到达时差由下述数学式计算得到：
Figure 2013100522346100002DEST_PATH_IMAGE016
；
式中：
Figure 2013100522346100002DEST_PATH_IMAGE018
为低轨卫星星载接收机接收到的辐射源的修正前到达时差；
Figure 2013100522346100002DEST_PATH_IMAGE020
为修正后的到达时差。
所述的修正前到达频差由下述数学式计算得到：
Figure 2013100522346100002DEST_PATH_IMAGE022
；
式中：
 
Figure 2013100522346100002DEST_PATH_IMAGE024
为修正前到达频差；
Figure 2013100522346100002DEST_PATH_IMAGE026
为GEO卫星信号的发射频率；
和分别为两颗低轨卫星的位置坐标；
Figure 2013100522346100002DEST_PATH_IMAGE032
和
Figure 2013100522346100002DEST_PATH_IMAGE034
分别为解算得出的两颗低轨卫星的在轨速度；
Figure 2013100522346100002DEST_PATH_IMAGE036
表示GEO卫星的位置坐标。
    所述的到达频差修正量由下述数学式计算得到：
    ；
式中：
Figure 2013100522346100002DEST_PATH_IMAGE040
为到达频差修正量；
Figure 2013100522346100002DEST_PATH_IMAGE042
为低轨卫星星载导航接收机接收到的GEO卫星信号经过两条链路的修正前到达频差；
    所述修正后的到达频差由下述数学式计算得到：
Figure 2013100522346100002DEST_PATH_IMAGE044
；
式中：
Figure 2013100522346100002DEST_PATH_IMAGE046
为低轨卫星星载接收机接收到的辐射源的修正前到达频差；
Figure 2013100522346100002DEST_PATH_IMAGE048
为修正后的到达频差。
附图说明
图1为基于GNSS信号辅助的低轨双星辐射源差分定位模型。
图2为本发明仿真结果所反映的时频差修正前后的星下点中线上的定位误差对比。
图3为本发明仿真结果所反映的时频差修正后的星下点中线上的定位误差。
图4为本发明仿真结果所反映的时频差修正前后的定位靶图对比。
图5为本发明仿真结果所反映的时频差修正后的定位靶图。
图6为本发明仿真结果所反映的时频差修正前的定位误差分布。
图7为本发明仿真结果所反映的时频差修正后的定位误差分布。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述。
参见图1所示，
Figure DEST_PATH_IMAGE050
和
Figure DEST_PATH_IMAGE052
表示两颗低轨卫星，GEO卫星信号经过两条链路将信号发送至两颗低轨卫星
Figure 66764DEST_PATH_IMAGE050
和
Figure 377660DEST_PATH_IMAGE052
，低轨卫星上的星载接收机在接收GEO卫星信号的到达时差和到达频差后，根据2颗低轨卫星在当前历元的轨道位置和运动速度以及GEO卫星的轨道位置，计算出时频差修正量并在星上对到达时频差进行综合修正。综合修正后的到达时频差在星上可直接用于解算辐射源位置。
2颗低轨卫星中的第一低轨卫星的星上处理***带有到达时频差测量单元和时频差综合修正单元，第二低轨卫星的星上处理***带有转发器，2颗低轨卫星的星上各配备一台具有自主定轨功能的双频导航接收机；2颗低轨卫星上的双频导航接收机分别解算2颗低轨卫星在当前历元的轨道位置和运动速度以及2颗低轨卫星间的几何距离和低轨卫星至GEO卫星之间的距离，并将上述数据送入低轨卫星的处理***中。
低轨卫星1在接收到GEO卫星信号以及低轨卫星2在当前历元的轨道位置和运动速度等参数后，根据接收到的GEO卫星位置信息及2颗低轨卫星定轨信息计算其在当前历元的时频差修正量，并以此来对当前历元接收到达辐射源的到达时频差进行修正。由附图所示仿真结果分析得知，采用本发明能够对辐射源到达时频差的固定偏差进行很好的修正，从而显著提高空天无源定位***的辐射源定位精度。

Claims (4)

1.一种基于GNSS信号辅助的时频差综合修正方法，具体步骤如下：
   （1）利用低轨卫星星载导航接收机与GEO卫星的位置坐标解算出2颗低轨卫星在当前历元的轨道位置坐标与运动速度，以及2颗低轨卫星分别至GEO卫星的几何距离及2颗低轨卫星间的几何距离；
   （2）根据GEO卫星位置坐标以及解算得出的2颗低轨卫星当前历元轨道位置与速度参数，计算出低轨卫星的到达时差修正量，并根据此修正量对低轨卫星星载导航接收机得到的辐射源的修正前到达时差进行修正，得到修正后的到达时差；
   （3）根据GEO卫星位置坐标以及解算得出的2颗低轨卫星当前历元轨道位置与速度参数，计算出低轨卫星的到达频差修正量，并根据此修正量对低轨卫星星载导航接收机得到的辐射源的修正前到达频差进行修正，得到修正后的到达频差。
2.根据权利要求1所述的修正方法，所述的到达时差修正量由下述数学式计算得到：
Figure 2013100522346100001DEST_PATH_IMAGE002
；
式中：
Figure DEST_PATH_IMAGE004
为到达时差修正量；
Figure DEST_PATH_IMAGE006
为低轨卫星星载导航接收机接收到的GEO卫星信号经过两条链路的修正前到达时差；
Figure DEST_PATH_IMAGE008
为根据解算得出的轨道参数而计算得出的GEO卫星到低轨卫星2的伪距；
Figure DEST_PATH_IMAGE010
为根据解算得出的轨道参数而计算得出的GEO卫星到低轨卫星1的伪距；
Figure DEST_PATH_IMAGE012
为根据轨道参数计算得出的2颗低轨卫星间的几何距离；
Figure DEST_PATH_IMAGE014
为光速；
所述修正后的到达时差由下述数学式计算得到：
Figure DEST_PATH_IMAGE016
；
式中：
为低轨卫星星载接收机接收到的辐射源的修正前到达时差；
Figure DEST_PATH_IMAGE020
为修正后的到达时差。
3.根据权利要求1或2所述的修正方法，所述的修正前到达频差由下述数学式计算得到：
Figure DEST_PATH_IMAGE022
；
式中：
 
Figure DEST_PATH_IMAGE024
为修正前到达频差；
为GEO卫星信号的发射频率；
和分别为两颗低轨卫星的位置坐标；
Figure DEST_PATH_IMAGE032
和
Figure DEST_PATH_IMAGE034
分别为解算得出的两颗低轨卫星的在轨速度；
表示GEO卫星的位置坐标。
4.根据权利要求3所述的修正方法，所述的到达频差修正量由下述数学式计算得到：
    
Figure DEST_PATH_IMAGE038
；
式中：
Figure DEST_PATH_IMAGE040
为到达频差修正量；
Figure DEST_PATH_IMAGE042
为低轨卫星星载导航接收机接收到的GEO卫星信号经过两条链路的修正前到达频差；
    所述修正后的到达频差由下述数学式计算得到：
Figure DEST_PATH_IMAGE044
；
式中：
Figure DEST_PATH_IMAGE046
为低轨卫星星载接收机接收到的辐射源的修正前到达频差；
Figure DEST_PATH_IMAGE048
为修正后的到达频差。
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