CN103727919B - 一种静止轨道地球同步卫星数字寻星方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及静止轨道地球同步卫星技术领域，具体公开了一种静止轨道地球同步卫星数字寻星方法；包括：通过GPS或北斗终端设备直接采集地面点的位置信息；通过基于http协议的调用指令输入地面点的位置信息的参数；通过指定地面点的位置处理模块、椭球体辅助变量计算模块、指定地面点至指定卫星的视距处理模块、指定地面点至指定卫星的仰角处理模块和指定地面点至指定卫星的真北方位角处理模块进行计算；解算出地面任意点到卫星的视距L、地面任意点到卫星的仰角β和地面任意点到卫星的方位角α的结果，通过数据转换模块转换并在人机交互界面中显示寻星结果,通过寻星结果确立地面点与卫星的相对位置。本发明理论严谨，寻星方法高效；解算结果准确性高。

Description

一种静止轨道地球同步卫星数字寻星方法

技术领域

本发明涉及静止轨道地球同步卫星技术领域，尤其是涉及一种在野外地质调查中通过静止轨道地球同步卫星实现数字寻星的方法。

背景技术

“北斗”卫星导航***空间段由5颗静止轨道和30颗非静止轨道卫星组成，其中，位于静止轨道的5颗地球同步卫星(图1中的Beidou-G4、G1、G3、G6、G5)具有短报文通信、概略定位和授时服务三大功能，其短报文通讯每个频度传输可达77个有效字节，水平定位精度通常为100m左右，卫星距地高度约35766922m。北斗卫星的定位与通讯技术在亚太地区正处于普及应用阶段，其短报文通讯功能可为采用北斗技术的户外移动设备、监测设备或野外工作人员提供短信播发服务，尤其针对手机信号盲区或无其他通信条件(如卫星电话、对讲机、电台等)的地区(如西部无人区、高海拔地区等)，能在生命安全保障、生产物资调度、人员态势管理、日常业务沟通等方面发挥至关重要的作用。

为使地面通讯终端设备能获取到位于静止轨道的北斗卫星最佳信号强度，需确保接收设备处于卫星通讯视域窗口范围内并按确定的方位、正确的倾角和最短的视距直对某颗卫星。

在常规作业中均采取实地目估的方式对北斗接收设备(或天线)进行粗略调整，惯用的指导性口语有：

卫星在哪里？-在南面！

哪儿算作南面？-看太阳！

能接收到信号吗？-南面不能有遮挡物！

遮挡物多高？多远？-天线向南面倾斜40度左右未发现遮挡就行了！

工作人员只能凭设备显示窗中的信号格值大小判断通讯状态和信号的强弱，致使卫星位置难以确定、天线摆放(地点、方位、仰角)随机性大、通讯可视域范围无法预知，尤其在峡谷区使用终端时，因山体遮挡极易导致下行信号无法接收、上行信号无法发送(或称盲点)，严重影响了工作的正常开展。

已有技术尚未涉及静止轨道北斗数字寻星，仅针对处于静止轨道地球同步卫星(如亚洲一号、亚洲二号、STAT-2等广播电视卫星)而言，虽曾述及地面接收设备的仰角和方位角的推算问题，经查阅相关资料，在解算方法模型中也涉及到寻星参数(方位角、仰角)的计算方面，已有的寻星方法普遍采用了与图2地球与卫星简单几何关系雷同的技术，推算过程大致分解为方位角计算和仰角计算两个步骤：

式中，λ：地面点至卫星的经差；地面点的纬度；β：地面点、卫星与地心形成的张角。

经分析研究，现有技术所涉及的技术流程及寻星方法在推算过程中存在的缺点包括以下四个方面：

大地坐标系不应以简单的圆球体为参照系，由此建立的寻星方法缺乏严格的理论基础和数学模型，计算出的结果十分粗略且无实用价值；

选取的计算点A并不代表任意地面点，所述地面点不应放置在球体表面，必须考虑海拔高度的影响；

选取的计算点A与卫星B不应处于同一个子午面之内，这不仅限制了地面点选取的任意性，而且该点不具有代表性；

仰角计算不应以过A的切线为基准，应建立在三维椭球切平面或水平面之上。

显然，已有的寻星控制参数的解算模型推导过程虽然简单，但理论基础存在(不正确或不严密)问题，地面点的寻星方法与实际情况不符，在实际工作中可利用的价值不大。

目前，北斗导航卫星(通讯与定位)技术在亚太地区已正式投入民用，为解决静止轨道北斗卫星通讯终端设备的摆放具有盲目性、寻星具有随机性、信号可视域的圈定具有人为性，从而快速准确地回答某颗卫星究竟在哪里？哪颗卫星离我们最近(信号最佳)？哪颗卫星不会被前面的障碍物遮挡(不在盲区内)等问题，建立精准的、科学的、高效的寻星方法显得十分必要和迫切。

发明内容

本发明所解决的技术问题是提供一种静止轨道地球同步卫星数字寻星方法，本发明静止轨道地球同步北斗卫星数字寻星方法，主要依据天体物理和黎曼几何学，提供了基于HTTP(超文本传输协议)的REST(表述性状态转移)调用接口，可通过远程调用快速获取地面任意点至卫星的仰角、真北方位角及视距等“数字寻星”参数的量化值，在北斗终端设备的安置和使用中能有效发挥“罗盘仪”的作用，从而解决北斗卫星通讯终端设备的安置摆放具有随机性、信号可视域的判别圈定具有人为性等问题。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种静止轨道地球同步卫星数字寻星方法，包括：

S1：通过GPS或北斗终端设备直接采集地面点的位置信息；通过基于http协议的调用指令输入所述地面点的位置信息的参数；

S2：依据椭球长半轴a和短半轴b以及地面点的纬度通过指定地面点的位置处理模块计算出地面点沿法线方向在椭球面的投影点至地心的距离r；

S3：依据椭球参数a和b以及地面点纬度通过椭球体辅助变量计算模块计算卫星至赤道线的最短距离；

通过椭球体辅助变量计算模块计算地面点的法线与赤道面的夹角；

通过椭球体辅助变量计算模块计算椭球面投影点至所述地面点的切平面与子午面交点之间的距离；

通过椭球体辅助变量计算模块计算切平面与子午面交点至地面点法线与赤道面交点之间的距离；

S4：通过指定地面点至指定卫星的视距处理模块计算地面点法线与赤道面交点与卫星之间的距离；通过指定地面点至指定卫星的仰角处理模块计算地面点法截面与赤道面交线的夹角；通过指定地面点至指定卫星的真北方位角处理模块计算卫星与地面点和经所述地面点的法线与赤道面交点之间的夹角；

S5：依据所述步骤S3和所述步骤S4中解算出地面任意点到卫星的视距L、地面任意点到卫星的仰角β和地面任意点到卫星的方位角α的结果通过数据转换模块将其转换为JSON或者XML格式；

S6：在人机交互界面中显示所述寻星结果,所述寻星结果包括视距L、仰角β和真北方位角α，通过所述寻星结果确立所述地面点与卫星的相对位置。

优选的，所述步骤S1中，基于http协议的调用指令采用表述性状态转移接口的约定方式进行；所述GPS或北斗终端设备包括天宝GPS终端接收机、集思宝手持机、北斗终端模块、iphone4S手机和三星S4手机。

更加优选的，所述步骤S1中，所述地面点的位置信息包括卫星经度、地面点经度、地面点纬度和地面点高程。

更加优选的，所述卫星经度指定为某颗静止轨道地球同步北斗卫星的经度，所述经度包括160°、140°、110.5°、80°或58.75°；所述160°对应静止轨道北斗-G4卫星，所述140°对应静止轨道北斗-G1卫星，所述110.5°对应静止轨道北斗-G3卫星，所述80°对应静止轨道北斗-G6卫星，所述58.75°对应静止轨道北斗-G5卫星。

更加优选的，所述地面点经度、所述地面点纬度和所述地面点高程由带有GPS功能的终端设备直接测定。

更加优选的，所述步骤S2中，所述指定地面点的位置处理模块将输入的地面点的位置信息转换为弧度制的地面点的位置信息，并根据弧度制的地面点的位置信息计算出所述地面点p在椭球面的投影点e至地心o的距离r；计算公式为：

其中，地面点p的纬度值为椭球长半轴为a，椭球短半轴为b。

更加优选的，所述步骤S3中，所述椭球体辅助变量计算模块首先计算卫星s至赤道线的最近距离H，计算公式如下：

由地球近地轨道卫星速度v，轨道半径a为地球长半轴，轨道周期为T，按万有引力计算向心力，公式为：

$G\left(\frac{mM}{a^2}\right)=m\left(\frac{v^2}{a}\right);$

针对静止轨道地球同步卫星，仍按万有引力计算向心力，公式为：

$G\left(\frac{mM}{{(a+H)}^2}\right)=m(a+H){\left(\frac{2\mathrm{\π}}{T}\right)}^2;$

式中，G为万有引力常数，m为近地卫星质量，M为地球质量，于是可推出：

$H=\sqrt[3]{\frac{{\mathrm{av}}^2{T}^2}{4{\mathrm{\π}}^2}}-a\≈35766922m;$

然后计算地面点p的法线与赤道面的夹角、地面点p沿法线方向在椭球面的投影点e至赤道面和地心o的距离、椭球面投影点e至所述地面点的切平面与子午面交点t之间的距离、切平面与子午面交点t至地面点法线与赤道面交点g之间的距离、地面点法线与赤道面交点g与卫星s之间的距离、地面点法截面与赤道面交线的夹角以及卫星与地面点和经所述地面点的法线与赤道面交点g之间的夹角；

若设地心为o，地面点p与卫星s的连线为ps，地面点p沿法线方向与赤道面的交点为g，线段sp与线段sg之间的夹角为δ；线段gp与线段gs之间的夹角为θ，地面点p的纬度值为地面点p的经度值为λ，地面点p的高程值为h，卫星S的经度值为ω，地面点p投影至椭球面上的点为e，点e处的隐函数为F(x,y,z)，计算过程如下：

$F(x,y,z)=\frac{x^2}{a^2}+\frac{y^2}{a^2}+\frac{z^2}{b^2}-1;$

分别对x、y、z求偏导数，得点e处的切平面方程为：

$\frac{2x_e}{a^2}(x-x_e)+\frac{2y_e}{a^2}(y-y_e)+\frac{2z_e}{b^2}(z-z_e)=0,$

得出切平面的法线向量

若设点e处的法截面与赤道面的交线且与过e点的子午面相交于t点，那么向量根据与两向量的内积公式，可求得两向量间的夹角：

或者

在由e、g和o组成的三角形中，按正弦定理可得出：

又因向量 $\stackrel{\→}{og}=\{og*cos\mathrm{\λ},og*\sin \mathrm{\λ},0\}$ 且向量 $\stackrel{\→}{os}=\{(a+h)cos\mathrm{\ω},(a+$ $h)\sin \mathrm{\ω},0\};$

于是向量 $\stackrel{\→}{gs}=\stackrel{\→}{os}-\stackrel{\→}{og}=\{(a+h)cos\mathrm{\ω}-og*cos\mathrm{\λ},(a+h)\sin \mathrm{\ω}-og*$ $\sin \mathrm{\λ},0\};$

同时向量

在直角三角形Δegt中，利用三角函数关系式可得线段et和线段gt的长度，分别为：

在三角形Δogs中，由余弦定理得出：

由和两向量的方向余弦得出：

在三角形Δpgs中，由正弦定理得出：

$\mathrm{\δ}={\sin }^{-1}\left(\frac{eg+h}{\sqrt{{(h+eg)}^2+{\mathrm{gs}}^2-2*gs*(h+eg)cos\mathrm{\θ}}}sin\mathrm{\θ}\right).$

更加优选的，所述步骤S3中，当地面点p与赤道线重合时，所述距离r等于椭球长半轴a；当地面点与卫星、地心和旋转轴同处于一个平面时，线段go与线段gs形成的夹角为180°。

更加优选的，所述步骤S4中，所述指定地面点至指定卫星的视距计算模块通过所述步骤S3中获得的中间变量，针对由地面点、卫星和地面点的法线与赤道面交点组成的空间三角形按余弦定理求取地面任意点到卫星的视距L，并按三角形内角和等于180度的原则，求取地面任意点到卫星的仰角β，计算公式为：

当β≤0时，所述地面点视为绝对盲点；当β>0时，若地面点与卫星连线之间有障碍物遮挡，所述地面点则视为相对盲点；所述绝对盲点是指因地球弯曲造成无法通讯的地面点，所述相对盲点是指因山体遮挡造成无法通讯的地面点；

所述指定地面点至指定卫星的真北方位角计算模块所述步骤S3中获得的中间变量，在经过地面点的法截面内，由所述法截面与地球旋转轴的交点和该法截面与赤道面以及经过地面点的子午面相交的两交点共同组成空间直角三角形，按反三角函数关系求取地面任意点到卫星的真北方位角α，计算公式为：

$\mathrm{\α}=\mathrm{\π}\±{\tan }^{-1}(\frac{gt}{et}*tan(\mathrm{\π}-{\cos }^{-1}\left(\frac{{\mathrm{og}}^2+{\mathrm{gs}}^2-{(a+H)}^2}{2*og*gs}\right)\left)\right);$

式中的所述±符号，当λ-ω>0时取正号+，当λ-ω≤0时取负号-；

其中，地面点p的纬度值为地面点p的经度值为λ，地面点p的高程值为h，卫星S的经度值为ω。

更加优选的，所述步骤S5中，所述数据转换模块是将解算出地面任意点到卫星的视距L、地面任意点到卫星的仰角β和地面任意点到卫星的方位角α的结果通过数据转换模块将其转换为JSON或者XML格式。

其中，所述静止轨道地球同步卫星是国产“北斗”定位与通讯卫星，现由Beidou-G4、G1、G3、G6、G5五颗卫星组成。

其中，所述地面点是地表任意点，由经度、纬度、高程三参数确定。

其中，所述真北方位角是地面点自地球旋转轴沿顺时针方向至某颗卫星的夹角。

其中，所述仰角是地面点至某颗卫星的连线与水平面之间的夹角。

其中，所述视距是地面点至某颗卫星的距离。

其中，所述盲区是通讯数据包无法接收或者接收不完整的区域。

其中，所述内积也称数量积或点积。

其中，所述GPS是英文GlobalPositioningSystem(全球定位***)的简称。GPS起始于1958年美国军方的一个项目，1964年投入使用。20世纪70年代，美国陆海空三军联合研制了新一代卫星定位***GPS。主要目的是为陆海空三大领域提供实时、全天候和全球性的导航服务，并用于情报收集、核爆监测和应急通讯等一些军事目的，经过20余年的研究实验，耗资300亿美元，到1994年，全球覆盖率高达98％的24颗GPS卫星星座己布设完成。

其中，所述JSON(JavaScriptObjectNotation)是一种轻量级的数据交换格式。它基于JavaScript(StandardECMA-2623rdEdition-December1999)的一个子集。JSON采用完全独立于语言的文本格式，但是也使用了类似于C语言家族的习惯(包括C,C++,C#,Java,JavaScript,Perl,Python等)。这些特性使JSON成为理想的数据交换语言。易于人阅读和编写，同时也易于机器解析和生成。

其中，所述XML为可扩展标记语言，是标准通用标记语言的子集，是一种用于标记电子文件使其具有结构性的标记语言。它可以用来标记数据、定义数据类型，是一种允许用户对自己的标记语言进行定义的源语言。它非常适合万维网传输，提供统一的方法来描述和交换独立于应用程序或供应商的结构化数据。

本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：

本发明在野外开展的基于北斗一号卫星定位与通讯的技术应用中发挥着重要作用，本发明基于天体物理和黎曼几何学基础理论，制定了严谨的技术流程，建立了严密的解算方程并研制了高效算法，通过采用通用的椭球参照系解决了规则球体计算导致算法基础存在的偏差问题：设立的地面点参数在经纬度的基础上顾及了高程因子，符合实际情况；地面点可处于地表任意位置(卫星视域范围之内)，而无需与卫星保持在同一个子午面内；仰角计算所依赖的基准面经过了xyz三维偏导数计算，得出的基准面是地面点的切平面，并非以单纯的切线为基准。由此实现了静止轨道北斗卫星数字寻星与参数解算技术。

本发明解决了静止轨道北斗卫星通讯终端设备的摆放具有盲目性、寻星具有随机性、信号可视域的圈定具有人为性，从而快速准确地回答某颗卫星究竟在哪里？哪颗卫星离我们最近(信号最佳)？哪颗卫星不会被前面的障碍物遮挡(不在盲区内)等问题，建立精准的、科学的、高效的寻星方法显得十分必要和迫切，本发明所述及的核心技术必然会在基于北斗卫星的应用领域发挥十分重要的作用。

本发明采用的理论基础更加严谨，寻星方法更加高效；解算结果的准确性已通过国土资源部行业科研专项研究(基金项目：基于3S技术的野外地质工作管理与服务关键技术研究与应用，No.201011010)，在我国东北、西北、西南片区开展的诸多野外试验中得到了广泛验证，取得了令人满意的技术效果。本发明准确的回答了某颗“静止轨道北斗卫星”究竟在哪里，哪颗卫星离我们最近，哪颗卫星不会被前面的障碍物遮挡等问题。本发明能为静止轨道“北斗”卫星通讯技术在亚太地区的广泛应用提供量化的决策和参考依据；为地面通讯设备如何摆放、如何避开通讯盲区提供了有效手段；可充当数字寻星罗盘的“微内核”嵌入到硬件厂商的终端设备中；可依据寻星方法编制相应的算法并融入到北斗卫星诸多应用***中；具有广泛的推广价值。

附图说明

图1示例性的示出了位于静止轨道五颗北斗卫星的运行轨迹示意图；

图2示例性的示出了卫星与地球的简单几何关系示意图；

图3示例性的示出了本发明数字寻星方法原理示意图；

图4示例性的示出了地球弯曲形成的绝对盲区示意图；

图5示例性的示出了山体遮挡形成的相对盲区示意图；

图6示例性的示出了本发明数字寻星方法流程示意图。

具体实施方式

为了更好的理解本发明所解决的技术问题、所提供的技术方案，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明的实施，但并不用于限定本发明。

在优选的实施例中，图3和图6示例性的示出了一种静止轨道地球同步卫星数字寻星方法的原理和流程示意图；寻星方法的过程包括：

N1：通过GPS或者北斗终端设备直接采集地面点的位置信息；通过基于http协议的调用指令输入所述地面点的位置信息的参数；

N2：依据椭球长半轴a和短半轴b以及地面点的纬度通过指定地面点的位置处理模块计算出地面点在椭球面的投影点至地心的距离r；

N3：依据椭球参数a和b以及地面点纬度通过椭球体辅助变量计算模块计算卫星至赤道线的最短距离；

通过椭球体辅助变量计算模块计算地面点的法线与赤道面的夹角；

通过椭球体辅助变量计算模块计算椭球面投影点至所述地面点的切平面与子午面交点之间的距离；

通过椭球体辅助变量计算模块计算切平面与子午面交点至地面点法线与赤道面交点之间的距离；

N4：通过指定地面点至指定卫星的视距处理模块计算地面点法线与赤道面交点与卫星之间的距离；通过指定地面点至指定卫星的仰角处理模块计算地面点法截面与赤道面交线的夹角；通过指定地面点至指定卫星的真北方位角处理模块计算卫星与地面点和经所述地面点的法线与赤道面交点之间的夹角；

N5：依据所述步骤N4中解算出地面任意点到卫星的视距L、地面任意点到卫星的仰角β和地面任意点到卫星的方位角α的结果通过数据转换模块将其转换为JSON或者XML格式；

N6：在人机交互界面(如InternetExplorer网络浏览器窗口)中显示所述寻星结果,所述寻星结果包括视距L、仰角β和真北方位角α，通过所述寻星结果确立所述地面点与卫星的相对位置。

在更加优选的实施例中，所述步骤N1中，基于http协议的调用指令采用表述性状态转移接口的约定方式进行。本发明提供互联网地址与访问方式为：http://219.144.130.58/GEOsitecoder/satellite？satellitelng＝卫星经度&lng＝地面点经度&lat＝地面点纬度&elev＝地面点高程&format＝0或者1，其中，约定的http访问路径为http://219.144.130.58/GEOsitecoder/satellite，访问时需输入的已知参数依次为：

satellitelng＝卫星经度；

lng＝地面点经度；

lat＝地面点纬度；

elev＝地面点高程；

format＝指定寻星结果的输出格式，指定为0时，输出对象字符串格式；指定为1时输出标签字符串格式。

在更加优选的实施例中，所述步骤N1中，所述地面点的位置信息包括卫星经度、地面点经度、地面点纬度和地面点高程。

在更加优选的实施例中，所述步骤N1中，所述GPS或北斗终端设备包括天宝GPS终端接收机、集思宝手持机、北斗终端模块、iphone4S手机和三星S4手机。

在更加优选的实施例中，所述卫星经度指定为某颗静止轨道地球同步北斗卫星的经度，所述经度包括160°、140°、110.5°、80°或58.75°；所述160°对应静止轨道北斗-G4卫星，所述140°对应静止轨道北斗-G1卫星，所述110.5°对应静止轨道北斗-G3卫星，所述80°对应静止轨道北斗-G6卫星，所述58.75°对应静止轨道北斗-G5卫星。

在更加优选的实施例中，所述地面点经度、所述地面点纬度和所述地面点高程由带有GPS的终端设备直接测定。

在更加优选的实施例中，所述步骤N2中，所述指定地面点的位置处理模块可将输入的地面点的位置信息(十进制角度单位)转换为弧度制的地面点的位置信息，并根据弧度制的地面点的位置信息计算出所述地面点p在椭球面的投影点e至地心o的距离r；计算公式为：

在更加优选的实施例中，所述步骤N3中，所述椭球体辅助变量计算模块首先计算卫星s至赤道线的最近距离H，计算公式如下：

由地球近地轨道卫星速度v，轨道半径a为地球长半轴，轨道周期为T，按万有引力计算向心力，公式为：

$G\left(\frac{mM}{a^2}\right)=m\left(\frac{v^2}{a}\right)$

针对静止轨道地球同步卫星，仍按万有引力计算向心力，公式为：

$G\left(\frac{mM}{{(a+H)}^2}\right)=m(a+H){\left(\frac{2\mathrm{\π}}{T}\right)}^2$

式中，G为万有引力常数，m为近地卫星质量，M为地球质量，于是可推出：

$H=\sqrt[3]{\frac{{\mathrm{av}}^2{T}^2}{4{\mathrm{\π}}^2}}-a\≈35766922m$

然后计算地面点p的法线与赤道面的夹角、地面点p沿法线方向在椭球面的投影点e至赤道面和地心o的距离、椭球面投影点e至所述地面点的切平面与子午面交点t之间的距离、切平面与子午面交点t至地面点法线与赤道面交点g之间的距离、地面点法线与赤道面交点g与卫星s之间的距离、地面点法截面与赤道面交线的夹角以及卫星与地面点和经所述地面点的法线与赤道面交点g之间的夹角。

若设地心为o，地面点p与卫星s的连线为ps，地面点p沿法线方向与赤道面的交点为g，线段sp与线段sg之间的夹角为δ；线段gp与线段gs之间的夹角为θ，地面点p的纬度值为地面点p的经度值为λ，地面点p的高程值为h，卫星S的经度值为ω，地面点p投影至椭球面上的点为e，点e处的隐函数为F(x,y,z)，计算过程如下：

$F(x,y,z)=\frac{x^2}{a^2}+\frac{y^2}{a^2}+\frac{z^2}{b^2}-1;$

分别对x、y、z求偏导数，得点e处的切平面方程为：

$\frac{2x_e}{a^2}(x-x_e)+\frac{2y_e}{a^2}(y-y_e)+\frac{2z_e}{b^2}(z-z_e)=0,$

得出切平面的法线向量 $\stackrel{\→}{gp}=\{\frac{x_e}{a^2},\frac{y_e}{a^2},\frac{z_e}{b^2}\};$

若设点e处的法截面与赤道面的交线且与过e点的子午面相交于t点，那么向量根据与两向量的内积(或称为数量积、点积)公式，可求得两向量间的夹角：

或者

在由e、g和o组成的三角形中，按正弦定理可得出：

又因向量 $\stackrel{\→}{og}=\{og*cos\mathrm{\λ},og*\sin \mathrm{\λ},0\}$ 且向量 $\stackrel{\→}{os}=\{(a+h)cos\mathrm{\ω},(a+$ $h)\sin \mathrm{\ω},0\};$

于是向量 $\stackrel{\→}{gs}=\stackrel{\→}{os}-\stackrel{\→}{og}=\{(a+h)cos\mathrm{\ω}-og*cos\mathrm{\λ},(a+h)\sin \mathrm{\ω}-og*$ $\sin \mathrm{\λ},0\};$

同时向量

在直角三角形Δegt中，利用三角函数关系式可得线段et和线段gt的长度，分别为：

在三角形Δogs中，由余弦定理得出：

$gs=\sqrt{{\mathrm{og}}^2+{(a+H)}^2-2*og*(a+H)cos(\mathrm{\λ}-\mathrm{\ω})}$

由和两向量的方向余弦得出：

在三角形Δpgs中，由正弦定理得出：

$\mathrm{\δ}={\sin }^{-1}\left(\frac{eg+h}{\sqrt{{(h+eg)}^2+{\mathrm{gs}}^2-2*gs*(h+eg)cos\mathrm{\θ}}}sin\mathrm{\θ}\right).$

在更加优选的实施例中，所述步骤N3中，当地面点p与赤道线重合时，所述距离r等于椭球长半轴a。

在更加优选的实施例中，所述步骤N3中，当地面点与卫星、地心和旋转轴同处于一个平面时，线段go与线段gs形成的夹角为180°。

在更加优选的实施例中，所述步骤N4中，所述指定地面点至指定卫星的视距计算模块通过所述步骤N3中获得的中间变量，针对由地面点、卫星和地面点的法线与赤道面交点组成的空间三角形按余弦定理求取地面任意点到卫星的视距L，并按三角形内角和等于180度的原则，求取地面任意点到卫星的仰角β，计算公式为： $L=$

当β≤0时，所述地面点视为绝对盲点；当β>0时，若地面点与卫星连线之间有障碍物遮挡，所述地面点则视为相对盲点；所述绝对盲点是指因地球弯曲造成无法通讯的地面点，所述相对盲点是指因山体遮挡造成无法通讯的地面点；

所述指定地面点至指定卫星的真北方位角计算模块所述步骤N3中获得的中间变量，在经过地面点的法截面内，由所述法截面与地球旋转轴的交点和该法截面与赤道面以及经过地面点的子午面相交的两交点共同组成空间直角三角形，按反三角函数关系求取地面任意点到卫星的真北方位角α，计算公式为：

$\mathrm{\α}=\mathrm{\π}\±{\tan }^{-1}(\frac{gt}{et}*tan(\mathrm{\π}-{\cos }^{-1}\left(\frac{{\mathrm{og}}^2+{\mathrm{gs}}^2-{(a+H)}^2}{2*og*gs}\right)\left)\right)$

式中的所述±符号，当λ-ω>0时取正号+，当λ-ω≤0时取负号-。

在更加优选的实施例中，所述步骤N5中，所述数据转换模块是将解算出地面任意点到卫星的视距L、地面任意点到卫星的仰角β和地面任意点到卫星的方位角α的结果通过数据转换模块将其转换为JSON或者XML格式。

具体的实施例中：

图3数字寻星方法原理图中，各参数几何关系描述如下：

图3中所示的参数和变量厘定为：坐标系采用WGS84***；椭球长半轴a等于6378137m；椭球短半轴b等于6356752.3142451793m；G为重力加速度；m为卫星S的质量；M为地球的质量；T为地球自转周期，等于23h56min4s；v为第一宇宙速度，等于7.9km/s；H为卫星S距赤道的高度；ω为卫星S的经度；p为任意地面点；h为p点的高程；λ为p点的经度；为p点的纬度；α为地面点P至卫星S的方位角；β为地面点P至卫星S的仰角；

选定xoy平面为赤道面，x轴指向起始经度；z轴与旋转椭球体自转轴保持一致；e点为p点沿法线方向投影至椭球切平面处的交点；g点为过p点的法线向量与赤道面的交点；r为e点至原点o的距离；过p点的法截面与切平面的交线为ef；过p点且平行于切平面与os相交于q点；t为切平面与过p点的子午面交汇处。为便于建立统一的数学模型，暂将大地水准面用椭球体切平面代替，两者差异(垂线偏差)对寻星参数的计算结果影响忽略不计。

为使北斗卫星技术在中国地质调查领域得到广泛应用，中国地质调查局在东北、西北、西南等地区设立了若干项目，在区域地质调查、矿产远景调查、地质灾害详查、区域物化探扫面等野外工作中已开展了若干示范性工作，同时也对本发明述及的理论和方法的正确性进行了大量试验。

其中，在我国境内按高、中、低纬度实地选取了若干个测试点，对寻星方法中各项参数的计算结果进行对比验证(表1)，计算结果与实际情况相符合。

表1、典型地区北斗卫星寻星方法验证表

在测试期间，现有的地面终端通讯设备尚不支持北斗二代(G4、G5)技术；因此上表测试结果采用的是北斗一代(G1、G3、G6)卫星。

本发明依托国土资源部“十二五”公益性行业科研专项－“基于3S技术的野外地质工作管理与服务关键技术研究与应用”(No.201011010)，已在我国东北、西北和西南片区开展的区域地质调查、矿产远景调查、灾害地质调查、地球物理和地球化学勘查诸多项目中得到了广泛的技术测试与理论验证。

其中，在西北地区开展的测试项目主要有：青海阿尔金1∶5万打柴沟(J46E005011、J46E005012、J46E005013、J46E006011、J46E006012、J46E00613)等6幅区域地质调查项目；青海1∶25万巴什库尔干幅(J46C001001)、茫崖镇幅(J46C002001)区域地质调查(修测)项目；青海省玉树州地质灾害详细调查项目；青海省门源县青石嘴地区矿产远景调查项目。参与测试的工作人员达50余人，测试取得了令人信服效果。

综上，通过在野外开展的基于静止轨道北斗卫星寻星方法的测试工作，充分验证了本发明提供的寻星方法及理论的先进性和准确性，也进一步表明了本发明将在快速准确地获取最佳的卫星信号强度以及提前预知卫星信号的可视域(或盲区)等方面发挥关键性作用，技术效果得到了充分验证和广泛认可。

以上通过具体的和优选的实施例详细的描述了本发明，但本领域技术人员应该明白，本发明并不局限于以上所述实施例，凡在本发明的基本原理之内，所作的任何修改、组合及等同替换等，均包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种静止轨道地球同步卫星数字寻星方法，其特征在于，包括：

S1：通过GPS或北斗终端设备直接采集地面点的位置信息；通过基于http协议的调用指令输入所述地面点的位置信息的参数；

S2：依据椭球长半轴a和短半轴b以及地面点的纬度通过指定地面点的位置处理模块计算出地面点沿法线方向在椭球面的投影点至地心的距离r；

S3：依据椭球参数a和b以及地面点纬度通过椭球体辅助变量计算模块计算卫星至赤道线的最短距离；

通过椭球体辅助变量计算模块计算地面点的法线与赤道面的夹角；

通过椭球体辅助变量计算模块计算椭球面投影点至所述地面点的切平面与子午面交点之间的距离；

通过椭球体辅助变量计算模块计算切平面与子午面交点至地面点法线与赤道面交点之间的距离；

S4：通过指定地面点至指定卫星的视距处理模块计算地面点法线与赤道面交点与卫星之间的距离；通过指定地面点至指定卫星的仰角处理模块计算地面点法截面与赤道面交线的夹角；通过指定地面点至指定卫星的真北方位角处理模块计算卫星与地面点和经所述地面点的法线与赤道面交点之间的夹角；

S5：依据所述步骤S3和所述步骤S4中解算出地面任意点到卫星的视距L、地面任意点到卫星的仰角β和地面任意点到卫星的方位角α的结果通过数据转换模块将其转换为JSON或者XML格式；

S6：在人机交互界面中显示所述寻星结果,所述寻星结果包括视距L、仰角β和真北方位角α，通过所述寻星结果确立所述地面点与卫星的相对位置。

2.根据权利要求1所述静止轨道地球同步卫星数字寻星方法，其特征在于，所述步骤S1中，基于http协议的调用指令采用表述性状态转移接口的约定方式进行；所述GPS或北斗终端设备包括天宝GPS终端接收机、集思宝手持机、北斗终端模块、iphone4S手机和三星S4手机。

3.根据权利要求1所述静止轨道地球同步卫星数字寻星方法，其特征在于，所述步骤S1中，所述地面点的位置信息包括卫星经度、地面点经度、地面点纬度和地面点高程。

4.根据权利要求3所述静止轨道地球同步卫星数字寻星方法，其特征在于，所述卫星经度指定为某颗静止轨道地球同步北斗卫星的经度，所述经度包括160°、140°、110.5°、80°或58.75°；所述160°对应静止轨道北斗-G4卫星，所述140°对应静止轨道北斗-G1卫星，所述110.5°对应静止轨道北斗-G3卫星，所述80°对应静止轨道北斗-G6卫星，所述58.75°对应静止轨道北斗-G5卫星。

5.根据权利要求3所述静止轨道地球同步卫星数字寻星方法，其特征在于，所述地面点经度、所述地面点纬度和所述地面点高程由带有GPS功能的终端设备直接测定。

6.根据权利要求1所述静止轨道地球同步卫星数字寻星方法，其特征在于，所述步骤S2中，所述指定地面点的位置处理模块将输入的地面点的位置信息转换为弧度制的地面点的位置信息，并根据弧度制的地面点的位置信息计算出所述地面点p在椭球面的投影点e至地心o的距离r；计算公式为：

其中，地面点p的纬度值为椭球长半轴为a，椭球短半轴为b。

7.根据权利要求1所述静止轨道地球同步卫星数字寻星方法，其特征在于，所述步骤S3中，所述椭球体辅助变量计算模块首先计算卫星s至赤道线的最近距离H，计算公式如下：

由地球近地轨道卫星速度v，轨道半径a为地球长半轴，轨道周期为T，按万有引力计算向心力，公式为：

$G\left(\frac{mM}{a^2}\right)=m\left(\frac{v^2}{a}\right);$

针对静止轨道地球同步卫星，仍按万有引力计算向心力，公式为：

$G\left(\frac{mM}{{(a+H)}^2}\right)=m(a+H){\left(\frac{2\mathrm{\π}}{T}\right)}^2;$

式中，G为万有引力常数，m为近地卫星质量，M为地球质量，于是可推出：

$H=\sqrt[3]{\frac{{\mathrm{av}}^2{T}^2}{4{\mathrm{\π}}^2}}-a\≈35766922m;$

然后计算地面点p的法线与赤道面的夹角、地面点p沿法线方向在椭球面的投影点e至赤道面和地心o的距离、椭球面投影点e至所述地面点的切平面与子午面交点t之间的距离、切平面与子午面交点t至地面点法线与赤道面交点g之间的距离、地面点法线与赤道面交点g与卫星s之间的距离、地面点法截面与赤道面交线的夹角以及卫星与地面点和经所述地面点的法线与赤道面交点g之间的夹角；

若设地心为o，地面点p与卫星s的连线为ps，地面点p沿法线方向与赤道面的交点为g，线段sp与线段sg之间的夹角为δ；线段gp与线段gs之间的夹角为θ，地面点p的纬度值为地面点p的经度值为λ，地面点p的高程值为h，卫星S的经度值为ω，地面点p投影至椭球面上的点为e，点e处的隐函数为F(x,y,z)，计算过程如下：

$F(x,y,z)=\frac{x^2}{a^2}+\frac{y^2}{a^2}+\frac{z^2}{b^2}-1;$

分别对x、y、z求偏导数，得点e处的切平面方程为：

$\frac{2x_e}{a^2}(x-x_e)+\frac{2y_e}{a^2}(y-y_e)+\frac{2z_e}{b^2}(z-z_e)=0,$

得出切平面的法线向量

若设点e处的法截面与赤道面的交线且与过e点的子午面相交于t点，那么向量根据与两向量的内积公式，可求得两向量间的夹角：

或者

在由e、g和o组成的三角形中，按正弦定理可得出：

又因向量且向量

于是向量

同时向量

在直角三角形Δegt中，利用三角函数关系式可得线段et和线段gt的长度，分别为：

在三角形Δogs中，由余弦定理得出：

$gs=\sqrt{{\mathrm{og}}^2+{(a+H)}^2-2*og*(a+H)cos(\mathrm{\λ}-\mathrm{\ω})};$

由和两向量的方向余弦得出：

在三角形Δpgs中，由正弦定理得出：

$\mathrm{\δ}={\sin }^{-1}\left(\frac{eg+h}{\sqrt{{(h+eg)}^2+{\mathrm{gs}}^2-2*gs*(h+eg)cos\mathrm{\θ}}}sin\mathrm{\θ}\right).$

8.根据权利要求1所述静止轨道地球同步卫星数字寻星方法，其特征在于，所述步骤S3中，当地面点p与赤道线重合时，所述距离r等于椭球长半轴a；当地面点与卫星、地心和旋转轴同处于一个平面时，线段go与线段gs形成的夹角为180°。

9.根据权利要求1所述静止轨道地球同步卫星数字寻星方法，其特征在于，所述步骤S4中，所述指定地面点至指定卫星的视距计算模块通过所述步骤S3中获得的中间变量，针对由地面点、卫星和地面点的法线与赤道面交点组成的空间三角形按余弦定理求取地面任意点到卫星的视距L，并按三角形内角和等于180度的原则，求取地面任意点到卫星的仰角β，计算公式为：

当β≤0时，所述地面点视为绝对盲点；当β>0时，若地面点与卫星连线之间有障碍物遮挡，所述地面点则视为相对盲点；所述绝对盲点是指因地球弯曲造成无法通讯的地面点，所述相对盲点是指因山体遮挡造成无法通讯的地面点；

所述指定地面点至指定卫星的真北方位角计算模块所述步骤S3中获得的中间变量，在经过地面点的法截面内，由所述法截面与地球旋转轴的交点和该法截面与赤道面以及经过地面点的子午面相交的两交点共同组成空间直角三角形，按反三角函数关系求取地面任意点到卫星的真北方位角α，计算公式为：

$\mathrm{\α}=\mathrm{\π}\±{\tan }^{-1}(\frac{gt}{et}*tan(\mathrm{\π}-{\cos }^{-1}\left(\frac{{\mathrm{og}}^2+{\mathrm{gs}}^2-{(a+H)}^2}{2*og*gs}\right)\left)\right);$

式中的所述±符号，当λ-ω>0时取正号+，当λ-ω≤0时取负号-；

其中，地面点p的纬度值为地面点p的经度值为λ，地面点p的高程值为h，卫星S的经度值为ω。

10.根据权利要求1所述静止轨道地球同步卫星数字寻星方法，其特征在于，所述步骤S5中，所述数据转换模块是将解算出地面任意点到卫星的视距L、地面任意点到卫星的仰角β和地面任意点到卫星的方位角α的结果通过数据转换模块将其转换为JSON或者XML格式。