CN114814908A - 一种用于低轨卫星监测gnss的仿真模拟*** - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于低轨卫星监测GNSS的仿真模拟***，属于卫星导航定位技术领域。***包括：中高轨与低轨卫星轨道钟差仿真单元、低轨卫星星载数据仿真单元、中高轨卫星地面数据仿真单元、低轨卫星导航增强数据仿真单元、静态地面目标仿真单元、数据实时流仿真单元以及测试管理单元。本发明能够准确模拟中高轨和低轨卫星的轨迹与观测数据，而且能够实时仿真低轨卫星监测中高轨卫星的方法与性能。本发明通过高保真模型和多场景的模拟从而提高仿真的逼真度,缩小仿真测试结果与真实测试结果的测试偏差，可应用于未来低轨卫星监测GNSS***的测试评估。
Description
技术领域
本发明属于卫星导航定位技术领域，尤其涉及一种用于低轨卫星检测监测GNSS的仿真模拟***。
背景技术
随着北斗三号全球定位***的建成，目前包括北斗、GPS、GLONASS、Galileo在内有四大全球定位***(GNSS)，以及日本QZSS和印度IRNSS等区域卫星导航***。GNSS可为全球用户提供高精度定位服务，用户对GNSS的依赖也越来越深，而GNSS失效将导致非常严重的后果，因此对GNSS进行不间断实时的监测是迫切需要解决的问题。
由于多方面原因，GNSS***难以在全球建设均匀分布的监测站，使得GNSS监测性能收到制约。近年来低轨星座发展迅速，以美国为首的全球多个国家开始开展低轨互联网星座建设。低轨星座可全球均匀分布，同时得益于星载全频点GNSS接收机的迅速发展，使得采用低轨卫星全球均匀监测GNSS成为可能。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种用于低轨卫星检测监测GNSS的仿真模拟***，其能够实现多种高逼真GNSS监测场景的验证，通过高保真模型和多场景的模拟从而提高仿真的逼真度,缩小仿真测试结果与真实测试结果的测试偏差。
本发明采用了如下的技术方案：
一种用于低轨卫星监测GNSS的仿真模拟***，包括中高轨与低轨卫星轨道钟差仿真单元、低轨卫星星载数据仿真单元、中高轨卫星地面数据仿真单元、低轨卫星导航增强数据仿真单元、静态地面目标仿真单元、数据实时流仿真单元和测试管理单元；
所述中高轨与低轨卫星轨道钟差仿真单元，用于仿真高逼真度的中高轨GNSS卫星以及低轨卫星的轨道和钟差；
所述低轨卫星星载数据仿真单元，用于仿真低轨卫星星载GNSS数据；
所述中高轨卫星地面数据仿真单元，用于仿真生成中高轨GNSS卫星的地面数据；
所述低轨卫星导航增强数据仿真单元，用于仿真低轨卫星导航增强观测量；
所述静态地面目标仿真单元，用于模拟地面目标的静态轨迹；
所述数据实时流仿真单元，用于模拟实时仿真的各种观测数据；
所述测试管理单元，用于整个***的测试与整合管理；
模拟仿真***进行低轨卫星实时监测GNSS的流程具体包括如下过程：
步骤1，由中高轨与低轨卫星轨道钟差仿真单元生成高中低轨卫星星座；给定种子卫星的初始轨道根数或TLE两行根数，在此基础上利用数值积分器进行轨道预报，生成高中低轨卫星星座的原始轨道；同时随机在卫星的初始轨道根数上添加5cm～10cm的偏差，再次进行轨道预报，从而生成带有误差的高中低轨卫星星座的卫星轨道；仿真卫星钟差的生成采用两种方案，一种为***内预置的模型，包括二次多项式模型以及常数模型；另一种方案是输入钟差文件，按照实际低轨卫星解算出的钟差进行仿真；
步骤2，由中高轨与低轨卫星轨道钟差仿真单元生成高中低轨卫星星历；首先设计低轨广播星历，其次广播星历采用二体问题计算，最后利用最小二乘原理，经过多次迭代，将带有误差的卫星轨道拟合得到所有参考历元广播星历参数，生成高中低轨卫星广播星历；然后以带有误差的卫星轨道/钟差为基准，与拟合出的高中低轨广播星历/钟差作差，将差值转至卫星RTN坐标系，得到GNSS精密改正信息；
步骤3，由静态地面目标仿真单元生成静态地面监测站点信息，仿真站点的静态轨迹和站点周围环境，包括站点周围的天气参数，气压和湿度；
步骤4，低轨卫星星载数据仿真单元、中高轨卫星地面数据仿真单元和低轨卫星导航增强数据仿真单元均接收来自中高轨与低轨卫星轨道钟差仿真单元生成的高中低轨卫星轨道和卫星钟差以及静态地面目标仿真单元生成的静态地面监测站点信息，再由低轨卫星星载数据仿真单元生成低轨卫星星载数据，中高轨卫星地面数据仿真单元生成GNSS地面仿真数据，低轨卫星导航增强数据仿真单元生成低轨导航增强数据；首先根据仿真目标星座轨道数据，每个历元被仿真接收机位置通过迭代，计算GNSS或低轨卫星发射信号时刻的位置；进而计算接收到卫星发射的距离、高度角和方位角，根据高度截止角限定仿真条件；利用天线相位中心校正公式计算卫星天线相位中心与几何中心的偏差，计算测量数据的几何距离；然后添加仿真钟差，根据电离层模型计算理论电离层延迟，载波周跳可根据需要人为添加，添加均值为零、标准差与高度角相关的高斯噪，分别仿真每颗卫星每个历元的观测数据，直至仿真结束；
步骤5，数据实时流仿真单元接收中高轨与低轨卫星轨道钟差仿真单元生成的低轨中高轨广播星力和GNSS精密改正信息以及步骤4中得到的观测数据，再基于标准Ntrip协议，向仿真模拟***的服务器进行数据播发；
步骤6，测试管理单元实现低轨与GNSS实时数据的接收与计算，分析低轨卫星监测中高轨GNSS卫星的性能，实现对对应低轨星座监测性能的评价。
进一步的，所述中高轨与低轨卫星轨道仿真单元可根据需求配置不同星座构型，进而应用包括80阶地球重力场、太阳系大天体三体摄动、盒-翼太阳光压、大气阻力、月球J2项摄动、地球潮汐、地球反照辐射和热辐射等高精度模型，采用多步数值积分法，获取高精度中高轨与低轨卫星轨道；同时采用二次项形式获取高精度中高轨与低轨卫星钟差。
进一步的，在生成的高精度中高轨与低轨卫星的轨道上根据设置情况，添加相应的***误差与噪声，以获得更为逼近实际情况的计算轨道与钟差。
进一步的，所述低轨卫星星载数据仿真单元、中高轨卫星地面数据仿真单元以及低轨卫星导航增强数据仿真单元，可根据***输入仿真生成标准数据，标准数据包括仿真卫星电文以及测距数据；其中仿真生成的观测量以二次项形式获取的高精度中高轨与低轨卫星钟差为基础，仿真播发的卫星电文以添加***误差和噪声后的轨道与钟差为基础。
进一步的，所述静态地面目标仿真单元可模拟多个高逼真地面静态目标，基于区域地图数据进行，可模拟的目标包括大面积静态网状轨迹，用于低轨和中高轨卫星的信号与信息监测。
进一步的，由数据实时流仿真单元实现实时仿真能力，用于测试低轨卫星实时监测中高轨GNSS卫星的方法与性能。
进一步的，所述测试管理单元用于人机交互以及低轨卫星监测中高轨GNSS卫星的性能分析，通过设置不同构型的低轨星座，实现对对应低轨星座监测性能的评价。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1、本发明可实现多种高逼真GNSS监测场景的验证，通过高保真模型和多场景的模拟从而提高仿真的逼真度,缩小仿真测试结果与真实测试结果的测试偏差。
2、本发明通过仿真中高低轨卫星的观测数据，进行中高低轨联合定轨定位解算，充分利用低轨卫星全球均匀分布的优势，实现低轨卫星监测GNSS的能力验证。
附图说明
图1是本发明实施例中一种用于低轨卫星监测GNSS的仿真模拟***流程图。
图2是本发明实施例中低轨与GNSS广播星历拟合流程。
图3是本发明实施例中低轨与GNSS数据仿真流程。
具体实施方式
下面结合附图更详细的描述本发明的原理与实施例，应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
参照图1至图3，***包括：中高轨与低轨卫星轨道钟差仿真单元、低轨卫星星载数据仿真单元、中高轨卫星地面数据仿真单元、低轨卫星导航增强数据仿真单元、静态地面目标仿真单元、数据实时流仿真单元以及测试管理单元等。
中高轨与低轨卫星轨道钟差仿真单元用于仿真高逼真度的中高轨GNSS卫星以及低轨卫星的轨道和钟差等；低轨卫星星载数据仿真单元，用于仿真低轨卫星星载GNSS数据；中高轨卫星地面数据仿真单元，用于仿真生成中高轨GNSS卫星的地面数据；低轨卫星导航增强数据仿真单元，用于仿真低轨卫星导航增强观测量；静态地面目标仿真单元用于模拟地面目标的静态轨迹；数据实时流仿真单元用于模拟实时仿真的各种观测数据；测试管理单元用于整个***的测试与整合管理。
中高轨与低轨卫星轨道仿真单元可根据需求配置不同星座构型，支持配置包括四大GNSS***在内的120颗中高轨卫星以及超过300颗的低轨卫星，进而应用包括80阶地球重力场、太阳系大天体三体摄动、盒-翼太阳光压、大气阻力、月球J2项摄动、地球潮汐、地球反照辐射和热辐射等高精度模型，采用多步数值积分法，获取高精度中高轨与低轨卫星轨道。同时采用二次项形式获取高精度中高轨与低轨卫星钟差。此外，在生成的高精度中高轨与低轨卫星的轨道上根据设置情况，添加相应的***误差与噪声，以获得更为逼近实际情况的计算轨道与钟差。
在静态地面目标仿真单元的基础上，低轨卫星星载数据仿真单元、中高轨卫星地面数据仿真单元以及低轨卫星导航增强数据仿真单元，可根据***输入仿真模拟多个静态目标，包括大面积静态网状轨迹等。从而生成类似于GNSS观测量的标准数据，包括仿真卫星电文、测距数据以及GNSS精密改正信息等。其中仿真生成的观测量以高精度中高轨与低轨卫星轨道钟差为基础，仿真播发的卫星电文以计算轨道与钟差为基础。
利用数据实时流仿真单元实现实时仿真能力，采用标准Ntrip协议，输入仿真观测量、仿真卫星电文、GNSS精密改正信息等，实现低轨卫星实时监测中高轨GNSS卫星。
低轨卫星监测GNSS仿真模拟***可处理中高轨地面观测数据、低轨星载数据以及低轨导航增强数据，联合高中低轨卫星进行轨道与钟差确定，实现GNSS监测能力提升。
测试管理单元用于人机交互以及低轨卫星监测中高轨GNSS卫星的性能分析，通过设置不同构型的低轨星座，实现对对应低轨星座监测性能的评价。***的接口与实际中高轨、低轨卫星一致，在低轨星座建好后可直接应用于***的测试评估。
本实施例的可联合高中低轨卫星进行轨道与钟差确定，充分验证低轨卫星监测GNSS的能力。所述***的接口与实际中高轨、低轨卫星一致，在低轨星座建好后可直接应用于***的测试评估。
一种用于低轨卫星监测GNSS的仿真模拟***，该***通过生成仿真GNSS观测数据以及低轨卫星观测数据，利用低轨卫星全球分布的特性，实现低轨卫星监测GNSS的仿真测试与评估。该***进行低轨卫星实时监测GNSS的流程如下：
步骤1，由中高轨与低轨卫星轨道钟差仿真单元生成高中低轨卫星星座。给定“种子”卫星的初始轨道根数或TLE两行根数，在此基础上利用数值积分器进行轨道预报，生成高中低轨卫星星座的原始轨道；同时随机在卫星的初始轨道根数上添加5cm～10cm的偏差，再次进行轨道预报，从而生成带有误差的卫星轨道。卫星钟差的仿真采用两种方案，一种为***内预置的模型，包括二次多项式模型以及常数模型等；另一种方案是输入钟差文件，按照实际低轨卫星解算出的钟差进行仿真。
步骤2，由中高轨与低轨卫星轨道钟差仿真单元生成高中低轨卫星星历。首先综合考虑广播星历精度与计算复杂度，设计低轨广播星历，其次参考历元星历采用二体问题计算，最后利用最小二乘原理，经过多次迭代，将带有误差的卫星轨道拟合得到所有参考历元星历参数，生成高中低轨广播星历，广播星历拟合的流程如图2所示。进而根据带有误差的卫星轨道/钟差，与拟合出的高中低轨广播星历/钟差作差，得到GNSS精密改正信息；
步骤3，由静态地面目标仿真单元生成静态地面监测站点，仿真站点的静态轨迹、站点周围环境等，包括站点周围的天气参数，气压、湿度等。
步骤4，由低轨卫星星载数据仿真单元、中高轨卫星地面数据仿真单元、以及低轨卫星导航增强数据仿真单元生成低轨卫星星载数据、GNSS地面仿真数据以及低轨导航增强数据等。首先根据仿真星座卫星轨道，每个历元被仿真接收机位置通过迭代，计算GNSS或低轨卫星发射信号时刻的位置；进而计算接收到卫星发射的距离、高度角和方位角，根据高度截止角限定仿真条件。利用天线相位中心校正公式计算卫星天线相位中心与几何中心的偏差，计算测量数据的几何距离。然后添加仿真钟差，根据电离层模型计算理论电离层延迟，载波周跳可根据需要人为添加。添加均值为零、标准差与高度角相关的高斯噪。分别仿真每颗卫星每个历元的观测数据，直至仿真结束，流程图如3所示。
步骤5，将仿真生成的广播星历、观测数据和GNSS精密改正信息，输入数据实时流仿真单元，基于标准Ntrip协议，向仿真模拟***的服务器进行数据播发。
步骤6，测试管理单元实现低轨与GNSS实时数据的接收与计算，分析低轨卫星监测中高轨GNSS卫星的性能，实现对对应低轨星座监测性能的评价。通过联合低轨星载数据、低轨导航增强数据以及GNSS数据，***可实现高中低轨卫星联合解算。
本发明能够准确实时模拟中高轨和低轨卫星的轨迹与观测数据，通过高保真模型和多场景的模拟从而提高仿真的逼真度,缩小仿真测试结果与真实测试结果的测试偏差，实时给出低轨卫星监测中高轨卫星的方法与性能。
总之，本发明可实现多种高逼真GNSS监测场景的验证，通过高保真模型和多场景的模拟从而提高仿真的逼真度,缩小仿真测试结果与真实测试结果的测试偏差。通过仿真中高低轨卫星的观测数据，进行中高低轨联合定轨定位解算，充分利用低轨卫星全球均匀分布的优势，实现低轨卫星监测GNSS的能力验证。本发明的***接口与实际中高轨、低轨卫星一致，在低轨星座建好后可直接应用于***的测试评估。
Claims (7)
1.一种用于低轨卫星监测GNSS的仿真模拟***，其特征在于，包括中高轨与低轨卫星轨道钟差仿真单元、低轨卫星星载数据仿真单元、中高轨卫星地面数据仿真单元、低轨卫星导航增强数据仿真单元、静态地面目标仿真单元、数据实时流仿真单元和测试管理单元；
所述中高轨与低轨卫星轨道钟差仿真单元，用于仿真高逼真度的中高轨GNSS卫星以及低轨卫星的轨道和钟差；
所述低轨卫星星载数据仿真单元，用于仿真低轨卫星星载GNSS数据；
所述中高轨卫星地面数据仿真单元，用于仿真生成中高轨GNSS卫星的地面数据；
所述低轨卫星导航增强数据仿真单元，用于仿真低轨卫星导航增强观测量；
所述静态地面目标仿真单元，用于模拟地面目标的静态轨迹；
所述数据实时流仿真单元，用于模拟实时仿真的各种观测数据；
所述测试管理单元，用于整个***的测试与整合管理；
模拟仿真***进行低轨卫星实时监测GNSS的流程具体包括如下过程：
步骤1，由中高轨与低轨卫星轨道钟差仿真单元生成高中低轨卫星星座；给定种子卫星的初始轨道根数或TLE两行根数，在此基础上利用数值积分器进行轨道预报，生成高中低轨卫星星座的原始轨道；同时随机在卫星的初始轨道根数上添加5cm～10cm的偏差，再次进行轨道预报，从而生成带有误差的高中低轨卫星星座的卫星轨道；仿真卫星钟差的生成采用两种方案，一种为***内预置的模型，包括二次多项式模型以及常数模型；另一种方案是输入钟差文件，按照实际低轨卫星解算出的钟差进行仿真；
步骤2，由中高轨与低轨卫星轨道钟差仿真单元生成高中低轨卫星星历；首先设计低轨广播星历，其次广播星历采用二体问题计算，最后利用最小二乘原理，经过多次迭代，将带有误差的卫星轨道拟合得到所有参考历元广播星历参数，生成高中低轨卫星广播星历；然后以带有误差的卫星轨道/钟差为基准，与拟合出的高中低轨广播星历/钟差作差，将差值转至卫星RTN坐标系，得到GNSS精密改正信息；
步骤3，由静态地面目标仿真单元生成静态地面监测站点信息，仿真站点的静态轨迹和站点周围环境，包括站点周围的天气参数，气压和湿度；
步骤4，低轨卫星星载数据仿真单元、中高轨卫星地面数据仿真单元和低轨卫星导航增强数据仿真单元均接收来自中高轨与低轨卫星轨道钟差仿真单元生成的高中低轨卫星轨道和卫星钟差以及静态地面目标仿真单元生成的静态地面监测站点信息，再由低轨卫星星载数据仿真单元生成低轨卫星星载数据，中高轨卫星地面数据仿真单元生成GNSS地面仿真数据，低轨卫星导航增强数据仿真单元生成低轨导航增强数据；首先根据仿真目标星座轨道数据，每个历元被仿真接收机位置通过迭代，计算GNSS或低轨卫星发射信号时刻的位置；进而计算接收到卫星发射的距离、高度角和方位角，根据高度截止角限定仿真条件；利用天线相位中心校正公式计算卫星天线相位中心与几何中心的偏差，计算测量数据的几何距离；然后添加仿真钟差，根据电离层模型计算理论电离层延迟，载波周跳可根据需要人为添加，添加均值为零、标准差与高度角相关的高斯噪，分别仿真每颗卫星每个历元的观测数据，直至仿真结束；
步骤5，数据实时流仿真单元接收中高轨与低轨卫星轨道钟差仿真单元生成的低轨中高轨广播星力和GNSS精密改正信息以及步骤4中得到的观测数据，再基于标准Ntrip协议，向仿真模拟***的服务器进行数据播发；
步骤6，测试管理单元实现低轨与GNSS实时数据的接收与计算，分析低轨卫星监测中高轨GNSS卫星的性能，实现对对应低轨星座监测性能的评价。
2.根据权利要求1所述的一种用于低轨卫星监测GNSS的仿真模拟***，其特征在于，所述中高轨与低轨卫星轨道仿真单元可根据需求配置不同星座构型，进而应用包括80阶地球重力场、太阳系大天体三体摄动、盒-翼太阳光压、大气阻力、月球J2项摄动、地球潮汐、地球反照辐射和热辐射等高精度模型，采用多步数值积分法，获取高精度中高轨与低轨卫星轨道；同时采用二次项形式获取高精度中高轨与低轨卫星钟差。
3.根据权利要求2所述的一种用于低轨卫星监测GNSS的仿真模拟***，其特征在于，在生成的高精度中高轨与低轨卫星的轨道上根据设置情况，添加相应的***误差与噪声，以获得更为逼近实际情况的计算轨道与钟差。
4.根据权利要求3所述的一种用于低轨卫星监测GNSS的仿真模拟***，其特征在于，所述低轨卫星星载数据仿真单元、中高轨卫星地面数据仿真单元以及低轨卫星导航增强数据仿真单元，可根据***输入仿真生成标准数据，标准数据包括仿真卫星电文以及测距数据；其中仿真生成的观测量以二次项形式获取的高精度中高轨与低轨卫星钟差为基础，仿真播发的卫星电文以添加***误差和噪声后的轨道与钟差为基础。
5.根据权利要求1所述的一种用于低轨卫星监测GNSS的仿真模拟***，其特征在于，所述静态地面目标仿真单元可模拟多个高逼真地面静态目标，基于区域地图数据进行，可模拟的目标包括大面积静态网状轨迹，用于低轨和中高轨卫星的信号与信息监测。
6.根据权利要求1所述的一种用于低轨卫星监测GNSS的仿真模拟***，其特征在于，由数据实时流仿真单元实现实时仿真能力，用于测试低轨卫星实时监测中高轨GNSS卫星的方法与性能。
7.根据权利要求1所述的一种用于低轨卫星监测GNSS的仿真模拟***，其特征在于，所述测试管理单元用于人机交互以及低轨卫星监测中高轨GNSS卫星的性能分析，通过设置不同构型的低轨星座，实现对对应低轨星座监测性能的评价。
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