转发式卫星导航定位系统中的虚拟星座方法

摘要

一种转发式卫星导航定位系统中的虚拟星座方法，涉及空间技术，该方法中，使用数颗卫星，将用户与卫星之间的连线分别延长，延长的距离为导航主控站分别到各颗卫星之间的距离，将延长后的端点看作是导航主控站在天空中的镜像。对于用户来说，信号好像是直接从这些虚拟卫星上发射出来的，把这些导航主控站在空间的镜像看作为“虚拟卫星”，由这些虚拟卫星组成的星座为“虚拟星座”。本发明方法解决了转发式卫星导航的时间度量与空间定位基准的重合与统一问题。

说明书

技术领域

本发明涉及空间技术领域，特别是一种转发式卫星导航定位系统中的虚拟星座方法。

背景技术

在转发式卫星导航定位系统(专利申请号为200410046064.1)中，将高精度原子钟从星上移置到地面，从而可以利用现有的通信卫星作为导航星，具有投资少、研制周期短、高精度原子钟在地面易于维护、更换、修理等长处。而且从整个系统考虑，可以方便地换星、换频、换码、甚至采用信号寄生的办法，提高系统抗干扰、防摧毁能力。但作为时间度量的基准的高精度原子钟与作为位置测量基准的空间卫星不统一，成为一个需要亟待解决的新问题。

发明内容

本发明的目的是，用转发式卫星导航定位系统中的虚拟星座方法，解决卫星时间度量基准与卫星定位的空间位置基准不统一的问题。

为达到上述目的，本发明的技术解决方案是提供一种转发式卫星导航定位系统中的虚拟星座方法，该方法中，使用数颗卫星，其虚拟卫星，是把在地面发射信号讯息的导航主控站移位到空间，彷佛一颗虚拟卫星在空间该位置发射信号讯息，使卫星时间度量基准与卫星定位的空间位置基准相重合；包括步骤：

S1、以用户所在位置为起点，将用户与一颗卫星之间的连线向空间延长；

S2、延长的距离为：以导航主控站所在位置为起点，到该卫星之间的距离；

S3、延长后的端点即是导航主控站在天空中的镜像，把导航主控站在空间的镜像定为“虚拟卫星”，对于用户来说，信号好像是直接从这一颗虚拟卫星上发射出来的；

S4、数颗虚拟卫星组成虚拟星座，对每一颗虚拟卫星，重复S1、S2、S3步骤，即完成了虚拟星座方法。

所述的虚拟星座方法，其所述数颗虚拟卫星，至少为四颗。

所述的虚拟星座方法，其使用虚拟星座的转发器卫星导航量测模型为：

$>>>\rho >i>>=>>>>(>>x>u>>->>x>>s>i>>>)>>2>>+>>>(>>y>u>>->>y>>s>i>>>)>>2>>+>>>(>>z>u>>->>z>>s>i>>>)>>2>\; >+>>ct>u>>+>B>>>$

其中，ρ_i为伪距，由观测得到，是已知量；(x_s，y_s，z_s)为卫星位置坐标，c为光速，B是已知量；(x_u，y_u，z_u)为用户位置坐标，t_u为用户时钟偏差，是未知量；在同时观测4颗卫星时，用标准的GPS导航算法求解未知量。

本发明方法很好的解决了转发式卫星导航的时间度量与空间定位基准的重合与统一问题。

附图说明

图1为本发明转发式卫星导航定位系统示意图；

图2为本发明转发式卫星导航定位系统中的虚拟星座方法示意图。

具体实施方式

本发明针对“作为时间度量的基准的高精度原子钟与作为位置测量基准的空间卫星不统一”的问题，提出了一种把地面导航信号发射虚拟移置到空间去的理念，效果相当于导航信号直接从空间虚拟卫星上发射一样，称为虚拟星座概念。但这时导航信号就不是从空间卫星直接发射了，而是由地面控制站发射，即把地面导航信号发射站虚拟移置到空间中去的一种方法，称为虚拟星座方法，从而解决了转发式卫星导航的时间度量与空间定位基准的重合与统一问题。

虚拟星座模型

如图1所示，使用转发式卫星导航进行导航定位，要从地面的导航主控站C向卫星S发送测距信号和导航电文，经同步通信卫星S转发，向用户U发送测距信号和导航电文。使用四颗卫星S₁、S₂、S₃和S₄就可实现导航定位。

如果将用户U与卫星S之间的连线分别延长，延长的距离为导航主控站C分别到各颗卫星S之间的距离，如图2所示，那么可以把延长后的端点(S₁’、S₂’、S₃’和S₄’)看作是导航主控站C在天空中的镜像，也可以把这些导航主控站C在空间的镜像看作为“虚拟卫星S’”，因为对于用户来说，信号好像是直接从这些虚拟卫星S’上发射出来的一样，只不过这些虚拟卫星S₁’位于距离地球约7万多公里处，因为同步通信卫星S距离地球约3万6千多公里。这样可以把由这些虚拟卫星S’组成的星座称为“虚拟星座”。

虚拟星座的导航量测方程

设导航主控站C位置坐标为(x_c，y_c，z_c)，为已知量；卫星S位置坐标为(x_s，y_s，z_s)，为已知量；虚拟卫星S’位置坐标为(x_s’，y_s’，z_s’)；用户U位置坐标为(x_u，y_u，z_u)，用户时钟偏差为t_u，t_s为卫星转发器时延，为已知量；t_iono和t_trop分别为下行信号电离层时延和对流层时延，为已知量；t’_iono和t’_trop分别为上行信号电离层时延和对流层时延，为已知量。其中，用户位置坐标和用户时钟偏差为未知量，则伪距方程为：

$>>>\rho >i>>=>>>>(>>x>u>>->>xsup>>s>i>\prime sup>>>)>>2>>+>>>(>>y>u>>->>ysup>>s>i>\prime sup>>>)>>2>>+>>>(>>z>u>>->>zsup>>s>i>\prime sup>>>)>>2>\; >+>c>>(>>t>>s>i>>>+>>t>u>>+>>t>iono>>+sup>>t>iono>\prime sup>>+>>t>trop>>+sup>>t>trop>\prime sup>>)>>->->->>(>1>)>>>>$

其中的下标i表示第i颗卫星；c为光速。此外，由于S_i’S_i+S_iU＝S_i’U，S_i’S_i＝S_iC，可得

                        S_iC+S_iU＝S_i’U

即

$>>>>>(>>x>u>>->>xsup>>s>i>\prime sup>>>)>>2>>+>>>(>>y>u>>->>ysup>>s>i>\prime sup>>>)>>2>>+>>>(>>z>u>>->>zsup>>s>i>\prime sup>>>)>>2>\; >=>>>>(>>x>u>>->>x>>s>i>>>)>>2>>+>>>(>>y>u>>->>y>>s>i>>>)>>2>>+>>>(>>z>u>>->>z>>s>i>>>)>>2>\; >>>$

$>>+>>>>(>>x>c>>->>x>>s>i>>>)>>2>>+>>>(>>y>c>>->>y>>s>i>>>)>>2>>+>>>(>>z>c>>->>z>>s>i>>>)>>2>\; >->->->>(>2>)>>>>$

将式(2)代入式(1)得：

$>>>\rho >i>>=>>>>(>>x>u>>->>x>>s>i>>>)>>2>>+>>>(>>y>u>>->>y>>s>i>>>)>>2>>+>>>(>>z>u>>->>z>>s>i>>>)>>2>\; >>>$

$>>+>>>>(>>x>c>>->>x>>s>i>>>)>>2>>+>>>(>>y>c>>->>y>>s>i>>>)>>2>>+>>>(>>z>c>>->>z>>s>i>>>)>>2>\; >+>c>>(>>t>>s>i>>>+>>t>u>>+>>t>iono>>+sup>>t>iono>\prime sup>>+>>t>trop>>+sup>>t>trop>\prime sup>>)>>->->->>(>3>)>>>>$

令

$>>b>=>c>>(>>t>>s>i>>>+>>t>iono>>+sup>>t>iono>\prime sup>>+>>t>trop>>+sup>>t>trop>\prime sup>>)>>->->->>(>4>)>>>>$

和

$>>l>=>>>>(>>x>c>>->>x>>s>i>>>)>>2>>+>>>(>>y>c>>->>y>>s>i>>>)>>2>>+>>>(>>z>c>>->>z>>s>i>>>)>>2>\; >->->->>(>5>)>>>>$

则式(3)变为：

$>>>\rho >i>>=>>>>(>>x>u>>->>x>>s>i>>>)>>2>>+>>>(>>y>u>>->>y>>s>i>>>)>>2>>+>>>(>>z>u>>->>z>>s>i>>>)>>2>\; >+>>ct>u>>+>l>+>b>->->->>(>6>)>>>>$

若令

               B＝b+1                              (7)

则式(6)可表示为：

$>>>\rho >i>>=>>>>(>>x>u>>->>x>>s>i>>>)>>2>>+>>>(>>y>u>>->>y>>s>i>>>)>>2>>+>>>(>>z>u>>->>z>>s>i>>>)>>2>\; >+>>ct>u>>+>B>->->->>(>8>)>>>>$

式(8)就是使用虚拟星座的转发器卫星导航量测模型。其中用户位置坐标(x_u，y_u，z_u)和用户时钟偏差t_u为未知量；B是已知量，因为由式(7)可知B与b和1有关，而由式(4)和(5)可知b和1也都可以求出，因此B是已知量，所以式(8)可以使用标准的全球定位系统(GPS)导航算法来求解。若同时观测4颗卫星，就可以将未知量用户位置坐标(x_u，y_u，z_u)和用户时钟偏差t_u解出来。从时延度量角度来看，这个模型比较直观完整；从位置基准的角度来看，称为虚拟星座。

当然，其中转发器卫星S的位置仍然是最后实现导航起决定性作用的位置基准，因为在计算1时用到了转发器卫星S的位置。