專利名稱：：高精度導(dǎo)航衛(wèi)星歷書擬合技術(shù)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及衛(wèi)星導(dǎo)航、天體測(cè)量
技術(shù)領(lǐng)域：
，特別是全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)歷書擬合算法和相應(yīng)的衛(wèi)星位置算法。
背景技術(shù)：
：在GNSS(全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng))業(yè)界，衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)的快速捕獲、縮短接收機(jī)啟動(dòng)時(shí)間始終是被關(guān)注的熱點(diǎn)問題之一，這一點(diǎn)對(duì)軍事用戶尤為重要。衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)歷書信息在接收機(jī)信號(hào)捕獲的過程中起著十分重要的作用。以GPS系統(tǒng)為例，一方面，GPS信號(hào)是一個(gè)碼分多址信號(hào)，在沒有輔助信息的情況下，接收機(jī)對(duì)衛(wèi)星信號(hào)的搜索是一個(gè)"滿天搜星"的過程，即要搜索天空中的所有衛(wèi)星的偽隨機(jī)碼。如果預(yù)先知道任意時(shí)刻所有衛(wèi)星的概略位置，接收機(jī)就可以有的放矢地只復(fù)現(xiàn)當(dāng)前時(shí)刻天空中可視衛(wèi)星的偽隨機(jī)碼，并進(jìn)行搜索。如果能同時(shí)知道任意時(shí)刻星地的概略距離，則更能縮短碼信號(hào)搜索范圍，顯著地提高衛(wèi)星信號(hào)的鎖定速度；另一方面，GPS衛(wèi)星信號(hào)的搜索是一個(gè)二維搜索過程，不但要對(duì)衛(wèi)星進(jìn)行上述的碼搜索，還要通過頻域搜索確定該衛(wèi)星的Doppler頻移。通過歷書信息計(jì)算出衛(wèi)星的概略位置，繼而計(jì)算衛(wèi)星的概略對(duì)地速度，就可以估算出衛(wèi)星的概略Doppler頻移，以便快速捕獲衛(wèi)星信號(hào)。另外，精密測(cè)量用戶利用歷書來(lái)對(duì)某地某時(shí)(或某段時(shí)間)衛(wèi)星的可見性進(jìn)行預(yù)報(bào)，從而對(duì)觀測(cè)時(shí)間進(jìn)行合理的安排。這一點(diǎn)對(duì)于區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)用戶、或者處于過渡期間的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)用戶而言，是比較重要的。為了更好的說明本發(fā)明的用途，我們先簡(jiǎn)單說明一下歷書參數(shù)的定義。如下表[11:表1GPS導(dǎo)航衛(wèi)星歷書參數(shù)定義<table>tableseeoriginaldocumentpage4</column></row><table>因?yàn)闅v書對(duì)衛(wèi)星信號(hào)搜索有重要的作用，各衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)都對(duì)其歷書精度做出了具體的要求，以GPS為例正常業(yè)務(wù)階段，歷書星歷URE900米；短期業(yè)務(wù)擴(kuò)展階段，歷書星歷URE9003600米；長(zhǎng)期擴(kuò)展業(yè)務(wù)階段，歷書星歷URE360030000米[1。從公開的技術(shù)文獻(xiàn)來(lái)看，現(xiàn)役的GPS、GLONASS系統(tǒng)都沒有公開歷書擬合的具體算法，僅有參考文獻(xiàn)[2I對(duì)歷書擬合問題進(jìn)行了初步研究，并提出了一種基于廣播星歷參數(shù)算法擬合歷書的思想，本發(fā)明總結(jié)如下-1)正常歷書擬合方法已知一系列離散點(diǎn)的導(dǎo)航衛(wèi)星的地固坐標(biāo)和速度，可擬合出相應(yīng)的歷書參數(shù)。在歷書參數(shù)用戶算法中，計(jì)算衛(wèi)星位置需用到9個(gè)歷書參數(shù)，其中參考?xì)v元『ed,^是已知的，因此需要擬合的參數(shù)只有7個(gè)。相應(yīng)的待估狀態(tài)參數(shù)向量和觀測(cè)方程可寫為X-(VZ",e，Q(),Mo，6)r(1)Y=Y(X力(2)式中，X為參考?xì)v元時(shí)刻的歷書參數(shù)，Y為一個(gè)含附(附^7)個(gè)觀測(cè)量的觀測(cè)列向量，一個(gè)觀測(cè)量對(duì)應(yīng)衛(wèi)星的一個(gè)位置分量。設(shè)X,為未知參數(shù)X在第f次迭代的初值，將觀測(cè)方程(2)在所給初值處展開，并舍去二階和二階以上的小量后可得-〈3)Y=Y(X,,/)+~^^/I+!&++:^^2^Z爿&5Q式中，Y(X,力為用參考?xì)v元C時(shí)刻廣播星歷參數(shù)初值計(jì)算的衛(wèi)星位置，《VI),&…A5YaY3Y為觀測(cè)量對(duì)星歷參數(shù)的偏導(dǎo)數(shù)。令分別為相應(yīng)星歷參數(shù)的改正值，可得誤差方程:由最小二乘原理有-3VI、3e…戰(zhàn)，4(v^),&，…，4Hf5Y!、—U(VI)3ed。乂V-H汲，-L汲，-(HrH)—'H7L(4)(5)(6)(7〉(8)則第f次迭代后的星歷參數(shù)估值為X-X,+汲,(9)在實(shí)際計(jì)算時(shí)，所選用的迭代結(jié)束條件為-l認(rèn)S,—腺S,(10)其中，s是預(yù)先給定的任意小的正數(shù)，AA^,是第z'次迭代的殘差平方和(2)衛(wèi)星位置向量對(duì)歷書參數(shù)的偏導(dǎo)數(shù)衛(wèi)星位置對(duì)歷書參數(shù)的表達(dá)式為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula>(ID經(jīng)過簡(jiǎn)單的轉(zhuǎn)換可得<formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula><formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula>(19)<formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula>3)正常用戶算法表2由歷書計(jì)算衛(wèi)星位置的方法<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>利用該方法對(duì)衛(wèi)星軌道進(jìn)行歷書參數(shù)擬合，會(huì)出現(xiàn)下列問題擬合誤差過大，難以保證歷書擬合精度；計(jì)算量大；歷書擬合收斂速度慢或者不收斂，在迭代過程中出現(xiàn)"震蕩"現(xiàn)象；迭代擬合的結(jié)果往往不能最終收斂于最小擬合誤差。這些問題是上述擬合方法固有的問題(詳見
發(fā)明內(nèi)容)。
發(fā)明內(nèi)容為了克服上述歷書擬合算法擬合誤差大、計(jì)算量大、收斂速度慢、迭代計(jì)算不穩(wěn)定收斂的缺點(diǎn)，本發(fā)明提出了新的歷書擬合技術(shù)和相應(yīng)的衛(wèi)星位置算法，并且可根據(jù)實(shí)際情況的需要，增減一個(gè)擬合參數(shù)，保證擬合精度都優(yōu)于GPS歷書精度要求且相比較于上述歷書擬合算法，歷書擬合精度高、計(jì)算量少、迭代計(jì)算收斂快、收斂過程穩(wěn)定。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是1)8參數(shù)歷書擬合算法。在衛(wèi)星歷書擬合的過程中，采用各個(gè)歷元軌道根數(shù)求平均值或者以特定歷元的密切根數(shù)，固定歷書參數(shù)中的軌道半長(zhǎng)軸根數(shù)^、衛(wèi)星軌道傾角/、軌道偏心率e三個(gè)參數(shù)，大幅減少擬合參數(shù)和運(yùn)算量。系統(tǒng)只需廣播8個(gè)歷書參數(shù)-f&A、乙、V^、e、i、Q。、《。、M。，衛(wèi)星廣播的歷書參數(shù)可以減少一個(gè)。，可以節(jié)約導(dǎo)航衛(wèi)星寶貴的通信資源。其相應(yīng)的衛(wèi)星位置算法為根據(jù)衛(wèi)星廣播的歷書參數(shù)V^、e、i，和地球重力場(chǎng)J2項(xiàng)的一階分析解公式Q,--^^^wcos/^=^^24""(2-1sin2/)，"WGM/"3，""(l-e2)，解算升交點(diǎn)赤經(jīng)變化率Q,、近地點(diǎn)幅角變化率^，并Q,代替正常歷書衛(wèi)星位置算法中的。。并以^=w。-w,.(A〃2-^)修正計(jì)算歷元時(shí)刻的MEO衛(wèi)星軌道近地點(diǎn)幅角；以％=叫《A〃2-々)/2修正計(jì)算歷元時(shí)刻的GEO/IGSO衛(wèi)星軌道近地點(diǎn)幅角，以補(bǔ)償歷書擬合的沿跡方向誤差(A/為歷書擬合的時(shí)間跨度，^為計(jì)算衛(wèi)星位置的歷元時(shí)刻)。2)9參數(shù)歷書擬合算法。導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)廣播9個(gè)參數(shù)Week，r。。、V^、e、i、Q。、w。、M。、Kl。前8個(gè)參數(shù)擬合方法與上述8參數(shù)歷書擬合算法相同。第9個(gè)歷書參數(shù)j^的擬合方法為&=(r_&r-T—五AT。)/"/a，T—^r，71—^&r。分別為擬合歷書的最后一個(gè)歷元、第一個(gè)歷元對(duì)應(yīng)沿跡方向誤差。"為歷書擬合弧段的時(shí)間跨度。為了以實(shí)例說明本發(fā)明的改進(jìn)效果，本發(fā)明進(jìn)行了多組擬合實(shí)驗(yàn)。采用的軌道包括模擬的中高軌衛(wèi)星軌道和IGS實(shí)際軌道數(shù)據(jù)。模擬數(shù)據(jù)為采用EGM9612X12階重力場(chǎng)模型，曰、月第三體攝動(dòng)模型，球形光壓攝動(dòng)模型生成各類衛(wèi)星軌道。實(shí)測(cè)的IGS精密軌道數(shù)據(jù)為IGS2003-07-162003-07-31的精密軌道。在統(tǒng)計(jì)歷書擬合精度時(shí)，對(duì)MEO和GEO/IGSO衛(wèi)星，分別采用的URE計(jì)算公式為4=<+0.01741(o"72+cr"M￡0(22)a^朋=0.96o^+0.04(ct72+<)，//GSO(7,0>，(^分別為由歷書參數(shù)反算的衛(wèi)星位置在徑向、切向、法向的誤差。表3模擬衛(wèi)星的初始軌道狀態(tài)<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>采用上述14天的模擬軌道和實(shí)際軌道作為源軌道，利用正常算法和改進(jìn)算法分別擬合歷書參數(shù)，并利用歷書參數(shù)反算軌道，統(tǒng)計(jì)源軌道與反算軌道在14天中的平均位置誤差和URE誤差。詳細(xì)的歷書擬合誤差分布參加說明書附圖(圖l(a-c)分別為三種歷書方法擬合ME01衛(wèi)星軌道的精度，圖l.a正常算法擬合衛(wèi)星歷書精度，圖1.b8參數(shù)改進(jìn)算法擬合衛(wèi)星歷書精度，圖1.c9參數(shù)改進(jìn)算法擬合衛(wèi)星歷書精度；圖2(ac)分別為三種歷書方法擬合IGSO衛(wèi)星軌道的精度，圖2.a正常算法擬合衛(wèi)星歷書精度，圖2.b8參數(shù)改進(jìn)算法擬合衛(wèi)星歷書精度，圖2.c9參數(shù)改進(jìn)算法擬合衛(wèi)星歷書精度)。表4正常算法與改進(jìn)算法擬合"R星歷書精度比較(單位米)<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>注帶'的表示模擬軌道，不帶'的表示實(shí)際的IGS衛(wèi)星軌道本發(fā)明采用改進(jìn)算法，固定某些歷書參數(shù)，擬合MEO導(dǎo)航衛(wèi)星軌道，可以提高歷書擬合精度、減少計(jì)算量、提高收斂速度。正常算法擬合H天衛(wèi)星軌道的歷書位置精度在幾十公里，URE在幾公里的量級(jí)。采用新的8參數(shù)歷書參數(shù)擬合方法和用戶算法，雖然擬合參數(shù)少一個(gè)，但是擬合14天的MEO導(dǎo)航衛(wèi)星軌道數(shù)據(jù)，擬合的位置誤差在公里級(jí)，與位置相關(guān)的URE約1公里。采用新的9參數(shù)歷書擬合方法和用戶算法，擬合14天的MEO導(dǎo)航衛(wèi)星軌道，擬合的位置誤差在公里級(jí)，與位置相關(guān)的URE小于1公里，歷書參數(shù)擬合誤差在整個(gè)擬合區(qū)間分布更為均勻。新提出的兩種歷書位置參數(shù)擬合方法優(yōu)于現(xiàn)有的歷書擬合方法。本改進(jìn)算法同樣適用于GEO、IGSO導(dǎo)航衛(wèi)星的歷書擬合。由于8參數(shù)改進(jìn)算法需要表達(dá)歷書參數(shù)的信息較少，可以節(jié)約衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)寶貴的通信資源。如果用9參數(shù)改進(jìn)算法，則可以在不增加通信資源的情況下，顯著提高衛(wèi)星歷書的性能，尤其是MEO衛(wèi)星的歷書性能。具體實(shí)施方式1)8參數(shù)歷書擬合算法根據(jù)已知衛(wèi)星軌道的每個(gè)歷元的衛(wèi)星位置、速度，利用二體問題求解瞬時(shí)kepler軌道根數(shù)，對(duì)所有歷元a/e/i求平均值，并作為最終的歷書參數(shù)。其余3個(gè)歷書參數(shù)利用公式1)21)的正常擬合算法擬合。2)8參數(shù)歷書衛(wèi)星位置計(jì)算方法用戶采用本發(fā)明8參數(shù)歷書計(jì)算任意時(shí)刻衛(wèi)星位置，基本同公式表2，但是需要對(duì)不同歷元修正近地點(diǎn)角^:對(duì)MEO衛(wèi)星％=wQ—6v(A〃2—對(duì)GEO、IGSO衛(wèi)星<formula>formulaseeoriginaldocumentpage10</formula>(23)A/為歷書擬合弧段的時(shí)間跨度，歷書參數(shù)參考時(shí)間取擬合弧段開始時(shí)間。另外，其中根據(jù)參考文獻(xiàn)[3]中的一階分析解理論<formula>formulaseeoriginaldocumentpage10</formula>(24)<formula>formulaseeoriginaldocumentpage10</formula>(25)式中戶="(1-e2)，所對(duì)應(yīng)Kepler軌道根數(shù)為平根數(shù)。以Q,直接代替公式表2中的。。3)9參數(shù)歷書擬合算法在本發(fā)明8參數(shù)擬合算法確定『eeA:，7;。,fl,e,/，Q,w，M的基礎(chǔ)上，增加一個(gè)參數(shù)M，代替原歷書參數(shù)。。新歷書參數(shù)&的計(jì)算公式為，r—￡at。分別為擬合軌道最后一個(gè)歷元、第一個(gè)歷元對(duì)應(yīng)的歷書擬合沿跡方向誤差。A/為歷書擬合弧段的時(shí)間跨度。4)9參數(shù)歷書位置計(jì)算方法用戶采用本發(fā)明9參數(shù)新歷書計(jì)算任意時(shí)刻衛(wèi)星位置，先由歷書a/e/i參數(shù)根據(jù)公式(24、25)計(jì)算得到的w,、Q,，并將Q,賦值給。。根據(jù)A、&，對(duì)不同歷元的近地點(diǎn)幅角^和平近點(diǎn)角M,的值進(jìn)行修正<formula>formulaseeoriginaldocumentpage10</formula>M4=M0+"「&.(厶〃2-O(27)A/為歷書擬合弧段的時(shí)間跨度，歷書參數(shù)參考時(shí)間取擬合弧段開始時(shí)間。其它步驟同表2。參考文獻(xiàn)1、崔先強(qiáng)，焦文海，秦顯平，導(dǎo)航衛(wèi)星的歷書參數(shù)及其擬合算法，測(cè)繪科學(xué)技術(shù)學(xué)報(bào)，2006年2月2、NAVSTARGLOBALPOSITIONSYSTEMINTERFACESPECIFICATIONIS-GPS-200RevisionD，GPSJOINTPROGRAMOFFICE,7Dec20043、劉林，人造地球衛(wèi)星軌道力學(xué)，高等教育出版社，北京，1992年8月權(quán)利要求1.二套高精度導(dǎo)航衛(wèi)星歷書擬合方法，包括8參數(shù)歷書擬合方法及相應(yīng)的衛(wèi)星位置算法、9參數(shù)歷書擬合方法及相應(yīng)的衛(wèi)星位置計(jì)算方法。2、根據(jù)權(quán)利要求1的8參數(shù)歷書擬合算法，其特征在于在歷書參數(shù)擬合時(shí)采用歷元間平均軌道根數(shù)或者特定歷元對(duì)應(yīng)的密切軌道根數(shù)固定歷書參數(shù)中的軌道半長(zhǎng)軸根數(shù)V^、軌道偏心率e、軌道傾角i三個(gè)參數(shù)；其余3個(gè)參數(shù)-Q。、《。、M。采用最小二乘的正常方法進(jìn)行擬合。系統(tǒng)只需廣播8個(gè)歷書參數(shù)-^A，乙、W、e、i、Q。、w。、M。，比正常算法少一個(gè)。參數(shù)，可以節(jié)約寶貴的導(dǎo)航衛(wèi)星通信資源。3、根據(jù)權(quán)利要求l的8參數(shù)歷書擬合方法相應(yīng)衛(wèi)星位置算法，其特征在于-根據(jù)衛(wèi)星廣播的歷書參數(shù)中的W、e、i三個(gè)參數(shù)，和地球重力場(chǎng)J2項(xiàng)的一階分析解計(jì)算公式<formula>formulaseeoriginaldocumentpage2</formula>P=(l-e2;),解算升交點(diǎn)赤經(jīng)變化率Q,、近地點(diǎn)幅角變化率w,，并Q,代替正常歷書衛(wèi)星位置算法中的。。并以^=。-w，.(A//2-O修正計(jì)算歷元時(shí)刻的MEO衛(wèi)星軌道近地點(diǎn)幅角；并以％="。-6V(A〃2-"/2修正計(jì)算歷元時(shí)刻的GEO/IGSO衛(wèi)星軌道近地點(diǎn)幅角，以補(bǔ)償歷書擬合的沿跡方向誤差(Af為歷書擬合的時(shí)間跨度，"為計(jì)算衛(wèi)星位置的歷元時(shí)刻)。4、根據(jù)權(quán)利要求1的9參數(shù)歷書擬合算法，其特征在于在歷書參數(shù)擬合時(shí)采用歷元平均軌道根數(shù)或者特定歷元密切根數(shù)固定歷書參數(shù)中的軌道半長(zhǎng)軸根數(shù)V^、軌道偏心率e、軌道傾角i三個(gè)參數(shù)；其余3個(gè)參數(shù)Q。、"。、M。采用最小二乘的正常方法進(jìn)行擬合。系統(tǒng)廣播9個(gè)歷書參數(shù)『d，7;。、、/1、e、i、Q。、《。、M。、^。新歷書參數(shù)以M代替原來(lái)正常歷書參數(shù)。。&的計(jì)算方法為末歷元?dú)v書擬合的沿跡誤差減去首歷元?dú)v書擬合誤差，除以擬合時(shí)間跨度，再除以半長(zhǎng)軸a，即:tHr—^0)/她。5、根據(jù)權(quán)利要求1的9參數(shù)歷書擬合方法相應(yīng)的衛(wèi)星位置算法，其特征在于根據(jù)衛(wèi)星廣播的歷書參數(shù)W、e、i，和地球重力場(chǎng)J2項(xiàng)的一階分析解理論計(jì)算公式q=——J2"-^"cos/，q二一J2""I""(2——sin2/)，"=VGM/a3，j9=<3(l—e2)，解算升2;22交點(diǎn)赤經(jīng)變化率Q,、近地點(diǎn)幅角變化率^，并Q,代替正常歷書衛(wèi)星位置算法中的。。并以^=。-cv(A〃2-^)修正計(jì)算歷元時(shí)刻的衛(wèi)星軌道近地點(diǎn)幅角、以M「M。+"A-i(A〃2-")修正計(jì)算歷元的衛(wèi)星軌道平近點(diǎn)角，以補(bǔ)償歷書擬合的沿跡方向誤差(A為歷書擬合的時(shí)間跨度，w為衛(wèi)星平均運(yùn)動(dòng)角速率，^為計(jì)算衛(wèi)星位置的歷元時(shí)刻)。全文摘要本發(fā)明要解決現(xiàn)有導(dǎo)航衛(wèi)星歷書擬合算法精度差、計(jì)算量大、迭代計(jì)算不收斂或者收斂速度慢的問題。結(jié)合地球重力場(chǎng)J₂項(xiàng)分析解，提出了兩種高精度歷書擬合算法及相應(yīng)的用戶衛(wèi)星位置計(jì)算方法1)8參數(shù)歷書擬合方法，比常用方法擬合參數(shù)少一個(gè)，但是歷書擬合精度高、計(jì)算量少、迭代收斂快；2)在8參數(shù)方法的基礎(chǔ)上，提出了新的9參數(shù)擬合方法，在參數(shù)個(gè)數(shù)與常用方法相同的情況下，擬合14天衛(wèi)星軌道，能保證各類MEO導(dǎo)航衛(wèi)星URE歷書擬合精度在1公里以下。這兩種新歷書擬合方法性能顯著優(yōu)于現(xiàn)有的任何其它歷書擬合算法。文檔編號(hào)G01S5/00GK101241178SQ20071007905公開日2008年8月13日申請(qǐng)日期2007年2月9日優(yōu)先權(quán)日2007年2月9日發(fā)明者陳劉成申請(qǐng)人:陳劉成