一种基于动力学轨道外推的星载辅助gps方法及系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及卫星导航定位技术领域，尤其涉及一种基于动力学轨道外推的星载辅 助GPS方法及系统。
【背景技术】
[0002] 星载GPS接收机在定位时，需要对所有GPS卫星（目前为32颗）进行捕获搜索， 得到可见GPS卫星的PRN(PseudoRandomNoisecode，伪随机噪声码）号；对其中信号质 量较好的可见GPS卫星进行跟踪，基于至少4颗GPS卫星信号进行定位解算。在没有辅助 的情况下，星载GPS接收机捕获模块通常采用类似轮询的方法，依次对所有GPS卫星进行捕 获，得到可见GPS卫星；这需要花费较多的捕获搜索时间（对32颗GPS卫星捕获大约需要 几分钟时间），导致定位速度很慢。
[0003] 许多地面导航定位终端（智能手机、车载GPS等）通过AGPS(Assisted Global Positioning System，辅助全球卫星定位系统）定位技术解决了上述问题。地面AGPS技术 结合了GPS定位和移动基站定位的优势，借助移动网络的数据传输功能，可以达到很高的 定位精度和很快的定位速度。地面AGPS技术从定位启动到GPS接收机找到可用GPS卫星 的基本流程主要包括：设备从移动基站获取到当前所在的蜂窝小区位置；设备通过移动网 络将当前所在的蜂窝小区位置传送给网络中的AGPS位置服务器;AGPS位置服务器根据当 前小区位置查询该区域当前可用的卫星信息（包括卫星的频段、方位角、俯仰角等相关信 息），并返回给设备；GPS接收机根据得到的可用卫星信息，可以快速捕获当前可用的GPS卫 星。至此，GPS接收机已经可正常接收GPS信号，GPS初始化过程结束。但是，星载GPS接收 机工作于数百千米甚至更高的人造卫星轨道上，无法利用移动基站和移动网络。因此，地面 的AGPS技术无法应用于星载GPS接收机，搜索次数多、定位速度慢仍是星载GPS接收机需 要解决的一大问题。
[0004] 星载GPS接收机与地面GPS接收机相比，主要具有以下不同特点：
[0005] -、星载GPS接收机的可见GPS卫星分布与低轨卫星轨道高度和GPS卫星天线覆 盖角有关：随着轨道高度的增加，一方面，水平面以上可见GPS卫星数减少，另一方面，因地 球遮挡的天球锥体部分减小使得负接收仰角的GPS卫星数增加。总体上，星载GPS接收机 可见GPS卫星数目随着卫星轨道的增高而减少，这意味着在较高的低轨轨道上为找到至少 4颗可见GPS卫星需要更多的搜索次数，更多的捕获时间；
[0006] 二、低轨卫星处于高速运动状态，星载GPS接收机视野内可见GPS卫星的切换较 快，比地面GPS接收机更容易发生定位失锁。如果接收机发生短暂的定位中断，视野内可见 GPS卫星分布变化较大，接收机内保存的上一次定位结果不能直接用来预测当前可见GPS 卫星，只能以冷启动模式重新定位。因此，星载GPS接收机较少出现热启动、温启动，基本为 冷启动；
[0007] 三、星载GPS接收机在设计时，对整体的功耗有严格的要求，在不影响定位的前提 下，接收机所产生的功耗越少越好。为节省电源功耗，星载GPS接收机常常被设计为间歇工 作模式，以便于进行其他载荷任务。比如，加拿大发射的CanX-2卫星，其星载GPS接收机连 续工作时间不超过50分钟；德国的BIRD纳卫星考虑到功耗限制，当星载红外相机打开时， GPS接收机只能被关闭；美国的PCsat卫星的星载GPS接收机在大多数情况下必须关机，以 便于在轨通信遥感系统能够工作，常规情况下，该星载GPS接收机最大持续工作时间不超 过9分钟。
[0008] 由于星载GPS接收机的以上这些特点，减少捕获搜索时间已成为星载GPS接收机 一个亟待解决的问题。如何设计简单、有效、快速、高精度、研发费用低的星载GPS接收机捕 获辅助系统，解决盲搜方法存在的耗时问题，提高导航定位系统的动态性能和快速定位能 力，在有限的开机运行时间内，进行尽可能多的GPS定位测量，是星载GPS接收机设计的新 的技术挑战。
【发明内容】
[0009] 本发明的目的在于，针对现有技术中星载GPS接收机捕获搜索次数较多、时间较 长、定位速度较慢的技术问题，提供一种基于动力学轨道外推的星载辅助GPS方法及系统， 以低轨卫星轨道运动规律为辅助信息，实现减少星载GPS接收机的捕获搜索次数、提高定 位速度。
[0010] 为实现上述目的，本发明提供了一种基于动力学轨道外推的星载辅助GPS方法， 包括如下步骤：（1)根据低轨卫星动力学模型和J2000. 0坐标系下星载GPS接收机最近一 次定位结果进行轨道位置外推，获取星载GPS接收机的外推位置并转换到ECEF坐标系；（2) 根据有效GPS历书计算获取ECEF坐标系下所有GPS卫星的位置；（3)计算同一历元时刻所 有GPS卫星对星载GPS接收机的俯仰角，判断每一GPS卫星对星载GPS接收机是否可见，并 按照可见性概率对所有GPS卫星进行排序，获取排序过的GPS卫星PRN号列表；（4)根据所 述GPS卫星PRN号列表对星载GPS接收机的捕获通道进行GPS卫星优先配置。
[0011] 为实现上述目的，本发明还提供了一种基于动力学轨道外推的星载辅助GPS系 统，包括：动力学轨道外推模块、GPS卫星位置计算模块、可见GPS卫星计算模块以及捕获通 道配置模块；所述动力学轨道外推模块，用于根据低轨卫星动力学模型和J2000. 0坐标系 下星载GPS接收机最近一次定位结果进行轨道位置外推，获取星载GPS接收机的外推位置 并转换到ECEF坐标系；所述GPS卫星位置计算模块，用于根据有效GPS历书计算获取ECEF 坐标系下所有GPS卫星的位置；所述可见GPS卫星计算模块分别与所述动力学轨道外推模 块以及GPS卫星位置计算模块相连，用于计算同一历元时刻所有GPS卫星对星载GPS接收 机的俯仰角，判断每一GPS卫星对星载GPS接收机是否可见，并按照可见性概率对所有GPS 卫星进行排序，获取排序过的GPS卫星PRN号列表；所述捕获通道配置模块与所述可见GPS 卫星计算模块相连，用于根据所述GPS卫星PRN号列表对星载GPS接收机的捕获通道进行 可见GPS卫星优先配置。
[0012] 本发明的优点在于：
[0013] 1)、通过预测一段时间内的可见GPS卫星，优先将可见概率大的GPS卫星配置给星 载GPS接收机的捕获通道，实时对视野内可见GPS卫星的捕获跟踪进行切换，可以减少接收 机捕获搜索次数，有效地减少定位时间，尤其能大大缩短冷启动模式下星载GPS接收机的 首次定位时间以及较高低轨卫星轨道上GPS接收机的搜索时间；
[0014] 2)、在计算可见GPS卫星时，充分考虑星载环境的特点，根据低轨卫星轨道高度和 GPS卫星天线覆盖范围，提出适合星载GPS接收机的可见GPS卫星判据，相比地面接收机视 俯仰角大于5度或10度的GPS卫星为可见，本发明能更有效准确地预测星载GPS接收机视 野内的可见GPS卫星；
[0015] 3)、俯仰角的计算不仅可用于判断可见GPS卫星。当视野内可见GPS卫星数目较 多时，根据俯仰角和方位角简单地选择几何分布较好的可见GPS卫星组合，可以提高接收 机的定位精度；除俯仰角为正的GPS卫星用于定位计算、轨道确定外，俯仰角为负的GPS卫 星可用于掩星探测，适用于大气反演等对地测量任务的卫星；
[0016] 4)、由于冷启动时间缩短，可在不需要星载GPS接收机工作时关闭接收机；当需 GPS定位时，打开接收机，快速恢复GPS定位，减少星载GPS接收机的整体功耗；
[0017] 5)、以软件形式实现系统设计和功能，不需要额外的硬件设计，节省开发成本，缩 短设计周期，简化调试工作。
【附图说明】
[0018] 图1，本发明所述的基于动力学轨道外推的星载辅助GPS方法的流程图；
[0019] 图2,本发明所述的星载GPS接收机的捕获通道配置流程示意图；
[0020] 图3,本发明所述的基于动力学轨道外推的星载辅助GPS系统的架构示意图；
[0021] 图4,本发明所述基于动力学轨道外推的星载辅助GPS方法一实施例的处理流程 图；
[0022] 图5,单颗GPS卫星对星载GPS接收机的空间覆盖特点示意图；