[發明專利]基于雙向通信協同定位輔助的單星定位方法

有效

• 申請號: 201610517247.X
• 申請日: 2016-07-04
• 公開（公告）號: CN106019346B
• 公開（公告）日: 2018-04-20
• 發明（設計）人: 唐成凱;廉保旺;岳哲;張怡;張玲玲
• 申請（專利權）人: 西北工業大學
• 主分類號: G01S19/46
• 分類號: G01S19/46
• 代理公司: 西北工業大學專利中心61204
• 代理人: 陳星

技術領域

本發明是一種用于單星定位系統的協同定位方法，特別涉及一種基于單星定位系統(Single satellite position system)的雙向通信協同定位(Bi-directional communication of co-location)輔助的定位方法。

背景技術

隨著人類空間探索的發展和延伸，在行星以及小行星上進行探測、開發是人類進入宇宙的必然階段。在行星上進行探測時需要對地面探測設備進行定位，但在行星上建立諸如北斗，GPS等衛星星座導航系統會因成本高昂且服務對象較少而無實際可行性。在這種衛星導航星座缺失環境下，單星定位系統由于成本低，單星即用，并且可以快速發射并部署為探測目標提供定位服務，從而在行星探測中很好的替代了星座型導航系統。但不同于星座型導航系統，單星定位系統由于缺少相互之間的測距約束量和地面基站校準導致單星定位系統的定軌精度較低，定位誤差較大。此外，為了盡可能的增大定位服務時間，單星定位系統采用大橢圓軌道，軌道遠點部分為定位目標提供定位服務，在軌道近點部分，導航衛星快速通過非服務區。但這種工作方式會進一步放大定位誤差。

目前主要的單星定位方法有基于衛星發射信號測頻的單星定位方法，基于測頻測距的單星定位方法，基于多普勒頻移的單星定位方法，基于測相測角的單星定位方法和基于徑向加速度的單星定位方法。其中，基于衛星發射信號測頻的單星定位方法利用衛星發射信號的測頻信息構建多個定位輻射面實現單星定位，但當輻射面增大時，定位誤差會快速增長。基于測頻測距的單星定位方法測頻基礎上增加測距信息構建多個定位曲線實現單星定位，但和基于衛星發射信號測頻的單星定位方法相同，隨著定位曲線的距離增長，定位誤差呈現指數性增長。多普勒頻移的單星定位方法利用多普勒頻移構建定位雙曲面實現單星定位，這需要定位衛星具有較高的移動速度，當衛星移動速度較小時，定位誤差較大并不適合大橢圓遠地點定位的單星定位系統。基于測相測角的單星定位方法利用衛星軌道和定位目標之間的測量角度構建多個定位錐面從而完成定位，但這對測角的精度要求非常高。基于徑向加速度的單星定位方法通過對定位目標構建動態模型并通過動態模型的徑向加速度完成單星定位，但該方法對動態模型的精確性要求較高，當動態模型的精確性較差時，定位誤差較大。

發明內容

針對行星探測中，單星定位系統由于定軌誤差較大導致探測目標定位誤差較大的問題，本發明設計了一種基于雙向通信協同定位輔助的單星定位方法，實現難度低，易于建立，能有效減小單星定位系統中地面探測器的定位誤差。主要包含單星定位模塊和協同定位模塊兩個部分。單星定位模塊位于衛星和地面探測器，主要完成地面探測器的單星定位解算以及地面探測器之間距離的求解。協同定位模塊位于地面探測器，主要完成地面探測器之間的協同定位。為了減小單星定位系統衛星定軌誤差所造成的定位誤差，本發明將地面探測器所得到的自身定位坐標發送到定位衛星，定位衛星根據所需定位的地面探測器自身定位坐標按照一定的距離限制條件確定協同定位的地面探測器，并通過衛星計算得到的地面探測器和協同地面探測器之間的距離信息建立權重系數，并通過該系數融合各個協同地面探測器的單星定位結果從而減小衛星定軌誤差對地面探測器定位誤差的影響，并提高定位精度。

本發明的技術方案為：

所述一種基于雙向通信協同定位輔助的單星定位方法，其特征在于：包括以下步驟：

步驟1：采用以下過程獲得每個地面探測器的初始坐標估計值：

對于第i個地面探測器，在三個不同時刻接收單星發射信號，并獲得三個不同時刻下單星的坐標，利用多普勒測頻儀獲得第i個地面探測器和單星之間，在第一時刻與第二時刻的偽距差，以及在第二時刻與第三時刻的偽距差；

根據得到的兩個偽距差以及第i個地面探測器的自身高度信息，結合三個不同時刻下單星的坐標，通過最小二乘法得到第i個地面探測器的初始坐標估計值并將該初始坐標估計值發送給單星；

步驟2：采用以下過程迭代更新每個地面探測器的坐標估計值：

對于第i個地面探測器，其坐標估計值更新公式為：

其中為第i個地面探測器在第k-1次迭代后的坐標估計值，為第i個地面探測器在第k次迭代后的坐標估計值，n為與第i個地面探測器直線距離不大于設定閾值的地面探測器個數，為第k-1次迭代后n個地面探測器中的第j個地面探測器到所述第i個地面探測器的融合系數，融合系數與對應兩個地面探測器間的直線距離負相關；為n個地面探測器中的第j個地面探測器對所述第i個地面探測器的估計坐標：