[發明專利]一種基于位置指紋的衛星集群分級定位方法

有效

• 申請號: 202010014588.1
• 申請日: 2020-01-07
• 公開（公告）號: CN111239777B
• 公開（公告）日: 2023-07-25
• 發明（設計）人: 馬琳;黃鵬飛;譚學治;王孝
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學
• 主分類號: G01S19/25
• 分類號: G01S19/25;G06F17/16
• 代理公司: 哈爾濱奧博專利代理事務所(普通合伙) 23220
• 代理人: 葉以方

1.一種基于位置指紋的衛星集群分級定位方法，其特征在于：所述方法分為三個階段：構建坐標系階段、離線階段和在線階段；在構建坐標系階段建立LVLH坐標系和基準星本體坐標系；在離線階段，由地面計算出稀疏Radio?Map，并儲存在成員星中；在線階段分為三個子階段：成員星粗定位階段、指紋庫在線計算階段和成員星精定位階段；在成員星粗定位階段，成員星根據當前時刻和稀疏Radio?Map選取最近時刻的RSS矩陣，并結合實時獲取到的RSS向量進行粗定位；在指紋庫在線計算階段，成員星根據粗定位結果計算稠密Radio?Map；在成員星精定位階段，成員星根據實時獲取到的RSS向量和計算出的稠密Radio?Map進行精定位，得到成員星的最終估計位置；

所述離線階段具體步驟為：

步驟1、在LVLH坐標系下確定邊長為l₀的粗定位區域，并將其均勻劃分為n個邊長為l₁的網格，將每個邊長為l₁的網格的中心位置作為粗定位區域的參考點，得到參考點位置向量L：

其中，(x_j,y_j,z_j)，j＝1,2,3…n為粗定位區域中第j個參考點在LVLH坐標系下的坐標；

步驟2、將基準星的運動周期T以間隔ΔT劃分為m個時間段，每個時間段的中心時刻為：

T₁,T₂,…,T_m??????(2)

根據基準星運動方程獲取T_i,i＝1,2,…m時刻4個基準星位置向量：

步驟3、通過預先設置的參數獲取第k個基準星，k＝1,2,3,4，在T_i時刻的發射功率第k個基準星在LVLH坐標系下的坐標為(x_k(T_i),y_k(T_i),z_k(T_i))，第k個基準星本體坐標系相對于LVLH坐標系旋轉角度為θ_k(T_i)，ψ_k(T_i)分別為三個坐標軸相應的旋轉角度；

計算在T_i時刻粗定位區域內第j個參考點相對于第k個基準星的位置：

步驟4、計算在T_i時刻LVLH坐標系變換到第k個基準星本體坐標系的旋轉矩陣：

其中，

步驟5、計算第j個參考點在T_i時刻第k個基準星本體坐標系下的直角坐標：

為了使用天線方向圖計算傳輸損耗，需要將直角坐標變換為球坐標，從直角坐標到球坐標的變換公式為：

于是，第j個參考點在T_i時刻第k個基準星本體坐標系下的球坐標表示為：

其中，r_k(T_i)是第j個參考點在T_i時刻與第k個基準星之間的距離；θ_G,k(T_i)為第j個參考點在T_i時刻相對于第k個基準星的天頂角；為第j個參考點在T_i時刻相對于第k個基準星的方位角；

步驟6、根據球坐標計算在T_i時刻天線增益：

其中，G_max為發射天線最大增益，為天線方向性函數，f_max是天線方向性函數最大值；

計算基準星發射的信號到達成員星的傳輸損耗：

其中，f是天線發射頻率，G_R是成員星接收天線增益；

于是，T_i時刻在第j個參考點處接收到第k個基準星的接收信號強度RSS為：

步驟7、重復步驟1至步驟6可得到T_i時刻在所有參考點處接收到4個基準星的RSS，構成如下T_i時刻RSS矩陣：

其中，為T_i時刻在第j個參考點處接收到4個基準星的RSS構成的向量；

步驟8、重復步驟1至步驟7可得到T₁,T₂,…,T_m時刻的RSS矩陣：

R₁,R₂,…,R_m(16)

于是得到稀疏RadioMap：

M＝[L?R₁?R₂?…?R_m]?(17)

稀疏RadioMap由地面提前計算好并存儲至每一個成員星中，成員星進行定位時調用；

所述成員星粗定位階段具體為：

成員星獲取當前時刻接收到的4個基準星的RSS：

根據衛星時鐘獲取當前時刻t，并在時刻T₁,T₂,…,T_m中選擇與當前時刻t最接近的時刻T_*，根據式(17)得到T_*時刻的稀疏Radio?Map：

將成員星在線獲得的RSS與T_*時刻的稀疏Radio?Map中的RSS進行匹配，根據kNN算法獲得成員星的粗定位結果為:

所述指紋庫在線計算階段和成員星精定位階段具體為：

根據成員星粗定位結果確定成員星精定位區域：以成員星粗定位結果為中心，確定邊長為l₂的正方體區域作為成員星精定位區域；

將精定位區域按照均勻劃分為w個邊長為l₃的網格，將每個邊長為l₃的網格的中心位置作為精定位區域的參考點；

得到精定位區域參考點位置向量：

根據基準星運行參數得到當前時刻4個基準星的發射功率、在LVLH坐標系下的坐標以及基準星本體坐標系相對于LVLH坐標系旋轉角度，從而計算精定位區域在該當前時刻的RSS矩陣：

因此，稠密Radio?Map表示為：

將成員星在線獲得的RSS向量與當前時刻的稠密Radio?Map中的每個參考點的RSS進行匹配，根據最近鄰算法獲得成員星的精定位結果為：

2.根據權利要求1所述的方法，其特征在于：所述構建坐標系階段具體為：

在衛星集群中基準星的數量為4，其余衛星為成員星，基準星成對進行繞飛，繞飛的中心稱為“中心星”，中心星為一虛擬的點，實際上并不是衛星；成員星則在基準星附近進行伴飛；

LVLH坐標系原點O_L位于衛星集群中的“中心星”，坐標軸之間滿足右手定則；O_LX_L軸方向為中心星運動的切線方向，O_LY_L軸由中心星指向地球質心，O_LZ_L軸垂直于X_LY_L平面；

基準星本體坐標系原點O_B位于基準星的質心，坐標軸方向與基準星姿態有關；O_BX_B軸為天線方向圖0度方向，O_BY_B軸為天線方向圖90度方向，O_BZ_B軸垂直于X_BY_B平面，O_BX_B軸和O_BY_B軸滿足右手定則；并且需要對4個基準星都建立對應的基準星本體坐標系。