一种低轨卫星多普勒定位方法及装置

本发明属于卫星导航定位，尤其涉及一种低轨卫星多普勒定位方法及装置。

背景技术：

1、利用低轨卫星进行导航增强或独立提供导航服务是建设更加融合、泛在的综合pnt（positing navigating timing,定位导航授时）体系的关键技术之一。利用目前数量众多的低轨通信卫星或者低轨导航卫星进行多普勒定位，可有效补充gnss拒止情况下的定位导航需求。在卫星多普勒定位算法方面，迭代最小二乘和扩展卡尔曼滤波（extendedkalman filter, ekf）常被应用于导航系统的状态估计问题中。但是对于低轨卫星多普勒定位来说，其观测方程非线性程度很高，在几何上表现为复杂的曲面。高度的非线性通常会引起方程求解过程的不适定问题。最新的研究发现，低轨卫星多普勒定位对先验初始位置敏感，使用迭代最小二乘方法时，初始位置误差大于200km时便存在解算失败情况，无法实时输出解算结果。在使用ekf方法时，先验初始位置差越大，低轨卫星多普勒定速误差也越大。因此，对于低轨卫星多普勒定位系统，需要对现有方法进行改进，以应对gnss拒止、先验初始位置未知情况下的定位需求。

技术实现思路

1、针对上述技术问题，本发明提出一种低轨卫星多普勒定位方案。

2、本发明第一方面公开一种低轨卫星多普勒定位方法，所述方法包括：

3、步骤s1、根据待定位载体的可见卫星，获取同一时刻可见卫星的卫星星历信息以及卫星频点对应的多普勒观测量；

4、步骤s2、利用所述卫星星历信息，结合迭代矩阵特征值，来计算阻尼项；

5、步骤s3、基于所述卫星星历信息和所述多普勒观测量，结合所述阻尼项，确定所述待定位载体的位置、速度和时钟漂移量，作为初始状态向量；

6、步骤s4、根据所述初始状态向量，利用所述可见卫星与所述待定位载体之间的视距夹角、所述卫星星历信息中包含的可见卫星速度，对所述多普勒观测量进行加权滤波，以计算所述待定位载体的精确定位和定速结果。

7、根据本发明第一方面的方法：

8、所述卫星星历信息指用于解算可见卫星在地心地固坐标系下的位置坐标和三维速度的协议文件；

9、所述可见卫星指标称频率一致的低轨通信卫星或低轨导航卫星。

10、根据本发明第一方面的方法，在所述步骤s1中：

11、根据所述待定位载体的可见卫星获取时刻颗可见卫星的卫星星历信息以及卫星频点对应的多普勒观测量；

12、其中，所述待定位载体处于静止状态时，≥4；所述待定位载体处于运动状态时，≥7。

13、根据本发明第一方面的方法，在所述步骤s2中：

14、在初始时刻，构建多普勒观测方程：

15、

16、其中，为卫星信号标称载波频率；为真空中光速；为第颗卫星的多普勒观测量；为所述待定位载体的状态向量；为第颗卫星的三维位置向量，，分别对应、、方向上的位置向量；为第颗卫星的三维速度向量，，分别对应、、方向上的速度向量；为颗卫星的观测噪声；、、为选择矩阵，表达式分别为：

17、

18、

19、

20、待定位载体的状态向量表示为，分别为所述待定位载体在地心地固坐标系下的三维位置坐标和三维速度坐标，、、分别对应、、方向；为所述待定位载体的时钟漂移量；所述迭代矩阵为7×7的对称方阵，计算公式为：

21、

22、其中，表示第次迭代中的迭代矩阵；表示第次迭代中的观测方程的雅可比矩阵，其矩阵大小为×7，表达式为：

23、

24、其中，为第次迭代中计算的所述待定位载体的状态量；

25、所述阻尼项的计算公式为：

26、

27、其中，为第次迭代中的阻尼项，i为7×7的单位矩阵；为迭代矩阵的最大特征值；为迭代矩阵的最小特征值；为条件数系数，计算公式为：

28、。

29、根据本发明第一方面的方法，在所述步骤s3中：

30、构造多普勒观测方程的线性化方程组：

31、

32、其中，为第颗卫星的线性化多普勒观测量；为第颗卫星在第次迭代计算中的多普勒观测量，为第颗卫星的多普勒观测量在第次迭代计算中待定位载体的状态量处的偏导值，其计算公式为：

33、

34、其中：

35、

36、其中，为第次迭代计算中待定位载体的位置坐标，，分别对应、、方向上的位置坐标，为第次迭代计算中待定位载体的三维速度，，分别对应、、方向上的速度；为第次迭代计算中待定位载体的时钟漂移量；为方向余弦，，为速度余弦，；

37、计算第次迭代中的观测方程的雅可比矩阵，并计算迭代矩阵；根据迭代矩阵以及条件数系数c计算阻尼项；根据第次迭代计算中待定位载体的状态量，计算得到第+1次迭代计算中待定位载体的状态量：

38、

39、其中，为多普勒观测矩阵，为计算得到的状态矩阵；判断解算状态残差值是否小于初始设定的迭代终止条件；若是，则输出解算结果；若否，则继续迭代；所述状态残差值的计算方式为：；迭代终止条件<0.0001。

40、根据本发明第一方面的方法，在所述步骤s4中：

41、所述初始状态向量为解算结果，所述加权滤波为扩展卡尔曼滤波，其状态方程为：

42、

43、其中，为第时刻所述待定位载体的预测状态向量；为第-1时刻所述待定位载体的估计状态向量；为状态转移矩阵，矩阵大小为7×7；为过程噪声；-1=0时，；所述扩展卡尔曼滤波的观测方程多普勒观测方程；第时刻所述扩展卡尔曼滤波的观测权值矩阵为：

44、

45、其中，，为第颗卫星的视距夹角，为第时刻观测的卫星数；的计算公式为：

46、

47、其中，为第-1时刻扩展卡尔曼滤波估计出的待定位载体的位置坐标，利用扩展卡尔曼滤波结合初始状态向量、多普勒观测量、卫星星历信息、观测权值矩阵，递推出第时刻待定位载体的估计状态向量，包括所述待定位载体的精确位置、精确三维速度以及精确时钟漂移量的信息。

48、根据本发明第一方面的方法，所述待定位载体为低轨卫星接收机或者观测站。

49、本发明第二方面公开一种低轨卫星多普勒定位装置，所述装置包括处理模块，所述处理模块被配置为执行：

50、步骤s1、根据待定位载体的可见卫星，获取同一时刻可见卫星的卫星星历信息以及卫星频点对应的多普勒观测量；

51、步骤s2、利用所述卫星星历信息，结合迭代矩阵特征值，来计算阻尼项；

52、步骤s3、基于所述卫星星历信息和所述多普勒观测量，结合所述阻尼项，确定所述待定位载体的位置、速度和时钟漂移量，作为初始状态向量；

53、步骤s4、根据所述初始状态向量，利用所述可见卫星与所述待定位载体之间的视距夹角、所述卫星星历信息中包含的可见卫星速度，对所述多普勒观测量进行加权滤波，以计算所述待定位载体的精确定位和定速结果。

54、本发明第三方面公开一种电子设备。所述电子设备包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时，实现本公开第一方面所述的一种低轨卫星多普勒定位方法。

55、本发明第四方面公开一种计算机可读存储介质。所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，实现本公开第一方面所述的一种低轨卫星多普勒定位方法。

56、本发明带来的有益技术效果包括：（1）通过本发明的阻尼项构造方案，可以在初始误差过大的情况下限制定位算法发散。（2）通过本发明的迭代估计待定位载体的初始状态量方案，可以快速估计出待定位载体的初始位置、速度。（3）通过本发明的卫星速度和视距加权并正向滤波的定位求解方案，状态向量可以快速收敛，并能同时估计待定位载体的位置坐标、三维速度以及时钟漂移量。（4）通过本发明的方法，可以明显提升卫星多普勒定位系统的适用性和定位性能。（5）通过本发明的方法，可以广泛应用于低轨卫星接收机和测站。