應(yīng)用先驗數(shù)據(jù)的高分三號衛(wèi)星快速定位方法

劉久利 周波 劉杰 涂蘭芬 劉迎娜

(1北京空間飛行器總體設(shè)計部,北京 100094)(2航天恒星科技有限公司,北京 100095)

應(yīng)用先驗數(shù)據(jù)的高分三號衛(wèi)星快速定位方法

劉久利1周波1劉杰1涂蘭芬1劉迎娜2

(1北京空間飛行器總體設(shè)計部,北京 100094)(2航天恒星科技有限公司,北京 100095)

針對高分三號(GF-3)衛(wèi)星多種姿態(tài)下快速定位的需求,提出一種應(yīng)用先驗數(shù)據(jù)的衛(wèi)星快速定位方法。該方法以GF-3衛(wèi)星的定位數(shù)據(jù)和姿態(tài)數(shù)據(jù)為輔助信息,計算導航衛(wèi)星的仰角,實時判斷導航衛(wèi)星對GF-3衛(wèi)星導航接收機的可見性,從而減少捕獲時間,實現(xiàn)快速定位。GF-3衛(wèi)星的在軌驗證結(jié)果表明:應(yīng)用先驗數(shù)據(jù)的衛(wèi)星快速定位方法,定位時間為115 s,短于其他低軌衛(wèi)星的855 s,從而驗證了方法的正確性。文章提出的方法可應(yīng)用于其他低軌遙感衛(wèi)星。

衛(wèi)星快速定位;可見導航衛(wèi)星預(yù)測;定位時間;定位數(shù)據(jù);姿態(tài)數(shù)據(jù)

1 引言

高分三號(GF-3)衛(wèi)星是1顆C頻段多極化合成孔徑雷達(SAR)成像衛(wèi)星。它在軌運行時存在4種飛行狀態(tài)(分別為變軌狀態(tài)、正視飛行狀態(tài)、右側(cè)視飛行狀態(tài)、左側(cè)視飛行狀態(tài)),如果采用衛(wèi)星導航接收機常規(guī)的盲捕方法[1-3]對所有的導航衛(wèi)星進行搜索捕獲,將導致導航接收機定位時間長,不能滿足整星多種姿態(tài)下的快速定位需求。為此,需要設(shè)計一種適用于GF-3衛(wèi)星的快速定位方法。

目前,在快速定位方面,地面導航接收機根據(jù)自己的概略位置(通常使用導航接收機上一次定位位置)和導航有效歷書,粗略預(yù)測視野內(nèi)可見導航衛(wèi)星并優(yōu)先搜索捕獲,減少定位過程中對不可見導航衛(wèi)星的搜索捕獲時間。此外,地面導航接收機采用多種輔助定位技術(shù)來減少搜索捕獲時間,如輔助導航(Assisted導航)定位、WiFi定位及蜂窩移動網(wǎng)定位等(它們有時會綜合應(yīng)用于定位終端中),使用戶可以在不同網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下實現(xiàn)快速定位[4-11]。這些輔助定位技術(shù)能準確地預(yù)報導航接收機可見的導航衛(wèi)星,并通過網(wǎng)絡(luò)將這些信息傳輸給導航接收機,大大減少了導航接收機的定位時間和功耗。

本文根據(jù)地面導航接收機快速定位的成功經(jīng)驗,提出應(yīng)用先驗數(shù)據(jù)的衛(wèi)星快速定位方法,能解決衛(wèi)星導航接收機定位時間長的問題,可為各類低軌遙感衛(wèi)星設(shè)計提供參考。

2 應(yīng)用先驗數(shù)據(jù)的快速定位方法

本文的快速定位方法,首先對定位時間進行分析,得出定位時間長的主要因素是可見導航衛(wèi)星的搜素捕獲時間長;然后提出縮短可見導航衛(wèi)星搜索捕獲時間的總體方案,并給出了實現(xiàn)流程;最后應(yīng)用先驗數(shù)據(jù)對GF-3衛(wèi)星導航接收機的定位時間進行具體分析。

導航衛(wèi)星預(yù)報的幾何關(guān)系見圖1。其中:O為地心,U為GF-3衛(wèi)星所在位置,S為導航衛(wèi)星所在位置,UA為天線主瓣方向,UN為與UA垂直的零天線仰角面,UP為天頂方向,UM為切線方向,β為導航衛(wèi)星天線仰角,θ為導航衛(wèi)星仰角。

2．1 定位時間分析

GF-3衛(wèi)星在軌飛行時,導航衛(wèi)星向它靠近時的最大相對速度約為7．8 km/s,根據(jù)多普勒計算公式D＝fv/c(L1頻率f為1 575．42 MHz,光速c為3×108m/s,v為相對速度),可得此時多普勒值為41 k Hz。考慮到衛(wèi)星運動方向及留有一定搜索余量,將導航接收機捕獲搜索范圍設(shè)置為±50 k Hz。根據(jù)環(huán)路牽引特性和頻率收斂速度,設(shè)置導航接收機搜索頻點步長為500 Hz,搜索每個頻點耗時2．046 s。因此,每顆導航衛(wèi)星搜索捕獲一遍最長需要410 s,從導航衛(wèi)星捕獲到幀同步耗時最長為60 s,調(diào)整秒最長需要120 s,再加上星歷接收時間最長需要60 s,由于搜索捕獲階段不能確定所搜索的導航衛(wèi)星全部可見,因此導航衛(wèi)星搜索捕獲時間還要考慮一些時間余量。綜合以上耗時,定位時間需要約15 min,導航衛(wèi)星的搜索捕獲時間約占其中的50%。因此,定位時間長的主要因素是導航衛(wèi)星搜索捕獲時間長。

2．2 縮短可見導航衛(wèi)星搜索捕獲時間的總體方案

為了縮短可見導航衛(wèi)星的搜索捕獲時間,本文主要采用了以下2種方式。

(1)由于GF-3衛(wèi)星導航接收機運動速度很快,定位中斷后,導航接收機內(nèi)上一次定位結(jié)果不能直接用來預(yù)測當前歷元時刻視野內(nèi)可見導航衛(wèi)星,這時可采用外部定位數(shù)據(jù)輔助的方式,即以衛(wèi)星姿態(tài)、軌道、控制分系統(tǒng)的定位數(shù)據(jù)作為導航接收機的在軌位置和速度。

(2)導航衛(wèi)星對GF-3衛(wèi)星導航接收機的覆蓋范圍與地面導航接收機不同。由于導航衛(wèi)星對地球形成一定的覆蓋角,特別是由于GF-3衛(wèi)星在軌運行時的特殊飛行姿態(tài),導致導航衛(wèi)星的空間應(yīng)用范圍受到限制。要解決這個問題,可將整星的姿態(tài)數(shù)據(jù)作為導航衛(wèi)星可見性的判據(jù)。

綜上所述,縮短可見導航衛(wèi)星搜索捕獲時間的總體方案,就是以外部輸入的定位數(shù)據(jù)和姿態(tài)數(shù)據(jù)為先驗數(shù)據(jù),計算導航衛(wèi)星的仰角,預(yù)測不同歷元時刻GF-3衛(wèi)星導航接收機視野內(nèi)的可見導航衛(wèi)星,并預(yù)報導航衛(wèi)星的多普勒頻移,提高導航接收機選星預(yù)報的準確度,有效減少導航衛(wèi)星的搜索捕獲時間。其主要實現(xiàn)步驟如下。

(1)計算概略位置。導航衛(wèi)星的位置和速度通過導航歷書計算,導航歷書預(yù)存在GF-3衛(wèi)星導航接收機中,并間隔固定時間進行更新;GF-3衛(wèi)星的位置和速度,由其姿態(tài)、軌道、控制分系統(tǒng)的定位數(shù)據(jù)提供。

(2)計算仰角。在每個歷元時刻,計算從GF-3衛(wèi)星導航接收機當前位置及每顆導航衛(wèi)星的仰角。

(3)估計可見性預(yù)報。根據(jù)導航衛(wèi)星的仰角,判斷當前時刻每顆導航衛(wèi)星是否可見,并按照可見的可能性大小對所有導航衛(wèi)星的搜索捕獲順序進行排序。

(4)捕獲配置。在GF-3衛(wèi)星導航接收機中,根據(jù)優(yōu)化后的導航衛(wèi)星搜索捕獲順序進行捕獲跟蹤,減少搜索捕獲時間,節(jié)省導航接收機功耗。

為了保證可見導航星搜索捕獲的準確性,需要對外部定位數(shù)據(jù)及姿態(tài)數(shù)據(jù)的有效性進行分析,并合理設(shè)計其使用方式。

2．2．1 利用外部定位數(shù)據(jù)的方案設(shè)計

為了盡量保持GF-3衛(wèi)星導航接收機導航定位的獨立性,整星始終廣播定位數(shù)據(jù),導航接收機接口模塊接收到定位數(shù)據(jù)后始終向定位解算模塊轉(zhuǎn)發(fā),是否使用外部定位數(shù)據(jù)進行導航衛(wèi)星搜索捕獲由定位解算模塊決定。在導航接收機上電完成初始化后,優(yōu)先選用外部定位數(shù)據(jù)進行搜索捕獲實現(xiàn)快速定位,導航接收機定位后停止使用外部定位數(shù)據(jù),利用導航接收機內(nèi)部的預(yù)報模式進行導航衛(wèi)星搜索捕獲。

為了防止外部定位數(shù)據(jù)錯誤導致導航接收機使用外部定位數(shù)據(jù)后始終無法捕獲導航衛(wèi)星,設(shè)計以下2種避錯機制。①導航接收機上電完成初始化后,如果利用外部定位數(shù)據(jù)預(yù)報連續(xù)5 min后導航接收機未定位,則自行停止使用外部定位數(shù)據(jù)。②增加允許/禁止使用外部定位數(shù)據(jù)的總線指令,對導航接收機進行外部干預(yù),在導航接收機執(zhí)行其他總線指令過程中禁止使用外部定位數(shù)據(jù)。以上設(shè)計既可以有效縮短導航接收機的搜索捕獲時間,保證導航接收機快速定位;又不會喪失導航接收機導航定位的獨立性,在外部定位數(shù)據(jù)錯誤時導航接收機能安全地轉(zhuǎn)換到內(nèi)部預(yù)報模式。

2．2．2 利用外部姿態(tài)數(shù)據(jù)的方案設(shè)計

GF-3衛(wèi)星始終廣播衛(wèi)星姿態(tài)數(shù)據(jù),導航接收機接口模塊接收到姿態(tài)數(shù)據(jù)后向定位解算模塊轉(zhuǎn)發(fā),由定位解算模塊根據(jù)姿態(tài)預(yù)報模塊計算結(jié)果選擇是否使用當前姿態(tài)數(shù)據(jù)輔助搜索捕獲。

為了防止外部姿態(tài)數(shù)據(jù)錯誤導致導航接收機使用外部姿態(tài)數(shù)據(jù)后始終無法捕獲導航衛(wèi)星,設(shè)計以下2種避錯機制。①通過判斷姿態(tài)預(yù)報模塊輸出量之一的“出錯標志”,定位解算模塊軟件選擇是否使用當前秒的外部姿態(tài)數(shù)據(jù)輔助搜索捕獲。若該標志不為0,即姿態(tài)預(yù)報模塊異常,則不使用當前秒的外部姿態(tài)數(shù)據(jù),保持上一秒的姿態(tài)狀態(tài);若姿態(tài)預(yù)報模塊連續(xù)30s出錯,則不使用外部姿態(tài)數(shù)據(jù),而是使用定位解算模塊原有預(yù)報模塊完成導航星的搜索捕獲,直到姿態(tài)預(yù)報模塊計算正確后恢復使用外部姿態(tài)數(shù)據(jù);若使用外部姿態(tài)數(shù)據(jù)連續(xù)5 min未定位,則禁止使用外部姿態(tài)數(shù)據(jù),并通過遙測數(shù)據(jù)包輸出該狀態(tài),此時需要外部干預(yù)才可恢復使用姿態(tài)數(shù)據(jù)。②增加允許/禁止使用外部姿態(tài)數(shù)據(jù)的總線指令對導航接收機進行外部干預(yù),在導航接收機執(zhí)行其他總線指令過程中禁止使用外部姿態(tài)數(shù)據(jù)。以上設(shè)計既可以有效增強導航接收機搜索捕獲的準確性,同時在外部姿態(tài)數(shù)據(jù)錯誤時還可以使導航接收機安全地轉(zhuǎn)換到內(nèi)部預(yù)報模式。

2．3 縮短可見導航衛(wèi)星搜索捕獲時間的實現(xiàn)流程

縮短可見導航衛(wèi)星搜索捕獲時間的流程如圖2所示。

實現(xiàn)流程的具體步驟為:①利用姿態(tài)信息求解衛(wèi)星本體坐標系相對WGS84坐標系的姿態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣Abf;②求天線相對導航衛(wèi)星的矢量rSA;③求所有導航衛(wèi)星仰角θ,∠OUS＝arccos仰角θ＝∠OUS－π/2;④求所有導航衛(wèi)星的天線仰角β,β＝ ∠NUS＝π/2－ ∠AUS＝π/2－arccos;⑤根據(jù)導航衛(wèi)星仰角和天線仰角預(yù)報導航衛(wèi)星搜索捕獲排序,并計算各可見導航衛(wèi)星的多普勒頻移。

2．4 應(yīng)用先驗數(shù)據(jù)的導航接收機定位時間分析

由于導航接收機設(shè)置搜索頻點步長為500 Hz,因此外部定位數(shù)據(jù)精度只要滿足計算的多普勒誤差在(－500,＋500)Hz范圍內(nèi)即可。GF-3衛(wèi)星姿態(tài)、軌道、控制分系統(tǒng)輸出的定位數(shù)據(jù)中,位置信息精度優(yōu)于2 km,速度信息精度優(yōu)于0．1 m/s,時間延遲不大于3 s。根據(jù)仿真分析可知,滿足以上條件可以保證導航接收機通道內(nèi)的導航衛(wèi)星均可見,且每顆導航衛(wèi)星最多搜索0、±1共3個頻點即可捕獲。同時,考慮到GF-3衛(wèi)星運動方向及留有一定搜索余量,將導航接收機多普勒搜索范圍設(shè)置為(－6,＋6)k Hz,需要耗時約50 s。從導航衛(wèi)星捕獲到幀同步最多需要耗時60 s,調(diào)整秒最多需要120s,再加上星歷接收時間最多需要60 s。綜合以上耗時,應(yīng)用先驗數(shù)據(jù)時導航接收機定位時間約需要5 min,大大縮短定位時間。

3 在軌驗證及應(yīng)用情況

GF-3衛(wèi)星入軌后,導航接收機采用整星廣播的定位數(shù)據(jù)和姿態(tài)數(shù)據(jù)輔助快速定位,定位時間為115 s(見圖3(a)),較以前其他低軌衛(wèi)星導航接收機的定位時間855 s(見圖3(b))大幅縮短,驗證了應(yīng)用先驗數(shù)據(jù)的快速定位方法設(shè)計的正確性。

4 結(jié)束語

GF-3衛(wèi)星采用的應(yīng)用先驗數(shù)據(jù)的快速定位方法,以外部輸入的定位數(shù)據(jù)和姿態(tài)數(shù)據(jù)為先驗信息,計算導航衛(wèi)星的仰角,判斷導航衛(wèi)星對其導航接收機的可見性,并可以預(yù)報導航衛(wèi)星的多普勒頻移,從而減少導航接收機搜索捕獲導航衛(wèi)星的時間。該方法目前已經(jīng)得到了在軌驗證,相比于傳統(tǒng)的搜索捕獲方法,可大大縮短導航衛(wèi)星的搜索捕獲時間,實現(xiàn)快速定位,可以應(yīng)用于其他低軌遙感衛(wèi)星。

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Fast Positioning Method by Using Priori Data for GF-3 Satellite

LIU Jiuli1ZHOU Bo1LIU Jie1TU Lanfen1LIU Yingna2
(1 Beijing Institute of Spacecraft System Engineering,Beijing 100094,China)
(2 Space Star Technology Co．,Ltd．,Beijing 100095,China)

For the fast positioning requirement under various attitudes of GF-3 satellite,a fast positioning method by using priori data is proposed．The method regards the GF-3 satellite position and attitude data as assistant information and then judges the visibility of navigation satellites in real time by calculating the elevations,so that the time of acquisition is decreased then the positioning time is reduced．The on-orbit test verifies the effectiveness of the method by using of priori data,and the positioning time is 115s,shorter than that of other LEO satellite which is 855s．The method proposed in the paper is appropriate to various kinds of remote sensing satellite on LEO．

satellite fast positioning;prediction of visible navigation satellite;positioning time;position data;attitude data

V474．2

A

10.3969/j.issn.1673-8748.2017.06.004

2017-10-20;

2017-11-14

國家重大科技專項工程

劉久利,男,高級工程師,從事航天器總體設(shè)計工作。Email:justin_2009＠163．com。

(編輯:夏光)