基于低轨通信卫星的地面终端多普勒定位方法和装置与流程

本技术涉及多普勒定位，特别是涉及一种基于低轨通信卫星的地面终端多普勒定位方法和装置。

背景技术：

1、相对于中高轨卫星，低轨卫星星座轨道高度低，信号覆盖区域小，运动速度快，地面用户可见卫星数量不定且可见星数量可能不足4颗卫星，而伪距定位方法至少需要同时观测到4颗卫星，多普勒定位方法最少仅需1颗卫星就可以完成定位。而低轨通信卫星在通信频段内同时播发时隙通信信号和用于备份导航定位授时的时隙导航信号。由于卫星播发的通导联合信号中，导航信号时隙短，即使同一时刻具有多颗可见星，也并非可以收到同一时刻的卫星导航信号，地面终端同一时刻接收到4颗卫星及以上数量的概率更低，同时由于伪距测量值精度低，使用伪距定位方法定位精度不理想。因此地面终端一般利用多普勒频率信息实现定位。

2、然而，在对地面终端基于多普勒频率的定位方式中，终端位置初始值搜索繁琐，且通常利用最小二乘算法解算终端位置，这需要考虑观测方程初始值问题和最小二乘迭代收敛的约束，如果终端位置初始值与真实值之间偏差较大，则可能导致解算不收敛，并且最小二乘迭代计算随观测方程数量增加而增加，计算复杂度大幅提升，收敛速度降低，进而导致定位准确度及效率降低。

技术实现思路

1、基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种能够省去多普勒定位初值搜索步骤，简化多普勒定位最小二乘算法整体计算复杂度，可以快速收敛得到优化结果，提高定位准确度及效率的基于低轨通信卫星的地面终端多普勒定位方法和装置。

2、一种基于低轨通信卫星的地面终端多普勒定位方法，所述方法包括：

3、利用地面终端接收一定时间跨度范围内的低轨通信卫星不同历元的多组观测值数据；其中，每组观测值数据中包含多普勒频移、信号发射时间、信号接收时间、卫星位置、卫星仰角、卫星速度、卫星钟差以及卫星钟偏；

4、根据观测值模糊选择算法选择所有观测值数据中参与位置初始值计算的数据并进行误差校正，基于tdoa技术对误差校正后的参与位置初始值计算的数据进行时差定位，得到地面终端的位置初始值；

5、在获取地面终端的位置初始值之后，对所有观测值数据进行数据筛选，并从筛选后的所有观测值数据中重复随机选择设定组数的观测值数据进行地面终端多普勒定位解算，得到地面终端的多组定位结果，基于粒子群优化算法对多组定位结果进行优化，得到地面终端的最终定位结果。

6、在其中一个实施例中，根据观测值模糊选择算法选择所有观测值数据中参与位置初始值计算的数据并进行误差校正，包括：

7、计算获取每组观测值数据对应的低轨通信卫星的星下点位置，并计算所有星下点位置的算数平均值作为所有观测值数据的中心位置；

8、以中心位置的正北方向作为0°，在0°方向附近寻找得到距离中心位置最远的1个星下点位置作为0°方向的第1个点；

9、在与0°方向的第1个点夹角为120°和240°的两个方向附近分别寻找得到距离中心位置最远的1个星下点位作为0°方向的第2个点和第3个点，将这3个点对应的3组观测值数据作为0°方向的一组参与位置初始值计算的数据；

10、分别在90°、180°、270°方向附近寻找得到距离中心位置最远的1个星下点位置作为90°、180°、270°方向的第1个点，并重复0°方向的第2个点和第3个点的搜寻方式，找到90°、180°、270°方向的第2个点和第3个点，进而将90°、180°、270°方向的三个点对应的3组观测值数据作为90°、180°、270°方向的一组参与位置初始值计算的数据；

11、对0°、90°、180°、270°方向上共4组参与位置初始值计算的数据进行卫星钟差误差校正，得到0°、90°、180°、270°方向上误差校正后的参与位置初始值计算的数据。

12、在其中一个实施例中，基于tdoa技术对误差校正后的参与位置初始值计算的数据进行时差定位，得到地面终端的位置初始值，包括：

13、采用tdoa技术中的chan算法对0°、90°、180°、270°方向上误差校正后的任意一组参与位置初始值计算的数据进行时差定位，若基于当前选择的一组参与位置初始值计算的数据定位成功，则将当前定位结果作为地面终端的位置初始值；否则随机选取其他方向上误差校正后的一组参与位置初始值计算的数据继续进行定位，直至定位成功，并将成功时的定位结果作为地面终端的位置初始值。

14、在其中一个实施例中，采用chan算法进行时差定位的具体步骤包括：

15、将一组参与位置初始值计算的数据中的3组观测值数据中的任意一组观测值数据对应的卫星位置作为主星位置，剩余两组观测值数据对应的卫星位置作为辅星位置；

16、将主星位置与地面终端的距离记为，表示为

17、；

18、其中，记第个卫星位置为表示主星位置，表示第一个辅星位置，表示第二个辅星位置；地面终端的位置初始值为，且满足正球面模型地球表面的约束条件，表示为，其中，为地球半径，，上标表示转置；

19、计算获取地面终端与主星位置和辅星位置的距离差，表示为

20、；

21、其中，表示辅星位置与地面终端的距离且；

22、根据距离差计算得到的具体表达式为

23、；

24、其中，

25、；

26、；

27、将的具体表达式代入满足的正球面模型地球表面的约束条件内，得到主星位置与地面终端的距离的求解方程，表示为

28、；

29、基于该求解方程得到的求解结果，并根据的求解结果进一步计算地面终端的位置初始值的值；其中，的求解结果包含单个或多个实数解与虚数解，若存在虚数解直接舍去，若存在多个解，则剔除不合理的解。

30、在其中一个实施例中，在获取地面终端的位置初始值之后，对所有观测值数据进行数据筛选，包括：

31、在获取地面终端的位置初始值之后，根据预设的卫星仰角阈值对所有观测值数据进行数据筛选，若一组观测值数据中的卫星仰角大于或等于卫星仰角阈值时，保留该组观测值数据；否则，舍去该组观测值数据；

32、经过数据筛选后，得到筛选后的观测值数据。

33、在其中一个实施例中，从筛选后的所有观测值数据中重复随机选择设定组数的观测值数据进行地面终端多普勒定位解算，得到地面终端的多组定位结果，包括：

34、构建考虑频率测量误差时，地面终端的静态瞬时多普勒频移观测方程，表示为

35、；

36、其中，为多普勒频移，为地面终端的三维坐标，为地面终端钟偏，组成静态瞬时多普勒频移观测方程的4个待求未知数，为频率测量误差；为卫星发射信号频率；为卫星速度；为卫星位置，为光速；

37、根据静态瞬时多普勒频移观测方程中的4个待求未知数，从筛选后的所有观测值数据中重复随机选择4组观测值数据进行地面终端多普勒定位解算，得到地面终端的多组定位结果。

38、在其中一个实施例中，基于粒子群优化算法对多组定位结果进行优化，得到地面终端的最终定位结果，包括：

39、将多组定位结果作为粒子群的初始群体，并通过构建适应度函数依次对每个粒子的速度、位置及适应度进行迭代优化，直至达到最大迭代次数，得到多组定位结果的最优解作为地面终端的最终定位结果。

40、一种基于低轨通信卫星的地面终端多普勒定位装置，所述装置包括：

41、数据接收模块，用于利用地面终端接收一定时间跨度范围内的低轨通信卫星不同历元的多组观测值数据；其中，每组观测值数据中包含多普勒频移、信号发射时间、信号接收时间、卫星位置、卫星仰角、卫星速度、卫星钟差以及卫星钟偏；

42、位置初始值计算模块，用于根据观测值模糊选择算法选择所有观测值数据中参与位置初始值计算的数据并进行误差校正，基于tdoa技术对误差校正后的参与位置初始值计算的数据进行时差定位，得到地面终端的位置初始值；

43、多普勒定位求解模块，用于在获取地面终端的位置初始值之后，对所有观测值数据进行数据筛选，并从筛选后的所有观测值数据中重复随机选择设定组数的观测值数据进行地面终端多普勒定位解算，得到地面终端的多组定位结果，基于粒子群优化算法对多组定位结果进行优化，得到地面终端的最终定位结果。

44、上述基于低轨通信卫星的地面终端多普勒定位方法和装置，首先利用地面终端接收一定时间跨度范围内的低轨通信卫星不同历元的多组观测值数据并采用观测值模糊选择算法进行参与位置初始值计算的数据的选择，并经过对参与位置初始值计算的数据进行误差校正后，基于tdoa技术计算地面终端的位置初始值，然后对所有观测值数据进行数据筛选，并在筛选后使用多普勒定位解算方法对抽取的设定组数的观测值数据分别进行解算定位，得到多组定位结果，最后引入粒子群优化算法对多组定位结果进行优化获取地面终端的最终定位结果。

45、相较于现有多普勒定位方法，本技术一方面在满足多普勒定位初始值所需精度前提下，对存在较大时间误差的多历元观测值数据，提出一种观测值模糊选择算法来提高用于位置初始值计算的数据的质量，再采用tdoa技术计算位置初始值，省去了多普勒定位初值搜索步骤，大大提升了位置初始值的计算效率。另一方面在获取地面终端的位置初始值之后，对所有观测值数据进行数据筛选，并抽取设定组数的观测值数据进行多次多普勒定位解算，再通过粒子群优化算法对多组多普勒定位结果进行优化，解决了传统多普勒定位方法最小二乘迭代收敛慢的问题，计算复杂度低，迭代收敛速度快，可以快速收敛得到最优结果，提高了定位准确度及效率。