本發(fā)明涉及通信領(lǐng)域，具體涉及一種適用于室內(nèi)定位導航的偽衛(wèi)星導航電文模擬方法。

背景技術(shù)：

衛(wèi)星導航系統(tǒng)為用戶提供了全天候?qū)崟r導航、定位與授時服務，其應用幾乎涉及國防建設和經(jīng)濟社會的各個領(lǐng)域。目前室內(nèi)定位技術(shù)多種多樣，基于偽衛(wèi)星的室內(nèi)定位是其中一種，偽衛(wèi)星也就是地面上的模擬衛(wèi)星信號發(fā)生器，通用的偽衛(wèi)星定位原理與GPS衛(wèi)星相同，比如澳大利亞locata公司研制的locata定位系統(tǒng)，它使用完全特定的導航電文和定制的接收機接收所模擬的GPS信號來定位。根據(jù)現(xiàn)有GPS定位原理，接收機實現(xiàn)GPS單點絕對定位所要具備的條件是獲得從衛(wèi)星到接收機的距離測量值以及計算出GPS衛(wèi)星的空間位置坐標。距離測量值是通過接收機從導航信號中獲得碼相位測量值得出，衛(wèi)星空間坐標是通過接收機對導航電文中的星歷進行解析得出，得到碼相位測量值與衛(wèi)星坐標之后進行定位解算便可以得出接收機坐標，從而完成定位。

現(xiàn)有的偽衛(wèi)星都是使用自定義格式的導航電文，與現(xiàn)有GPS系統(tǒng)導航電文不一樣，現(xiàn)有的偽衛(wèi)星系統(tǒng)導航定位都使用特定結(jié)構(gòu)的接收機，不能使用市場上的通用GPS信號接收機，這給實際的應用場景帶來了很大局限性，也帶來了成本上的提升。同時使用現(xiàn)有的GPS導航電文解算出的衛(wèi)星位置時刻都在變化，這不能滿足實際使用的偽衛(wèi)星位置是固定的情況，并且現(xiàn)有偽衛(wèi)星系統(tǒng)使用起來繁瑣，已逐漸地不能滿足人們的需要。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種適用于室內(nèi)導航定位的偽衛(wèi)星導航電文模擬方法，在原有電文的基礎上將偽衛(wèi)星的位置參數(shù)作為星歷信息填入導航電文，其它參數(shù)都不改變，相應的，對接收機的接收算法也只改變軌道升交點赤經(jīng)對時間的變化率的比例因子，使得使用該方法下的偽衛(wèi)星進行導航定位解算出的衛(wèi)星位置相對于地面位置不變，能夠迅速完成導航定位，實現(xiàn)室內(nèi)外導航定位全天候無縫銜接，解決了目前使用的導航電文不能夠模擬出相對地面靜止的問題。

本發(fā)明解決上述技術(shù)問題的技術(shù)方案如下：一種適用于室內(nèi)定位導航的偽衛(wèi)星導航電文模擬方法，包括以下步驟：

(1)根據(jù)星歷參考時間t_oe計算規(guī)化時間t_k,以及根據(jù)開普勒第三定律計算衛(wèi)星的平均角速度n；

(2)根據(jù)規(guī)化時間t_k和平均角速度n，計算信號發(fā)射時刻的平近點角M_k；

(3)根據(jù)平近點角M_k和星歷參數(shù)e_s，計算信號發(fā)射時刻的偏近點角E_k；

(4)根據(jù)偏近點角E_k與星歷參數(shù)e_s，計算信號發(fā)射時刻的真近點角v_k。

(5)根據(jù)真近點角v_k，計算信號發(fā)射時刻的升交點角距Φ_k；

(6)根據(jù)升交點角距Φ_k，計算信號發(fā)射時刻的二次諧波攝動校正項δu_k,δr_k,δi_k；

(7)根據(jù)二次諧波攝動校正項δu_k,δr_k,δi_k，計算攝動校正后的升交點角距u_k、偽衛(wèi)星矢徑長度r_k和軌道傾角

(8)根據(jù)升交點角距u_k和偽衛(wèi)星矢徑長度r_k，計算信號發(fā)射時刻偽衛(wèi)星在軌道平面的位置(x′_k,y′_k)；

(9)計算信號發(fā)射時刻的升交點赤經(jīng)Ω_k，根據(jù)升交點赤經(jīng)Ω_k和偽衛(wèi)星在軌道平面的位置(x′_k,y′_k)，計算偽衛(wèi)星在WGS-84地心地固坐標系中的坐標(x_k,y_k,z_k)，得到偽衛(wèi)星坐標值，以模擬生成偽衛(wèi)星導航電文。

本發(fā)明的有益效果是：

1.只對現(xiàn)有的GPS衛(wèi)星導航電文中的部分參數(shù)進行更改，將偽衛(wèi)星的位置參數(shù)作為星歷信息填入導航電文，其它參數(shù)不改變，簡單方便。

2.相比于其他的偽衛(wèi)星室內(nèi)定位系統(tǒng)，使用該發(fā)明提供的導航電文模擬方法的室內(nèi)導航定位系統(tǒng)，能夠解算出真實偽衛(wèi)星的位置，實現(xiàn)室內(nèi)外無縫銜接導航定位；

3.定位結(jié)果精確，成本低廉，功能完整，用戶體驗好。

在上述技術(shù)方案的基礎上，本發(fā)明還可以做如下改進。

進一步，所述步驟(1)中的計算規(guī)化時間t_k，具體計算公式為，

t_k＝t-t_oe

其中，t_oe為星歷參考時間，t_k為相對于t_oe的規(guī)化時間，t為計算偽衛(wèi)星位置時刻，即當前時刻，是根據(jù)當前時刻t與星歷參考時間t_oe來計算規(guī)化時間t_k。當計算得到的t_k大于302400s時，則t_k應該減去604800s，當t_k小于-302400s時，則t_k加上604800s。

所述步驟(1)中的計算衛(wèi)星的平均角速度n，根據(jù)開普勒第三定律不同行星繞太陽運動的公轉(zhuǎn)周期的平方分別與它們的軌道長半徑的立方成正比，其公式為，

其中，T為公轉(zhuǎn)周期，a_s為軌道長半徑，M為太陽質(zhì)量，G為引力常數(shù)；

令n₀代表衛(wèi)星的平均角速度，則

由此可得

其中，u為常數(shù)，計算可知n₀為1.458555*10^(-4)，

校正之后的衛(wèi)星平均角速度n為

n＝n₀+Δn

將Δn置0處理，可得n＝n₀

采用上述進一步方案的有益效果是使得n取得最小值，從而使得下一步計算中的M_k與時間的關(guān)系不大。

進一步，所述步驟(2)中的根據(jù)規(guī)化時間t_k和平均角速度n，計算信號發(fā)射時刻的平近點角M_k，具體計算公式為，

M_k＝M₀+nt_k

令軌道長半徑a_s等于ICD文件所要求的最大值的極限條件，則M_k＝M₀，

其中，M₀為星歷給出的平近點角。

采用上述進一步方案的有益效果是使得計算出的平近點角M_k的大小與時間無關(guān)。

進一步，所述步驟(3)中根據(jù)平近點角M_k和星歷參數(shù)e_s，計算信號發(fā)射時刻的偏近點角E_k，具體計算公式為，

E_k＝M_k+e_s sin(E_k-1)

其中，e_s為軌道離心率，k＝1、2、3……為迭代次數(shù)，在第一次迭代中，E的初始值可設為M。

進一步，所述步驟(4)中計算信號發(fā)射時刻的真近點角v_k，具體計算公式為，

橢圓的極坐標方程為，

由開普勒軌道模型的幾何關(guān)系可知，

a_s cos E_k＝a_se_s+r cos v

可得：

解得真近點角v_k

進一步，所述步驟(5)中計算信號發(fā)射時刻的升交點角距Φ_k，具體計算公式為，將星歷給出的ω代入下式，

Φ_k＝v_k+ω

其中，ω為軌道近地角距。

進一步，所述步驟(6)中計算信號發(fā)射時刻的攝動校正項δu_k,δr_k,δi_k，具體計算公式為，

將星歷參數(shù)中的矯正量C_uc,C_us,C_rc,C_rs,C_uc,C_is置0，可得，

δu_k＝C_us sin(2Φ_k)+C_uc cos(2Φ_k)＝0

δr_k＝C_rs sin(2Φ_k)+C_rc cos(2Φ_k)＝0

δi_k＝C_is sin(2Φ_k)+C_ic cos(2Φ_k)＝0

其中，δu_k,δr_k,δi_k分別為升交點角距二次諧波攝動校正量、軌道半徑二次諧波攝動校正量和軌道傾角二次諧波攝動校正量；C_uc為升交點角距余弦調(diào)和校正振幅；C_us為升交點角距正弦調(diào)和校正振幅；C_rc為軌道半徑余弦調(diào)和校正振幅；C_rs為軌道半徑正弦調(diào)和校正振幅；C_ic為軌道傾角余弦調(diào)和校正振幅；C_is為軌道傾角正弦調(diào)和校正振幅。

進一步，所述步驟(7)中計算攝動校正后的升交點角距u_k、偽衛(wèi)星矢徑長度r_k和軌道傾角具體計算公式為，

u_k＝Φ_k+δu_k

r_k＝a_s(1-e_s cos E_k)+δr_k

其中，a_s,為衛(wèi)星軌道長半軸；e_s為軌道離心率；i₀為星歷參考時間時的軌道傾角；為軌道傾角對時間的變化率，Φ_k代表信號發(fā)射時刻的升交點角距；E_k為偏近點角，δu_k,δr_k,δi_k為攝動校正項。

進一步，所述步驟(8)中計算信號發(fā)射時刻偽衛(wèi)星在軌道平面的位置(x′_k,y′_k)，通過以下公式得到坐標(x′_k,y′_k)

x′_k＝r_k cos u_k

y′_k＝r_k sin u_k

其中，x′_k,y′_k分別代表偽衛(wèi)星在軌道平面的橫坐標與縱坐標，r_k代表偽衛(wèi)星矢徑長度，u_k代表計算攝動校正后的升交點角距。

進一步，所述步驟(9)中計算信號發(fā)射時刻的升交點赤經(jīng)Ω_k，升交點赤經(jīng)的計算公式為，

其中，t_oe為星歷參考時間，Ω₀為周內(nèi)時等于0時的軌道升交點赤經(jīng)；為軌道升交點赤經(jīng)對時間的變化率，為地球自轉(zhuǎn)角速度常數(shù)，將接收機接收算法中的軌道升交點赤經(jīng)對時間的變化率的比例因子由2^-43改為2^-30，對于導航電文中的參數(shù)，在2^-30比例因子下設置與常數(shù)相等，則此時，Ω_k與t_k無關(guān)；

所述計算偽衛(wèi)星在WGS-84地心地固坐標系(X_T,Y_T,Z_T)中的坐標(x_k,y_k,z_k)，具體計算公式為，

x_k＝x′_k cosΩ_k-y′_k cosi_k sinΩ_k

y_k＝x′_k sinΩ_k+y′_k cosi_k cosΩ_k

z_k＝y(tǒng)′_k sini_k

其中，x_k,y_k,z_k分別為計算所得的偽衛(wèi)星在WGS-84地心地固坐標系(X_T,Y_T,Z_T)中的橫坐標、縱坐標與豎坐標，x′_k,y′_k分別為偽衛(wèi)星在軌道平面的橫坐標與縱坐標，Ω_k為升交點赤經(jīng)，i_k代表軌道傾角。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的方法流程圖。

具體實施方式

以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的原理和特征進行描述，所舉實例只用于解釋本發(fā)明，并非用于限定本發(fā)明的范圍。

本發(fā)明提供的一種適用于室內(nèi)導航定位的偽衛(wèi)星導航電文模擬方法，適用于使用偽衛(wèi)星進行導航定位的室內(nèi)定位系統(tǒng)，在原有電文的基礎上將偽衛(wèi)星的位置參數(shù)作為星歷信息填入導航電文，其它參數(shù)都不改變，相應的，對接收機的接收算法也只改變軌道升交點赤經(jīng)對時間的變化率的比例因子，使得使用該方法下的偽衛(wèi)星進行導航定位解算出的衛(wèi)星位置相對于地面位置不變，能夠迅速完成導航定位，實現(xiàn)室內(nèi)外導航定位全天候無縫銜接，解決了目前使用的導航電文不能夠模擬出相對地面靜止的問題。

在偽衛(wèi)星的室內(nèi)定位系統(tǒng)中，載波、偽碼和導航電文一起構(gòu)成了GPS衛(wèi)星所發(fā)射的信號，導航電文首先與偽碼異或相加實現(xiàn)擴頻，然后它們的組合碼再通過雙相移位鍵控(BPSK)對載波進行調(diào)制，導航電文中含有時間、衛(wèi)星運行軌道、電離層延時等用于定位的重要信息，其中衛(wèi)星運行軌道包含在星歷信息中，星歷信息主要由16個參數(shù)組成，這些參數(shù)符號及含義如下：

t_oe：星歷參考時間

衛(wèi)星軌道長半軸的平方根

e_s：軌道離心率

i₀：星歷參考時間時的軌道傾角

Ω₀：周內(nèi)時等于0時的軌道升交點赤經(jīng)

ω：軌道近地角距

M₀：t_oe時的平近點角

Δn：平均運動角速度校正值

軌道傾角對時間的變化率

軌道升交點赤經(jīng)對時間的變化率

C_uc：升交點角距余弦調(diào)和校正振幅

C_us：升交點角距正弦調(diào)和校正振幅

C_rc：軌道半徑余弦調(diào)和校正振幅

C_rs：軌道半徑正弦調(diào)和校正振幅

C_ic：軌道傾角余弦調(diào)和校正振幅

C_is：軌道傾角正弦調(diào)和校正振幅

對導航電文的模擬主要是通過對星歷參數(shù)的修改然后對電文進行解析得到，該導航電文模擬方法的主要步驟如下：

(1)根據(jù)星歷參考時間t_oe計算規(guī)化時間t_k,以及根據(jù)開普勒第三定律計算衛(wèi)星的平均角速度n；

衛(wèi)星星歷給出的軌道參數(shù)是以星歷參考時間t_oe作為基準的，為了得到各個軌道參數(shù)在t時刻的值，先要求出t時刻與參考時間t_oe之間的差異，即

t_k＝t-t_oe

上式得到的t_k稱為相對于t_oe的規(guī)化時間。當計算得到的t_k大于302400s時，則t_k應該減去604800s，當t_k小于-302400s時，則t_k應該加上604800s。

計算衛(wèi)星的平均角速度n

由開普勒第三定律可知，不同行星繞太陽運動的公轉(zhuǎn)周期的平方分別與它們的軌道長半徑的立方成正比，即

其中，T為公轉(zhuǎn)周期，a_s為軌道長半徑，M為太陽質(zhì)量，G為引力常數(shù)

如果n₀代表衛(wèi)星的平均角速度，即

由此可得

其中，u為常數(shù)，計算可知n₀為1.458555*10^(-4)，

校正之后的衛(wèi)星平均角速度n為

n＝n₀+Δn

本方法中將Δn置0處理，可得n＝n₀

(2)根據(jù)規(guī)化時間t_k和平均角速度n，計算信號發(fā)射時刻的平近點角M_k；

將星歷給出的平近點角M₀代入以下的線性模型公式：

M_k＝M₀+nt_k

令軌道長半徑a_s等于ICD文件(GPS界面控制文件)所要求的最大值的極限條件，則該步驟為，M_k＝M₀

(3)根據(jù)平近點角M_k和星歷參數(shù)e_s，計算信號發(fā)射時刻的偏近點角E_k；

偏近點角E_k與平近點角M_k有如下的迭代關(guān)系：

E_k＝M_k+e_s sin(E_k-1)

其中，e_s為軌道離心率，k＝1、2、3……為迭代次數(shù)，在第一次迭代中，E的初始值可設為M。

(4)根據(jù)偏近點角E_k與星歷參數(shù)e_s，計算信號發(fā)射時刻的真近點角v_k；

橢圓的極坐標方程為，

由開普勒軌道模型的幾何關(guān)系可知，

a_s cos E_k＝a_se_s+r cos v

可得，

解得真近點角v_k

(5)根據(jù)真近點角v_k，計算信號發(fā)射時刻的升交點角距Φ_k；

將星歷給出的ω代入下式

Φ_k＝v_k+ω

可解得偽衛(wèi)星當前位置點S與升交點相對于地心O的夾角；

(6)根據(jù)升交點角距Φ_k，計算信號發(fā)射時刻的攝動校正項δu_k,δr_k,δi_k；

將星歷參數(shù)中的矯正量C_uc,C_us,C_rc,C_rs,C_uc,C_is置0，可得，

δu_k＝C_us sin(2Φ_k)+C_uc cos(2Φ_k)＝0

δr_k＝C_rs sin(2Φ_k)+C_rc cos(2Φ_k)＝0

δi_k＝C_is sin(2Φ_k)+C_ic cos(2Φ_k)＝0

其中，δu_k,δr_k,δi_k分別為升交點角距二次諧波攝動校正量、軌道半徑二次諧波攝動校正量和軌道傾角二次諧波攝動校正量；C_uc為升交點角距余弦調(diào)和校正振幅；C_us為升交點角距正弦調(diào)和校正振幅；C_rc為軌道半徑余弦調(diào)和校正振幅；C_rs為軌道半徑正弦調(diào)和校正振幅；C_ic為軌道傾角余弦調(diào)和校正振幅；C_is為軌道傾角正弦調(diào)和校正振幅。

(7)根據(jù)攝動校正項δu_k,δr_k,δi_k，計算攝動校正后的升交點角距u_k、偽衛(wèi)星矢徑長度r_k和軌道傾角

將步驟7得到的攝動校正量代入以下各式，

u_k＝Φ_k+δu_k

r_k＝a_s(1-e_s cos E_k)+δr_k

其中，a_s,為衛(wèi)星軌道長半軸；e_s為軌道離心率；i₀為星歷參考時間時的軌道傾角；為軌道傾角對時間的變化率，Φ_k代表信號發(fā)射時刻的升交點角距；E_k為偏近點角，δu_k,δr_k,δi_k為攝動校正項。

(8)根據(jù)升交點角距u_k和偽衛(wèi)星矢徑長度r_k，計算信號發(fā)射時刻偽衛(wèi)星在軌道平面的位置(x′_k,y′_k)；

通過以下公式得到坐標(x′_k,y′_k)

x′_k＝r_k cos u_k

y′_k＝r_k sin u_k

其中，x′_k,y′_k分別代表偽衛(wèi)星在軌道平面的橫坐標與縱坐標，r_k代表偽衛(wèi)星矢徑長度，u_k代表計算攝動校正后的升交點角距。

(9)計算信號發(fā)射時刻的升交點赤經(jīng)Ω_k，根據(jù)升交點赤經(jīng)Ω_k和偽衛(wèi)星在軌道平面的位置(x′_k,y′_k)，計算偽衛(wèi)星在WGS-84地心地固坐標系中的坐標(x_k,y_k,z_k)，得到不隨時間改變的唯一的偽衛(wèi)星坐標值；

升交點赤經(jīng)的線性模型為

其中，Ω₀為周內(nèi)時等于0時的軌道升交點赤經(jīng)；為軌道升交點赤經(jīng)對時間的變化率，為地球自轉(zhuǎn)角速度常數(shù)，令星歷參數(shù)中的與相等，則此時的Ω_k與t_k無關(guān)；

按照現(xiàn)有導航接收算法，與的值不能夠保持相等，因為在接收算法中處理時需要先乘上比例因子2^-43，然后再轉(zhuǎn)換為十進制，這決定了能夠取到的最大值與的值差了3個數(shù)量級，因此在接收算法中將的比例因子改為2^-30，此時按照現(xiàn)有導航電文格式得到的的值便能夠與相等。

計算偽衛(wèi)星在WGS-84地心地固坐標系(X_T,Y_T,Z_T)中的坐標(x_k,y_k,z_k)，

x_k＝x′_k cosΩ_k-y′_k cosi_k sinΩ_k

y_k＝x′_k sinΩ_k+y′_k cosi_k cosΩ_k

z_k＝y(tǒng)′_k sini_k

最終能夠得到偽衛(wèi)星在WGS-84坐標系中的坐標值，按照如上的電文設計方法，可得到不隨時間改變的唯一的偽衛(wèi)星坐標值，以模擬生成偽衛(wèi)星導航電文；對得到的一個不隨時間改變的偽衛(wèi)星的靜止位置，據(jù)接收機測得的偽距進行定位解算，便可得到接收機在WGS-84坐標系下的坐標，從而完成定位。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。