一種偽衛(wèi)星側(cè)向?qū)Ш浇M網(wǎng)實(shí)現(xiàn)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及導(dǎo)航及其增強(qiáng)技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種偽衛(wèi)星側(cè)向?qū)Ш浇M網(wǎng)實(shí)現(xiàn)方 法。
【背景技術(shù)】
[0002] 從20世紀(jì)70年代的GPS研制初期至今，偽衛(wèi)星得到了廣泛應(yīng)用。最初的偽衛(wèi)星主要 用來測試地面接收機(jī)設(shè)備，而如今的偽衛(wèi)星則可作為導(dǎo)航衛(wèi)星星座的重要補(bǔ)充和增強(qiáng)資 源，在室內(nèi)、地下等無法接收衛(wèi)星導(dǎo)航信號的環(huán)境下替代導(dǎo)航衛(wèi)星星座，為用戶提供導(dǎo)航定 位服務(wù)。當(dāng)前的偽衛(wèi)星導(dǎo)航組網(wǎng)方式，主要有"正向"和"倒向"兩種。"正向"方式將偽衛(wèi)星部 署在服務(wù)區(qū)正上方，一般通過在浮空器或無人機(jī)上搭載導(dǎo)航信號源，并向下播發(fā)導(dǎo)航信號 實(shí)現(xiàn)；"倒向"方式是將偽衛(wèi)星部署在服務(wù)區(qū)地面，一般通過在基站、車輛或艦船上搭載導(dǎo)航 信號源，并向上播發(fā)導(dǎo)航信號實(shí)現(xiàn)。
[0003] 然而，針對災(zāi)區(qū)或氣象條件惡劣等區(qū)域，"正向"和"倒向"部署偽衛(wèi)星十分困難。這 是因?yàn)闉?zāi)區(qū)或氣象條件惡劣區(qū)域的上空和地面?zhèn)涡l(wèi)星平臺工作風(fēng)險大，很有可能被自然災(zāi) 害所摧毀，同時維護(hù)和維修十分不便。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種偽衛(wèi)星側(cè)向?qū)Ш浇M網(wǎng)實(shí)現(xiàn)方法，"側(cè)向"即 通過將偽衛(wèi)星部署在災(zāi)區(qū)和氣象惡劣區(qū)域之外，充分利用可部署區(qū)內(nèi)的地面設(shè)施，實(shí)現(xiàn)有 效的時空基準(zhǔn)統(tǒng)一，具有工作安全可靠、維護(hù)與維修方便、備份補(bǔ)充便捷的優(yōu)勢。
[0005] 本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：
[0006] -種偽衛(wèi)星側(cè)向?qū)Ш浇M網(wǎng)實(shí)現(xiàn)方法，其包括以下步驟：
[0007] 步驟1，以m顆偽衛(wèi)星部署在導(dǎo)航服務(wù)區(qū)之外為前提條件，設(shè)計(jì)m顆偽衛(wèi)星在導(dǎo)航服 務(wù)區(qū)之外的最優(yōu)組網(wǎng)目標(biāo)函數(shù)E( {PSJ ):
[0008] [(《PS, i) = u'丨 GDOP{ !PS, S) + w2[Availabiity{ jPS, j) - n]
[0009] 其中，j = l，2…m，GDOPiAPS)})是部署偽衛(wèi)星位置坐標(biāo)的集合誤差函數(shù)； 八￥3；[1&13；[1〖7({?5」})是導(dǎo)航服務(wù)區(qū)內(nèi)采樣點(diǎn)處的可視偽衛(wèi)星的最大可用和函數(shù)，'\￥1、'\￥2為指 標(biāo)權(quán)重;且：
[0010]
，⑶OPi是第i個采樣點(diǎn)的有效⑶0P值，i = l，2."n，n為 導(dǎo)航服務(wù)區(qū)內(nèi)均勻分布的有效觀測采樣總點(diǎn)數(shù)；
，tr( ·)為求矩陣 的跡，將第j個偽衛(wèi)星的位置坐標(biāo)表示為^AS?) '導(dǎo)航服務(wù)區(qū)內(nèi)第i個采樣點(diǎn) 的坐標(biāo)表示為s; =(S'41,S':.,S) '則有

[0013]
其 中，availablePLnumber(i)為第i個采樣點(diǎn)可用偽衛(wèi)星數(shù)量；
[0014] W1+W2 = 1;
[0015] 步驟2,利用最優(yōu)化算法對最優(yōu)組網(wǎng)目標(biāo)函數(shù)E({PSj)進(jìn)行多維度精尋優(yōu)，獲得偽 衛(wèi)星導(dǎo)航組網(wǎng)最優(yōu)方案，根據(jù)該偽衛(wèi)星導(dǎo)航組網(wǎng)最優(yōu)方案在服務(wù)區(qū)之外部署偽衛(wèi)星。
[0016] 效果較好的，wi = 0.1、W2 = 0.9。
[0017] 與現(xiàn)有的技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：
[0018] 本發(fā)明將偽衛(wèi)星部署在服務(wù)區(qū)之外，其定義描述偽衛(wèi)星導(dǎo)航組網(wǎng)性能的指標(biāo)，在 地理環(huán)境、平臺特性、用戶需求等約束條件的基礎(chǔ)上，通過構(gòu)建相應(yīng)數(shù)學(xué)模型和指標(biāo)函數(shù)， 綜合設(shè)計(jì)偽衛(wèi)星最優(yōu)組網(wǎng)目標(biāo)函數(shù);并采用最優(yōu)化算法對偽衛(wèi)星最優(yōu)組網(wǎng)目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行多 維度精尋優(yōu)，最后獲得偽衛(wèi)星導(dǎo)航組網(wǎng)最優(yōu)方案。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明所提出的偽衛(wèi)星 "側(cè)向"組網(wǎng)方法，可以在不受導(dǎo)航服務(wù)區(qū)內(nèi)惡劣因素影響的情況下，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航定位與增強(qiáng)。
【附圖說明】
[0019] 圖la為本發(fā)明四顆偽衛(wèi)星最優(yōu)側(cè)向部署俯視圖；
[0020] 圖lb為本發(fā)明四顆偽衛(wèi)星最優(yōu)側(cè)向部署示意圖；
[0021 ]圖2a為本發(fā)明四顆偽衛(wèi)星最優(yōu)側(cè)向部署⑶0P值3D圖；
[0022] 圖2b為本發(fā)明四顆偽衛(wèi)星最優(yōu)側(cè)向部署⑶0P值的分布圖；
[0023] 圖3為本發(fā)明四顆偽衛(wèi)星側(cè)向部署服務(wù)區(qū)覆蓋性分析圖；
[0024] 圖4a為本發(fā)明六顆偽衛(wèi)星最優(yōu)側(cè)向部署俯視圖；
[0025] 圖4b為本發(fā)明六顆偽衛(wèi)星最優(yōu)側(cè)向部署示意圖；
[0026]圖5a為本發(fā)明六顆偽衛(wèi)星最優(yōu)側(cè)向部署⑶0P值3D圖；
[0027]圖5b為本發(fā)明六顆偽衛(wèi)星最優(yōu)側(cè)向部署⑶0P值的分布圖；
[0028] 圖6為本發(fā)明六顆偽衛(wèi)星側(cè)向部署服務(wù)區(qū)覆蓋性分析圖；
[0029] 圖7為本發(fā)明的偽衛(wèi)星側(cè)向?qū)Ш浇M網(wǎng)實(shí)現(xiàn)方法示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0030] 為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對 本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并 不用于限定本發(fā)明。
[0031] 如圖7所示，一種偽衛(wèi)星側(cè)向?qū)Ш浇M網(wǎng)實(shí)現(xiàn)方法，其包括以下步驟：
[0032]步驟1，將偽衛(wèi)星部署在導(dǎo)航服務(wù)區(qū)之外，定義描述偽衛(wèi)星導(dǎo)航組網(wǎng)性能的指標(biāo)， 在地理環(huán)境、平臺特性、用戶需求等約束條件的基礎(chǔ)上，通過構(gòu)建相應(yīng)數(shù)學(xué)模型和指標(biāo)函 數(shù)，以綜合設(shè)計(jì)偽衛(wèi)星最優(yōu)組網(wǎng)目標(biāo)函數(shù)，該偽衛(wèi)星最優(yōu)組網(wǎng)目標(biāo)函數(shù)表示為 GDOP({/^.*)-f u·,[.4vailabiltyi |,|)-?] 0
[0033]其中，j = 1，2…m，是平均GDOP值，GDOP是位置誤差幾何誤差系數(shù);PSj是第j 顆偽衛(wèi)星部署的位置坐標(biāo)，{PS」}是偽衛(wèi)星部署的位置坐標(biāo)集合，反^(.丨AS,!.)是部署偽 衛(wèi)星位置坐標(biāo)的集合誤差函數(shù);Availability是導(dǎo)航服務(wù)區(qū)內(nèi)采樣點(diǎn)處達(dá)到最多可用偽衛(wèi) 星個數(shù)，Availabilty({PSj})是服務(wù)區(qū)內(nèi)采樣點(diǎn)處的可視偽衛(wèi)星的最大可用和函數(shù)，W1、W2 為指標(biāo)權(quán)重。
[0034]通常來講，偽衛(wèi)星平臺組網(wǎng)的性能指標(biāo)描述主要有：導(dǎo)航增強(qiáng)服務(wù)區(qū)域的GD0P值 和偽衛(wèi)星的可用性，它們是評價組網(wǎng)效果的基本依據(jù)，下面分別對其進(jìn)行數(shù)學(xué)定義：
[0035] (1)⑶0P值與
[0036] 詳見目標(biāo)函數(shù)部分。
[0037] (3)最大可用性 MaxVisiblei
[0038] 考慮到用戶可觀測偽衛(wèi)星數(shù)量對導(dǎo)航性能有很大的影響，定義最大可用性指標(biāo)。
[0040] 其中，visiblePLnumber為采樣點(diǎn)可用偽衛(wèi)星數(shù)量;其計(jì)算方法是導(dǎo)航服務(wù)區(qū)內(nèi)第 i個觀測采樣點(diǎn)的可用偽衛(wèi)星數(shù)量等于偽衛(wèi)星總數(shù)時，記為vailablei = l，認(rèn)為全部偽衛(wèi)星 對該采樣點(diǎn)可用，否則記為vailablei = 0。該指標(biāo)用于判斷所有偽衛(wèi)星能否對導(dǎo)航增強(qiáng)區(qū) 域內(nèi)觀測采樣點(diǎn)完全可用，間接描述了偽衛(wèi)星導(dǎo)航增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)對區(qū)域可用性的貢獻(xiàn)程度。
[0041] 綜上，本發(fā)明考慮以增強(qiáng)服務(wù)區(qū)有效平均GD0P值和最大可用星數(shù)量為指標(biāo)構(gòu)造目 標(biāo)函數(shù)如下：廠Π 朽,.丨)=叫GDOP{丨RS,丨)+ %[加《麻(丨/?)!.)-η]。
[0042]
，⑶〇Pi是第i個采樣點(diǎn)的有效⑶0Ρ值，i = 1，2… n，n為導(dǎo)航服務(wù)區(qū)內(nèi)均勻分布的有效觀測采樣總點(diǎn)數(shù)；
求矩陣的跡，將第j個偽衛(wèi)星的位置坐標(biāo)表示為q ,導(dǎo)航服務(wù)區(qū)內(nèi)第i 個采樣點(diǎn)的坐標(biāo)表示為sy =飲4, si),則有

[0045]
中，availablePL number(i)為第i個采樣點(diǎn)可用偽衛(wèi)星數(shù)量;wi+W2 = l，wi、W2為指標(biāo)權(quán)重， 用于綜合各項(xiàng)指標(biāo)，以控制最終導(dǎo)航組網(wǎng)性能；為了防止最優(yōu)化算法趨于減少可用偽衛(wèi)星 數(shù)量來降低反又分，通常將《2設(shè)置為一個較大的數(shù)。
[0046] 本例中wi = 0 · 1，W2 = 0 · 9。
[0047] 步驟2，使用最優(yōu)化算法如MATLAB PSO too 1 box 的a par t i c 1 e swarm optimization algorithm(PSO)算法搜索偽衛(wèi)星"側(cè)向"最優(yōu)組網(wǎng)方案。
[0048] 設(shè)導(dǎo)航服務(wù)區(qū)范圍[37°，39°]X[119°，121°]，高度6km。偽衛(wèi)星部署范圍[17°， 49° ] X [99° ,119° ] X [0.8km，30km]。通過針對4顆和6顆偽衛(wèi)星組網(wǎng)方案的分析(分別對應(yīng) 實(shí)例1和實(shí)例2)。
[0049] 實(shí)施例1:
[0050] 通過PS0算法求取目標(biāo)函數(shù)E( ·)的最小值，獲得四顆偽衛(wèi)星的側(cè)向最優(yōu)部署位置 為：（119。，38。，30km)，（119。，31.12。，30km)，（116.89。，37.93。，0.8km)，（119。，44.9。， 30km)。偽衛(wèi)星組網(wǎng)示意圖如圖la和圖lb所示，其中點(diǎn)陣為導(dǎo)航服務(wù)區(qū)，圈為偽衛(wèi)星。
[0051 ]此種側(cè)向部署方式使導(dǎo)航增強(qiáng)區(qū)域⑶0P的平均值在5.8左右，最小值為1.9771，最 大值為9.5933，且大部分集中在6左右，如圖2a和圖2b所示。
[0052] 圖3是四顆偽衛(wèi)星側(cè)向組網(wǎng)對導(dǎo)航服務(wù)區(qū)的覆蓋性分析，圖中灰度越深表明偽衛(wèi) 星覆蓋數(shù)量越多。其中矩形線框是導(dǎo)航服務(wù)區(qū)，可以看到服務(wù)區(qū)內(nèi)可以達(dá)到偽衛(wèi)星4重覆 蓋。
[0053] 實(shí)施例2:
[0054] 通過PS0算法求取目標(biāo)函數(shù)E( ·)的最小值，獲得六顆偽衛(wèi)星的側(cè)向最優(yōu)部署位置 為：（119。，37.52。，30km)，（119。，38。，0.8km)，（111。，37.57。，29.5km)，（119。，38.49。， 30km) ,(119° ,31.12°，30km) ,(119° ,44.9°，30km)。偽衛(wèi)星組網(wǎng)示意圖如圖4a和圖4b所示， 其中點(diǎn)陣為導(dǎo)航服務(wù)區(qū)，圈為偽衛(wèi)星。
[0055] 此種側(cè)向部署方式使導(dǎo)航增強(qiáng)區(qū)域⑶0P的平均值在4.2左右，最小值為1.5722，， 最大值為7.0780，且大部分集中在4左右，如圖5a和圖5b所示。
[0056] 圖6是六顆偽衛(wèi)星側(cè)向組網(wǎng)對導(dǎo)航服務(wù)區(qū)的覆蓋性分析，圖中灰度越深表明偽衛(wèi) 星覆蓋數(shù)量越多。其中矩形線框是導(dǎo)航服務(wù)區(qū)，可以看到服務(wù)區(qū)內(nèi)可以達(dá)到偽衛(wèi)星6重覆 蓋。
[0057] 以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，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、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種偽衛(wèi)星側(cè)向?qū)Ш浇M網(wǎng)實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于，包括W下步驟： 步驟1，Wm顆偽衛(wèi)星部署在導(dǎo)航服務(wù)區(qū)之外為前提條件，設(shè)計(jì)m顆偽衛(wèi)星在導(dǎo)航服務(wù)區(qū) 之外的最優(yōu)組網(wǎng)目標(biāo)函數(shù)E( {PSj}):其中，j = 1，2…m，GDOP{ ?巧,）是部署偽衛(wèi)星位置坐標(biāo)的集合誤差函數(shù);Availabi 1 ty ({P&})是導(dǎo)航服務(wù)區(qū)內(nèi)采樣點(diǎn)處的可視偽衛(wèi)星的最大可用和函數(shù)，W1、W2為指標(biāo)權(quán)重;且：GDOPi是第i個采樣點(diǎn)的有效GDOP值，i = 1，2···η，n為導(dǎo)航 服務(wù)區(qū)內(nèi)均勻分布的有效觀測采樣總點(diǎn)數(shù)；tr(.)為求矩陣的跡， 將第j個偽衛(wèi)星的位置坐標(biāo)表示為戶巧，>導(dǎo)航服務(wù)區(qū)內(nèi)第i個采樣點(diǎn)的坐 標(biāo)表示為S'=巧,s;.,s':)，則有其中，其中，available化number(i)為第i個采樣點(diǎn)可用偽衛(wèi)星數(shù)量； W1+W2二1; 步驟2,利用最優(yōu)化算法對最優(yōu)組網(wǎng)目標(biāo)函數(shù)E({PSJ)進(jìn)行多維度精尋優(yōu)，獲得偽衛(wèi)星 導(dǎo)航組網(wǎng)最優(yōu)方案，根據(jù)該偽衛(wèi)星導(dǎo)航組網(wǎng)最優(yōu)方案在服務(wù)區(qū)之外部署偽衛(wèi)星。2. 如權(quán)利要求1所述的偽衛(wèi)星側(cè)向?qū)Ш浇M網(wǎng)實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于， wi = 0.1、W2 = 0.9。
【專利摘要】本發(fā)明提供一種偽衛(wèi)星側(cè)向?qū)Ш浇M網(wǎng)實(shí)現(xiàn)方法，其將偽衛(wèi)星部署在服務(wù)區(qū)之外，其定義描述偽衛(wèi)星導(dǎo)航組網(wǎng)性能的指標(biāo)，在地理環(huán)境、平臺特性、用戶需求等約束條件的基礎(chǔ)上，通過構(gòu)建相應(yīng)數(shù)學(xué)模型和指標(biāo)函數(shù)，綜合設(shè)計(jì)偽衛(wèi)星最優(yōu)組網(wǎng)目標(biāo)函數(shù)；并采用最優(yōu)化算法對偽衛(wèi)星最優(yōu)組網(wǎng)目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行多維度精尋優(yōu)，最后獲得偽衛(wèi)星導(dǎo)航組網(wǎng)最優(yōu)方案。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明所提出的偽衛(wèi)星“側(cè)向”組網(wǎng)方法，可以在不受導(dǎo)航服務(wù)區(qū)內(nèi)惡劣因素影響的情況下，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航定位與增強(qiáng)。
【IPC分類】G01S19/10
【公開號】CN105549032
【申請?zhí)枴緾N201610005950
【發(fā)明人】李大朋, 曲藝, 鄧平科, 陳瀟, 劉婷, 曾陵川
【申請人】中國科學(xué)院光電研究院
【公開日】2016年5月4日
【申請日】2016年1月5日