基于低轨卫星下行信号多普勒频率变化率的自定位方法与流程

1.本发明属于信号处理与参数估计领域，具体涉及一种基于低轨卫星下行信号多普勒频率变化率的自定位方法。


背景技术：

2.随着全球导航卫星系统(gnss)应用的快速发展，gnss已经成为一个国家信息化建设的重要基础设施，可为多种不同的应用提供导航、定位、授时等服务，如美国的全球定位系统(gps)系统、我国的北斗系统、欧洲的伽利略系统(galileo)、俄罗斯的格洛纳斯(glonass)等，是现代化大国地位和国家综合国力的重要标志。在军事对抗领域，随着反导航信号的快速发展，未来战场中很有可能面临着导航信号失效的场景，此时如何获取我方各装备的实际位置信息是至关重要的。
3.随着卫星通信事业的发展，低轨卫星通信已成为天基信息系统领域的发展热点，如美国铱星通讯公司的铱星系统、劳拉高通卫星服务公司的全球星系统、oneweb公司的oneweb星座、美国太空探索公司的星链(starlink)系统等。低轨卫星通信系统具有信号强度高、卫星数量多、覆盖范围广等优点，可将卫星下行信号作为一种机会信号定位的信号源，在导航信号失效的场景下为接收设备提供有效的自定位信息。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种基于低轨卫星下行信号多普勒频率变化率的自定位方法，在导航信号失效的场景下为接收设备提供有效的自定位信息。
5.本发明采用的技术方案为：
6.一种基于低轨卫星下行信号多普勒频率变化率的自定位方法，包括以下过程：
7.步骤1，建立基于低轨卫星下行信号多普勒频率变化率的自定位模型；
8.步骤2，利用自定位模型构建最小均方误差准则函数，并根据多颗卫星过顶前后测得的多普勒频率变化率采用牛顿迭代法或网格搜索法获取地面接收站的精确位置。
9.进一步的，步骤1中构建的自定位模型为：
[0010][0011]
式中，为任何一个时刻i对接收信号进行频率测量得到多普勒频率变化率，ri＝[x-xi,y-yi,z-zi]
t
，为第i个时刻卫星与地面接收站之间的距离，(x,y,z)为待求的地面接收站位置，(xi,yi,zi)为第i个时刻卫星的位置，为第i个时刻卫星的速度，为卫星的加速度矢量，λ是卫星下行信号的波长，ξi为多普勒频率变化率的测量误差；
[0012]
将n个时刻多普勒频率变化率的测量值用矩阵表示为：
[0013][0014]
其中，ω＝[ω1,ω2,
…
,ωn]
t
，h＝[h1(x,y,z),h2(x,y,z),
…
,hn(x,y,z)]
t
，ξ＝[ξ1,ξ2,
…
,ξn]
t
，n为设定值；
[0015]
进一步的，步骤2具体为：
[0016]
采用均方误差作为准则函数，对自定位模型进行转化，可得
[0017][0018]
构建最小均方误差准则函数为
[0019][0020][0021]
针对最小均方误差准则函数采用牛顿迭代法或者网格搜索法进行求解获取接收站位置(x,y,z)。
[0022]
本发明的有益效果是：
[0023]
1.本发明针对gnss导航信号失效的场景，提出了一种新的基于低轨卫星下行信号自定位方法。
[0024]
2.本发明采用基于低轨卫星下行信号多普勒频率变化率的自定位方法，不需要精确估计下行信号的发射频率，应用范围广，算法简单有效。
附图说明
[0025]
图1为本发明基于低轨卫星下行信号自定位场景示意图；
[0026]
图2为本发明6颗低轨卫星的星下点轨迹；
[0027]
图3为本发明6颗低轨卫星下行信号的频率提取结果；
[0028]
图4为本发明6颗低轨卫星下行信号频率变化率曲线；
[0029]
图5为本发明接收设备的自定位结果。
[0030]
图6为本发明自定位方法流程图。
具体实施方式
[0031]
下面结合附图与具体实施方式对本发明做进一步的说明。
[0032]
本发明基于低轨卫星下行信号多普勒频率变化率的自定位方法所采用的技术方案是，首先建立基于低轨卫星下行信号多普勒频率变化率的自定位模型，然后根据多颗卫星过顶前后测得的多普勒频率变化率采用牛顿迭代法或网格搜索法获取接收设备的精确位置，如图6所示，具体如下：
[0033]
步骤1：构建基于低轨卫星下行信号多普勒频率变化率的自定位模型。
[0034]
如图1所示为基于低轨卫星下行信号自定位场景示意图，首先低轨卫星绕地球做高速旋转运动，地面接收机与卫星之间始终存在着相对运动；卫星发射下行信号，地面接收机接收到的信号必然受到多普勒效应的影响，此时接收信号的瞬时频率为
[0035]
f＝f0+fdꢀꢀꢀ
(1)
[0036]
其中，f0为卫星下行信号的发射频率，fd为多普勒频率，f为接收信号的频率，且fd可以表示为
[0037][0038]
其中，c为光速，为卫星与地面接收站之间的相对运动速度，第i个时刻的相对运动速度可以表示为
[0039][0040]
其中，为第i个时刻卫星的速度，ui＝ri/||ri||为卫星与地面接收站之间距离方向上的单位矢量，ri＝[x-xi,y-yi,z-zi]
t
，为第i个时刻卫星与地面接收站之间的距离，(x,y,z)为待求的地面接收站位置，(xi,yi,zi)为第i个时刻卫星的位置。
[0041]
其次，根据运动学原理，信号多普勒频率的变化率反映了卫星与地面接收站之间相对运动的径向加速度，二者之间的关系可以表示为
[0042][0043]
其中λ是卫星下行信号的波长，可以通过粗测频得到，根据波长与频率的关系表达式λ＝c/f0，对其求导可得测频误差对波长的影响很小，可以忽略不计。径向加速度可通过对式(3)求导获得，
[0044][0045]
其中，为卫星的加速度矢量。
[0046]
最后，综合式(4)和式(5)任何一个时刻i对接收信号进行频率测量得到多普勒频率变化率应为
[0047]
[0048]
式(6)反映了观测量也就是多普勒频率变化率与待求的地面接收站位置(x,y,z)之间的关系，其中ξi为多普勒频率变化率的测量误差。将n个时刻多普勒频率变化率的测量值用矩阵表示为，
[0049][0050]
其中，ω＝[ω1,ω2,
…
,ωn]
t
，h＝[h1(x,y,z),h2(x,y,z),
…
,hn(x,y,z)]
t
，ξ＝[ξ1,ξ2,
…
,ξn]
t
。式(7)为构建的基于低轨卫星下行信号多普勒频率变化率的自定位模型函数，它与多普勒频率变化率的测量值卫星位置(xi,yi,zi)、卫星速度vi、卫星加速度ai以及待求的接收站位置(x,y,z)有关，其中卫星位置、速度以及加速度均可通过两行星历计算得到。
[0051]
步骤2：利用多颗卫星过顶前后的多普勒频率变化率实现对接收设备的高精度自定位。
[0052]
采用均方误差作为准则函数，对式(7)建立的自定位模型函数进行转化，可得
[0053][0054]
构建最小均方误差准则函数为
[0055][0056]
针对式(9)可采用牛顿迭代法或者网格搜索法进行求解，这里采用基于网格搜索的方法获取接收站位置(x,y,z)。需要说明的是，针对式(9)的求解方法不限于牛顿迭代法或者网格搜索法，采用其他优化求解算法仍属于本发明所要求保护的范围。
[0057]
下面为一更具体的实施例：
[0058]
本发明实验中假设某电子设备的真实地理位置为(121.5
°
e，25
°
n)，由于gnss导航信号失效导致其地理位置未知，通过对多颗卫星发射的下行信号测频获取多普勒频率变化率，结合式(9)完成对该电子设备的精确定位。首先设定卫星下行信号的频率f0为11.325ghz，需要说明的是对于地面接收站而言f0是未知量；本次实验中起止时间设为2023年1月6日01:36:00到2023年1月6日01:48:00，6颗卫星依次经过接收设备上空，其中单颗卫星过顶时间120s，总跟踪时长为720s，如表1所示为6颗低轨卫星的两行星历，根据两行星历可以获得这6颗卫星任意时刻的位置、速度以及加速度，实验过程中6颗卫星的星下点轨迹如图2所示。地面设备依次对6颗卫星的下行信号进行测频获取f，如图3所示为6颗卫星下行信号的测频取结果，多普勒频率的变化率曲线如图4所示。然后根据式(9)利用star-1、star-2、star-3、star-4、star-5、star-6这6颗卫星下行信号的多普勒频率变化率对接收设备进行定位，定位结果如图5所示，测频精度100hz，定位精度为100m，证明本发明所提供的算法在gnss导航信号失效的条件下可实现对电子设备的高精度自定位，算法简单有效。
[0059]
表1
[0060][0061]
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作任何其他形式的限制，而依据本发明的技术实质所作的任何修改或等同变化，仍属于本发明所要求保护的范围。

技术特征：
1.一种基于低轨卫星下行信号多普勒频率变化率的自定位方法，其特征在于，包括以下过程：步骤1，建立基于低轨卫星下行信号多普勒频率变化率的自定位模型；步骤2，利用自定位模型构建最小均方误差准则函数，并根据多颗卫星过顶前后测得的多普勒频率变化率采用牛顿迭代法或网格搜索法获取地面接收站的精确位置。2.根据权利要求1所述的一种基于低轨卫星下行信号多普勒频率变化率的自定位方法，其特征在于，步骤1中构建的自定位模型为：式中，为任何一个时刻i对接收信号进行频率测量得到多普勒频率变化率，r
i
＝[x-x
i
,y-y
i
,z-z
i
]
t
，为第i个时刻卫星与地面接收站之间的距离，(x,y,z)为待求的地面接收站位置，(x
i
,y
i
,z
i
)为第i个时刻卫星的位置，为第i个时刻卫星的速度，为卫星的加速度矢量，λ是卫星下行信号的波长，ξ
i
为多普勒频率变化率的测量误差；将n个时刻多普勒频率变化率的测量值用矩阵表示为：其中，ω＝[ω1,ω2,
…
,ω
n
]
t
，h＝［h1(x,y,z),h2(x,y,z),
…
,h
n
(x,y,z)］
t
，ξ＝[ξ1,ξ2,
…
,ξ
n
]
t
，n为设定值。3.根据权利要求1所述的一种基于低轨卫星下行信号多普勒频率变化率的自定位方法，其特征在于，步骤2具体为：采用均方误差作为准则函数，对自定位模型进行转化，可得构建最小均方误差准则函数为构建最小均方误差准则函数为针对最小均方误差准则函数采用牛顿迭代法或者网格搜索法进行求解获取接收站位置(x,y,z)。

技术总结
本发明属于信号处理与参数估计领域，公开了一种基于低轨卫星下行信号多普勒频率变化率的自定位方法，首先建立基于低轨卫星下行信号多普勒频率变化率的自定位模型，然后根据多颗卫星过顶前后测得的多普勒频率变化率采用牛顿迭代法或网格搜索法获取接收设备的精确位置。本发明针对导航信号失效的场景，提出了一种新的基于低轨卫星下行信号自定位方法，与现有技术相比，该方法不需要精确估计下行信号的发射频率即可实现有效自定位，应用范围广，算法简单有效。算法简单有效。算法简单有效。


技术研发人员：李蕊 邓亭强 窦修全
受保护的技术使用者：中国电子科技集团公司第五十四研究所
技术研发日：2023.05.05
技术公布日：2023/7/27