应用先验数据的高分三号卫星快速定位方法

刘久利 周波 刘杰 涂兰芬 刘迎娜

(1北京空间飞行器总体设计部,北京 100094)(2航天恒星科技有限公司,北京 100095)

应用先验数据的高分三号卫星快速定位方法

刘久利1周波1刘杰1涂兰芬1刘迎娜2

(1北京空间飞行器总体设计部,北京 100094)(2航天恒星科技有限公司,北京 100095)

针对高分三号(GF-3)卫星多种姿态下快速定位的需求,提出一种应用先验数据的卫星快速定位方法。该方法以GF-3卫星的定位数据和姿态数据为辅助信息,计算导航卫星的仰角,实时判断导航卫星对GF-3卫星导航接收机的可见性,从而减少捕获时间,实现快速定位。GF-3卫星的在轨验证结果表明:应用先验数据的卫星快速定位方法,定位时间为115 s,短于其他低轨卫星的855 s,从而验证了方法的正确性。文章提出的方法可应用于其他低轨遥感卫星。

卫星快速定位;可见导航卫星预测;定位时间;定位数据;姿态数据

1 引言

高分三号(GF-3)卫星是1颗C频段多极化合成孔径雷达(SAR)成像卫星。它在轨运行时存在4种飞行状态(分别为变轨状态、正视飞行状态、右侧视飞行状态、左侧视飞行状态),如果采用卫星导航接收机常规的盲捕方法[1-3]对所有的导航卫星进行搜索捕获,将导致导航接收机定位时间长,不能满足整星多种姿态下的快速定位需求。为此,需要设计一种适用于GF-3卫星的快速定位方法。

目前,在快速定位方面,地面导航接收机根据自己的概略位置(通常使用导航接收机上一次定位位置)和导航有效历书,粗略预测视野内可见导航卫星并优先搜索捕获,减少定位过程中对不可见导航卫星的搜索捕获时间。此外,地面导航接收机采用多种辅助定位技术来减少搜索捕获时间,如辅助导航(Assisted导航)定位、WiFi定位及蜂窝移动网定位等(它们有时会综合应用于定位终端中),使用户可以在不同网络环境下实现快速定位[4-11]。这些辅助定位技术能准确地预报导航接收机可见的导航卫星,并通过网络将这些信息传输给导航接收机,大大减少了导航接收机的定位时间和功耗。

本文根据地面导航接收机快速定位的成功经验,提出应用先验数据的卫星快速定位方法,能解决卫星导航接收机定位时间长的问题,可为各类低轨遥感卫星设计提供参考。

2 应用先验数据的快速定位方法

本文的快速定位方法,首先对定位时间进行分析,得出定位时间长的主要因素是可见导航卫星的搜素捕获时间长;然后提出缩短可见导航卫星搜索捕获时间的总体方案,并给出了实现流程;最后应用先验数据对GF-3卫星导航接收机的定位时间进行具体分析。

导航卫星预报的几何关系见图1。其中:O为地心,U为GF-3卫星所在位置,S为导航卫星所在位置,UA为天线主瓣方向,UN为与UA垂直的零天线仰角面,UP为天顶方向,UM为切线方向,β为导航卫星天线仰角,θ为导航卫星仰角。

2．1 定位时间分析

GF-3卫星在轨飞行时,导航卫星向它靠近时的最大相对速度约为7．8 km/s,根据多普勒计算公式D＝fv/c(L1频率f为1 575．42 MHz,光速c为3×108m/s,v为相对速度),可得此时多普勒值为41 k Hz。考虑到卫星运动方向及留有一定搜索余量,将导航接收机捕获搜索范围设置为±50 k Hz。根据环路牵引特性和频率收敛速度,设置导航接收机搜索频点步长为500 Hz,搜索每个频点耗时2．046 s。因此,每颗导航卫星搜索捕获一遍最长需要410 s,从导航卫星捕获到帧同步耗时最长为60 s,调整秒最长需要120 s,再加上星历接收时间最长需要60 s,由于搜索捕获阶段不能确定所搜索的导航卫星全部可见,因此导航卫星搜索捕获时间还要考虑一些时间余量。综合以上耗时,定位时间需要约15 min,导航卫星的搜索捕获时间约占其中的50%。因此,定位时间长的主要因素是导航卫星搜索捕获时间长。

2．2 缩短可见导航卫星搜索捕获时间的总体方案

为了缩短可见导航卫星的搜索捕获时间,本文主要采用了以下2种方式。

(1)由于GF-3卫星导航接收机运动速度很快,定位中断后,导航接收机内上一次定位结果不能直接用来预测当前历元时刻视野内可见导航卫星,这时可采用外部定位数据辅助的方式,即以卫星姿态、轨道、控制分系统的定位数据作为导航接收机的在轨位置和速度。

(2)导航卫星对GF-3卫星导航接收机的覆盖范围与地面导航接收机不同。由于导航卫星对地球形成一定的覆盖角,特别是由于GF-3卫星在轨运行时的特殊飞行姿态,导致导航卫星的空间应用范围受到限制。要解决这个问题,可将整星的姿态数据作为导航卫星可见性的判据。

综上所述,缩短可见导航卫星搜索捕获时间的总体方案,就是以外部输入的定位数据和姿态数据为先验数据,计算导航卫星的仰角,预测不同历元时刻GF-3卫星导航接收机视野内的可见导航卫星,并预报导航卫星的多普勒频移,提高导航接收机选星预报的准确度,有效减少导航卫星的搜索捕获时间。其主要实现步骤如下。

(1)计算概略位置。导航卫星的位置和速度通过导航历书计算,导航历书预存在GF-3卫星导航接收机中,并间隔固定时间进行更新;GF-3卫星的位置和速度,由其姿态、轨道、控制分系统的定位数据提供。

(2)计算仰角。在每个历元时刻,计算从GF-3卫星导航接收机当前位置及每颗导航卫星的仰角。

(3)估计可见性预报。根据导航卫星的仰角,判断当前时刻每颗导航卫星是否可见,并按照可见的可能性大小对所有导航卫星的搜索捕获顺序进行排序。

(4)捕获配置。在GF-3卫星导航接收机中,根据优化后的导航卫星搜索捕获顺序进行捕获跟踪,减少搜索捕获时间,节省导航接收机功耗。

为了保证可见导航星搜索捕获的准确性,需要对外部定位数据及姿态数据的有效性进行分析,并合理设计其使用方式。

2．2．1 利用外部定位数据的方案设计

为了尽量保持GF-3卫星导航接收机导航定位的独立性,整星始终广播定位数据,导航接收机接口模块接收到定位数据后始终向定位解算模块转发,是否使用外部定位数据进行导航卫星搜索捕获由定位解算模块决定。在导航接收机上电完成初始化后,优先选用外部定位数据进行搜索捕获实现快速定位,导航接收机定位后停止使用外部定位数据,利用导航接收机内部的预报模式进行导航卫星搜索捕获。

为了防止外部定位数据错误导致导航接收机使用外部定位数据后始终无法捕获导航卫星,设计以下2种避错机制。①导航接收机上电完成初始化后,如果利用外部定位数据预报连续5 min后导航接收机未定位,则自行停止使用外部定位数据。②增加允许/禁止使用外部定位数据的总线指令,对导航接收机进行外部干预,在导航接收机执行其他总线指令过程中禁止使用外部定位数据。以上设计既可以有效缩短导航接收机的搜索捕获时间,保证导航接收机快速定位;又不会丧失导航接收机导航定位的独立性,在外部定位数据错误时导航接收机能安全地转换到内部预报模式。

2．2．2 利用外部姿态数据的方案设计

GF-3卫星始终广播卫星姿态数据,导航接收机接口模块接收到姿态数据后向定位解算模块转发,由定位解算模块根据姿态预报模块计算结果选择是否使用当前姿态数据辅助搜索捕获。

为了防止外部姿态数据错误导致导航接收机使用外部姿态数据后始终无法捕获导航卫星,设计以下2种避错机制。①通过判断姿态预报模块输出量之一的“出错标志”,定位解算模块软件选择是否使用当前秒的外部姿态数据辅助搜索捕获。若该标志不为0,即姿态预报模块异常,则不使用当前秒的外部姿态数据,保持上一秒的姿态状态;若姿态预报模块连续30s出错,则不使用外部姿态数据,而是使用定位解算模块原有预报模块完成导航星的搜索捕获,直到姿态预报模块计算正确后恢复使用外部姿态数据;若使用外部姿态数据连续5 min未定位,则禁止使用外部姿态数据,并通过遥测数据包输出该状态,此时需要外部干预才可恢复使用姿态数据。②增加允许/禁止使用外部姿态数据的总线指令对导航接收机进行外部干预,在导航接收机执行其他总线指令过程中禁止使用外部姿态数据。以上设计既可以有效增强导航接收机搜索捕获的准确性,同时在外部姿态数据错误时还可以使导航接收机安全地转换到内部预报模式。

2．3 缩短可见导航卫星搜索捕获时间的实现流程

缩短可见导航卫星搜索捕获时间的流程如图2所示。

实现流程的具体步骤为:①利用姿态信息求解卫星本体坐标系相对WGS84坐标系的姿态转移矩阵Abf;②求天线相对导航卫星的矢量rSA;③求所有导航卫星仰角θ,∠OUS＝arccos仰角θ＝∠OUS－π/2;④求所有导航卫星的天线仰角β,β＝ ∠NUS＝π/2－ ∠AUS＝π/2－arccos;⑤根据导航卫星仰角和天线仰角预报导航卫星搜索捕获排序,并计算各可见导航卫星的多普勒频移。

2．4 应用先验数据的导航接收机定位时间分析

由于导航接收机设置搜索频点步长为500 Hz,因此外部定位数据精度只要满足计算的多普勒误差在(－500,＋500)Hz范围内即可。GF-3卫星姿态、轨道、控制分系统输出的定位数据中,位置信息精度优于2 km,速度信息精度优于0．1 m/s,时间延迟不大于3 s。根据仿真分析可知,满足以上条件可以保证导航接收机通道内的导航卫星均可见,且每颗导航卫星最多搜索0、±1共3个频点即可捕获。同时,考虑到GF-3卫星运动方向及留有一定搜索余量,将导航接收机多普勒搜索范围设置为(－6,＋6)k Hz,需要耗时约50 s。从导航卫星捕获到帧同步最多需要耗时60 s,调整秒最多需要120s,再加上星历接收时间最多需要60 s。综合以上耗时,应用先验数据时导航接收机定位时间约需要5 min,大大缩短定位时间。

3 在轨验证及应用情况

GF-3卫星入轨后,导航接收机采用整星广播的定位数据和姿态数据辅助快速定位,定位时间为115 s(见图3(a)),较以前其他低轨卫星导航接收机的定位时间855 s(见图3(b))大幅缩短,验证了应用先验数据的快速定位方法设计的正确性。

4 结束语

GF-3卫星采用的应用先验数据的快速定位方法,以外部输入的定位数据和姿态数据为先验信息,计算导航卫星的仰角,判断导航卫星对其导航接收机的可见性,并可以预报导航卫星的多普勒频移,从而减少导航接收机搜索捕获导航卫星的时间。该方法目前已经得到了在轨验证,相比于传统的搜索捕获方法,可大大缩短导航卫星的搜索捕获时间,实现快速定位,可以应用于其他低轨遥感卫星。

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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

国家重大科技专项工程

刘久利,男,高级工程师,从事航天器总体设计工作。Email:justin_2009＠163．com。

(编辑:夏光)