一种载体多天线可用导航卫星信号的产生方法与流程

本发明涉及一种载体多天线可用导航卫星信号的产生方法，属于定位导航与控制技术领域。

背景技术：

目前对于对各分集天线的可见卫星通常采用将各分集天线视为同一天线处理的方法，使用卫星导航信号模拟源将各分集天线视为某时刻对应的载体轨迹进行无差异处理，产生该飞行轨迹处可见卫星导航信号，各天线接收的导航卫星信号一致，未考虑各分集天线接收导航卫星信号的差异，不能真实的模拟各分集天线在飞行过程中接收卫星导航信号情况，进而不能真实的测试多分集卫星导航接收机在弹道飞行过程中的性能。

目前产生某时刻各分集天线处可见卫星，将各分集天线位置等同于载体的位置，以载体位置为原点，建立测量坐标系，在该坐标系内，计算卫星的仰角、方位角，如果仰角e≥emin，则卫星为可见卫星，否则为不可见卫星。传统方法中，将卫星相对载体的仰角门限设定为固定值，事实上，这种方法只适合于飞行高度比较低的环境，当载体高度达到中高轨道时就很难计算出真实的可见卫星个数。

技术实现要素：

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足之处，提供一种载体多天线可用导航卫星信号的产生方法，能够真实模拟各分集天线在飞行过程中接收卫星导航信号情况，且在载体飞行的不同高度处均能计算出真实的可见卫星个数。

本发明的技术解决方案是：一种载体多天线可用导航卫星信号的产生方法，包含如下步骤：

(1)配置各分集天线相对载体的位置关系，获得各分集天线坐标系与载体坐标系的转换矩阵：

(2)载体运行过程中的任一时刻，根据载体和某卫星系统中各个卫星在wgs-84坐标系中的坐标位置信息，判断该卫星系统第i个卫星相对载体是否可见，i∈[1，n]，n为该卫星系统的卫星总数；

(3)如果第i个卫星相对载体可见，根据各分集天线坐标系与载体坐标系的转换关系得到该卫星在各分集天线坐标系下的位置：

(4)计算第i个卫星在各分集天线坐标系下的α，β角，α、β分别为卫星相对于各分集天线相位中心的仰角、方位角，若第i个卫星在某分集天线坐标系下的仰角α小于等于设定的仰角门限则认为第i个卫星相对于该分集天线不可见：否则认为第i个卫星相对于该分集天线可见，根据第i个卫星的仰角α、方位角β调整该卫星信号增益及相位，从而产生载体当前飞行轨迹处该分集天线环境下第i个卫星的卫星导航信号。

所述步骤(2)的实现方法如下：

(2.1)根据第i个卫星和载体在wgs-84坐标系中的坐标计算第i个卫星在wgs-84坐标系下相对于载体的位置

其中为第i个卫星在wgs-84坐标系下的坐标，为载体在wgs-84坐标系下的坐标，l、b分别为载体当前飞行轨迹处的经度、纬度；rx(θx)、ry(θy)、rz(θy)表示绕三个坐标轴的旋转矩阵，θx、θy、θz分别表示卫星位置相对于以载体位置建立的测量坐标系的x、y、z轴旋转角度，

(2.2)利用如下公式计算第i个卫星相对载体的仰角e和方位角az：

其中，(xsc，ysc，zsc)为根据解算得到的第i个卫星相对于载体的坐标；

(2.3)当第i个卫星相对载体的仰角e大于设定的仰角门限时，认为该卫星相对载体可见，否则不可见。

所述步骤(2.3)中的设定原则如下：

当载体相时于水平面的高度不高于200km时，当载体相对于水平面的高度高于200km时，r为地球半径，h为载体相对于水平面的高度。

所述步骤(3)中，利用如下公式计算第i个卫星在第j个分集天线坐标系下的位置

其中，rx(η)为载体坐标系与第j个分集天线坐标系之间的转换矩阵，为第i个卫星在载体坐标系下的位置，j∈[l，j]，j为分集天线总数。

所述步骤(4)中计算第i个卫星在第j个分集天线坐标系下α、β角的方法如下：

根据第i个卫星在第j个分集天线坐标系下的位置，得到该卫星在第j个分集天线坐标系下的坐标则α、β满足

其中

所述步骤(4)中设定的仰角门限

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

(1)本发明考虑安装位置对各分集天线可见卫星的影响，通过将卫星所在的wgs-84坐标系下的位置转换为各分集天线所在天线坐标系下的位置来判断该卫星是否可见，并产生可见卫星导航信号，该方法产生的卫星导航信号更加接近载体在实际飞行过程中接收到的导航卫星信号，从而真实的模拟了各分集天线在飞行过程中接收卫星导航信号情况，更加真实的考核了多分集卫星导航接收机的性能。

(2)本发明根据载体高度的不同，设置卫星相对载体的仰角门限对于中高轨道的载体充分考虑地球的遮挡，保证无论是在飞行高度比较低的环境还是载体高度达到中高轨道时均能计算出真实的可见卫星个数。

附图说明

图1中高轨时计算示意图；

图2卫星相对载体建立测量坐标系示意图；

图3载体坐标系与天线坐标系示意图；

图4卫星在天线坐标系下示意图；

图5本发明方法流程图。

具体实施方式

本发明考虑天线安装位置及高度对各分集天线可见卫星信号影响，提出一种载体多天线可用导航卫星信号的产生方法，该方法对各分集天线相对载体安装位置进行配置、区别处理，得出各分集天线的天线坐标系与载体坐标系的转换矩阵，充分考虑天线安装位置对分集天线接收可见卫星信号的影响以及载体高度对可见星仰角门限的影响，通过坐标转换，将卫星坐标转换为天线坐标系下的坐标并判断是否可见，对不同分集天线环境下各卫星的增益、相位进行调整、模拟产生各分集天线在载体飞行过程中的可见卫星信号，使卫星导航模拟源模拟的导航信号能够更真实、准确，进而验证多分集卫星导航接收机在飞行过程中的性能。

如图5所示，本发明的具体步骤如下：

(1)在模拟产生卫星信号之前，使用图形化仿真软件，根据载体的真实结构建立模型，对各分集天线相对于载体的位置分布进行配置，获得各分集天线的天线坐标系与载体坐标系之间的转换矩阵，用于步骤(3)进行载体坐标系与天线坐标系的转换。

(2)载体运行过程中的任一时刻，根据载体和某卫星系统中各个卫星在wgs-84坐标系中的坐标位置信息，判断该卫星系统第i个卫星相对载体是否可见，i∈[1，n]，n为给卫星系统的卫星总数。

具体方法如下：

(2.1)计算第i个卫星在测量坐标系下相对于载体的位置

wgs-84坐标系就是一种以地球质心为原点的地球固连坐标系，坐标系的定向与bih1984.0所定义的方向一致，z轴指向bih系统定义的协议地极(ctp)的方向，x轴指向bih1984.0的零度子午面与ctp赤道的赤道的交点，y轴垂直与xoz平面并构成右手坐标系。

测量坐标系又称为测站坐标系，分为法线测量系和垂线测量系，两种坐标系之间通过垂线偏差转换，本发明测量坐标系指法线测量坐标系。测量坐标系原点0位于测站接收设备天线相位中心，x轴指向大地北，y轴与过原点的地球参考椭球面法线重合，指向椭球面外，z轴与x轴、y轴构成右手坐标系。

式中，分别为第i个卫星和载体在wgs-84坐标系的坐标；l、b为载体当前飞行轨迹处的经度、纬度。卫星在wgs-84坐标系的位置可通过历书预报计算得出，载体在wgs-84坐标系下的位置可通过轨迹文件得到。rx(θx)、ry(θy)、rz(θy)表示绕三个坐标轴的旋转矩阵。θx、θy、θz分别表示卫星位置相对于以载体位置建立的测量坐标系的x，y、z轴旋转角度。

(2.2)计算第i个卫星相对载体的仰角e和方位角az，如图2所示。

式中，为根据解算得到的第i个卫星相对于载体的坐标。

(2.3)判断第i个卫星的可见性。如图1所示，如果则第i个卫星相对载体为可见卫星，否则相对载体为不可见卫星。卫星最低仰角门限值和载体轨道高度有关，需根据载体的高度来合理的设置该门限值。

对于一般的飞行高度小于200公里的载体，某一分集天线接收到的可用卫星个数可满足定位要求，载体高度对可见卫星影响比较小，为减少运算复杂度，可将仰角门限设置为5°。

对于中高轨道的载体，需要考虑载体高度对可见卫星的影响，随着高度的增加，可见卫星仰角逐渐变为负值，需考虑地球的遮挡，当卫星与载体的连线相切时即为θ的最大角度，据此，可以求出其最大角度θmax，仰角门限为-θmax，当仰角大于时认为该星可见。

r为地球半径，h为载体高度。

(3)如果第i个卫星相对载体可见，根据各分集天线坐标系与载体坐标系的转换关系得到该卫星在各分集天线坐标系下的位置。

如图3所示，假设天线安装在载体上时，天线坐标系xa轴与载体坐标系xb轴指向相同，天线坐标系xaoya平面与载体xboyb平面之间的夹角为η，以xb轴为基准，用右手定则确定yb轴至ya轴的转角的极性，符合右手定则转角为正。不考虑两坐标系原点的坐标差，则载体坐标系到天线坐标系之间的转换矩阵为rx(η)，则第i个卫星在第j个分集天线坐标系下的位置满足

其中为第i个卫星在载体坐标系下的位置，

(4)计算第i个卫星在各分集天线坐标系下的α、β角，α、β分别为卫星相对于各分集天线相位中心的仰角、方位角，若第i个卫星在某分集天线坐标系下的仰角α小于等于设定的仰角门限则认为第i个卫星相对于该分集天线不可见：否则认为第i个卫星相对于该分集天线可见，根据第i个卫星的仰角α、方位角β调整该卫星信号增益及相位，从而产生载体当前飞行轨迹处该分集天线环境下第i个卫星的卫星导航信号。

如图4所示，根据第i个卫星在第j个分集天线坐标系下的位置，得到该卫星在第j个分集天线坐标系下的坐标则

其中

如果则第i个卫星相对于第j个分集天线为可见卫星，模拟器产生该星的导航信号，并根据该卫星相对第j个分集天线坐标系下的仰角调整卫星的信号增益和相位。否则，该卫星相对第j个分集天线为不可见卫星，不产生该星的导航信号。

当设定的卫星仰角门限低于5°时，电渡引起的测距误差较大，所以最低卫星仰角门限一般设为5°。

i每次自加1，直到达到最大卫星号n，一次预报结束，如果需要再进行卫星是否可见的预报，则根据当前时刻导航系统历书和轨迹文件得到载体和卫星位置，返回第二步重复执行上述步骤。

利用本发明方法，可通过多次配置各分集天线位置和设置仰角门限参数进行模拟仿真，获得各分集天线相对于载体的最佳安装位置。本发明适用不同轨道高度环境下，各分集天线接收可用卫星信号的产生方法，只需要调整卫星相对载体的仰角门限参数即可。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域专业技术人员的公知技术。