专利名称：一种格洛纳斯卫星信号星历电文生成方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及卫星导航仿真领域，特别涉及一种GLONASS卫星信号星历电文生成方法及装置。
背景技术：
全球导航卫星系统(GNSS,GlobalNavigation Satellite System)的应用范围已经渗透到测绘、通信、军事、航天、电力、遥感等多个领域，成为了衡量一个国家综合国力的重要指标之一。卫星导航系统是能提供全球覆盖、全天候、高精度、三维导航与定位能力的卫星导航与定位系统，该系统主要应用于深空探测、陆�？盏己�、地质勘探、车辆定位系统等领域，目前它的用户正在以每年50%以上的速度增加，并逐渐形成一个继移动通信和互联网之后的又一个较大的信息行业，如俄罗斯的GLONASS (格洛纳斯，俄语中“全球卫星导航系统 Globl Navigation Satellite Syste” 的缩写)、美国的 GPS (Global PositioningSystem,全球定位系统)、欧盟的GALILEO (伽利略)卫星系统和中国的北斗系统都属于卫星导航系统。从1982年底开始，由前苏联开始了 GLONASS系统的建设，最后由俄罗斯于1996年建成，该系统在1993年只是具备初始作战能力，直到1996年初才真正实现完整星座的部署。GLONASS系统的空间星座部分，由23+1颗卫星组成，其中23颗为工作卫星，I颗为备用卫星。卫星分布在3个等间隔的椭圆轨道面内，每个轨道面上分布有8颗卫星。卫星平均高度为19100km,运行周期为11小时15分,地球轨迹重复周期为8天,轨道同步周期为17圈。由于GLONASS卫星的轨道倾角大于GPS卫星的轨道倾角，所以在高纬度(50。以上)地区的可见性较好。在星座完整的情况下，在全球任何地方、任意时刻最少可以观测5颗GLONASS卫星。通过对卫星信号进行模拟可以在不受时空限制特别是在真实的卫星导航系统尚未组网成功，系统不具备完备定位导航的情况下，根据载体动态特性因素和接收机所处复杂环境对卫星信号的影响，模拟产生接收机接收到的全球卫星导航信号，从而为接收机的研制开发、测试提供仿真环境。但是，在目前阶段，由于卫星技术属于保密技术，GLONASS卫星系统的星历产生原理等并未完全公布，难以对GLONASS卫星信号的电文进行模拟，致使不能生成模拟信号而通过模拟信号为对接收机的研制开发、测试提供数据和仿真环境。
发明内容
为了解决现有技术中难以对GLONASS卫星信号的电文进行模拟的问题，本发明提出了一种GLONASS卫星信号星历电文生成方法及装置。所述技术方案如下一种GLONASS卫星信号星历电文生成方法,所述方法包括获取模拟仿真时间，根据所述模拟仿真时间和全球定位系统GPS星历轨道参数描述方法确定GLONASS卫星系统中的卫星的位置、速度和加速度；
将所述模拟仿真时间和所述卫星的位置、速度和加速度从GPS时空系统转换到GLONASS时空系统下，得到所述GLONASS卫星信号星历电文。进一步地，所述根据所述模拟仿真时间和GPS星历轨道参数描述方法确定所述GLONASS卫星系统中的卫星的位置、速度和加速度，具体包括在所述模拟仿真时间下，使用所述GPS星历轨道参数描述方法确定所述GLONASS卫星系统中的卫星的位置；根据所述模拟仿真时间、所述卫星的位置和卫星星历计算得到所述GPS时空系统下所诉GLONASS卫星系统中的卫星的速度和加速度。进一步地，所述将所述模拟仿真时间和所述卫星的位置、速度和加速度从GPS时空系统转换到GLONASS时空系统下，具体包括将所述模拟仿真时间从GPS_Time时间系统下转换到GL0NASS_Time时间系统下， 并且将所述卫星的位置、速度和加速度从WGS_84 (World Geodetic System 1984，世界测量系统1984)坐标系统下转换到PZ_90 (Parametry Zemli 1990，1990地球参数)坐标系统下。进一步地,所述方法还包括获取载体的位置；根据所述模拟仿真时间和所述载体的位置得到所述载体的实时坐标和速度；根据所述卫星的位置、速度、加速度和所述载体的实时坐标和速度计算得到所述载体接收到所述卫星信号的多普勒频移；根据所述多普勒频移对所述GLONASS卫星信号星历电文进行调制，得到调制信号。进一步地,所述方法还包括根据所述卫星的位置、速度、加速度和所述载体的实时坐标和速度确定当前可见
卫星；根据所述当前可见卫星计算所述卫星信号传输时间，并根据地球自转、对流层延迟、多路径延迟和电离层延迟对所述卫星信号传输的影响，对所述卫星信号的传输时间进行修正；将所述调制信号与修正后的所述卫星信号的传输时间进行合成得到卫星模拟信号。一种GLONASS卫星信号星历电文生成装置，所述装置包括第一�？椋糜诨袢∧Ｄ夥抡媸奔洌⒏菟瞿Ｄ夥抡媸奔浜腿蚨ㄎ幌低矴PS星历轨道参数描述方法确定GLONASS卫星系统中的卫星的位置、速度和加速度；第二�？椋糜诮瞿Ｄ夥抡媸奔浜退鑫佬堑奈恢�、速度和加速度从GPS时空系统转换到GLONASS时空系统下，得到所述GLONASS卫星信号星历电文。进一步地，所述第一模块，具体包括第一单元，用于获取所述模拟仿真时间；第二单元，用于在所述模拟仿真时间下，使用所述GPS星历轨道参数描述方法确定所述GLONASS卫星系统中的卫星的位直；第三单元，用于根据所述模拟仿真时间、所述卫星的位置和卫星星历计算得到所述GPS时空系统下所述GLONASS卫星系统中的卫星的速度和加速度。
进一步地，所述第二�？椋咛灏ǖ谒牡ピ糜诮瞿Ｄ夥抡媸奔浯覩PS_Time时间系统下转换到GL0NASS_Time时间系统下；第五单元，用于将所述卫星的位置、速度和加速度从WGS_84坐标系统下转换到PZ_90坐标系统下；第六单元，用于获取所述第四单元转换后得到的所述模拟仿真时间和所述第五单元转换后得到的所述卫星的位置、速度、加速度，并合成为所述GLONASS卫星信号星历电文。进一步地，所述装置还包括第三模块，用于获取载体的位置；
第四�？椋糜诟菟瞿Ｄ夥抡媸奔浜退鲈靥宓奈恢玫玫剿鲈靥宓氖凳弊旰退俣龋坏谖迥？椋糜诟菟鑫佬堑奈恢�、速度、加速度和所述载体的实时坐标和速度计算得到所述载体接收到所述卫星信号的多普勒频移；第六�？椋糜诟菟龆嗥绽掌狄贫运鯣LONASS卫星信号星历电文进行调制，得到调制信号。进一步地，所述装置还包括第七�？椋糜诟菟鑫佬堑奈恢�、速度、加速度和所述载体的实时坐标和速度确定当前可见卫星；第八�？椋糜诟菟龅鼻翱杉佬羌扑闼鑫佬切藕糯涫奔洌⒏莸厍蜃宰�、对流层延迟、多路径延迟和电离层延迟对所述卫星信号传输的影响，对所述卫星信号的传输时间进行修正；第九�？椋糜诮龅髦菩藕庞胄拚蟮乃鑫佬切藕诺拇涫奔浣泻铣傻玫轿佬悄Ｄ庑藕拧１痉⒚魇凳├峁┑募际醴桨傅挠幸嫘Ч潜痉⒚魈峁┝艘恢諫LONASS卫星信号星历电文生成的方法和装置，通过该方法或装置可以在不能得知GLONASS卫星系统的星历信息的情况下，对GLONASS卫星信号的电文进行模拟，使得通过模拟GLONASS卫星信号为对接收机的研制开发、测试提供数据和仿真环境成为了可能。
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中使用的附图并做简单地介绍，显而易见地，下面所列附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图I为本发明实施例I所提供的一种GLONASS卫星信号星历电文生成方法的流程图；图2为本发明实施例2所提供的一种GLONASS卫星信号星历电文生成方法的示意图；图3为本发明实施例2所提供的一种GLONASS卫星信号星历电文生成方法的流程图4为本发明实施例3所提供的一种GLONASS卫星信号星历电文生成装置的结构示意图；图5为本发明实施例3所提供的一种GLONASS卫星信号星历电文生成装置中的确定模块的结构示意图；图6为本发明实施例3所提供的一种GLONASS卫星信号星历电文生成装置中的电文生成�？榈慕峁故疽馔迹煌�7为本发明实施例3所提供的一种GLONASS卫星信号星历电文生成装置的第二种结构意图；图8为本发明实施例3所提供的一种GLONASS卫星信号星历电文生成装置的第三种结构示意图。
具体实施例方式为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。实施例I本发明实施例I提出了一种GLONASS卫星信号星历电文生成方法，其流程如图I所示，具体包括·
步骤101、获取模拟仿真时间，根据模拟仿真时间和GPS星历轨道参数描述方法确定GLONASS卫星系统中卫星的位置、速度和加速度；步骤102、将上述模拟仿真时间和卫星的位置、速度和加速度由GPS时空系统转换到GLONASS时空系统下，得到GLONASS卫星信号星历电文。通过本发明实施例所提供的一种GLONASS卫星信号星历电文生成的方法，通过该方法可以在不能得知GLONASS卫星系统的星历信息的情况下，对GLONASS卫星信号的电文进行模拟，使得通过模拟GLONASS卫星信号为对接收机的研制开发、测试提供数据和仿真环境成为了可能。实施例2本发明实施例2提出了一种GLONASS卫星信号星历电文生成方法，是在实施例I基础上改进而来。需要说明的是，在本实施例中，提供了一种GLONASS卫星信号星历电文生成方法，并提供了基于该GLONASS卫星信号星历电文生成卫星模拟信号的方法。如图2及图3所示，该方法具体的包括步骤201、获取模拟仿真时间和载体的位置；其中，模拟仿真时间具体为在GPS_Time时间系统下的模拟仿真时间，载体的位置具体的为载体在WGS_84坐标系统下的坐标；需要说明的是，WGS_84是为GPS全球定位系统使用而建立的坐标系统。WGS_84坐标系的几何意义是坐标系的原点位于地球质心，z轴指向(国际时间局)BIH1984. O定义的协议地球极(CTP)方向，X轴指向BIH1984. O的零度子午面和CTP赤道的交点，y轴通过右手规则确定。在本实施例中，载体具体的为卫星导航仿真系统中的仿真得到的卫星信号接收装置，即被定位的对象或接受导航服务的对象。步骤202、根据模拟仿真时间和GPS星历轨道参数描述方法确定GLONASS卫星系统中卫星的位置、速度和加速度；需要说明的是，本步骤202具体的为在当前模拟仿真时间下，使用GPS星历轨道参数描述方法确定GLONASS卫星系统中卫星的位置，根据上述模拟仿真时间、卫星的位置和卫星星历计算得到GPS时空系统下GLONASS卫星系统中卫星的速度和加速度。其中，GPS星历轨道参数描述方法为现有技术，这里不再赘述。步骤203、根据模拟仿真时间和载体的位置计算得到载体在WGS_84坐标系统下的 实时坐标和速度；具体地，在本实施例中，载体在WGS_84坐标系统下的实时坐标和速度可以被定义为载体的位置以及与模拟仿真时间相关的模型。根据需求，载体的运动模型设定包括火箭运动模型、飞机运动模型、舰船运动模型和汽车运动模型。其中火箭运动模型可以根据现有弹道型号，建立典型的弹道数据库，用户选择相近的弹道直接使用；飞机运动模型可以根据航向和横滚角的设定，组合转弯、爬升、俯冲等过程综合得到；舰船运动模型可以由匀速直线航行、变速直线航行、抛锚等简单运动组合得到；汽车运动模型则可以由匀速直线行驶、加速直线行驶、转弯、爬坡等简单运动组合得到。选定了具体的运动模型后，可以计算出对应模拟仿真时间下载体任意时刻下的坐标和速度。步骤204、根据卫星的位置、速度、加速度和载体的实时坐标和速度确定当前可见
卫星；需要说明的是，按照GLONASS 的 IO) (Interface Control Document,接口 控制文档)提供的卫星轨道信息，以GPS星历建模方式对其分析，得到以GPS电文方式描述的GLONASS星座电文。GLONASS星座由24颗卫星组成。卫星分置在三个轨道平面内。每个轨道面内都有8颗卫星。轨道面序号1、2和3按地球旋转方向排列。第一轨道面内卫星编号为I至8，第二轨道面内卫星编号为9至16，第三轨道面内卫星位号为17至24。轨道面内卫星编号按卫星绕地球旋转的反方向排列。在同一轨道面内相邻卫星的标称间距为纬度45。。轨道面进动的平均速率为-0. 592 51 X 10-3 (rad/d)。在地面观测时，卫星跟踪和可见区域重复的时间间隔等于17个轨道周期(7天23时27分28秒)。GLONASS卫星轨道的标称参数如下轨道周期为11时15分44秒；轨道高度为19100km ；倾角为64. 8° ；偏心率为O。相对于理想值位置，卫星在生命期内其位置最大的偏离值不会超过±5°。由于在任何空时系统下，在某一时刻的卫星与载体相对位置不变。因此，根据卫星的位置、速度、加速度和载体的实时坐标和速度确定当前可见卫星，具体的为GPS空时系统下，根据模拟仿真时间、GLONASS卫星系统中卫星的位置、载体的位置以及设定的截止仰角来确定仿真过程的可见卫星。
其中，GPS空时系统包括GPS_Time时间系统和WGS_84坐标系统。步骤205、根据当前可见卫星计算卫星信号传输时间，并根据地球自转、对流层延迟、多路径延迟、电离层延迟对卫星信号传输的影响，对卫星信号的传输时间进行修正；需要说明的是，根据当前可见卫星计算卫星信号传输时间，具体的为将卫星坐标与载体坐标统一到同一坐标系下，计算两者距离再除以光速就可以得到初始信号传输时间。由于在本实施例中，卫星坐标与载体坐标均处在WGS_84坐标系统下，因此，不需要再进行坐标系统一。卫星导航信号的传输时间很大程度上决定于此。但除此之外，传输时间还受到地球自转、对流层延迟、多路径延迟、电离层延迟等因素的影响，需要建立相应的模型对其进行修正。I)地球自转模型地球自转是地球的一种重要运动形式。地球绕自转轴自西向东的转动形成自转， 平均角速度为7. 292X 10-5弧度/秒，在地球赤道上的自转线速度为465米/秒。一般而言地球的自转是均匀的，但精密的天文观测表明地球自转存在着三种不同的变化。地球自转一周耗时23小时56分，约每隔10年自转周期会增加或者减少千分之三至千分之四秒。而卫星导航定位采用的一般是与地球固连的协议地球坐标系，其随地球一起绕z轴自转。卫星相对于协议地球坐标系的位置(坐标值)，是相对历元而言的。若发射信号的某一瞬间，卫星处于协议坐标系中的某个位置，当地面接收机接收到卫星信号时，由于地球的自转卫星已不在发射瞬时的位置(坐标值)处了。也就是说，为求解接收机接收卫星信号时刻在协议坐标系中的位置，必须以该时刻的坐标系作为求解的参考坐标系。而求解卫星位置时所使用的时刻为卫星发射信号的时刻。这样，必须把该时刻求解的卫星位置转化到参考坐标系中的位置。当卫星信号传播到接收机时，地球固连的协议地球坐标系相对卫星的位置产生了旋转(绕Z轴)，其中该旋转角计算公式如下式(I)Δ Ω = ω Δ τ(I)其中，Λ Ω为地球固连的协议地球坐标系相对卫星的位置产生的旋转角(绕Z轴)，ω为地球自转角速度，Λ τ为卫星发射信号瞬时到接收信号瞬时的信号传输时延。故根据公式(I)使用公式(2)将卫星的瞬时坐标改正为
j,, X, cos ΑΩ + y( sin ΔΩ
Jr = vf cos ΔΩ - Xt sin ΔΩ
\ ^ /其中，xt，yt，zt指求出的卫星发射信号时瞬时位置，xr, yr, Zr指在参考坐标系下的用户接收到信号时卫星瞬时位置。需要说明的是，地球自转引起的定位误差在米级，因此精密定位时必须考虑加以消除。2)对流层延迟模型对流层延迟一般泛指中性大气对电磁波的折射。电磁波穿越大气层到达地球表面时，在地表以上50km这一层大气中，分子和原子均处于中性状态，称之为中性大气，它将引起电磁波传播延迟比较大的变化。中性大气包括对流层和同温层，由于折射的80%发生在对流层，所以通常叫做对流层折射。对流层折射包括两部分一是由于电磁波的传播速度或光速在大气中变慢造成路径延迟，这占主要部分；二是由于信号通过对流层时传播路径发生弯曲，从而使测量距离产生偏差。对流层折射与地面气候、大气压力、温度和湿度变化有密切关系。对于对流层折射的影响，在天顶方向的延迟约为2. 3m,随高度角的余弦增大，在高度角为10°时，对流层延迟将增加至约20m。根据接收机具体所处位置，结合经验，建立对流层延迟模型，将延迟反映到信号传输时间上。对流层延迟的基本模型如下式(3)所示
权利要求
1.一种格洛纳斯GLONASS卫星信号星历电文生成方法，其特征在于，所述方法包括 获取模拟仿真时间，根据所述模拟仿真时间和全球定位系统GPS星历轨道参数描述方法确定GLONASS卫星系统中的卫星的位置、速度和加速度； 将所述模拟仿真时间和所述卫星的位置、速度和加速度从GPS时空系统转换到GLONASS时空系统下，得到所述GLONASS卫星信号星历电文。
2.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，所述根据所述模拟仿真时间和GPS星历轨道参数描述方法确定所述GLONASS卫星系统中的卫星的位置、速度和加速度，具体包括 在所述模拟仿真时间下，使用所述GPS星历轨道参数描述方法确定所述GLONASS卫星系统中的卫星的位置； 根据所述模拟仿真时间、所述卫星的位置和卫星星历计算得到所述GPS时空系统下所述GLONASS卫星系统中的卫星的速度和加速度。
3.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，所述将所述模拟仿真时间和所述卫星的位置、速度和加速度从GPS时空系统转换到GLONASS时空系统下，具体包括 将所述模拟仿真时间从GPS_Time时间系统下转换到GL0NASS_Time时间系统下，并且将所述卫星的位置、速度和加速度从WGS_84坐标系统下转换到PZ_90坐标系统下。
4.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，所述方法还包括 获取载体的位置； 根据所述模拟仿真时间和所述载体的位置得到所述载体的实时坐标和速度； 根据所述卫星的位置、速度、加速度和所述载体的实时坐标和速度计算得到所述载体接收到所述卫星信号的多普勒频移； 根据所述多普勒频移对所述GLONASS卫星信号星历电文进行调制，得到调制信号。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述方法还包括 根据所述卫星的位置、速度、加速度和所述载体的实时坐标和速度确定当前可见卫星； 根据所述当前可见卫星计算所述卫星信号传输时间，并根据地球自转、对流层延迟、多路径延迟和电离层延迟对所述卫星信号传输的影响，对所述卫星信号的传输时间进行修正； 将所述调制信号与修正后的所述卫星信号的传输时间进行合成得到卫星模拟信号。
6.一种格洛纳斯GLONASS卫星信号星历电文生成装置，其特征在于，所述装置包括 第一�？椋糜诨袢∧Ｄ夥抡媸奔洌⒏菟瞿Ｄ夥抡媸奔浜腿蚨ㄎ幌低矴PS星历轨道参数描述方法确定GLONASS卫星系统中的卫星的位置、速度和加速度； 第二模块，用于将所述模拟仿真时间和所述卫星的位置、速度和加速度从GPS时空系统转换到GLONASS时空系统下，得到所述GLONASS卫星信号星历电文。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述第一�？椋咛灏� 第一单元，用于获取所述模拟仿真时间； 第二单元，用于在所述模拟仿真时间下，使用所述GPS星历轨道参数描述方法确定所述GLONASS卫星系统中的卫星的位置； 第三单元，用于根据所述模拟仿真时间、所述卫星的位置和卫星星历计算得到所述GPS时空系统下所述GLONASS卫星系统中的卫星的速度和加速度。
8.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述第二�？椋咛灏� 第四单元，用于将所述模拟仿真时间从GPS_Time时间系统下转换到GLONASS_Time时间系统下； 第五单元，用于将所述卫星的位置、速度和加速度从WGS_84坐标系统下转换到PZ_90坐标系统下； 第六单元，用于获取所述第四单元转换后得到的所述模拟仿真时间和所述第五单元转换后得到的所述卫星的位置、速度、加速度，并合成为所述GLONASS卫星信号星历电文。
9.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述装置还包括 第三�？椋糜诨袢≡靥宓奈恢茫� 第四模块，用于根据所述模拟仿真时间和所述载体的位置得到所述载体的实时坐标和速度； 第五�？椋糜诟菟鑫佬堑奈恢�、速度、加速度和所述载体的实时坐标和速度计算得到所述载体接收到所述卫星信号的多普勒频移； 第六�？椋糜诟菟龆嗥绽掌狄贫运鯣LONASS卫星信号星历电文进行调制，得到调制信号。
10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述装置还包括 第七�？椋糜诟菟鑫佬堑奈恢�、速度、加速度和所述载体的实时坐标和速度确定当前可见卫星； 第八�？椋糜诟菟龅鼻翱杉佬羌扑闼鑫佬切藕糯涫奔洌⒏莸厍蜃宰�、对流层延迟、多路径延迟和电离层延迟对所述卫星信号传输的影响，对所述卫星信号的传输时间进行修正； 第九�？椋糜诮龅髦菩藕庞胄拚蟮乃鑫佬切藕诺拇涫奔浣泻铣傻玫轿佬悄Ｄ庑藕�。
全文摘要
本发明提供了一种GLONASS卫星信号星历电文生成方法和装置，属于卫星导航仿真领域。所述方法包括获取模拟仿真时间，根据所述模拟仿真时间和全球定位系统GPS星历轨道参数描述方法确定所述GLONASS卫星系统中卫星的位置、速度和加速度，将所述模拟仿真时间和所述卫星的位置、速度和加速度从GPS时空系统转换到GLONASS时空系统下，得到所述GLONASS卫星信号星历电文。通过本方法可以在不能得知GLONASS卫星系统的星历信息的情况下，对GLONASS卫星信号的电文进行模拟，使得通过模拟GLONASS卫星信号为对接收机的研制开发、测试提供数据和仿真环境成为了可能。
文档编号G01S19/23GK102914781SQ201110223520
公开日2013年2月6日 申请日期2011年8月5日 优先权日2011年8月5日
发明者邓中亮, 孙刚, 杨磊, 李晓敏, 徐连明, 张璐, 尹露 申请人:北京邮电大学
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