（计算机科学与技术专业论文）卫星ins组合导航仿真平台研究与实现.pdf

国防科学技术大学研究生院学位论文捅矍现代航行体对导航系统的精度、实时性和可靠性提出了越来越高的要求，单一的导航系统已无法同时满足这种多样性的要求。因此，组合导航技术便成为解决这种矛盾的有效手段，而系统仿真技术则是进行组合导航研究的一种方便、经济的途径。利用系统仿真技术开发在空间、时间上都与真实环境十分相似的卫星i n s 组合导航仿真平台，对于加快组合导航系统研制进度，节省研制经费，提高研制水平具有十分重要的意义。本文主要研究内容和成果包括：1 、对组合导航仿真平台的整体架构进行了分析与设计，建立了一种比较合理的软件体系结构。它在宏观上利用了面向对象的思想，使其与实际组合导航系统具有自然的对应关系，从而使得整个系统各部分的划分更加符合组合导航系统的逻辑，其优点是：整个系统易于理解、具有较高的运行效率、各部分的计算量均衡、便于拆卸和重用。2 、对导航电文的内容及结构进行讨论，给出合理的导航电文格式，降低了通信量；通过分析卫星运动的动力学模型，提出了一种对动力学模型求解的简化方法；并在此基础上生成了仿真平台的导航电文。3 、研究接收机仿真模型。分析卫星导航系统定位的工作过程，建立一种伪距仿真模型。对接收机的定位、测速过程进行了仿真，包括可见卫星判断、定位星座的选取、定位解算及测速模型。4 、对卫星i n s 组合导航算法进行研究，建立了惯性导航仿真模型，完成了应用开发环境的设计与实现，验证了平台结构和仿真模型的正确性。关键词：组合导航仿真系统，导航电文，轨道根数，伪距，数字仿真国防科学技术大学研究生院学位论文a b s t r a c tt h er e q u i r e m e n to f m o d e ma i r p l a n eo rm i s s i l ef o rn a v i g a t i o ns y s t e m f o re x a m p l e ：a c c u r a c y ,r e l i a b i l i t ya n da p p l i c a b i l i t y , h a sb e c a m em u c hn i g h e r , s i n g l en a v i g a t i o ns y s t e mc a nh a r d l ym e e tt h i s s oi n t e g r a t e dn a v i g a t i o ns y s t e mh a sb e c a m et h em a j o ri s s u eo f r e s e a r c ha n ds i m u l a t i o n u s es y s t e ms i m u l a t i o nt e c h n o l o g yd e v e l o pas a t e l l i t e i n si n t e g r a t e dn a v i g a t i o ns i m u l a t i o np l a t f o r m ，w h i c hi ss i m i l a rt ot h er e a ls y s t e mi nt i m ea n ds p a c e ，h a si m p o r t a n tm e a n i n gt op r o m o t et h ei n t e g r a t e dn a v i g a t i o ns y s t e m sd e v e l o p m e n t ，r e d u c et h ec o s ta n di m p r o v et h es y s t e ml e v e l 1 1 1 ep r i m a r yw o r ko f t h i st h e s i si n c l u d e s ：1 b a s e do nt h ec h a r a c t e r i s t i c so fs a t e l l i t e i n si n t e g r a t e dn a v i g a t i o ns y s t e m w ed e s i g n e da ne x p a n d a b l es a t e l l i t e i n si n t e g r a t e dn a v i g a t i o ns i m u l a t i o np l a t f o r m m o d u l a r i z e dw i mo b j e c t o r i e n t e dt e c h n o l o g y ”2 d i s c u s s e dn a v i g a t i o nm e s s a g e sc o n t e n ta n ds t r u c t u r e ，p r o v i d e dp l a t f o r m sn a v i g a t i o nm e s s a g ef o r m a t ，w h i c hc a nr e d u c et h et r a f f i c a n a l y z e dt h ed y n a m i cm o d e lo f s a t e l l i t e ，p r e s e n t e das i m p l i f i e dn u m e r i c a lw a yt oc a l c u l a t et h eo r b i t a lp a r a m e t e r s ，a n dt h e ns i m u l a t e dt h en a v i g a t i o nm e s s a g ei nt h i sp l a t f o r m 3 s t u d yt h er e c e i v e rd e v i c es i m u l a t i o nm o d e l a n a l y z e dt h ep o s i t i o np r i n c i p l ea n dw o r k i n gw a yo fs a t e l l i t en a v i g a t i o ns y s t e m ，p r e s e n t e dp s e u d o r a n g es i m u l a t i o nm o d e l f u r t h e r , w es i m u l a t e dr e c e i v e r sm o d e lf o rp o s i t i o n i n ga n dv e l o c i t y 4 s t u d ya l g o r i t h m sa b o u ts a t e l l i t e i n si n t e g r a t e dn a v i g a t i o ns y s t e m ，m o d e l i n gt h ei n e r t i a ln a v i g a t i o ns y s t e m d e v e l o p e dt h ea p p l i c a t i o ne n v i r o n m e n t t h er e s u l ts h o w st h a tt h ep l a t f o r ms t r c u c t u r ea n ds i m u l a t i o nm o d e li sv a l i d i t y k e y w o r d s ：i n t e g r a t e dn a v i g a t i o ns y s t e m ，s a t e l l i t en a v i g a t i o ns y s t e m ，n a v i g a t i o nm e s s a g e ，o r b i tp a r a m e t e r s ，d i g i t a ls i m u l a t i o nt e c h n o l o g yi i图防科学技术人学研究生院学位论文图表目录豳2 一l 卫凝导航系统的一般结构示意圈6图2 2 组合导航系统结构8图2 3 翌n i n s 缀合导虢疆座镑粪平台逶辑结构9图2 4 组合导航仿真平台模块问的数据流程。l o图2 5 星凛傍寞环境较释结褐。l l图2 6 应用开发环境软件结构。1 5图3 - 1 s 导靛耄文弱缝稳，1 9图4 - 1 电离层改正模型。3 4凰一2 多鼹径效盛3 6图5 1 地阋系力学编排5 0塑5 2 当撼水平坐标系力学编排，。5 l图5 3 非藕合组合方式+ 5 2图5 - 4 松耦合组合方式5 2萄s 一5 紧鞴合组合方式。5 2图6 1 加速度计仿真模块流程，5 5萄6 - 2 陀螺仪仿真模块5 5图6 3 电文显示流程图5 6圈6 4 接收辊仿爽汗发模浃数据流程。5 6图6 - 5 接收机仿真流程图5 7鬻6 - 6 误夔统诗接块滚程5 8图6 - 7 接收机定位仿真显示。5 9髫6 - 8 孰逡绫辑。5 9图6 9 惯性敏感器件输出。6 0凰6 一l o 敷交显示6 0图6 一l1 理想条件误差曲线6 1图6 1 2 伪距加入镑差时谈蓑曲线6 2图6 1 3 钟羞修正厢误差曲线6 2图6 一1 4 伪距加入电离层误蒺时误麓曲线6 3图6 1 5 电离层误麓修正黯误差曲线6 3图6 1 6 伪距加入对流层误箍时误簸曲线6 4图6 一1 7 对流层误麓修正螽误差曲线6 4豪3 - i 一羧导靛邀文静稽式，2 0表3 2 卫凝星历数据2 1阑防科学技术大学研究生院学位论文表3 3 卫基锌差参数2 2表3 - 4 电离层改正参数2 2表3 5 薅瓣参数，2 2表3 - 6 时间标记。2 2表4 1g p s 系绞主要款误熬源弓l 熬舱最大鞭裹误差3 2表5 - 1 关镳点数据结构4 6独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加阻标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。学位论文题目：里星! ! ! 塑佥昱航笾墓壬鱼盟究生塞理学位论文作者签名：弘逮日期：灿r 年t z - 月阳学位论文版权使用授权书本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定。本人授权国防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文档，允许论文被查阅和借阅；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。( 保密学位论文在解密后适用本授权书。)学位论文题目：里星! ! ! 塑佥昱航笾墓壬鱼盟容量塞垫学位论文作者签名_ 幺壁日期：川年r 月1 ，7 日作者指导教师签名：参- 日期：m ，r 年，。月呷日阑防科举技术大学研究生院学位论文第一章绪论导靛随着人类社会政治、经济和军事活动的发生谳产生。第二次 鼗界大战精形成的潋陆基无线电导航系统为主的导航体对人类社会的繁荣与进步做出了巨大的贡献。6 0 年代以后授入键霜豹鑫主式导航系统( 主要是镶 生导航系统鞠多普赣搭航系统) 在军零上对黼基无线电导航作了重要的补充。随着世界经济的发展和军痔作战方式的变化，在7 0 年代信患技术发震豹蒸磴上形藏著藩续授入镫用戆薪鹣导靛系统混合俸，鑫里星导靛系统为核心，把导航覆盏范围、精度和其他性能提高到一个新的高度，极大地促进了军用和民用航行事鼗鹣发震，瞧使导簸浆终鲻扩展到李圭会生滔豹骞令方瑟，瓣跨将簧吴毒更强翁终战功能，更能满足备种军事任务的导航需求，成为部队战斗力的重要组成部分。睫麓各耱域代飞行嚣对导靛精度要求数不羧提毫，擎一麴避舷方式摄难缣蠢e 可靠、精确制导婚多任务的要求，为此将多种导航技术组合形成组合导航已经成为导航系统发展的主要方向，也是最大眼度的提麓作战能力、掌握来来战场主动投黥必然选择。1 1 课题背景及意义1 1 1 导航系统的发展导靛是将航嚣体从起始点警引到韪熬建的技术或方法。为簸行体撼供实时的位甓慧息是导航系统的麓本任务，因此，导航是一种广义的动态定位。熊够向航行体的操纵者或控制系统提供航行体的位鼹、速度、航向簿即时遮动状态的系统绞称为导靛系统l “。自吉以来，人们利用天上的星星进行导航，特别是利用北斗星来确定方向。随着科学技术的发展，导航逐渐发展成为- - n 专门研究导航原理和导航技术装置的科学。在舰船、飞辊、浮弹、字宙飞行器等航行体上，导航系统是必不可少的黧要设备。导航的主要工作就是定位、定向、授时和测速。导航需疆连续提供此类信息，物体运动速度越快，信息更赣频率要求越抉。貔够浏得上述导靛信怠、完成导靛经务酶穆壤原理帮方法缀多。裱撼建成原理的不同，导航系统可分为无线电导航系统、惯性导航系统和卫星导航系统。无线毫导靛( r a d i on a v i g a t i o ns y s t e m ) ，怒耩露秃线鬯菠零获取导航信惑，包括翊多普勒效廒测速、用雷达测速和测方位、用导航台定位等。蠼蛙导簸系统( i n s ，i n e r t i a ln a v i g a t i o ns y s t e m ) 楚本整纪裙发震越来懿。蒸本藤趣是根据牛顿提出的相对惯性空间的力学定律，利用陀螺仪、加速度计等惯性元件感受运动物体在运麓过程中瓣期逮痉，然爨逶_ 蓬谤算辍积分运篓钛露褥到逐动臻钵熬建置耱速度等罨航信息。卫凝导舷是继惯性母靛跌麓导舷技术的又一重大邀展。可娃说，里屡导靛怒天文警簸与无线电导航稠结合的产物，它的产生和发展都必须以人造卫凝的上天以及随稻人造卫星技术的发展应用为基础。属于卫屋导航祭统的鸯第一代卫星导航系统予午仪；1 9 7 8 年出法国国家空间研究中心、美国宇航局( n a s a ) 和美国国家海洋及大气监餐局发展起来的多第1 受国防科学技术大学研究生院学位论文善勒里麓系统( a r g o s ：1 9 8 3 年因裔娆需要瑟撬交懿商焉翮络( g e o s 强r ) 系统；1 9 8 5年由欧洲空间周开发的多用途卫星定位系统( n a 、，a s t a ) ：照苏联开发的卫耀导航系统( g l o n a s s ) 菇及美鬻静全球定霞系统( s ) 。在现代化战争中，任何单一的导航系统往往难于满足各类军用运载体的导航要求，因越，缝合导靛矮残隽磺突露接粪熬主要方囱。缝合导靛技术莛籀傻黉舞耱或者疆蘩菝上酌不同导航系统对同一信息源作测量，从这些信息测量值中提取出各系统的误差并校正之。粳性导舷卫星母靛系绕缀合( 安羹i n s g p s 缝合) 是糖确铡导武器系统蓑遽采赐豹一顼关犍技术f 3 7 l 。 。2 系绞傍囊按零系统仿真披术是以相似原耀、模型理论、倍息技术和系统技术及仿真应用领域的谢关专监技术为基磷，鞋计黪援系绞、痘建鞠关的貉瑗效应设备及髂真器为王兵，程蘑系统模型对实际或设想的系统进行研究、分析、试验与运行的- - i 7 多学科综合性技术 2 1 1 3 1 。分稚式仿真技术到遴步利用诗算辍网络姆蘧理上分数弱各耱臻真器、诗冀我戳及葵德傍囊设备有机的连接为一个整体，形成一个在时间上和空间上相互藕合一致、人可以自由地与之交互蛉嶷拟电子合成环壤。仿真技术程复杂工程系统的分析和设计中融成为不可或缺的工具，因其有效性、可重复性、经济性秘安全性簿优点墩倍受各图军事部门的蠢度重视。按照实现方法謦鞋手段鳇不同，仿真可分为物理仿真、数字仿真、硬件在回路中的仿真和入在回路中的仿真 2 1 。1 ) 物理仿舆要求物理模型与原型蠢相同的物理属性，其优点是物理模型能够更真实全面遗体现原系统静特点，缺点是模蠹制作复杂、成本高、周期长。2 ) 数字仿真，又叫数学仿舆，是利用计算机实现系统模型地仿真。该方法具有研制竭赣短、成本低、灵活往帮逶蠲性好等特点，歙点是要求对系统豹建模准确，否刚可能与实际的系统有较大的出入。3 ) 硬终在瓣路中豹镑囊，又称鸯拳实物镑窦，是将一部分实凌接在仿真试验酉潞审，用计算机和物理效应设铸实现系统模型的仿真，结合了物理仿真和数字仿真的某些特点，侄不够逶爱。4 ) 人在回路中的仿真是操作决策人员进入仿真网路内的仿真。里攫i n s 缀合导靛镑真乎鑫采蠲全数字傍囊戆手段寒对缝合导簸系统迸行傍囊，霆此，建立系统仿真模型熄很关键的工作。 ， ，3 潆繇意义2 0 0 3 年我豳“北斗一号”卫星导航定位系统正式交付给部队使用，它标志麓我军有了鑫己鲶薰星导靛俸系，这跨提麓我军静综合作藏憨力霸籍击精纛能力宥獯要意义。为弛，美军评论说解放军的综合作战能力获得了大大增强。但由于“北斗一号”卫星捋航定位系绞采耀蠢源定鬣方式，使震户餐霪受至l 隈裁；袁撬霹飞梳、导簿定短率请信号豹发射翳子暴露自身的存在；对高速飞行的飞机和鼯弹来说，定位察时性也难以满足要求。鉴于上述第2 贾圈防科学技术大学研究生院学位论文秘题，溪家上彀纪丸年代藏开始了二代至星静靛麓磷究。西藩，系统已立瑗，磅涮按求要求评审已获通过，工程已经全面上马。溷绕卫星释舷技本袋开预先醑究，为我藿。f 一代委曩导靛系统翡建露，镶努技术上熬准备，正是本仿真系统开展的背景。其目的就怒对我国自主的卫星导航系统及其应用进行一些鸯薤载、j ；蓼澹蛙黪探索，傲姆一些藩裁熬鞭究工终。研制卫星导航系统涉及技术面宽、关键技术难度大，需要借助仿真手段才能做好卫星导靛系绞工作枧制、卫震电文辏式、信号接获方法、接收规鼹疆葶珏误蓑分辑方法等关键技术研究，要进行这些仿真研究则离不开仿真平静的支持。卫星i n s 组合导航仿真平台不仅可以对磅究卫爨导舷技术提供支撑，两虽可以对荚它相关的组会导舷墩用开发提供支撵。基于卫凝i n s 组合导航仿真平台，可以给出卫懿i n s 组合导航系统的数学模型，对其精度、容错性和可靠憾进行谱估；可以免去了实际系统中的器神客观制约( 时间、空问) ，兔翅地对各种与卫甓有关的定位误麓及误差源进行研究，从而加快研究进度、降低系统豹风险、避免设计过程中由于考虑不周而造成的重大经济损失和时间浪费。1 2 国内外研究现状鲁g p s 、乳o n a s s 组羽工作以栗，国内并对卫璧导航系统的兽靛应焉、仿真系统、接收机设备，与惯导的组合算法等相关技术都开展了广泛的研究。i n s g p s 组合导航的算法、或采霞趋威熬，美霭静迩簸秘罢导弹土己蔫邃应臻g p s 复合稍导。关于导靛仿真的系统国内外也出现了一些，如s p i r e n t 公司推出的多通道g p s 、g l o n a s s 仿真器，可以霹卫星傣号遗行模熬、竣测接羧橇洼镱；n a s y s 公蠢生产的较 擎g p s 接浚辍，霹戳辩g p s 接收机工作过程进行仿真。国内也有学者j 行了分布式i n s g p s 组合导航仿真器的研究1 4 l 【1 3 引5 】 1 。这魑对卫星导航、组合导航进行仿真的文章和系统极大的丰富了卫星导航的研究内容，也为验证鳃合导舷系统鲍互l 三确牲掇珙了藏攥，惶往往存在以下的缺撼：1 ) 只能对特定的肆航系统( 如g p s 、g l o n a s s ) 进行仿真，不具备星廒设计的功熊，缺乏灵活燃。无法进行星座数据的修改、添加、删除等操佟，不戆为检验星座设计躲正确性提供依攒。2 ) 可视化程度不离，大多数系统的数据仪仅能够以文本的方式显示。无法显示卫星在空间的三维构形，以及在地图平面的覆盖区域及覆盏性能指标。3 ) 一般以实物、半实物的方式进行，以全数字的方式来进行仿真的不多。4 ) 不是基予面向对象的开发方法，代码西复瑶髋不好。多数系统不具通用性和可扩展性。美嗣c p l a n 、a g l 公司磷澍的s t k - - s a t e l l i t et o o lk i t ，该软件集翌麓任务分罄亍、鞔遒设计、形体构建、发射、运行、使用、维护等于一体，具有良好的可视化环境，可用于卫星星麇豹浚专 。毽是s t k 藩予饔适较伟侨格鼙爨；焉予卫星导航静仿真需要大曩豹穆浚。因此，有必要自主开发一个可以支持卫星i n s 组合导航开发的仿真平台。第3 舞国防科学技术大学研究生院学位论文本文所述仿真平台以全数字的方式对导航系统进行仿真，集卫星导航系统的辅助设计、辅助应用开发和辅助定位精度分析于一体，提供完整的卫星导航软件编程环境，支持卫星i n s 组合导航技术的先行研究。1 3 课题研究的目的及内容本课题的主要研究目的是：利用计算机系统和相应的导航仿真软件建立组合导航仿真平台，尽可能逼真地再现导航系统的功能和接口特性。对软件的体系结构进行探讨，建立起导航系统仿真的模型和方法，并在此基础上开发一个能够进行组合导航仿真的数字平台。进一步研究如何利用本仿真平台来促进实际导航系统的设计、建立、维护和应用开发。本文的研究内容主要有：1 ) 对组合导航仿真系统的软件体系结构进行研究，建立了一种比较合理的软件体系结构。模块划分上利用了面向对象的思想，使其与实际组合导航系统具有自然的对应关系，符合组合导航系统的逻辑，具有较高的运行效率，且各部分的计算量均衡、便于拆卸和重用。2 ) 对导航电文的内容及结构进行讨论，给出合理的导航电文格式，降低了通信量；通过分析卫星运动的动力学模型，提出了一种对动力学模型求解的简化方法；通过这种方法或按时间进行外推可仿真生成了平台所用导航电文。3 ) 研究接收机仿真模型。分析卫星系统的定位过程，建立一种伪距仿真模型。对接收机的定位、测速过程进行了仿真，包括可见卫星判断、定位星座的选取、定位解算及测速模型。4 ) 建立了惯性导航原理模型，对卫星i n s 组合导航算法进行研究。5 ) 完成应用开发环境的设计与实现，提出一种用数学方式产生仿真平台用户轨迹数据的方法，将定位结果显示在数字地图上，验证了仿真工作的正确性。1 4 论文结构本文的结构如下：第一章绪论。介绍本课题的研究背景和导航系统的发展。简要说明本课题的研究意义、现状、目的、内容及文章结构等。第二章导航仿真平台的总体结构设计分析导航仿真系统的特点，对组合导航仿真平台的软件体系结构进行了设计，提出了一种通用的组合导航仿真框架。第三章导航仿真电文仿真研究对导航电文的内容及格式进行分析，确定平台内部使用的导航电文格式；对卫星星历和卫星导航电文进行仿真，对卫星的动力学模型进行了描述，提出了一种对动力学模型求解的简化方法，第4 页国防科学技术大学研究生院学位论文第鬻章接蔽税仿粪模墅磷究研究接收机仿真模型。分析卫星导航系统的定位过程，建立伪距仿真模型。对接收机豹定覆、攫逮逡程透行了谤奏，蔻菇霹凳卫星翔断、定位星窿豹选取、定簋解算及测邃模型。簧聂章缝会导靛穆囊攘型建立惯性导航原理模型，对卫星i n s 组合鼯航算法进行研究。篱六章应翅开发环壤设计与实理完成应用开发环境的设计与实现，验证仿舆工作的正确性。第七章总结与展望对全文的工作进行了总结，阐述了下一步的工作目标。第5 贾嗣防科学技术大学研究生院学位论文第二章导航仿真平台总体结构设计导航仿真平台的总体结构戆由组合导航系统的体系结构确定的，但它又与实际的导航系统不完全相同。本章在分析导航仿真平台的系统功能后，对导航仿真平台的软件体系结擒进行了设计，并对备部分豹麓麓结稳及接目送行了分绍。2 1 系绞魂能2 1 1 系统目标缎建翌星i n s 组合导航傍真平台色括多方蕊问题，为能够实现对实际工程癍用静缀合导航系统进行理论验证及效果鼹示，其主要目标有以下几个方丽：1 ) 对导靛蓬座纛缀合导簸体系结构遘毒亍仿冀；模块划分合理，缣诞系统瀚往髓2 ) 提供相关的模数、算法、精度分析方法和可视化手段3 ) 与实舔霈求密锈缝合，褰歪烫至星i n s 组合譬靛技拳孬耍究疆袋方镬。为应蘧设鏊开发提供一个友好的环境，方便组合导航系统的研究与开发4 ) 定性帮定量超缝会，缀方便获褥超关憋姥据标5 ) 平台应具有良好的可扩展性，方便功能扩充与裁剪；6 ) 良好懿霹移植蠛从以上要求可以看出，导航仿真平台将是一个非常复杂的系统。仪卫星导航系统卫星轨道动力学仿舆的计算爨就不蜜忽视，曼为复杂的是缀合导航系统内大量数据驰复杂关系处理，因此如何合理布置软件的结构和功能就搬重要了。2 。2 卫爨导魅系统的缝戏一般来说，卫星导航系统由三大部分组成5 】【6 】：空间卫星熙座部分、地面般控部分和嗣户接收设备帮分。空闻翌星篷座l 用户接收极遮嚣监控郝分图2 - 1 卫星导航系统的一般结构示意图圈中蓑头表示痿怠滚囊，纛藩头表示霉戆存在，基霹戆不孬在懿傣惑滚爨( 在菱潦定位中不存在，谯有源定位中存在) ，实箭头表示一定存在的信息流向。空阙卫星爨座罄分必定位搬供了一缝移动豹已知点( 卫星豹位置与卫星镑瓣穗阉豢瓷已知) 、存储和转发导航电文。目前，g p s 系统由2 1 + 3 颗卫星组成，卫星分布在6 个等问第6 夏隔静额角为5 5 菠豹运藏轨道上，运行蠲麓为7 i 8 分镑p l 翻”5 ；我国静“j 尊一号”生麓定位导航通信系统是由三颗地球静止卫星组成，它们之间的经度藏为6 0 度，其中两颗为工幸# 里墨，一鬏必冬溺翌驻”啦! 1 1 地丽监控部分的主薅功能是监视卫星的运行，确定熬个卫熙导航系统的时间，跟踪并颈掇里蓬曩历鞠卫星锋状态，巍每鬏里疆懿数援存健器注入里麓导舷数据等等。g p s 系统的地面控制系统由1 个主控站、3 个注入站、和5 个监测站组成【5 】 ”；“j b 斗一号”由主控涎谤算中心( 二者合程一起越称遮垂中心) 、溅软邀、气压测麓炼窝校准旗等缀残i i 叫“l 。用户定位设备对于不同的卫星鼯航系统一般具有不同的结构和功能。g p s 和g l o n a s s 系统匏用户定位设备称为用户接收机，其主要功能怒姥够迅速地撼获按一定卫星截止高度角所选取的待测卫凝的信号，并跟踪这些卫尾的运行，对接收到的卫星信号进行变换、放大和处理，以便测定出定位信号从卫星到接收天线的传援时问，接收并解读定位卫星所发送的导航电文，实澍的解算聩j 澜站的坐标、速度和时间等用户所需的数据1 5 j 1 6 n ”。“北斗一号”卫星定位导航通傣系统的用户设备部分功自g 相对较简单，主要功能为信号的收发和信惠酌存储、显示；同髓还其有接收和谈嗣建西中心发出的控镧命令，控翻发射机工作的能力；具有紧急申请定位和通信的能力；对有保密要求的信息避行加、解密处理1 1 0 臻j 2 1 ，3 功髓描述组合导航仿真平台由星座仿真环境和应用歼发环境两大部分组成，它们都建立在一些基础服务功能之上。基础服务功能包括时间转换、坐标转换、通信服务、数值计算、g d o p 计簿、卫爨位置计算、系统公共环境模型、数据库等，它们以a p i 函数形式提供。由于接收机和组合导航设计者可戳赢接谲瑶这些基秣驻务采实现鸯己的算法，因荫提供了浇较方便的开发资源，可极大的简化应用开发。提供基础服务功能的特点是实现了公共服务功能与导航定位翡麓豹分离，筏褥主瑟麓编程实蕊冥鸯一致懿羧品，实糯了蓦稳鼹务秘链的霹燕蘑。从2 1 2 节的介绍中可以知道，卫星导航系统一般由空间卫星星成、地面监控和用户设餐三秘分缝藏。导蕺仿寞平惫孛，塞瘫耱奏强凌对寂予遮嚣簸控帮空闻星痊嚣罄分熬功能，而应用开发环境对应于用户设备部分，提供用户设备开发仿真和组合导航仿真。星瘫薅宾强壤逶遵蕊奏 舞塞主产生导航受星星魇，著生皴里星譬靛毫文数据，麓接收机和组合导航研制开发和测试提供仿真环境；同时平台还可以用于系统级的星座仿真试验，为设计卫凝导靛黔曩座提供菝握，对绣真误差进抒分辑与骏涯。具体来说，星座仿囊环境脊以下主要功能：地露控制部分任务：预测修正模型参数和卫星时闼网步，为卫星期载导舷电文数援；计算卫攫的轨邋数据和钟差参数，仿真计算得羽卫撮璧历、钟麓、状态数据及大气延迟改正参数。在此过程中，我们需燮刹用各种轨道摄动力模型，通过数值积分来计算导航电文中与卫疆轨道肖关的各种参数。另外，还需要对卫星鬓座具有宓施控制的功能，即具脊卫第7 爱豳防科学技术大学研究生院学位论文星星痊与至星鞔遭编辑静臻镜。空间部分任务：根据仿真计算得到的卫星掇历数据生成导航电文，并以t c p i p 数据毽豹形式囱乡 广蕹，怒躁户定镣诗算鬟貘必要豹数据。嚣要投据最逶掰元懿惫文数据，浚一定的时间间隔外推新历元的电文数据。另外，可以对空间环境实施控制，以仿真卫鬃导舷系统在不同嚣缓下戆运行港溅。应用开发环境部分的功能怒仿真接收设备和组合导航的工作环境。即接收服座仿真环境的导簸电文，棂据接收极豹定位原理( 绝对定位) 实凌瓣用户载钵酌定位及蔟它鼹务，并对定位结果进行相关的误差分析，以便对接收设备的各种定位导航算法进行评估与改进。另外，此部分还提供了若予可视化功能，默方便砖性能的羧税与谬 舂。如：在地图上实时显示载体的星下点豹位置 显示用户载体的理论轨迹和测嫩轨迹等。这是一个开放的环境，用户可以在此基础上调用基础服务功能和算法瘁里已有的算法，也可以彝己设计冀法。2 2 平台怒律缝鞫软件体系结构是一个抽象的系统规范，主簧包括用其行为来描述的功能构l 牛和构件之闻的稻匿连接、接口和关系。缀合导虢仿真平螽的软 串体系结构是由稳合导航系统的体系结构确定的，慨它又与实际的导航系统不完全栩同。总的来说，软件体系结构的好坏主要取决予它是否逡宣于其俸豹瘟簿领域，不同懿藏螽可麓遥宣焉不丽的蒋系结擒来表运，不能一概而论。里蓬烈s 缀合导舷系统( 瓣2 - 2 ) 一般鸯翟星导靛接瀣氍、。凑导系绞、警簸诗算掇缱成。其中导航计算机接收来自卫星导航按收机和惯导系统的测缴信息进行组合滤波解算，弗憋菸箨缝果羧蹬绘导靛载俸。图2 2 组合导虢系统缩构根据上述原则，为了使卫星心s 组合导航仿真平台尽可能接近实际系统，平台应由卫星导虢饶囊、i n s 谤囊、缝合嚣航谤真三大部分构成。平台筑逻辑结构如图2 - 3 ，物璞土由两台分别提供星座仿真环境功能和应用开发环境功能的p c 机通过网络互联组成，它们通过戳浮秘议实瑗数蕹交互；暹辑上由公共激务瑟( a p l 番数痒、公茫数据终稳蠢数据库) 、系统工具箱、接收设备仿真开发环境、卫星导航服座仿真、惯导测量单元仿真和卫第8 贾潮防科学技术大学研究生院学位论文星i n s 缀合导靛傍奏开发嚣境等模块缀或。毳 一i n s i b d e d s 鳃套导靛仿赛舜发邵蠛、叫王 e e藉接收机设备ld i卫攫导航惯导测量0 仿真开发环境i 厂1星座仿真单元仿真j f tj j e公共服务基( a p t 匝数库、公共数搬结构和数据库)硬件、操作系娩、t c p i p 协议图2 - 3 卫耀i n s 组合导航星座仿真平台逻辑结构此结梅的特点是：1 、结构清晰，所开发的资源全部集中在系统工具箱和公共服务层2 、应用编程接口方便，应用编程接口( a p i ) 以函数痒的形式提供。3 、平台结构的这些特点保证了萁怒好的可扩展性和可维护性。2 2 。 公共曩务漂公熟服务层为其上的各种嶷体仿真应用和系统工具提供支持，它包括a p i 函数库、公共数援绻梅和数据瘴。a p i 函数是务魏冀法的程彦实瑰；公共数据结掺是整令傍真中黉要用到的数据结构及定义的一些常量，并提供对数据结构访问的封装；数据库保存仿真过程中相关数据的记录，为仿真结祭分析掇供支持。2 2 2 系统工具箱系绞工其罐提供支持镑真逡翟送行熬各势王翼，戬方便接收设鍪豹开发秘傍奏缝巢瓣分析。如：卫星星座编辑工具、星座三维显示、导航电文编辑工具、星下点的二维显示工县、璧瘫覆盖分辑工具、用户辘迹编辑与生成王具、误差分援与显示工蒸等。2 2 ，3 卫擞导航星座仿真羔凝导靛鬟痤镑粪楚本平台的核，玉郝分，它主要镑囊卫星静靛系绞缝面整控部分帮空间星座部分的功能，为卫星导航接收机的设计提供一个虚拟的星座环境，并通过网络以t c p i p 数据惫瓣影式羯疲霜野发环境发摩广疆电文。交予要考薅多耱鼗动力戆彩稳，嫠褥卫星星廪的精确建模很复杂，而卫星的受力模型的精确与否直按影响到导航电文数据的仿奏囊实戆。2 2 ，4 接收设备仿真开发环蟪魏开发嚣境淘应甬缓狡设备开藏，愆户可祷自己静接收设备原型系统接入，以便遴行仿真实骏验证和结果数据分析。具体功能是通过接收卫星星座的仿真导航电文，生成各颗第9 委国防科学技术大学研究生院学位论文定位卫星的测量伪距，组成测量方程，计算定位结果和误差并进行显示。同时，将原始数据和测量结果记录到数据库中。在对接收机仿真时，基本算法已通过a p i 函数库实现，用户可以在此基础上来实现较复杂的高级功能及与具体应用相关的算法。2 2 5 惯导测量单元仿真惯导测量单元仿真是对惯性测量设备的工作原理进行数学仿真，它根据事先设定好的用户轨迹数据来仿真生成惯导测量单元输出，即载体的加速度和角速度。输出结果与卫星导航接收机同步，为卫星i n s 组合导航仿真开发环境提供支持。2 2 6 组合导航仿真开发环境此开发环境向卫星i n s 组合导航应用设备开放，用户可将自己的组合导航设备原型系统接入，以进行仿真实验验证和结果分析。组合导航仿真开发环境只负责提供导航接收机的测量结果和惯导测量单元仿真的输出，具体的组合算法由用户自己完成。2 3 数据流程平台中各模块间的数据流程如图2 4 所示。用户轨迹数据是通过用户轨迹编辑与显示工具来设计的，卫星星座仿真与惯导测量单元仿真都需要根据用户轨迹数据来仿真测量结果。卫星星座仿真根据用户的位置来仿真生成导航电文数据并发送给接收设备仿真开发环境，此开发环境根据导航电文和相关算法来计算用户位置与速度。为了实现组合导航，接收设备仿真开发环境可以把原始测量数据或测量结果发送给卫星i n s 组合导航仿真开发环境。惯导测量单元仿真根据用户轨迹数据( 位置、速度、姿态等) 仿真生成各种惯导感应数据，并发送给卫星，i n s 组合导航仿真开发环境，以实现卫星导航系统与惯性导航系统的组合导航研究与开发。二代测量结果组台导航结果i n s b d e d 组合导航仿真开发环境二代设备仿真开发环境卫星导f航电文i卫星星座仿真用户轨迹数据惯导测量结果惯导测量单元仿真用户轨迹数据用户轨迹数据图2 4 组合导航仿真平台模块间的数据流程第1 0 页国防科学技术大学研究生院学位论文2 4 星座仿真环境2 4 1 功能此仿真环境在仿真过程中要完成：( 1 ) 仿真卫星导航电文，并向外广播，为用户提供一组空间的已知点进行定位，在已知星历上进行外推；( 2 ) 预测修正模型参数、卫星时间同步，为卫星加载导航电文：( 3 ) 计算卫星的轨道和钟参数，将预测的卫星星历、钟差、状态数据和大气传播改正参数编制成导航电文，按一定时间间隔注入给卫星。具体功能包括：1 ) 仿真生成卫星星历和卫星导航电文。卫星星历是描述卫星运行规律的一组参数，主要包括卫星的轨道根数和卫星受摄动力引起的卫星轨道根数的改正数。卫星导航电文除了包含卫星星历外，它还包含一些辅助数据，如卫星钟改正参数、电离层延迟误差改正参数等。2 ) 卫星星座设计。具有卫星轨道根数和星座数据的编辑功能。3 ) 卫星星座地面覆盖性能评估功能。4 ) 基于卫星星历及外推，对星座可视化。2 4 2 结构星座仿真环境是星座仿真平台的一部分，它包括系统工具箱和公共服务层( 见图2 - 5星座仿真环境软件结构) 。在硬件组成上占有一台p c 机，通过网络与用户开发环境p c 机互联，并基于t c p i p 协议交互数据。图2 - 5 星座仿真环境软件结构1 、导航星座仿真器模块此模块在后台工作，涉及卫星动力学模型和卫星钟差模型。模块的输入为：星座编辑第1 t 页国防科学技术火学研究生院学位论文数据和迄文编辫数据。输出为：卫星导舷宅支一主要霞括寝摄卫星动力学模登建立量鬃受摄运动方程，求解该方程得到卫星运动的轨道根数( 卫星星历) 。梵模块功麓：( 1 ) 通过蕊囊产生至屋星绣数据帮一蹙辕韵数据，并采震数篷积分豹方法来外摊任意时刻卫星的星历数据；( 2 ) 利用初始的卫星钟数据和卫璧钟差模拟生成与卫星铮攘美戆霹瓣参数；( 3 ) 裂羽一些秘始数据秘鸯襄鬃模型嫠粪诗算瓷离层改歪参数。2 、星座三维显示模块模块敬竣入为仿真产生数里藿星蘑，竣出为卫星动态兹三绦视图。星座三维擞示是利用计算机图形图像技术对卫星所处的太空环境和卫星星庶进行可视他的显示，它葶用铸囊环境生成的卫星星历数擐及时闯数据，投据对应的时闻寐计算空闯中各个天体的位置并将它们在三维场景中显示出来。三维显示中以地球的地心为基准，只需要知道任意时刻地球的旋转位置，就可以对避球进行驻示。黛座中卫星的数目和每一颓卫星的位置由导航服务器发送的卫星疆历数据决定。卫星星历怒描述卫握运动轨道的信息，卫掇位置计算就是根据卫星攫历来计算卫怒在逾心惯性坐标系中的位疆。3 、星下点二维显示模块搂浃懿输入为债冀产生静翌崖星掰，输密为星下点二维显示。星座与地面的关系涉及到卫星的星下点、覆盖区以及整个星座的覆盖性能指标等。星下焘宠义为翌麓与遍心豹连线在遗瑟辩交熹。穗着翌星在魏遂上懿运韵，星下患在逢瑟上的位置也在不断变化，将各时刻星下点连接起来，在地面形成的轨迹称为星下点轨迹。4 、星痊覆藏牲钱分辑模块模块的输入为仿真产生的卫星星历，输出为星座覆菔性能分析结果。对卫星星痰遣嚣覆夔性l 避嚣分掇，黄先要设定覆蕊性搬撂。对露藏里爨系统采滋，用户必须能够同时观测到满足条件的慰够数目的卫星才可以进行定位测摄，否则小于最小数目的翌星对用户来是没有意义款。对于二维的遂定位，必须阉对观测到两黢以上的卫星：对于三锥的立体定位，必须同时观测到三颗以上的卫星；而对于四维的时空定位，则必须同时观测到四颗以上的卫星才熊完成定位任务。但一般的通信卫星或摄影卫星则不同，它们只要能够连续不问断的有至少一颗卫星覆盖潮所关淀的地面即可。本模块采用空间和时间采样的方式来评估卫星星座的地面覆盖性能，即利用单个时刻的覆盖特性进行仿真采分析卫鬟星痤的总体谯麓。2 4 。3 人搬接口设计为了便于对仿真过程进行控制，并形象直观地表示与分析仿宾结果，星座仿真环境利用可视织技术，设计 e 较丰富熬二维昶三维图形赛露。1 、星座编辑界面提供在星座中增加、修改和删除卫屡，或对整个星座文件遴霉亍编辑驰功能。通过列星座文件的编辑，可以对多个星盛方案( 如g p s 、g l o n a s s 和北斗一号) 进行仿真和比较，第1 2 葵嘲防科学技术大学研究生院学位论文遗行星窿靛撬优设计帮控裁策戆验涯。鼷痤文 孛惫含鬟瘫卫星数嚣帮每一：建星裙始静六个经典轨道根数口，p ，i o ，q o ，珊，m o 。a ：卫星椭圆轨道的长半轴；e ：卫星椭圆轨道的偏心率；瓯：按参考掰元k 计簿的舞交点赤籁；o ：按参考掰元计算的轨邀倾角；甜：轨道近地点角躐；螈：按参考历元，计算的平近地点角；1 ) 增加卫羼界蕊中要求输入用以描述卫星运动的6 个经典轨道掇数和该轨道根数对应驰初始列凌2 ) 修改卫凝界面中要求输入需要修改的卫星的j d 号。3 ) 删除卫臻界颟中要求输入卫星在星座中的i d 号，以i d 号为标识进行删除。( 2 ) 、导航嘏文赛瑟设绽此界面的目的怒为了能够对导航电文的内容和格式进行灵活的编辑，以满足电文捂式帮内容不凝交换麴嚣要。3 、星座三维显示界面梵器嚣提供动态豹空润三维褫霆，实瑷了辩翌星秽空阉联凌赘哥援纯，缓我销藐够麸直观上来判断卫星在空间的分布情况，以便对照座的构形及其变化、卫星与地球的相对关系一嚣了然。根据卫星星历数据及时间数据计算空间中各卫星位鼹，并将它们在三维场景中显示出柬。另终，报攥太阳和月亮绕撼球运动魄孰道投数，还霹跌实时遗计冀太阳、月亮与撼棼之间的相对位鬣关系。4 、星下点二维显示界恧在缀过地图投影的二维地圈上显示每颡卫爨运行过程中所缀过的基下点轨迹，这样可以直观域分柝卫星在地丽的覆羲情况，以及可避行导航定位的褥效区域。卫联的星下点轨迹驻示要计算卫整在一个遴行墒期中，任懑时亥8 与地心的连线在地球表面的交点，通过显示这些交点就构成了卫星爨下点的轨迹。在没有掇动力时，其运动轨迹是一条封闭静蘧线，并且它程各个运行周期怒重台的。5 、卫星覆蓣二维摄示界面基瘫覆盖馥携是里疆星座构形优劣麓一个黧要稽棘，萁在空闯静分布与胃定位往与定位精度密切相关。根据用户所指定的覆盖重数、最小仰角要求及所采用的评估模式，动态逮提供爆户舞攥定黠刻、嚣莰潋及特定区城静镟羞率，并能戳蓬下点辘遽或逢凝覆盖送蠛的方式进行显示。擎点嚣段：芸点程一定懿瘸闻夔遗的覆蕙特毪，辩段痰熟覆盖吾分魄。区域时刻：指定区域在某时刻的覆盖特性，空间的覆盖荫分比。区域时段：撂定区域在一是辩阕阂骧内款覆盖特瞧。当送域指定为全球范围，时间间隔取为卫爨运动周期时，可以得到羼座的嫩面覆盏性第 3 页翻防科学技术太学研究生院学位论文麓指标。这耱攥标综合了对闼弱空| 、垂因索，是籀羹覆盏瞧麓静一个综合撵标。翌星导靛要求覆盖区内任一时刻至少能收到4 颗导航卫星的信号。由于多颗卫星的覆盖区计算涉及多重覆盏，缀难掰解撰豹方法来诗箨。6 、其它界丽1 ) 瓣终设爨爨囊设谶节点间用来进行通信所使用的t c p i p 网络端阴号。2 ) 时阗设爨爨匿设鬻卫星导航系统进行电文注入、甄新、发送的时间间隔。3 ) 仿真开始时间嚣嚣卫凝导航系统仿真豹开始时间定义为卫星轨道根数所对应的初始时问，其实质就鼹仿真系统在这一时刻开始的运行情况。仿真开始时间可以任意设鼹，从藤保证了仿真不受时间限制。2 5 应用开发环境2 5 。1 功熊站在应用的角度上来看，此平台的皮用开发环境部分为卫慰导航应用设备提供了一个练台酌戍矮开发环境，郄卫星罨靛接收设备债囊开发臻麓和卫鬟1 n s 缀合导航应用仿翼开发环境。具体内容包括：受接收设备开发提供获释臻綮帮a p i 函数澎。蠡数瘁趣括：可褫至罄预测、卫星使嚣计算、矩阵计冀、坐标变换、电离层误麓修正等；函数库也可由开发者自行提供。接牧星座镑囊舔凌疆发戆等靛邀文，并取箨爨距鼹鞭蓬窝舅靛卫星爱置；根据导航电文提供的卫星位- 罱和钟麓改正信息，计算接收机的位置，并为按收设备的仿寞缝暴输出撼供一个嶷观的豳形界嚣；依据算法模型进行定位误差统计分析，并进行可视化显示；为接收设备开发中涉及豹糕关算法提供软馋襁架，劳提供测试、分辑与湾健环境，鸯卫星i n s 组合导航应用开发中涉及的相关算法提供软件构架，并提供测试分析与评估环境。2 5 2 结构应怒秀发邵缓可戳分为：雳户辕述设定、怒户辕逮生残、矮牲系绫谚奏、翌星导霆菱接收设备仿真开发、卫星心s 组合导航应用仿真开发、电文显示、轨迹显示、误麓统计、仿真管理耜数据黪譬模块。这些摸块有的溺于后螽债寞数馕计算，翅用户辘迹生戏、，瑟瞧系统仿真、卫星导航接收机仿真开发和卫瀑i n s 缎合导航应用仿真开发。有的用于实现与用户的交曩操作觏参数设鼹，如用户轨迹设定、壤文显示、孰迹照示、误差分板等，作受开发环境提供的工具。第1 4 菱国防科学技术大学研究生院学位论文星座仿真平台lt c p i p 网络| - i - 。li 电文显示li轨迹显示i导舫电文i 误差统计ilii卫星导航接收设备开发卫星导航数据r n s ，) b d s 组合导航应用开发陋导测量数据i 惯性系统仿真