伪卫星电文生成方法、装置、计算机设备及存储介质与流程

1.本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种伪卫星电文生成方法、装置、计算机设备及存储介质。


背景技术：

2.目前，全球卫星导航系统(gnss)发展已经比较成熟，可以满足大部分室外场景下的定位、导航、授时需求。但是，gnss系统卫星轨道高，以提供广域服务为基本目标，到达用户的信号强度低，导致导航信号很容易被遮挡，特别是对于城市峡谷、隧道、地下、室内、水下等区域，卫星导航信号完全被遮挡，无法提供导航服务。
3.伪卫星技术是解决室内、隧道、水下等多种卫星导航信号遮挡场景下定位问题的一种有效方法。伪卫星系统采用与卫星导航系统相同的技术原理，在上述场景中布设若干导航信号发射设备，发射与真实导航卫星信号体制相同的无线电信号，对无卫星导航信号的区域进行覆盖。终端通过接收伪卫星节点发射的信号，完成距离测量，进而实现高精度定位。
4.根据三球交汇定位原理，准确高效的表征伪卫星位置是实现定位解算的前提。gnss系统通过广播1个参考时间参数、6个开普勒轨道根数和11个轨道摄动修正参数准确表征导航卫星轨道，用户终端根据时间信息可准确计算信号发射时刻的卫星位置。但是，伪卫星为固定于地球表面的一个固定参考点，不符合卫星的轨道动力学，其坐标在地固系为一固定参数。因此，gnss系统伪卫星电文无法直接表征伪卫星坐标。


技术实现要素：

5.本发明实施例提供了一种伪卫星电文生成方法、装置、计算机设备及存储介质，旨在解决现有技术中伪卫星电文格式无法兼容全球卫星导航系统的问题。
6.第一方面，本发明实施例提供了一种伪卫星电文生成方法，其包括：
7.根据地球半径及预置半长轴转换函数对所述伪卫星的轨道半长轴进行转换，得到目标半长轴；
8.获取伪卫星的地固系坐标，基于所述目标半长轴及地固系坐标进行地心经纬度计算得到第一经纬度，对所述第一经纬度的纬度进行转换得到第一纬度，并根据所述第一纬度和所述第一经纬度的经度对所述地固系坐标进行转换，得到第一坐标表征；
9.根据所述第一坐标表征及预置轨道速度函数对所述伪卫星的轨道速度进行计算，得到目标轨道速度；
10.基于所述第一坐标表征、目标轨道速度及预置北斗三号卫星协议进行伪卫星电文转换，得到目标伪卫星电文。
11.第二方面，本发明实施例提供了一种伪卫星电文生成装置，其包括：
12.半长轴转换模块，用于根据地球半径及预置半长轴转换函数对所述伪卫星的轨道半长轴进行转换，得到目标半长轴；
13.坐标转换模块，用于获取伪卫星的地固系坐标，基于所述目标半长轴及地固系坐标进行地心经纬度计算得到第一经纬度，对所述第一经纬度的纬度进行转换得到第一纬度，并根据所述第一纬度和所述第一经纬度的经度对所述地固系坐标进行转换，得到第一坐标表征；
14.速度计算模块，用于根据所述第一坐标表征及预置轨道速度函数对所述伪卫星的轨道速度进行计算，得到目标轨道速度；
15.基于所述第一坐标表征、目标轨道速度及预置北斗三号卫星协议进行伪卫星电文转换，得到目标伪卫星电文。
16.第三方面，本发明实施例又提供了一种计算机设备，其包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述第一方面所述的伪卫星电文生成方法。
17.第四方面，本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，其中所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序当被处理器执行时使所述处理器执行上述第一方面所述的伪卫星电文生成方法。
18.本发明实施例提供了一种伪卫星电文生成方法、装置、计算机设备及存储介质。该方法包括根据地球半径及预置半长轴转换函数对伪卫星的轨道半长轴进行转换，得到目标半长轴；获取伪卫星的地固系坐标，基于目标半长轴及地固系坐标进行地心经纬度计算得到第一经纬度，对第一经纬度的纬度进行转换得到第一纬度，并根据第一纬度和第一经纬度的经度对地固系坐标进行转换，得到第一坐标表征；根据第一坐标表征及预置轨道速度函数对伪卫星的轨道速度进行计算，得到目标轨道速度；基于第一坐标表征、目标轨道速度及预置北斗三号卫星协议进行伪卫星电文转换，得到目标伪卫星电文。该方法通过将伪卫星地固系坐标变换为导航卫星轨道，并根据其轨道生成伪卫星电文，使得到的电文与伪卫星电文的格式完全相同，保证了伪卫星电文的有效性。
附图说明
19.为了更清楚地说明本发明实施例技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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。
20.图1为本发明实施例提供的伪卫星电文生成方法的流程示意图；
21.图2为本发明实施例提供的伪卫星电文解析方法的流程示意图；
22.图3为本发明实施例提供的伪卫星电文生成装置的示意性框图。
具体实施方式
23.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
24.应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整
体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
25.还应当理解，在此本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。
26.还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。
27.请参阅图1所示，图1为本发明实施例提供的伪卫星电文生成方法的流程示意图，该方法包括步骤s110～s140。
28.步骤s110、根据地球半径及预置半长轴转换函数对所述伪卫星的轨道半长轴进行转换，得到目标半长轴；
29.本实施例中，考虑到伪卫星位于地球表面，向径长度为地球半径，地球半径约为6378km，远小于meo卫星轨道半长轴。因此，首先根据地球半径及预置半长轴转换函数对伪卫星的轨道半长轴进行转换：
30.预置半长轴转换函数具体如下：
31.r
ps
‑
c
＝r
ps
δr，
32.其中，δr表示修正量，用于保证目标半长轴r
ps
‑
c
为meo卫星轨道半长轴，r
ps
‑
c
表示目标半长轴，r
ps
表示地球半径。若如与北斗三号卫星导航系统兼容，δr可取为21528km。
33.步骤s120、获取伪卫星的地固系坐标，基于所述目标半长轴及地固系坐标进行地心经纬度计算得到第一经纬度，对所述第一经纬度的纬度进行转换得到第一纬度，并根据所述第一纬度和所述第一经纬度的经度对所述地固系坐标进行转换，得到第一坐标表征；
34.本实施例中，考虑到伪卫星可在全球任意地区部署，其纬度在某些地区大于卫星导航系统卫星轨道倾角标称值i
normal
时，无法构建轨道倾角为i
normal
的卫星轨道通过伪卫星的地固系坐标。因此，在半长轴转换的基础上需要对伪卫星纬度进行转换。考虑到卫星轨道倾角定义为轨道面与赤道之间的夹角，因此直接对伪卫星的地心纬度进行修正。伪卫星的地心经纬度可按照如下公式计算：
[0035][0036]
其中，(x,y,z)表示伪卫星的地固系坐标，λ
ps
，分别表示伪卫星的第一经纬度的经度和纬度；
[0037]
按以下公式对纬度进行转换：
[0038][0039]
其中，i
normal
表示卫星导航系统meo卫星轨道标称轨道倾角，对于北斗三号卫星导航系统i
normal
＝55
°
；δi表示轨道倾角保护余量，δi＝5
°
；表示第一纬度；
[0040]
所述第一坐标表征如下：
[0041][0042]
步骤s130、根据所述第一坐标表征及预置轨道速度函数对所述伪卫星的轨道速度进行计算，得到目标轨道速度；
[0043]
本实施例中，只有第一坐标表征无法确定一个轨道面，因此需要计算第一坐标表征对应位置处伪卫星的速度矢量，构建一个过第一坐标表征且轨道倾角为i
normal
、轨道偏心率为0的轨道，计算过程如下：
[0044]
取伪卫星当前位置矢量的单位矢量：
[0045][0046]
构建轨道速度如下：
[0047][0048]
其中，为保证偏心率为0，取速度为式中μ为地心引力常数，μ＝3.986004418
×
10
14
m3/s2；为保证轨道倾角i
normal
、轨道偏心率为0，且过第一坐标表征对应的位置时从南向北飞，取速度矢量的单位矢量为：
[0049][0050]
步骤s140、基于所述第一坐标表征、目标轨道速度及预置北斗三号卫星协议进行伪卫星电文转换，得到目标伪卫星电文。
[0051]
本实施例中，基于所述第一坐标表征、目标轨道速度及预置北斗三号卫星协议进行伪卫星电文转换，得到目标导航电。其中，预置北斗三号卫星协议为北斗三号卫星导航系统伪卫星电文参数定义及北斗三号卫星导航系统伪卫星电文参数格式说明。伪卫星电文由伪卫星的轨道根数及轨道摄动参数组成。具体如下：
[0052]
计算参考时刻第二赤道坐标系下的轨道根数，首先计算动力学常量：
[0053][0054][0055]
式中，表示动量矩常量，e表示卫星机械能常量；
[0056]
计算轨道半长轴：
[0057][0058]
半通径和动量矩大小满足以下关系：
[0059][0060]
计算偏心率：
[0061][0062]
轨道倾角为动量矩与坐标系z轴的夹角：
[0063][0064]
升交点经度为轨道节线矢量与坐标系x轴的夹角，则：
[0065]
ω0＝arctan2(n
y
,n
x
)，
[0066]
其中，轨道单位节线矢量为
[0067]
计算伪卫星的平均角速度：
[0068][0069]
计算偏近点角：
[0070][0071]
由偏近点角e
k
计算当前时刻平近点角：
[0072]
m0＝e0‑
esine0；
[0073]
计算纬度幅角值：
[0074][0075]
式中，为的三维分量；
[0076]
计算真近点角：
[0077][0078]
计算近地点幅角：
[0079]
ω＝u
‑
f；
[0080]
根据预置北斗三号卫星协议对第二赤道坐标系中的轨道根数进行转换，得到伪卫星电文中的轨道根数为：
[0081][0082]
取伪卫星电文参考时刻为当前时刻t
cur
对应的整小时时刻，将伪卫星电文中的轨道摄动参数全部取零，得到：
[0083]
[0084]
将式(1)与式(2)组合，并添加伪卫星轨道类型信息，得到目标伪卫星电文。
[0085]
实施例一，将位于北京附近的某个伪卫星坐标表征为与gnss系统导航电文兼容的伪卫星电文，该伪卫星在地固系坐标为[
‑
2158577.461,4381498.809,4087970.331]，按照本技术中的伪卫星电文生成方法，每个步骤的计算结果如下：
[0086]
(1)伪卫星半长轴修正
[0087]
修正之前伪卫星坐标向径长度为：r
ps
＝6369339.832m；
[0088]
取修正量，修正之后卫星半长轴为：r
ps
‑
c
＝27897339.832m。
[0089]
(2)伪卫星纬度修正
[0090]
修正之前伪卫星的经纬度为：[116.227500
°
，39.927674
°
]；
[0091]
修正之后伪卫星的经纬度为：[116.227500
°
，22.182041
°
]；
[0092]
修正之后坐标为
[0093]
(3)轨道面确定
[0094]
当前时刻为保证过点的轨道倾角为55
°
、偏心率为零，计算轨道当前时刻速度为：
[0095]
(4)导航电文生成
[0096]
进而按照轨道动力学，将转化为轨道根数：
[0097]
[a,e,i0,ω0,ω,m0]＝[27897339.832，0,0.959931,1.739031,0.667992,6.094207]；
[0098]
(5)格式调整
[0099]
将轨道根数按照三号卫星协议进行范围变换、单位统一，即可在伪卫星上播放给用户，提供gnss导航信号缺失场景下的导航服务。
[0100]
请参阅图2所示，图2为本发明实施例提供的伪卫星电文解析方法的流程示意图，该方法包括步骤h110～h140。
[0101]
步骤h110、根据预置提取规则从接收的电文中提取伪卫星电文，并根据预置北斗三号卫星协议对所述伪卫星电文进行轨道根数解析，得到第二坐标表征；
[0102]
本实施例中，电文接收端按照全球导航卫星系统(gnss)的导航电文物理帧格式解析导航电文之后，先判断接收的导航电文是否为伪卫星电文。由于常规导航电文的轨道摄动参数不可能同时为零，因此根据轨道摄动参数判断导航电文是否为伪卫星电文。若接收的导航电文为伪卫星电文，则根据北斗三号卫星协议对伪卫星电文进行轨道根数解析，得到第二坐标表征，具体如下：
[0103]
计算纬度幅角值：
[0104]
u
k
＝m0 ω；
[0105]
计算轨道面半径：
[0106]
r
k
＝a；
[0107]
轨道面中伪卫星的x坐标：
[0108]
x
p
＝r
k
cosu
k
；
[0109]
轨道面中伪卫星的y坐标：
[0110]
y
p
＝r
k
sinu
k
；
[0111]
地固坐标系中伪卫星的x坐标：
[0112]
x
ps
‑
c
＝x
p
cosω0‑
y
p
cosi0sinω0；
[0113]
地固坐标系中伪卫星的y坐标：
[0114]
y
ps
‑
c
＝x
p
sinω0‑
y
p
|cosi0cosω0；
[0115]
地固坐标系中伪卫星的z坐标：
[0116]
z
ps
‑
c
＝y
p
sini0；
[0117]
则伪卫星的第二坐标表征为：
[0118][0119]
步骤h120、根据所述第二坐标表征及预置经纬度转换函数进行经纬度转换得到第二经纬度，并基于所述第二经纬度进行纬度修正，得到第二纬度；
[0120]
步骤h130、根据所述第二经纬度的经度和第二纬度进行坐标表征转换，得到所述第二坐标表征的目标单位矢量；
[0121]
本实施例中，基于第二坐标表征及预置经纬度转换函数进行经纬度转换得到第二经纬度。其中，基于第二坐标表征，按如下公式进行经纬度转换：
[0122][0123]
式中，(x,y,z)表示伪卫星的地固系坐标，λ
ps
‑
c
，分别表示伪卫星的第二经纬度的经度和纬度。
[0124]
接着基于第二经纬度进行纬度修正，得到第二纬度：
[0125][0126]
式中，i
normal
表示卫星导航系统meo卫星轨道标称轨道倾角，对于北斗三号卫星导航系统i
normal
＝55
°
；δi表示轨道倾角保护余量，δi＝5
°
，表示第一纬度；
[0127]
转换纬度后得到第二坐标表征的单位矢量为：
[0128][0129]
步骤h140、对所述伪卫星的轨道半长轴进行还原，基于还原的轨道半长轴、所述目标单位矢量和第二坐标表征进行坐标转换，得到所述伪卫星电文对应的地固系坐标。
[0130]
本实施例中，为了计算伪卫星电文对应的地固系坐标，首先对伪卫星的轨道半长轴进行还原，基于还原的轨道半长轴、目标单位矢量和第二坐标表征进行坐标变换，得到伪卫星电文对应的地固系坐标。其中，按以下技术函数将伪卫星的轨道半长轴进行还原：
[0131]
r
ps
＝r
ps
‑
c
‑
δr，
[0132][0133]
式中，δr为半长轴修正量。
[0134]
实施例二，将实施例一种的伪卫星电文图2的伪卫星电文解析方法进行解析，得到
伪卫星的地固系坐标。具体如下：
[0135]
(1)卫星地固系坐标计算
[0136]
将导航电文进行固定转换生成卫星坐标，转换之后的坐标为：
[0137][0138]
(2)伪卫星纬度修正
[0139]
修正之前伪卫星的经纬度为：[116.227500
°
，22.182041
°
]；
[0140]
修正之后伪卫星的经纬度为：[116.227500
°
，39.927674
°
]；
[0141]
修正之后的卫星向径单位矢量为
[0142]
(3)伪卫星半长轴修正
[0143]
修正之前卫星半长轴为：r
ps
‑
c
＝27897339.832m；
[0144]
修正之后伪卫星坐标向径长度为：r
ps
＝6369339.832m；
[0145]
(4)伪卫星坐标解析
[0146]
融合伪卫星单位矢量和修正之后伪卫星坐标向径长度r
ps
，可计算伪卫星位置为：与待表征的坐标参数几乎相等。
[0147]
该方法通过将伪卫星地固系坐标变换为导航卫星轨道，并根据其轨道生成伪卫星电文，使得到的电文与伪卫星电文的格式完全相同，保证了伪卫星电文的有效性。
[0148]
本发明实施例还提供一种伪卫星电文生成装置，该伪卫星电文生成装置用于执行前述伪卫星电文生成方法的任一实施例。具体地，请参阅图3，图3是本发明实施例提供的伪卫星电文生成装置的示意性框图。该伪卫星电文生成装置100可以配置于服务器中。
[0149]
如图3所示，伪卫星电文生成装置100包括半长轴转换模块110、坐标转换模块120、速度计算模块130、电文转换模块140。
[0150]
半长轴转换模块110，用于根据地球半径及预置半长轴转换函数对所述伪卫星的轨道半长轴进行转换，得到目标半长轴；
[0151]
坐标转换模块120，用于获取伪卫星的地固系坐标，基于所述目标半长轴及地固系坐标进行地心经纬度计算得到第一经纬度，对所述第一经纬度的纬度进行转换得到第一纬度130，并根据所述第一纬度和所述第一经纬度的经度对所述地固系坐标进行转换，得到第一坐标表征；
[0152]
速度计算模块140，用于根据所述第一坐标表征及预置轨道速度函数对所述伪卫星的轨道速度进行计算，得到目标轨道速度；
[0153]
电文转换模块，用于基于所述第一坐标表征、目标轨道速度及预置北斗三号卫星协议进行伪卫星电文转换，得到目标伪卫星电文。
[0154]
本发明实施例还提供一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，其中，所述处理器执行所述计算机程序时实现如上所述的伪卫星电文生成方法。
[0155]
在本发明的另一实施例中提供计算机可读存储介质。该计算机可读存储介质可以为非易失性的计算机可读存储介质。该计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序当被处理器执行时使所述处理器执行如上所述的基于伪卫星电文生成方法。
[0156]
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，上述描述的设备、装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
[0157]
在本发明所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的设备、装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，也可以将具有相同功能的单元集合成一个单元，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另外，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口、装置或单元的间接耦合或通信连接，也可以是电的，机械的或其它的形式连接。
[0158]
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本发明实施例方案的目的。
[0159]
另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以是两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
[0160]
所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分，或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、只读存储器(rom，read
‑
only memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
[0161]
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。