一种GNSS模拟器中的通用三维载体运动轨迹生成方法

摘要

一种GNSS模拟器中的通用三维载体运动轨迹生成方法，它有六大步骤：一、预生成载体运动轨迹用户配置文件，设置载体运动分段与轨迹参数；二、在载体运动轨迹模拟开始时，以设置的初始位置为原点建立地理坐标系；三、载体运动分段为空间直线运动类型的实时轨迹模拟计算；四、载体运动分段为空间圆周运动类型的实时轨迹模拟计算；五、对于运动分段之间的衔接，以上一运动段的末状态为当前运动段的初状态；六、将载体即时位置转换到大地坐标系实时显示输出，并将载体即时位置、速度转换到ECEF坐标系支持模拟器进一步功能实现。本发明能建立通用的三维载体运动轨迹产生模型，它在卫星导航技术领域里具有较好的实用价值和广阔的应用前景。

主权项

1.一种GNSS模拟器中的通用三维载体运动轨迹生成方法，其特征在于：该方法具体步骤如下：步骤一：预生成载体运动轨迹用户配置文件，配置文件定义了载体运动分段与轨迹参数设置；载体初始位置设置为大地坐标系中的坐标(λ₀，h₀)，即经度、纬度和高程；载体初始速度设置为地理坐标系中的东向、北向和天向初速度(v_e，0，v_n，0，v_u，0)；关于载体运动分段的轨迹参数设置，对于直线运动类型，需要设置的轨迹参数包括：直线运动类型标识，运动段持续时间，东向加速度，北向加速度，天向加速度；对于圆周运动类型，需要设置的轨迹参数包括：圆周运动类型标识，运动段持续时间，运动方向即顺时针或逆时针运动，圆周半径，线加速度，圆周运动平面方向相对地理坐标系的方向角；步骤二：在载体运动轨迹模拟开始时，以设置的初始位置即经度、纬度和高程为原点建立地理坐标系，初始位置(x₀，y₀，z₀)即为(0，0，0)；地理坐标系的x轴即e轴沿当地纬线切线指向东，y轴即n轴沿当地经线切线指向北，z轴即u轴沿当地地理垂线即地球参考椭球表面法线指向天顶；对于动态范围在180km内的载体运动轨迹模拟，这个初始设置的地理坐标系可视为三个轴线方向维持不变；所引起的误差可忽略不计，则在此距离范围内初始的地理坐标系将被保持；在载体运动轨迹模拟结束之前，如果载体动态超出这一距离范围，则需要更新地理坐标系；步骤三：获取载体运动第一分段的轨迹参数，如果为空间直线运动类型，在地理坐标系中，根据初速度(v_e，0，v_n，0，v_u，0)、加速度(a_e，a_n，a_u)的设置，可以确定载体的即时位置、速度；运动段持续时间内，根据t_k-1仿真历元时刻载体的位置(x_k-1，y_k-1，z_k-1)、速度(v_e，k-1，v_n，k-1，v_u，k-1)来计算t_k时刻载体位置(x_k，y_k，z_k)、速度(v_e，k，v_n，k，v_u，k)的方法如下：(a)计算时间间隔ΔtΔt＝t_k-t_k-1(b)计算t_k-1时刻到t_k时刻的距离变化量(Δs_e，Δs_n，Δs_u)$\left\{\begin{array}{c}\Delta s_e=v_{e,k-1}·\mathrm{\Delta t}+\frac{1}{2}{a}_e·\Delta t^2\\ \Delta s_n=v_{n,k-1}·\mathrm{\Delta t}+\frac{1}{2}{a}_n·\Delta t^2\\ \Delta s_u=v_{u,k-1}·\mathrm{\Delta t}+\frac{1}{2}{a}_u·\Delta t^2\end{array}\right.$(c)计算t_k时刻载体速度(v_e，k，v_n，k，v_u，k)$\left\{\begin{array}{c}{v}_{e,k}=v_{e,k-1}+a_e·\mathrm{\Delta t}\\ v_{n,k}=v_{n,k-1}+a_n·\mathrm{\Delta t}\\ v_{u,k}=v_{u,k-1}+a_u·\mathrm{\Delta t}\end{array}\right.$(d)计算t_k时刻载体位置(x_k，y_k，z_k)$\left\{\begin{array}{c}{x}_k=x_{k-1}+\Delta s_e\\ y_k=y_{k-1}+\Delta s_n\\ z_k=z_{k-1}+\Delta s_u\end{array}\right.$步骤四：如果载体运动第一分段为空间圆周运动类型，根据运动平面相对地理坐标系方向角γ即取运动平面方向与地理坐标系z轴的夹角，以z轴右侧为正角度的设置，首先确定地理坐标系中圆周运动的二维平面，该平面的x轴即为地理坐标系x轴，y轴与x轴垂直；其次，根据初速度(v_e，0，v_n，0，v_u，0)、圆周半径R和线加速度a的设置，可以确定圆周运动平面内载体的即时位置、速度；运动段持续时间内，计算t_k仿真历元时刻圆周运动平面内载体位置速度(v_x，k，v_y，k)的方法如下：(a)计算时间间隔ΔtΔt＝t_k-t_k-1(b)计算t_k-1时刻到t_k时刻的转角变化量Δφ$\mathrm{\Delta \phi }=-\mathrm{sign}·(\frac{\left|v_{k-1}\right|}{R}·\mathrm{\Delta t}+\frac{1}{2}·\frac{a}{R}·\Delta t^2)$其中，|.|为绝对值算子，而$v_{k-1}=\sqrt{v_{e,k-1}^2+v_{n,k-1}^2+v_{u,k-1}^2}$(c)计算t_k时刻运动平面内载体方位角φ_kφ_k＝φ_k-1+Δφ而初始方位${\phi }_{k-1}=\left\{\begin{array}{cc}\arctan \frac{v_{x,k-1}}{v_{y,k-1}},& \frac{v_{x,k-1}}{v_{y,k-1}}>0\\ \pi -\arctan \frac{v_{x,k-1}}{v_{y,k-1}},& \frac{v_{x,k-1}}{v_{y,k-1}}<0\end{array}\right.$(d)计算t_k时刻运动平面内载体速度(v_x，k，v_y，k)$\left\{\begin{array}{c}{v}_{x,k}=\mathrm{sign}·\left|v_k\right|·\sin {\phi }_k\\ v_{y,k}=-\mathrm{sign}·\left|v_k\right|·\cos {\phi }_k\end{array}\right.$而|v_k|＝|v_k-1|+a·Δt(e)计算t_k时刻运动平面内载体位置$\left\{\begin{array}{c}{x}_k^p=\mathrm{sign}·R\cos {\phi }_k+\mathrm{sign}·\frac{v_{y0}·R}{\sqrt{v_{x0}^2+v_{y0}^2}}+x_0^p\\ y_k^p=\mathrm{sign}·R\sin {\phi }_k-\mathrm{sign}·\frac{v_{x0}·R}{\sqrt{v_{x0}^2+v_{y0}^2}}+y_0^p\end{array}\right.$而$\left[\begin{array}{c}{x}_0^p\\ y_0^p\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& \cos \gamma & -\sin \lambda \end{array}\right]·\left[\begin{array}{c}{x}_0\\ y_0\\ z_0\end{array}\right]$最后，将运动平面内载体的位置和速度转换到地理坐标系中的相应运动状态参数，转换方法如下：(a)确定运动平面坐标系p到地理坐标系L的坐标旋转矩阵$R_p^L=\left[\begin{array}{cc}1& 0\\ 0& \cos \gamma \\ 0& -\sin \gamma \end{array}\right]$(b)计算t_k时刻地理坐标系载体速度(v_e，k，v_n，k，v_u，k)$\left[\begin{array}{c}{v}_{e,k}\\ v_{n,k}\\ v_{u,k}\end{array}\right]=R_p^L·\left[\begin{array}{c}{v}_{x,k}\\ v_{y,k}\end{array}\right]$(c)计算t_k时刻地理坐标系载体位置(x_k，y_k，z_k)$\left[\begin{array}{c}{x}_k\\ y_k\\ z_k\end{array}\right]=R_p^L·\left[\begin{array}{c}{x}_k^p\\ y_k^p\end{array}\right]$步骤五：根据直线或圆周运动类型的用户设置，按照步骤三、步骤四，依次处理后续运动分段；对于运动分段之间的衔接，以上一运动段的末状态为当前运动段的初状态，即上一运动段的载体末位置(x_m，y_m，z_m)、末速度(v_e，m，v_n，m，v_u，m)分别成为当前运动段的初始位置(x₀，y₀，z₀)、初始速度(v_e，0，v_n，0，v_u，0)，即$\left[\begin{array}{c}{x}_m\\ y_m\\ z_m\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{x}_0\\ y_0\\ z_0\end{array}\right],\left[\begin{array}{c}{v}_{e,m}\\ v_{n,m}\\ v_{u,m}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{v}_{e,0}\\ v_{n,0}\\ v_{u,0}\end{array}\right]$步骤六：在模拟器的每个仿真历元，将地理坐标系中的载体即时位置转换到大地坐标系，用于用户界面实时显示输出；并将载体即时位置、速度转换到地球直角坐标系即ECEF坐标系以进一步支持卫星可见性判断，伪距、多普勒信号状态参数计算模拟器功能实现；(a)计算t_k时刻大地坐标系中相应的载体位置坐标(λ_k，h_k)其中，a为地球参考椭球半长轴，e为地球参考椭球偏心率；便于数值计算起见，考虑R_N和R_M的近似算法，即而扁率$f=1-\sqrt{1-e^2};$(b)计算t_k时刻ECEF坐标系中相应的载体位置坐标(x_e，k，y_e，k，z_e，k)其中，λ、为载体位置坐标(x_k，y_k，z_k)对应的经、纬度，而(x_oe，y_oe，z_oe)为地理坐标系原点(λ₀，h₀)在ECEF坐标系中的相应坐标，可通过下式计算得到：而(c)计算t_k时刻ECEF坐标系中相应的载体速度(v_x，k，v_y，k，v_z，k)