CN101493511A - 一种全球定位系统卫星搜索调度方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及全球卫星定位与导航领域，特别是一种全球定位系统卫星搜索调度方法，其方法包括：获取卫星信息进而判断卫星的状态，并利用卫星状态为每颗卫星分类，进而推测搜索场景，根据卫星类别和搜索场景为每颗卫星设置不同搜索权重进行搜索的归类卫星概率调度方法；持续搜索被遮挡卫星的维持重捕方法以及针对不同信噪比的卫星使用不同灵敏度的捕获方法的自适应灵敏度捕获方法三个部分。通过灵活使用这三种方法可以大大提高搜索卫星的成功几率，减少搜索卫星所消耗的时间，大大提高启动定位速度、重捕定位精度，降低功耗，解决了卫星调度算法中的鲁棒性和可靠性的问题，进而提高接收机在遮挡严重的城市森林中可用性，极大地提高用户体验。

Description

一种全球定位系统卫星搜索调度方法

技术领域

本发明涉及全球卫星定位与导航领域，例如GPS系统，尤其涉及一种用于全球定位系统接收机的卫星搜索调度方法的领域。

背景技术

全球卫星定位与导航系统，例如全球定位系统(GPS)，包括一组发送GPS信号的一个卫星星座(又被称为Navstar卫星)，该GPS信号能被接收机用来确定该接收机的位置。卫星轨道被安排在多个平面内，以便在地球上任何位置都能从至少四颗卫星接收该种信号。更典型的情况是，在地球上绝大多数地方都能从六颗以上卫星接收该种信号。

每一颗GPS卫星所传送的GPS信号都是直接序列扩频信号。商业上使用的信号与标准定位服务(SPS)有关，而且被称之为粗码(C/A码)的直接序列二相扩频信号，在1575.42MHz的载波下，具有每秒1.023兆码片的速率。伪随机噪声(PN)序列长度是1023个码片，对应于1毫秒的时间周期。每一颗卫星发射不同的PN码(Gold码)，使得信号能够从几颗卫星同时发送，并由一接收机同时接收，相互间几乎无干扰。术语“卫星星号”和这个PN码相关，可以用以标示不同的GPS卫星。

GPS的调制信号是导航电文(又被称为D码)和PN码的组合码。导航电文的速率为每秒50比特。D码的基本单位是一个1500比特的主帧，主帧又分为5个300比特的子帧。其中子帧一包含了标识码，星种数据龄期，卫星时钟修正参数信息。子帧二和子帧三包含了实时的GPS卫星星历(ephemeris)，星历是当前导航定位信息的最主要内容。利用子帧一至子帧三的信息即可以实现定位，完成定位的基本任务。子帧四和子帧五包含了1-32颗卫星的健康状况，UTC校准信息和电离层修正参数及1-32颗卫星的历书(almanac)。历书是卫星星历参数的简化子集，用于预测相对于接收机的可见卫星及其多普勒频偏。历书每12.5分钟广播一次，寿命为一周，可延长至2个月。

GPS接收机的主要目标之一是确定PN码的到达时间。术语“GPS到达之间”指GPS卫星PN码到达GPS接收机的时间。这是通过将本地产生的PN参考信号与接收的信号相比并且“滑动”本地基准直至与接收信号在时间上对齐来完成的。通过称之为“相关”的相乘和积分过程，将这两个信号相互比较。当两个信号在时间上是对齐时，输出的结果为最大。

术语“GPS启动时间”是衡量GPS基带处理芯片性能的重要指标之一。GPS启动时间包括热启动时间、温启动时间和冷启动时间。术语“启动时间”是指GPS接收机从上电到输出首次定位结果的时间差。术语“热启动时间”是指在已知接收机位置和GPS卫星星历情况下的启动时间。术语“温启动时间”是指在已知接收机位置、用户时间及GPS卫星历书的启动时间。术语“冷启动时间”是指在无任何先验信息的启动时间。

术语“GPS重捕时间”是衡量GPS基带处理芯片性能的重要指标之一。术语“重捕时间”是指GPS接收机在正常跟踪GPS卫星并定位的情况下，因各种原因卫星信号缺失，进而信号重现，从信号重现得时刻起，到重新捕获卫星时刻的时间差。类似的，术语“重定位时间”是指GPS接收机在正常跟踪GPS卫星并定位的情况下，因各种原因卫星信号缺失，进而信号重现，从信号重现得时刻起，到重新定位的时间差。

GPS接收机经常遇到GPS信号缺失的情况，特别是在GPS接收机运动和遮挡物较多的情况下。一个典型的场合是城市中行驶的车载GPS定位接收机。行驶的车辆经常遭遇各种桥梁、建筑物、隧道等遮挡物的遮挡，使接收机无法接收到足够信噪比的GPS信号。这些信号缺失的时间长度往往从秒级到数分钟不等。信号缺失之后重新出现时，GPS接收机的重捕和重定位时间是GPS用户关心的核心性能之一，因而吸引了相当多的研究。

发明内容

本发明提出了一种引用于全球定位系统接收机的卫星搜索调度方法。

该方法包括以下步骤：

更新卫星信息；

根据卫星信息为卫星分类；

对于遮挡卫星，则对其实施维持重捕；

对于非遮挡卫星，则使用归类卫星概率调度；

利用卫星信息预测卫星信噪比；

根据预测信噪比使用选择不同灵敏度捕获方法对调度卫星进行搜索。

进一步地，卫星信息包括该卫星是否被遮挡。

进一步地，卫星信息包括该卫星的仰角，方位角。

进一步地，卫星信息包括该卫星信号的多普勒频偏，PN码码相位。

进一步地，卫星信息包括该卫星信号的强度。

进一步地，是否被遮挡的判断标准为该卫星之前处于跟踪状态，进而跟踪环失锁，且失锁时卫星仰角大于遮挡仰角阈值，则认为该卫星被遮挡；反之则认为该卫星没有被遮挡。

进一步地，遮挡仰角阈值与接收机跟踪不受遮挡卫星信号失锁时最大仰角相关。

进一步地，遮挡仰角阈值比接收机跟踪不受遮挡卫星信号失锁时最大仰角大。

进一步地，卫星信息中是否正在被搜索，是否被跟踪的部分从捕获通道和跟踪通道获得。

进一步地，卫星信息中处于跟踪状态卫星的仰角，方位角由星历精密计算获得。

进一步地，卫星信息中未处于跟踪状态的卫星的仰角，方位角由历书预测获得。

进一步地，卫星信息中处于跟踪状态卫星的卫星信号的多普勒频偏，PN码码相位由跟踪通道测量获得。

进一步地，卫星信息中未处于跟踪状态卫星的卫星信号的多普勒频偏，PN码码相位由历书预测获得。

进一步地，卫星分类方法将卫星分成可见卫星、被遮挡卫星和不可见卫星三类。

进一步地，卫星归类概率搜索调度方法包括以下步骤：

读取卫星状态参数；

为卫星分类；

统计可见卫星数量；

统计跟踪卫星数量；

推测当前搜索场景；

根据搜索场景为各个卫星分配搜索权重；

根据搜索权重调度搜索卫星；

根据卫星的类型生成搜索空间；

预测待搜卫星的信噪比；

利用卫星的预测信噪比自适应选择不同灵敏度的捕获方法搜索。

进一步地，卫星分类包括可见卫星和不可见卫星两类。

进一步地，搜索场景分为遮挡严重场景，部分遮挡场景，低信噪比搜索场景和搜索完备场景。

进一步地，搜索场景的判别依据为可见卫星数量和跟踪卫星数量的组合。

进一步地，搜索场景的判别依据为可见卫星数量和跟踪卫星数量的差值。

进一步地，遮挡严重场景的判别依据为该场景下可见卫星数量和跟踪卫星数量差值大于遮挡严重阈值。

进一步地，部分遮挡场景的判别依据为该场景下可见卫星数量和跟踪卫星数量差值大于部分遮挡阈值。

进一步地，低信噪比搜索场景的判别依据为该场景下可见卫星数量和跟踪卫星数量差值大于低信噪比搜索阈值。

进一步地，搜索完备场景的判别依据为该场景下可见卫星数量和跟踪卫星数量差值大于等于搜索完备阈值。

进一步地，判定遮挡严重场景的遮挡严重阈值在5～8之间取值。

进一步地，判定部分遮挡场景的部分遮挡阈值在3～6之间取值。

进一步地，判定低信噪比搜索场景的低信噪比阈值在1～4之间取值。

进一步地，判定搜索完备场景的搜索完备阈值在0～2之间取值。

进一步地，对于遮挡严重场景增大高仰角高信噪比卫星的搜索权重。

进一步地，对于部分遮挡场景增大各可见卫星搜索权重。

进一步地，对于低信噪比搜索场景增大各低信噪比卫星的搜索权重。

进一步地，根据搜索场景为各个卫星分配搜索权重的步骤对于完备搜索场景关闭各搜索通道和没有处于跟踪状态的跟踪通道。

进一步地，非可见卫星的搜索权重大于0。

进一步地，利用卫星搜索权重调度方法包含以下步骤：

读取各可用卫星的搜索权重；

以搜索权重的数值为次数将该卫星号写进调度数组；

生成一个在0至所有未占用卫星搜索权重之和减一范围内的随机指针；

利用随机指针对调度数组进行寻址，寻址结果即是调度卫星结果。

进一步地，调度矩阵长度为所有未占用卫星搜索权重之和。

进一步地，根据卫星的类型生成搜索空间包括频率搜索空间和码相位搜索空间。

进一步地，频率搜索空间包括频率搜索空间以预测的多普勒频偏为原点，向正负两个方向延伸，覆盖频率搜索范围。

进一步地，频率搜索空间的搜索步长可变。

进一步地，码相位搜索空间包括码相位搜索空间以预测的多普勒频偏为原点，向正负两个方向延伸，覆盖码相位搜索范围。

进一步地，根据卫星的类型生成搜索空间对于可见卫星使用缩小的频率搜索空间和码相位搜索空间，对于不可见卫星使用完整的频率搜索空间和码相位搜索空间。

进一步地，完整频率搜索空间覆盖可能的多普勒频偏范围。

进一步地，完整频率搜索空间覆盖可能的码相位范围。

进一步地，缩小的频率搜索空间覆盖预测多普勒频偏的误差最大范围。

进一步地，完整频率码相位空间覆盖可能的预测码相位的误差最大范围。

进一步地，遮挡卫星维持搜索调度方法包括以下步骤：

读取卫星状态参数；

维持计数器增一；

检测维持计数器是否溢出；

如果没有溢出，则利用上次处于跟踪状态的多普勒频偏和码相位生成缩小的搜索空间进行搜索；

预测卫星信噪比；

利用卫星的预测信噪比自适应选择不同灵敏度的捕获方法搜索；

如果捕获成功则转入跟踪；

如果捕获失败且维持计数器未溢出时，重新从第一步骤开始执行，实现维持重捕；

如果捕获失败且维持计数器未溢出时，重置遮挡标志，转入未遮挡归类搜索卫星调度方法进行调度。

进一步地，维持重捕成功后可以用跟踪失锁前的先验信息实现快速同步。

进一步地，同步包括比特同步和帧同步。

通过灵活使用这三种方法可以大大提高搜索卫星的成功几率，减少搜索卫星所消耗的时间，大大提高启动定位速度、重捕定位精度，降低功耗，解决了卫星调度算法中的鲁棒性和可靠性的问题，进而提高接收机在遮挡严重的城市森林中可用性，极大地提高用户体验。

附图说明

图1是一个已有卫星搜索调度方法示意图；

图2是一个改进的已有卫星搜索调度方法示意图；

图3是另一个改进的已有卫星搜索调度方法示意图；

图4是本发明提出的卫星搜索调度方法整体框图；

图5是本发明提出的非遮挡卫星归类概率搜索调度方法示意图；

图6是本发明提出的遮挡卫星维持搜索调度方法示意图；

图7是本发明提出的概率调度方法实现细节示意图；

图8是本发明的一个较优实施例的基于预测多普勒的完整频率搜索空间示意图；

图9是本发明的一个较优实施例的基于预测多普勒的缩小频率搜索空间示意图；

图10是本发明的一个较优实施例的基于预测码相位的完整码相位搜索空间示意图；

图11是本发明的一个较优实施例的基于预测码相位的缩小频率搜索空间示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

为方便起见，下文中接收机均指全球定位系统接收机的基带处理芯片，或者实现等同功能的部件。假设基带接收机需要搜索全部1～32号卫星，基带芯片的捕获和跟踪通道均为12个。其他数目捕获和跟踪通道的基带芯片可以以此类推，本发明对不同数目搜索和跟踪通道的基带芯片其基本思想都是一致的，只是具体实现上某些参量略有不同。

图1描述了一个已有卫星搜索调度方法示意图。卫星搜索空间101包含了32个卫星号102，这些卫星号按照1～32顺序排列。图中带点方框内的卫星号103是当前被占用的卫星。所谓“被占用卫星”是指该卫星正在被搜索或者被跟踪。当某个捕获通道搜索某个卫星失败需要搜索一颗新的卫星时，只搜索那些未被占用的卫星。图中斜线方框内的卫星号104是搜索失败的卫星，这时对该卫星搜索的捕获通道需要换到一颗未被占用的卫星开始新的搜索。调度指针105用以输出待搜索的卫星号，所输出的卫星号即是捕获通道即将搜索的新卫星的卫星号。所有捕获通道共用一个指针，保证捕获通道不会对同一颗卫星进行捕获。该指针在卫星搜索空间内循环移动，即当指针指向卫星搜索空间最后一个位置，即第32个地址时，下一次调度操作，该指针将从卫星搜索空间的第一个地址开始进行。

以图1中所描绘的情况对一个典型的卫星调度过程的细节进行解释。本图中被占用卫星号以及未被占用的卫星号的具体数值只是说明性的，用以解释卫星搜索调度原理，实际情况可能多种多样，但其基本原理是相同的。如前所设定的假设，使用该种调度算法的基带处理芯片拥有12个捕获通道，其中一个捕获通道搜索17号卫星，且搜索失败，需要换到一颗新的卫星进行搜索。这时调度指针指向搜索失败的卫星105。调度开始时，指针增一，并检测该指针所指向的卫星号是否被占用，如果被占用则继续增一直至指向一个未被占用的卫星106。该卫星即是卫星搜索的调度结果。对于图一所示的情况，捕获通道下一个搜索的卫星为21号卫星。

这种方法结构简单，逻辑清晰，有着32颗卫星均能覆盖到，不会出现漏星的优点，但是也有着非常大的局限性。首先，对于某一时刻，天空中可见卫星通常远远小于32颗，绝大多数时间内处于7～14颗的范围内。术语“可见卫星”是指卫星相对接收机的仰角大于0的卫星，即相对接收机视线内的卫星。只有可见卫星的信号才有可能被接收机捕获进而跟踪。卫星导航电文中的历书信息可以用以计算卫星的仰角，进而获知哪些卫星是相对接收机可见的。具体的计算方法本领域内熟练人员都能掌握，在此不再赘述。在可以获知可见卫星号的前提下，全部搜索所有的32颗卫星是对资源的巨大浪费，同时也会大大延长捕获正确卫星的时间，降低定位速度。

另一方面，当捕获通道搜索某颗卫星时，该颗卫星很有可能被遮挡而导致捕获失败，或者处于跟踪状态的卫星因为信号缺失而失锁。而这种遮挡导致的信号缺失时间往往只维持数秒到数分钟的级别。这种情况在遮挡严重的城市森林中尤为普遍。在这种情况下，该种调度算法需要搜索完剩下的所有未占用卫星，才会重新搜索该颗被遮挡的卫星。对于搜索速度较慢的捕获通道而言，这样的搜索时间往往是用户难以忍受的，同时也会大大降低接收机在城市中的可用性。

图2描述了一个改进的已有卫星搜索调度方法示意图。该种方法对图1所示的方法进行了改进。类似地，卫星搜索空间201包含了32个卫星号202。图中带点方框内的卫星号203是当前被占用的卫星。图中斜线方框内的卫星号204是搜索失败的卫星，对该卫星搜索的捕获通道需要搜索一颗未被占用的卫星。调度指针205用以输出待搜索的卫星号，所输出的卫星号即是捕获通道即将搜索的卫星的星号。所有捕获通道共用一个指针，保证捕获通道不会对同一颗卫星进行捕获。该指针在卫星搜索空间内循环移动，即当指针指向卫星搜索空间最后一个位置，即第32个地址时，下一次调度操作，该指针将从卫星搜索空间的第一个地址开始进行。

但是放置在卫星搜索空间中的星号不再是按照1～32顺序排列，而是根据一定的优先级进行排列，其优先级的来源于利用历书预测的卫星相对接收机的仰角。仰角越高，优先级越高。

和图1所示方法类似地，以图2中所描绘的情况对一个典型的改进卫星调度过程进行解释。本图中被占用卫星号以及未被占用的卫星号的具体数值只是说明性的，用以解释改进卫星搜索调度原理，实际情况可能多种多样，但其基本原理是相同的。如前所设定的假设，使用该种调度算法的基带处理芯片拥有12个捕获通道，其中一个捕获通道搜索17号卫星，且搜索失败，需要换到一颗新的卫星进行搜索。这时调度指针指向搜索失败的卫星205，调度开始时，指针增一，并检测该指针所指向的卫星号是否被占用，如果被占用则继续增一直至指向一个未被占用的卫星206。该卫星即是卫星搜索的调度结果，对于图2描述的情况，待搜索的卫星为31号卫星。基本过程虽然和图1所述方法类似，但卫星调度的结果不再是顺序的，而是包含了优先级的信息的。因为该种方法的捕获成功几率特别是启动时的捕获成功几率较图1所示方法有较大提高。

这种方法同样拥有结构简单，逻辑清晰，32颗卫星均能覆盖到，不会出现漏星的优点，但是同样有着非常大的局限性。对于卫星被遮挡而捕获失败的情况依然没有很好的解决，使用这种调度方法的接收机在城市森林中的可用性仍然不高。另外该方法对所有的可见卫星等同对待，对高信噪比和低信噪比的卫星使用相同的搜索方法进行搜索，效率不高。

图3描述了另一个改进的已有卫星搜索调度方法示意图。该种方法对图1、图2所示的方法进行了改进，使用了缩小的卫星搜索空间。缩小的卫星搜索空间301只包含了预测的可见卫星302，而不是图1、图2所示的完整32颗卫星。预测可见卫星的方法和图1、图2所示的方法相同。图中带点方框内的卫星号303是当前被占用的卫星。图中斜线方框内的卫星号304是搜索失败的卫星，对该卫星搜索的捕获通道需要搜索一颗未被占用的卫星。调度指针305用以输出当前待搜索的卫星号，所输出的卫星号即是捕获通道下一个搜索的卫星。所有捕获通道共用一个指针。该指针在卫星搜索空间内循环移动，即当指针指向搜索空间最后一个地址时，下一次调度操作，该指针从第一个地址开始进行。

和图2所示方法类似地，以图3中所描绘的情况对一个典型的改进卫星调度过程进行解释。本图中被占用卫星号以及未被占用的卫星号的具体数值只是说明性的，用以解释改进卫星搜索调度原理，实际情况可能多种多样，但其基本原理是相同的。如前所设定的假设，使用该种调度算法的基带处理芯片拥有12个捕获通道，其中一个捕获通道搜索17号卫星，且搜索失败，需要换到一颗新的卫星进行搜索。这时调度指针指向搜索失败的卫星305，调度开始时，指针增一，并检测该指针所指向的卫星号是否被占用，如果被占用则继续增一直至指向一个未被占用的卫星306。该卫星即是卫星搜索的调度结果，对于图2描绘的情况，待搜索的卫星为31号卫星。基本过程虽然和图2所述方法类似，但由于搜索空间较小，因而捕获的成功几率和效率都较图2所示方法有较大提高。

但是本方法有着非常大的局限性，特别是本方法不够健壮，鲁棒性不够好，可靠性不高。一旦出现预测错误，所预测卫星并不可见，就会出现一直搜索错误卫星导致无法定位或者捕获卫星数目小于理论值的情况。而预测错误的情况由于历书过老，接收机位置有较大变化，接收机时钟误差等情况而时常出现。一旦出现这种情况，使用该种调度算法的接收机可能出现无法定位的错误。

另一方面，对于处于跟踪状态的卫星因为受到遮挡而跟踪失锁，进而重新搜索的情况，信号缺失前卫星跟踪是可以获得很多先验信息，在重捕获时可以用来实现快速同步。而该方法常常出现跟踪失锁卫星和重捕获卫星的通道不相同的现象，这对实现快速同步是非常不利的。

图4描述了本发明提出的卫星搜索调度方法整体框图。该种方法综合使用了归类卫星概率调度，遮挡卫星维持重捕，和自适应灵敏度捕获三种方法实现了捕获效率和成功率，性能和功耗之间的最优化，大大提高了定位速度，解决了卫星调度算法中的鲁棒性和可靠性的问题。该方法包括以下步骤：首先更新卫星信息401。这些信息包括是否正在被搜索，是否被跟踪，是否被遮挡，卫星的仰角，方位角，卫星信号的多普勒频偏，PN码码相位，以及卫星信号的强度。是否正在被搜索，是否被跟踪这些信息从捕获和跟踪通道获知。如果某颗卫星之前处于跟踪状态，突然跟踪环失锁，且失锁时卫星仰角大于遮挡仰角阈值，则认为该卫星被遮挡；反之则认为该卫星没有被遮挡。众所周知，卫星信号强度和其相对于接收机的仰角近似的成反比。遮挡仰角阈值与接收机跟踪不受遮挡卫星信号失锁时最大仰角相关。通常为了保有一定余量，遮挡仰角阈值比接收机接收不受遮挡卫星信号失锁时最大仰角略大。对于已经处于跟踪状态的卫星，卫星的仰角，方位角，卫星信号的多普勒频偏，PN码码相位等信息可以从卫星精密的星历和跟踪通道的参数精确获得。而对于没有处于跟踪状态的卫星，可以从精度稍差的历数中预测获得。

进一步地，根据卫星信息为卫星分类402，将卫星分成可见卫星、被遮挡卫星和不可见卫星。对于遮挡卫星403，则对其实施维持重捕304，对于非遮挡卫星则使用归类卫星概率调度，输出需要搜索的卫星。

进一步地，利用卫星信息预测需要搜索的卫星或者维持重捕的卫星的信号信噪比406。预测的依据可以是仰角，或者利用仰角和卫星的型号的组合。这里的预测不用非常精细，只要能分辨出大概的级别即可。将预测可见卫星的信噪比对同一颗卫星而言，卫星信号强度和其仰角成正比，其不受遮挡情况下的信噪比可以近似地建立和，一般来说。另一方面卫星仰角越高，越不容易被遮挡。目前在轨的卫星主要有II型，IIA型，IIR星，未来还有IIF型和III型，新一代的卫星信号强度要大大高于前一代的卫星，大概2～3dB左右。。卫星号对应着唯一的卫星型号，其具体的对应关系，可以在NASA的网站上找到。利用卫星的型号和其仰角，或者更简单地，利用卫星仰角，可以近似地预测卫星的信噪比，或者分成若干等级，如高信噪比可见卫星和低信噪比可见卫星。实施上本发明的一个较优实施例考虑到简化计算复杂度，仅使用仰角作为考察量进行区分，将卫星分成高信噪比可见卫星和低信噪比可见卫星两类。而本发明的另一个较优实施例侧重提高性能，内部包含了一个卫星号到卫星型号的映射表，从而实现了对卫星型号和仰角的综合量进行考察，进而将可见卫星分成高信噪比卫星和次低信噪比卫星，低信噪比卫星和极低信噪比卫星四类。区分高信噪比卫星和低信噪比卫星的门限依据是接收机常规捕获方法和高灵敏度捕获方法的重合的灵敏度部分，或者是常规捕获方法的灵敏度极限。

进一步地，利用预测卫星信噪比自适应地选择不同灵敏度的捕获方法进行搜索406。接收机基带芯片中通常是通过增加相干和非相干累加时间来增加灵敏度，这两种方法或其组合都会大幅度地增加捕获所需的时间和功耗。根据不同信噪比的卫星使用不同灵敏度的方法进行捕获，可以在时间功耗和灵敏度之间做到最优。当使用低灵敏度方法捕获失败时，下次搜索时使用高灵敏度的方法进行捕获。利用不同次数的相干和非相干累加次数的组合可以形成非常丰富的捕获方法。本发明的一个较优实施例使用两个不同的相干和非相干累加次数组合来实现高速但相对低灵敏度的捕获方法和高灵敏度但耗时很长的高灵敏度捕获方法，针对不同信噪比的卫星使用不同的捕获方法。本发明的另一个实施例使用了多达4种不同的灵敏度方法，根据待搜卫星的灵敏度进行自适应地配置。无论是那种捕获方法，一旦捕获成功408则转入跟踪状态409，否则，则重新进行整个调度过程，继续捕获。

图5描述了本发明提出的非遮挡卫星归类概率搜索调度方法示意图，该图描述了调度算法的细节，该流程是图4描述的整体流程的一部分，当判断当前搜索失败或者跟踪丢失的卫星为非遮挡卫星时，即进入该流程。首先读取卫星状态参数501。卫星状态在图4的401步骤中被更新，其更新的速率可调，以降低功耗。读取卫星状态参数之后即利用卫星状态为卫星分类，这里的分类是403过程的子集，利用仰角将卫星分成可见卫星和非可见卫星，同时利用仰角和卫星的型号，或者仅靠仰角，将预测可见卫星的信噪比。

进一步地，统计可见卫星的数目503，统计处于跟踪状态的卫星即捕获成功的卫星数目504，利用这两个量推断当前的搜索场景505。典型的场景有四个：

1)遮挡严重场景：该场景下可见卫星数量和跟踪卫星数量差值大于遮挡严重阈值。该阈值在5～8之间取值，如6颗。这时接收机往往处于被长时间遮挡的情况，例如经过较长的隧道。这种情况下需要尽快搜索高信噪比高仰角的卫星，优先保证定位。同时兼顾不可见卫星，防止可见卫星预测错误。

2)部分遮挡场景：该场景下可见卫星数量和跟踪卫星数量差值大于部分遮挡阈值。该阈值在3～6之间取值，如3颗。这时接收机往往处于被部分遮挡的情况，例如接收机处于建筑脚下，部分卫星被遮挡。这种情况下需要均匀搜索各可见未捕获卫星，同时兼顾不可见卫星，防止可见卫星预测错误。

3)低信噪比搜索场景：该场景下可见卫星数量和跟踪卫星数量差值大于低信噪比阈值。该阈值在1～4之间取值，如1颗。这时接收机往往处于少数低仰角低信噪比卫星没有被捕获。这种情况下需要着重搜索低信噪比卫星，同时利用高灵敏度的方法对这些卫星进行搜索。

4)搜索完备场景：该场景下可见卫星数量和跟踪卫星数量差值等于搜索完备阈值。该阈值在0～2之间取值，如0颗。这种情况下接收机处于没星可搜的情况，各搜索通道和没有处于跟踪状态的跟踪通道可以被关闭以降低功耗。同时该阈值可调，以在系统功耗和定位精度之间做平衡。

进一步地，以搜索场景为每颗卫星分配搜索权重506，以实现各种搜索场景下的不同策略搜索，即加大优先搜索卫星的权重。进而利用搜索权重调度搜索卫星507，该调度方法使得搜索权重高的卫星搜索次数高。其利用搜索概率的调度过程将在图7中详细描述。

进一步地，预测搜索卫星的多普勒频偏和PN码码相位，并利用卫星的类型生成频率搜索空间和码相位搜索空间508。预测多普勒频偏和PN码码相位的方法本行业内的熟练人员都应掌握，在此不再赘述。对于不可见卫星，使用完整的搜索空间，覆盖整个可能的多普勒频偏范围以保证没有遗留。完整的频率搜索空间将在图8中详细描述。通常对于低动态的应用而言，这个多普勒频偏的范围在正负五千赫兹左右。对于可见卫星，使用缩小的搜索空间，仅搜索预测频偏附近的几个频点，以提高搜索效率。对于码相位也是类似的方式进行搜索。完整的码相位搜索空间将在图9中详细描述。

进一步地，预测待搜卫星的信噪比509，并根据预测的信噪比自适应地选择不同灵敏度的捕获方法进行搜索510，以在时间功耗和灵敏度之间做到最优。这两个步骤和图4所示步骤中的408、409步骤是相同的。

图6是本发明提出的遮挡卫星维持搜索调度方法示意图。该图描述了持续重捕的细节，该流程是图4描述的整体流程的一部分，当判断跟踪丢失的卫星为遮挡卫星时，即进入该流程。其判断的依据是如果某时刻卫星之前处于跟踪状态，突然跟踪环失锁，且失锁时卫星仰角大于遮挡仰角阈值，则认为该卫星被遮挡；反之则认为该卫星没有被遮挡。持续重捕方法包含以下步骤：首先读取卫星状态参数601。卫星状态在图4的401步骤中被更新，其更新的速率可调，以降低功耗。随后根据被遮挡卫星的仰角设置最大维持重捕的次数602。仰角越高的卫星相对而言越不容易被遮挡，对这类卫星维持重捕的最大次数相应增大，对于低仰角的卫星，可能一段时间内频繁被遮挡，因而维持的最大次数被设置在较低的水平上。对于这类卫星而言一旦维持重捕失败，将会被重置为非遮挡卫星，进而被归入非遮挡卫星的调度过程中，仍然可以被以较高的概率搜索。

进一步地，维持计数器增一603，进而检测维持计数器是否溢出604。如果没有溢出，则利用上次处于跟踪状态的多普勒频偏和码相位生成缩小的搜索空间607，只在上次多普勒频偏和码相位附近几个频点和码相位进行搜索，提高效率。搜索覆盖的范围和预测多普勒和码相位的最大误差相关。缩小的频率搜索空间将在图9中详细描述。缩小的码相位搜索空间将在图11中详细描述。如果维持计数器溢出，则生成完整的搜索空间606覆盖整个可能的多普勒频偏范围和码相位以保证没有遗留。完整的频率搜索空间将在图8中详细描述。完整的码相位搜索空间将在图10中详细描述。通常对于低动态的应用而言，这个多普勒频偏的范围在正负五千赫兹左右。无论是生成何种搜索空间，进而，都预测待搜索卫星的信噪比607、608，进而根据预测卫星的信噪比自适应地分配不同灵敏度的捕获方法。609、610。一个典型的实现为判断待搜卫星是否为低信噪比卫星，如果是，则用高灵敏度的方法捕获，否则，则用常规方法捕获。对于计数器没有溢出的情况而言，如果捕获成功611，即转入跟踪状态613，如果失败则重新进入该流程，维持重捕该卫星，最多对该卫星以预设维持重捕最大值次数进行重捕。对于维持计数器溢出的情况，如果捕获成功612，则进入跟踪状态613，否则，将该卫星复位为非遮挡卫星，进入非遮挡卫星调度方法614。

之所以单独设置维持重捕的方法，而不是将其融入在非遮挡卫星调度算法中是因为该卫星在被遮挡之前已经处于跟踪状态，该状态下跟踪通道已经获得了相当多的先验信息，这些信息在重新捕获该卫星后可以被用来实现快速同步，直至快速定位。所述同步包括比特同步和帧同步。

图7是本发明提出的概率调度方法实现细节示意图。该种方法相对于其他方法有着简单高效，方便硬件实现，不需要浮点计算甚至不需要乘除运算的优点，同时有着足够长的时间下，小搜索权重卫星也会被调度的性能优势。701为调度数组，其长度为所有未占用卫星搜索权重之和。702为未被占用的卫星号，703为其在调度数组中的地址，704为调度指针。该方法包含以下步骤：首先读取各可用卫星的搜索权重，进而以搜索权重的数值将该卫星号写进调度数组。如11号卫星的搜索权重是15，则连续15次将11号写入调度矩阵连续地址的单元中。最终调度矩阵中将包含所有未占用卫星搜索权重之和个元素。如果使用软件调度，则调度矩阵被存储在处理器的RAM中，其长度可以用所有未占用卫星搜索权重之和动态分配，如果使用硬件实现调度功能，则将调度矩阵的长度设置成所有未占用卫星搜索权重之和可能的最大值。

进一步地，生成一个在0至所有未占用卫星搜索权重之和-1范围内的随机指针704，对调度矩阵进行寻址，寻址的结果即为调度的带搜卫星号706。声称随机指针的方法多种多样，本发明的一个较优实施例使用硬件使用移位寄存器实现伪随机数；本发明的另一个较优实施例使用软件生成伪随机数。该种调度方法简单可靠，输出的调度的几率和该卫星的搜索权重成正比，同时在足够长的时间内，所有小搜索权重的卫星都会被调度到，保证了覆盖所有的卫星。这样即使在可见卫星预测错误的情况下，仍能搜索到所有的卫星，避免了仅搜索预测卫星的情况，大大增强了系统的可靠性和鲁棒性。

图8描绘了本发明的一个较优实施例的基于预测多普勒的完整频率搜索空间示意图。图中的f是生成搜索空间是预测的待搜卫星多普勒频偏。Δ为频率搜索的步长。搜索频点以预测的频偏为原点，向正负两个方向间覆盖卫星信号可能产生的最大多普勒频率偏移范围。这个范围针对低动态接收机典型范围为-5千赫兹到+5千赫兹，对于高动态接收机而言典型值为-10千赫兹到+10千赫兹。搜索空间的搜索步长是可变的。事实上，本发明的一个较优实施例使用了固定的搜索步长。本发明的另一个较优实施例使用了可变的搜索步长，以实现在预测频点密集搜索，在远离预测频点的部分稀疏搜索。

图9描绘了本发明的一个较优实施例的基于预测多普勒的缩小频率搜索空间示意图。类似图8所示的频率搜索空间，图中的f是生成搜索空间是预测的待搜卫星多普勒频偏。Δ为频率搜索的步长。但是该搜索空间仅搜索相对较小的频率范围。该范围由预测多普勒频偏的最大误差决定。该范围可变以实现搜索效率和捕获成功率的最优化。本发明的一个较优实施例使用正负500赫兹作为维持重捕的搜索空间覆盖范围，使用正负1500赫兹作为利用历书预测的非遮挡卫星搜索空间的覆盖范围。搜索空间的搜索步长同样是可变的。事实上，本发明的一个较优实施例使用了固定的搜索步长。本发明的另一个较优实施例使用了可变的搜索步长，以实现在预测频点密集搜索，在远离预测频点的部分稀疏搜索。

图10描绘了本发明的一个较优实施例的基于预测码相位的完整码相位搜索空间示意图。图中的P是生成搜索空间是预测的待搜卫星码相位。Δ为码相位搜索的步长单位。码相位的搜索步长和捕获通道的结构有关，通常为半个码片，但这不是限定性的，可以根据捕获通道的结构灵活改变。搜索步长以预测的码相位为原点，正负两个方向逐步延伸，直至覆盖PN码的整个码相位范围。这个范围对以于半码片为搜索步长的结构有2046个搜索节点。

图11描绘了本发明的一个较优实施例的基于预测码相位的缩小码相位搜索空间示意图。类似图10所示的码相位搜索空间，图中的P是生成搜索空间是预测的待搜卫星码相位，Δ为码相位搜索步长。但是该搜索空间仅搜索相对较小的码相位范围。该范围由预测码相位频偏的最大误差决定。该范围可变以实现搜索效率和捕获成功率的最优化。本发明的一个较优实施例使用正负200个半码片作为维持重捕的码相位搜索空间覆盖范围，使用正负500个半码片为利用历书预测的非遮挡卫星码相位搜索空间的覆盖范围。

尽管本发明的方法和装置是参照GPS卫星来描述的，但应当理解，这些原理同样适用于采用假卫星(pseudolites)或卫星与假卫星的组合的定位系统。假卫星是一种基于地面的发射机，它传播调制在L频段在波信号上PN码(与GPS信号相似)，并且通常是与GPS时间同步的。每一发射机可以被赋予一个独特的PN码，从而允许由远端接收机进行识别。假卫星用在这样的情况下，即，来自轨道卫星的GPS信号缺失，如隧道、矿山、建筑物或者其他的封闭区及明显遮挡。这里所使用的术语“卫星”包括假卫星或假卫星的等效，而这里所使用的术语GPS信号包括来自假卫星或者假卫星等效的类似GPS的信号。

在前面的讨论中，本发明是参照美国全球定位系统(GPS)来描述的。然而，应当理解，这些方法同样适用于类似的卫星定位系统，如俄罗斯的格洛纳斯(Glonass)系统，欧洲的伽利略(Galileo)系统和中国的北斗1及北斗2系统。所使用的术语“GPS”还包括这样一些卫星定位系统，如俄罗斯的格洛纳斯(Glonass)系统，欧洲的伽利略(Galileo)系统和中国的北斗1及北斗2系统。术语“GPS信号”包括来自另一些卫星定位系统的信号。

上文中，已经描述了一种全球定位系统卫星搜索调度方法。尽管本发明是参照特定实施例来描述的，但很明显，本领域熟练人员，在不偏移权利要求书所限定的发明范围和精神的情况下，还可以对这些实施例作各种修改和变更。因此，说明书和附图是描述性的，而不是限定性的。

Claims (34)

1、一种全球定位系统卫星搜索调度方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

更新卫星信息；

根据卫星信息为卫星分类；

对于遮挡卫星，则对其实施维持重捕；

对于非遮挡卫星，则使用归类卫星概率调度；

利用卫星信息预测卫星信噪比；

根据预测信噪比使用选择不同灵敏度捕获方法对调度卫星进行搜索。

2、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述卫星信息包括该卫星是否被遮挡，卫星仰角、方位角，该卫星信号的多普勒频偏，PN码码相位以及卫星信号的强度。

3、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述是否被遮挡的判断标准为该卫星之前处于跟踪状态，进而跟踪环失锁，且失锁时卫星仰角大于遮挡仰角阈值，则认为该卫星被遮挡；反之则认为该卫星没有被遮挡。

4、根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述遮挡仰角阈值与接收机跟踪不受遮挡卫星信号失锁时最大仰角相关。

5、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述卫星信息中是否正在被搜索，是否被跟踪的部分从捕获通道和跟踪通道获得。

6、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述卫星信息中处于跟踪状态卫星的仰角，方位角由星历精密计算获得。

7、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述卫星信息中未处于跟踪状态的卫星的仰角，方位角由历书预测获得。

8、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述卫星信息中处于跟踪状态卫星的卫星信号的多普勒频偏，PN码码相位由跟踪通道测量获得。

9、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述卫星信息中未处于跟踪状态卫星的卫星信号的多普勒频偏，PN码码相位由历书预测获得。

10、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述卫星分类方法将卫星分成可见卫星、被遮挡卫星和不可见卫星三类。

11、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述卫星归类概率搜索调度方法包括以下步骤：

读取卫星状态参数；

为卫星分类；

统计可见卫星数量；

统计跟踪卫星数量；

推测当前搜索场景；

根据搜索场景为各个卫星分配搜索权重；

根据搜索权重调度搜索卫星；

根据卫星的类型生成搜索空间；

预测待搜卫星的信噪比；

利用卫星的预测信噪比自适应选择不同灵敏度的捕获方法搜索。

12、根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述卫星分类包括可见卫星和不可见卫星两类。

13根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述搜索场景分为遮挡严重场景，部分遮挡场景，低信噪比搜索场景和搜索完备场景。

14、根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述搜索场景的判别依据为可见卫星数量和跟踪卫星数量的组合。

15、根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述搜索场景的判别依据为可见卫星数量和跟踪卫星数量的差值。

16、根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述遮挡严重场景的判别依据为该场景下可见卫星数量和跟踪卫星数量差值大于遮挡严重阈值。

17、根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述部分遮挡场景的判别依据为该场景下可见卫星数量和跟踪卫星数量差值大于部分遮挡阈值。

18、根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述低信噪比搜索场景的判别依据为该场景下可见卫星数量和跟踪卫星数量差值大于低信噪比搜索阈值。

19、根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述搜索完备场景的判别依据为该场景下可见卫星数量和跟踪卫星数量差值大于等于搜索完备阈值。

20、根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述判定遮挡严重场景的遮挡严重阈值在5～8之间取值。

21、根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述判定部分遮挡场景的部分遮挡阈值在3～6之间取值。

22、根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述判定低信噪比搜索场景的低信噪比阈值在1～4之间取值。

23、根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述判定搜索完备场景的搜索完备阈值在0～2之间取值。

24、根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述根据搜索场景为各个卫星分配搜索权重对于遮挡严重场景增大高仰角高信噪比卫星的搜索权重。

25、根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述根据搜索场景为各个卫星分配搜索权重对于部分遮挡场景增大各可见卫星搜索权重。

26、根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述根据搜索场景为各个卫星分配搜索权重的步骤对于低信噪比搜索场景增大各低信噪比卫星的搜索权重。

27、根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述根据搜索场景为各个卫星分配搜索权重的步骤对于完备搜索场景关闭各搜索通道和没有处于跟踪状态的跟踪通道。

28、根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述利用卫星搜索权重调度方法包含以下步骤：

读取各可用卫星的搜索权重；

以搜索权重的数值为次数将该卫星号写进调度数组；

生成一个在0至所有未占用卫星搜索权重之和减一范围内的随机指针；

利用随机指针对调度数组进行寻址，寻址结果即是调度卫星结果。

29、根据权利要求28所述的方法，其特征在于，所述调度矩阵长度为所有未占用卫星搜索权重之和。

30、根据权利要求28所述的方法，其特征在于，所述根据卫星的类型生成搜索空间包括频率搜索空间和码相位搜索空间。

31、根据权利要求28所述的方法，其特征在于，所述根据卫星的类型生成搜索空间对于可见卫星使用缩小的覆盖可能的多普勒频偏范围的频率搜索空间和码相位搜索空间，对于不可见卫星使用完整的频率搜索空间和覆盖可能的码相位范围的码相位搜索空间。

32、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述遮挡卫星维持搜索调度方法包括以下步骤：

读取卫星状态参数；

维持计数器增一；

检测维持计数器是否溢出；

如果没有溢出，则利用上次处于跟踪状态的多普勒频偏和码相位生成缩小的搜索空间进行搜索；

预测卫星信噪比；

利用卫星的预测信噪比自适应选择不同灵敏度的捕获方法搜索；

如果捕获成功则转入跟踪；

如果捕获失败且维持计数器未溢出时，重新从第一步骤开始执行，实现维持重捕；

如果捕获失败且维持计数器未溢出时，重置遮挡标志，转入未遮挡归类搜索卫星调度方法进行调度。

33、根据权利要求32所述的方法，其特征在于，所述维持重捕成功后用跟踪失锁前的先验信息实现快速同步。

34、根据权利要求32所述的方法，其特征在于，所述同步包括比特同步和帧同步。

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