CN101571581A - 全球导航卫星系统快速选星方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全球导航卫星系统快速选星方法。它从满足导航定位要求出发来进行选星，以达到减少选星计算量和降低导航定位计算量的目的。首先，对可见星按仰角大小划分为高仰角、中仰角和低仰角三个区域，选出仰角最大的一颗星，然后根据最大仰角星仰角大小在高仰角卫星中进行卫星选取。再按卫星在星座中均分的原则，分别从中、低两个区域中选取适当数目的定位卫星。最后，根据几何精度因子对选星结果进行效验，并根据效验结果修正选星结果使之满足定位要求。本方法有效解决了传统选星方法计算量大的问题，可以实现简单、快速选星，适合静态和动态条件下的实时选星需求。

Description

全球导航卫星系统快速选星方法

技术领域

本发明属于卫星导航领域，具体涉及一种全球导航卫星系统快速选星方法。

背景技术

几十年来，美国的导航星测时与测距全球定位系统(Navigation Satellite Timing AndRanging/Global Positioning System，简称为GPS)和俄罗斯的全球导航卫星系统(GLObal NAvigation Satellite System，简称为GLONASS)已发展成为第二代卫星导航定位系统，欧盟的伽利略(GALILEO)系统和中国的北斗二代卫星导航定位系统(BeiDou-2，简称为BD2)等正在积极筹建。据报道，北斗二代卫星导航系统将在2009年前后发射12颗卫星，为中国及周边地区提供基本服务。不久的将来，这些系统将共同组成全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System，简称为GNSS)。到那时，全球导航卫星将有一百多颗，多卫星导航系统的组合导航势成必然。对任意一种卫星导航系统，简称为单系统；对任意两种卫星导航系统的组合系统，简称为双系统；对任意三种卫星导航系统的组合系统，简称为三系统；对任意四种卫星导航系统的组合系统，简称为四系统；对双系统及其以上系统统称为多星座卫星导航系统或组合星座卫星导航系统，简称为多系统。采用多星座卫星导航系统时，可见星数将大幅增加，定位精度和系统可用性及可靠性均将大大提高，但同时，导航定位的运算量也随之成倍增长，加之工程上对用户接收机的处理器速度要求提高，特别是对高动态用户而言，为了保证实时处理的要求，对接收机处理器速度的要求就更是大大提高，因而大大加重了用户接收机的负担，使其成本上升。

为了解决上述问题，选星便显得尤为重要且迫切。

在组合星座卫星导航系统定位中，影响定位精度的关键因素之一是几何精度因子(Geometric Dilution of Precision，简称为GDOP)。常规选星方法主要针对GDOP，有GDOP或加权GDOP选星，GDOP或加权GDOP越小，定位精度越高。GDOP的求解式为：

$\mathrm{GDOP}=\sqrt{\mathrm{tr}{\left(H^{T}H\right)}^{-1}}---\left(1\right)$

式中H表示用户至导航卫星的方向余弦矩阵，也即观测矩阵，tr表示求矩阵的迹，H^T表示观测矩阵H的转置，H是一个n×(3+l)维矩阵，其中n为定位解算中的可见卫星数，l表示组合星座卫星系统个数。

当按GDOP最优原则，在所有仰角大于最小仰角限制即遮蔽角MA的N颗可见星中选择m颗分布最优的卫星，其中3+l≤m＜N，即按遍历法计算各可能组合所相应的GDOP值并选取对应星座，就需要进行C_N ^m次GDOP计算，由式(1)可知，每次GDOP计算都涉及到矩阵乘法和求逆，对多星座组合系统而言，可见星的数量N一般都很大，经分析可知，即使只是双系统，可见星的数量N一般也会在20以上，而对更多系统的组合星座，可见星的数量N则会达30-40，因此，即使只选择3+l颗卫星，其计算量也是很大的，占用时间会很长，特别是对高动态用户而言，这是无法承受的，而事实上，为了保证接收机能有效进行故障检测和识别，所选卫星数往往大于3+l，从而带来的问题将更为严重。

目前，针对组合星座选星问题，出现了一系列为减少计算量而设计的方法。虽然相对传统的常规选星方法而言其计算量有较大改善，但大部分方法其计算量仍然很大，有的方法则要求定位接收机有较大的内存容量，对实时用户而言，这也难以实现。有的虽然计算量不太大，但最终选取的卫星数过多，如占所有可见星数的60％以上。因为定位求解的计算量直接和采用的定位卫星数成倍数关系，所以这就增大了后续的定位解算的计算量，特别是对高动态用户而言，这也是不现实的。

发明内容

本发明的目的是提出一种适用于全球导航卫星系统的、并能应用于静态和动态条件的简单易行的快速选星方法，从多个卫星导航系统中选出分布较优的少量可见星，在满足定位要求的前提下以牺牲较少的定位精度来有效减少定位解算的运算量，实现快速选星。

本发明提出的全球导航卫星系统快速选星方法在传统选星方法的基础上，对所选卫星导航系统中的可见星按仰角和方位角进行分区、排序，根据仰角和方位角分布规律并结合GDOP值进行选星，以获得满足要求并只含较少数目卫星的组合星座。具体是通过以下步骤实现的：

步骤一：配置参数。

根据定位需要和接收机性能以及组合星座个数，配置所需选取定位卫星的最大数目和星座GDOP值的初步限制要求以及遮蔽角MA。

步骤二：获取可见星位置。

通过卫星星历得到所有当前可见卫星的位置，同时，要将属于不同卫星系统的各卫星位置转换至某种选定的坐标系。这里，如果存在自主完整性分析，则应根据自主完整性分析结果来剔除故障卫星，以保证参与选星的卫星均处于健康状态。

步骤三：获取可见星仰角El和方位角Az，并剔除仰角小于遮蔽角MA的卫星。

仰角El的范围为-90°-90°，而方位角Az的范围为0°-360°，不在此范围内的，应按卫星所在象限进行修正。

步骤四：对可见星按仰角分区并选择仰角最大的卫星作为选星结果的第一颗星S1。

对步骤三中得到的所有可见星按仰角大小分为高仰角、中仰角和低仰角三个区域，并从所有可见星中选择仰角最大的一颗星作为所选的1号星S1。高仰角卫星数记为K0，中仰角卫星数记为K1，低仰角卫星数记为K2。

步骤五：根据K0及卫星S1的仰角大小判断是否增选高仰角卫星。

根据高仰角卫星数K0和卫星S1的仰角大小，判定是否需要在高仰角卫星区中增选一颗星，如果需要，则根据一定原则进行增选。

步骤六：分别在中、低仰角卫星区域中选星。

首先，根据组合卫星系统个数，配置本步骤需要选取的中仰角卫星区域最大卫星数Kz和低仰角卫星区域最大卫星数Kd，配置原则如下：

对单系统或双系统，Kz＝Kd＝3；

对三系统，Kz＝3，Kd＝4；

对四系统，Kz＝Kd＝4。

根据目前星座建设情况，对四系统以上组合系统暂不考虑。

然后，对步骤四中所选出的中仰角星和低仰角星按方位角大小进行排序。

最后，根据每个区域中的卫星数，按方位角等距的原则，按所在区域所配置的选星数分别在中、低仰角区域选取适当数量卫星，需要注意的是，所选卫星数不计卫星S1，而不管它是否属于该区域，其中，方位角等距的原则是指两两相邻卫星方位角之差大小相等。

步骤七：获取GDOP。

根据卫星选择结果按公式(1)得到GDOP。

步骤八：判断GDOP大小并确定是否增选或改选卫星。

如果GDOP满足初步限制要求，则所选卫星即作为定位卫星；或者，如果所选卫星数nsl等于步骤一中的定位卫星最大数，虽然GDOP不满足步骤一中的初步限制要求但超过值不大于5％，则所选结果也能够作为最终选星结果，从而完成选星过程。

如果GDOP不满足上述要求，则在步骤一中所述最大定位卫星数目的限制下，在中仰角和低仰角卫星区域中进行增选或改选。当已选卫星数小于最大卫星数时，则以中仰角卫星优先原则，从中、低仰角卫星区域中选取一颗与已选所有卫星方位角都相差在一定角度以上的卫星；而当已选卫星数已达最大限制要求但GDOP不满足要求且超过值大于5％时，除卫星S1外，以优先剔除仰角较大卫星的原则，剔除中、低仰角卫星中两两之间方位角之差最小的一颗卫星，然后以低仰角卫星优先原则，从中、低仰角卫星区域中选取一颗与已选所有卫星方位角都相差在一定角度以上的卫星。在增选或改选后，重复步骤七、步骤八，直至GDOP满足设计要求，即可完成选星过程。

本发明的优点在于：

(1)本方法采用按仰角和方位角联合分区的方式来实现选星，有效解决了传统选星方法计算量大的问题，与传统GDOP最优选星法相比，计算量改善值在99％以上，同时也克服了现有一些改进方法选星数目过多的缺陷，可以实现简单、快速选星；

(2)本方法以满足定位精度为前提来进行有效选星，选择的卫星数较少，可以减小接收机卫星跟踪通道数，从而降低组合接收机的硬件设计难度，同时大大减少了导航解算的运算量，降低了导航用户接收机的负担，并能保证导航精度；

(3)本方法适合单系统和多种组合卫星导航系统在全球范围内的导航定位；

(4)本方法适合静态、动态用户进行实时选星。

附图说明

图1是本发明所述全球导航卫星系统快速选星方法的流程图；

图2是本发明所述北京十三陵UTC时刻9:30时的可见星星空视图；

图3是本发明所述北京十三陵UTC时刻9:30时选星后的可见星星空视图；

图4是本发明所述北京十三陵一天不同时刻选星前后可见卫星数比较图；

图5是本发明所述北京十三陵一天不同时刻选星过程中计算GDOP的次数；

图6是本发明所述北京十三陵一天不同时刻选星后的GDOP值。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

本发明提供一种全球导航卫星系统快速选星方法，所述方法流程图如图1所示。

在某一观测历元，接收机可同时观测到多个组合星座中的多颗卫星，现要从中选出满足定位要求的少数几颗卫星进行定位解算。

步骤一：配置参数。

根据定位需要和接收机性能以及组合星座个数，配置所需选取定位卫星的最大数目和星座GDOP值的初步限制要求以及遮蔽角MA。

关于所需选取定位卫星的最大数目，对双系统组合星座一般可取为不大于9，而对三系统或四系统组合星座，可在双系统组合星座的基础上，每增加一个卫星系统则增加1颗星；没有特殊要求的，星座几何精度因子GDOP的初步限制要求一般可取为6；对遮蔽角MA，可根据具体使用环境进行配置，一般情形下可取为5°。

步骤二：获取可见星位置。

通过卫星星历得到所有当前可见卫星的位置，同时，要将属于不同卫星系统的各卫星位置转换至某种选定的坐标系，这里所选定的坐标系一般应选取某种卫星系统的地心地固系。此外，如果存在接收机自主完整性分析，则应根据自主完整性分析结果来剔除故障卫星，以保证参与选星的卫星均处于健康状态。

步骤三：获取可见星仰角El和方位角Az，并剔除仰角小于遮蔽角MA的卫星。

设系统可见星相对用户接收机的位置为(x_l，y_l，z_l)，则

$\mathrm{El}={\mathrm{tg}}^{-1}\left(\frac{z_l}{\sqrt{x_l^2+y_l^2}}\right)---\left(2\right)$

$\mathrm{Az}={\mathrm{tg}}^{-1}\left(\frac{x_l}{y_l}\right)---\left(3\right)$

在获得方位角Az时，要根据可见星相对用户接收机的位置确定可见星相对位置的象限，然后根据象限对公式(3)的计算结果进行修正，使之落在0°-360°的范围内，具体修正方法为：

当可见星相对位置在第一象限，即x_l≥0，y_l≥0时，不修正；

当可见星相对位置在第二象限或第三象限，即x_l＜0时，

当可见星相对位置在第四象限，即x_l≥0，y_l＜0时，

步骤四：对可见星按仰角分区并选择仰角最大的卫星作为选星结果的第一颗星S1。

对步骤三中得到的所有可见星按仰角大小分为高仰角、中仰角和低仰角三个区域，并从所有可见星中选择仰角最大的一颗星作为所选的1号星S1。

因为根据前述步骤得到的可见星数目很多，如果按GDOP最优原则来进行选星，则计算量过大，时间过长，接收机很难实时完成；而如果不进行选星直接用所有可见星进行定位，虽然此时GDOP比较小，但由于可见卫星过多，而定位解算计算量直接和卫星数成倍数关系，这就导致计算量急剧增加，一般情况下，接收机也是难以胜任的。因此，本发明从卫星在星座中均分的原则出发，按卫星分布规律选择满足定位要求的少数可见星来完成定位信息测量以解决上述两方面的矛盾。按仰角划分的三个区域分别是：高仰角区为90°≤El＜75°、中仰角区为75°≤El≤40°、低仰角区为40°＜El≤MA。统计各区域的可见卫星数，高仰角卫星数记为K0，中仰角卫星数记为K1，低仰角卫星数记为K2。

步骤五：根据K0及卫星S1的仰角大小判断是否增选高仰角卫星。

根据高仰角卫星数K0和卫星S1的仰角大小，判定是否需要在高仰角卫星区中增选一颗星，如果需要，则根据一定原则进行增选，判定方法如下：

如果所选的卫星S1的仰角不小于80°，不进行增选；

如果高仰角卫星数K0不大于1，不进行增选；

如果所选卫星S1的仰角小于80°，而高仰角卫星数K0大于等于2，且高仰角卫星区域中至少有1颗卫星与卫星S1的方位角之差超过30°，则在高仰角卫星区域中选择一颗与卫星S1方位角相差最大者作为选星结果的2号星，否则不进行增选。

步骤六：分别在中、低仰角卫星区域中选星。

首先，根据组合卫星系统个数，配置本步骤需要选取的中仰角卫星区域最大卫星数Kz和低仰角卫星区域最大卫星数Kd，配置原则如下：

对单系统或双系统，Kz＝Kd＝3；

对三系统，Kz＝3，Kd＝4；

对四系统，Kz＝Kd＝4。

根据目前星座建设情况，对四系统以上组合系统暂不考虑。

然后，对步骤四中所选出的中仰角星和低仰角星按方位角大小进行排序。最后，根据每个区域中的卫星数，按方位角等距的原则，从中、低仰角卫星区域中选择相应数量的卫星。需要注意的是，所选卫星数不计卫星S1，而不管它是否属于该区域，其中，方位角等距的原则是指两两相邻卫星方位角之差大小相等。

当中仰角卫星数K1小于等于Kz，或者，当高仰角卫星数K0等于0而中仰角卫星数小于等于Kz+1时，以优先剔除仰角较大者为原则，剔除所有两卫星方位角之差与仰角之差的和小于30°中的一颗，其余卫星全选；否则，当中仰角卫星数K1大于上述数值时，先在中仰角卫星区域中找出与最大仰角卫星S1方位角相差最接近30°的卫星，然后以此卫星为基础，按需要选取的中仰角卫星数Kz，将中仰角区域按方位角等距的原则分为Kz个区域，再然后在每个区域中选择一颗卫星方位角与该区域中心位置方位角之差最小的卫星。

当低仰角卫星数K2≤Kd时，以优先剔除仰角较小者为原则，剔除所有两卫星方位角之差与仰角之差的和小于30°中的一颗，其余卫星全选；否则，先在低仰角卫星区域中选出与最大仰角卫星S1方位角相差最接近180°的卫星，然后以此卫星为基础，按需要选取的低仰角卫星数Kd，将低仰角区域按方位角等距的原则分为Kd个区域，再然后在每个区域中选择一颗卫星方位角与该区域中心位置方位角之差最小的卫星。

步骤七：获取GDOP。

根据选星结果，按照 $\mathrm{GDOP}=\sqrt{\mathrm{tr}{\left(H^{T}H\right)}^{-1}}$ 得到GDOP，其中，H表示用户至导航卫星的方向余弦矩阵，即观测矩阵，tr表示求矩阵的迹，H^T表示观测矩阵H的转置，H是一个n×(3+l)维矩阵，其中n为定位解算中的可见卫星数，l表示组合星座卫星系统个数。

步骤八：判断GDOP大小并确定是否增选或改选卫星。

如果GDOP满足要求，则所选卫星即作为定位卫星；或者，如果所选卫星数nsl等于步骤一中的定位卫星最大数，即使GDOP不满足步骤一中的初步限制要求但超过值不大于5％，则所选结果也能够作为最终选星结果，从而完成选星过程。

否则，如果GDOP不满足上述要求，则在步骤一中所述最大定位卫星数目的限制下，在中仰角和低仰角卫星区域中进行增选或改选。

当GDOP不满足要求且所选卫星数nsl小于定位卫星最大数目时，按中仰角卫星优先的原则，从中仰角卫星区域或低仰角卫星区域中选取1颗与已选所有卫星方位角相差大于20°的卫星，如果不存在这样的卫星，则可按5°为步长逐步降低该方位角之差进行选取。

如果所选卫星数nsl等于定位卫星最大数，且GDOP不满足要求并超过值大于5％，则在所有已选卫星之中，除卫星S1外，以优先剔除较大仰角卫星的原则，剔除中、低仰角卫星中两两方位角之差最小的一颗卫星，然后按低仰角卫星优先的原则，从低仰角卫星区域或中仰角卫星区域中选取1颗与已选所有卫星方位角相差最大的卫星。在增选或改选后，重复步骤七、步骤八，直至GDOP满足设计要求，即完成选星过程。

下面以具体数值进一步说明本发明。

考虑到中国的北斗二代卫星导航系统BD2开通在即，GPS导航定位系统是目前最为完善的系统，并且，双系统联合定位又具有一定的普遍性，故这里采用GPS和BD2进行联合定位为基础进行分析，这里，根据北斗二代一期工程组网计划，对BD2按12颗星进行考虑，选星历元时刻为协调世界时(Coordinated Universal Time，简称为UTC)9:30，地点为北京十三陵地区。

步骤一：配置参数。

确定所需选取定位卫星的最大数目为9，星座几何精度因子GDOP的初步限制要求为6，遮蔽角MA为5°。

步骤二：获取可见星位置。

通过卫星星历得到所有当前可见卫星的位置。其中，BD2系统采用CGCS2000坐标系，而GPS采用WGS-84坐标系，通过分析可知，这两种坐标系差别很小，在标准定位服务中，这两种坐标系统可作为同种坐标系使用，故不需要进行卫星位置的坐标转换。

步骤三：获取可见星仰角El和方位角Az，并剔除仰角小于遮蔽角MA的卫星。

GPS卫星按卫星号进行编号为G1-G32，而BD2卫星编号为B1-B12。

获得的可见星仰角El和方位角Az分别为：

El_G2＝63.23，El_G4＝26.95，El_G5＝5.07，......，El_B6＝64.54，El_B8＝72.44；

Az_G2＝88.96，Az_G4＝105.63，Az_G5＝250.94，......，Az_B6＝144.88，Az_B8＝4.40；

其中，卫星仰角El和方位角Az均以度为单位，仰角El和方位角Az的下标表明该仰角和方位角所属的卫星号。

共有23颗可见星，所有卫星仰角均大于遮蔽角，不需要剔除。卫星星空视图如图2所示。图中，N表示北，E表示东，从里到外的圆分别表示仰角为75°、40°、5°位置，圆心为90°仰角位置，也即用户所在位置。

步骤四：对可见星按仰角分区并选择仰角最大的卫星作为选星结果的第一颗星S1。

根据步骤三获得的卫星仰角El对卫星进行分区，分区结果如下：

90°≤El＜75°的高仰角星K0＝0；

75°≤El≤40°的中仰角星K1＝6，编号分别为G2，G10，G29，B3，B6，B8；

40°＜El≤5°的低仰角星K2＝17，编号分别为G4，G5，G6，G7，G8，G12，G13，G15，G24，G25，G26，G27，G30，B1，B2，B4，B5。

从所有可见星中选出仰角最大的一颗星作为1号星S1为：G10，其仰角为El_G10＝74.10°，方位角为Az_G10＝296.30°。

步骤五：根据K0及卫星S1的仰角大小判断是否增选高仰角卫星。

因为高仰角星K0＝0，故不进行增选。

步骤六：分别在中、低仰角卫星区域中选星。

这里是双系统选星过程，故配置中、低仰角区域选星数为Kz＝Kd＝3。

对步骤四中得到的中、低仰角卫星按方位角从小到大进行排序，并按各区域卫星数和方位角关系进行选星。具体步骤如下。

(a)对步骤四中得到的中、低仰角卫星按方位角从小到大进行排序得：

中仰角星：B8，G2，B6，B3，G29，方位角分别为4.40°，88.96°，144.88°，186.73°，266.57°，因为卫星S1即卫星G10属于必选星，虽然属于中仰角星，但在此不参与排序；

低仰角星：G13，G25，......，G6，G7，方位角分别为37.13°，61.46°，......，309.55°，315.96°。

(b)因为高仰角星K0＝0，且是双卫星系统，而中仰角星K1＝6＞4，故不计卫星S1，从中仰角星中最多可选3颗星，根据方位角的关系，选择结果为：

B3，G2，B8，它们的方位角分别为186.73°，88.96°，4.40°。

(c)低仰角卫星K2＝17＞3，故可从低仰角星中最多选3颗星，先按方位角与卫星S1相差约180°的原则选出卫星G8，然后以此为基础，将方位角均分为3份，在每个区域中靠近中心位置处选1颗卫星，选择结果为：

G8，G7，B2，它们的方位角分别为105.86°，315.96°，227.21°。

步骤七：获取GDOP。

根据前述选星结果，可得GDOP＝2.35。

步骤八：判断GDOP大小。

GDOP＝2.35＜6，满足设计要求，故完成选星过程，最终选星结果为7颗星：

G10，B3，G2，B8，G8，G7，B2。

选星后的星空视图如图3所示，图中，N表示北，E表示东，从里到外的圆分别表示仰角为75°、40°、5°位置，圆心为90°仰角位置，也即用户所在位置。由图3与图2的比较可知，选星后的卫星数远远少于选星前的卫星数，这将大大降低接收机的导航处理负担，有利于接收机的实时快速定位。在本应用实例中，本发明的选星过程只进行了一次GODP求解，而如果采用传统最优GDOP选星法，从23颗卫星中选7颗卫星，计算GDOP次数为245157，要进行实时动态条件下的选星是不现实的；从计算量来看，本发明的快速选星方法还不到传统最优GDOP选星方法的1％，这就为本发明方法在静态和动态条件下的实时选星提供了保证。

本发明的选星方法，最终选择的卫星数较少，例如，双系统最多9颗即可，而三系统及四系统则最多分别只需10颗和11颗，大大降低了定位信息获取过程中的计算量，而且GDOP的计算量大为减少。经验证，对双系统，如GPS和BD2的组合系统，在全中国范围内，以中国地壳运动观测网络数据中心的27个GPS基准站为站点进行仿真分析表明，在GDOP限制要求为6的情形下，90％以上的选星时刻只需计算一次GDOP，计算GDOP在三次及以内的选星时刻高达98％以上，而得到的GDOP能满足定位解算要求。

图4、5、6所示即是采用GPS和BD2进行联合定位时，北京十三陵地区一天内不同时刻对应的选星结果，图中横坐标表示UTC时间，单位为小时。图4表明的是选星前后可见卫星数的比较，图中纵坐标表示卫星数。图5示出了计算GDOP的次数，而图6则给出了选星后的GDOP值。从图4可见，选星后用于定位的卫星数远远少于选星前的可见卫星数，这将大大降低接收机导航处理负担，有利于导航接收机快速实时定位。而由图5可见，本发明方法的选星过程只需进行少数几次的GDOP求解，经统计可知，一天内98％以上的时刻在选星过程中只需进行三次及其以内的GDOP求解。而对选星过程中其它方面的计算量，经分析可知，一天内99％以上的时刻小于一次GDOP计算量，而最恶劣情形下，也不会超过三次GDOP计算量，相对传统最优GDOP选星方法而言，本发明的快速选星方法计算量的改善百分比超过99％，这就为不管是静态还是动态条件下的实时选星提供了有利保证，使本发明的快速选星方法能应用于静态和动态条件下的实时选星。而由图6可见，应用本发明的快速选星方法，所选星座GDOP值在一天内均达到设计要求，满足导航定位要求。

本发明的全球导航卫星系统快速选星方法，通过卫星在星座中均分原则来选取定位卫星，克服了传统选星方法计算量大的缺点，同时选择的卫星数也较少，可以实现简单、快速选星。本发明不以追求最优GDOP为目的，而以满足定位要求为前提来获得导航运算量的大幅减少，降低导航接收机的负担。本发明所提供的方法适合多种组合卫星导航系统在全球范围内的导航定位，适合静态和动态条件下的实时选星。

Claims (5)

1、一种全球导航卫星系统快速选星方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤一：配置参数；

根据定位需要和接收机性能以及组合星座个数，配置所需选取定位卫星的最大数目、星座几何精度因子GDOP值的初步限制要求以及遮蔽角MA；

步骤二：获取可见星位置；

通过卫星星历得到所有当前可见卫星的位置，同时，将属于不同卫星系统的各卫星位置转换至选定的坐标系；如果存在接收机自主完整性分析，则根据自主完整性分析结果剔除故障卫星，保证参与选星的卫星均处于健康状态；

步骤三：获取可见星仰角El和方位角Az，并剔除仰角小于遮蔽角MA的卫星；

设系统可见星相对用户接收机的位置为(x_l，y_l，z_l)，则

$\mathrm{El}={\mathrm{tg}}^{-1}\left(\frac{z_l}{\sqrt{x_l^2+y_l^2}}\right)$

$\mathrm{Az}={\mathrm{tg}}^{-1}\left(\frac{x_l}{y_l}\right)$

在获得方位角Az时，要根据可见星相对用户接收机的位置确定可见星相对位置的象限，然后根据象限对结果进行修正，使之落在0°-360°的范围内，具体修正方法为：

当可见星相对位置在第一象限，即x_l≥0，y_l≥0时，不修正；

当可见星相对位置在第二象限或第三象限，即x_l＜0时，

当可见星相对位置在第四象限，即x_l≥0，y_l＜0时，

步骤四：对可见星按仰角分区并选择仰角最大的卫星作为选星结果的第一颗星S1；

对步骤三中得到的所有可见星按仰角大小分为高仰角、中仰角和低仰角三个区域，并从所有可见星中选择仰角最大的一颗星作为所选的1号星S1；

按仰角划分的三个区域分别是：高仰角区为90°≤El＜75°、中仰角区为75°≤El≤40°、低仰角区为40°＜El≤MA；统计各区域的可见卫星数，高仰角卫星数记为K0，中仰角卫星数记为K1，低仰角卫星数记为K2；

步骤五：根据K0及卫星S1的仰角大小判断是否增选高仰角卫星；

根据高仰角卫星数K0和卫星S1的仰角大小，判定是否需要在高仰角卫星区中增选一颗星，判定方法如下：

如果所选的卫星S1的仰角不小于80°，不进行增选；

如果高仰角卫星数K0不大于1，不进行增选；

如果所选卫星S1的仰角小于80°，而高仰角卫星数K0大于等于2，且高仰角卫星区域中至少有1颗卫星与卫星S1的方位角之差超过30°，则在高仰角卫星区域中选择一颗与卫星S1方位角相差最大者作为选星结果的2号星，否则不进行增选；

步骤六：分别在中、低仰角卫星区域中选星；

首先，根据组合卫星系统个数，配置本步骤需要选取的中仰角卫星区域最大卫星数Kz和低仰角卫星区域最大卫星数Kd，配置原则如下：

对单系统或双系统，Kz＝Kd＝3；

对三系统，Kz＝3，Kd＝4；

对四系统，Kz＝Kd＝4；

根据目前星座建设情况，对四系统以上组合系统暂不考虑；

然后，对步骤四中所选出的中仰角星和低仰角星按方位角大小进行排序；

最后，根据每个区域中的卫星数，按方位角等距的原则，从中、低仰角卫星区域中选择相应数量的卫星；其中，不论卫星S1是否属于该区域，所选卫星数均不计卫星S1，方位角等距的原则是指两两相邻卫星方位角之差大小相等；

当中仰角卫星数K1小于等于Kz，或者，当高仰角卫星数K0等于0而中仰角卫星数小于等于Kz+1时，以优先剔除仰角较大者为原则，剔除所有两卫星方位角之差与仰角之差的和小于30°中的一颗，其余卫星全选；否则，当中仰角卫星数K1大于上述数值时，先在中仰角卫星区域中找出与最大仰角卫星S1方位角相差最接近30°的卫星，然后以此卫星为基础，按需要选取的中仰角卫星数Kz，将中仰角区域按方位角等距的原则分为Kz个区域，再然后在每个区域中选择一颗卫星方位角与该区域中心位置方位角之差最小的卫星；

当低仰角卫星数K2≤Kd时，以优先剔除仰角较小者为原则，剔除所有两卫星方位角之差与仰角之差的和小于30°中的一颗，其余卫星全选；否则，先在低仰角卫星区域中选出与最大仰角卫星S1方位角相差最接近180°的卫星，然后以此卫星为基础，按需要选取的低仰角卫星数Kd，将低仰角区域按方位角等距的原则分为Kd个区域，再然后在每个区域中选择一颗卫星方位角与该区域中心位置方位角之差最小的卫星；

步骤七：获取GDOP；

根据选星结果，按照 $\mathrm{GDOP}=\sqrt{\mathrm{tr}{\left(H^{T}H\right)}^{-1}}$ 得到GDOP；

式中H表示用户至导航卫星的方向余弦矩阵，即观测矩阵，tr表示求矩阵的迹，H^T表示观测矩阵H的转置，H是一个n×(3+l)维矩阵，其中n为定位解算中的可见卫星数，l表示组合星座卫星系统个数；

步骤八：判断GDOP大小并确定是否增选或改选卫星；

如果GDOP满足要求，则所选卫星即作为定位卫星；或者，如果所选卫星数nsl等于步骤一中的定位卫星最大数，即使GDOP不满足步骤一中的初步限制要求但超过值不大于5％，则所选结果也能够作为最终选星结果；从而完成选星过程；

否则，如果GDOP不满足上述要求，则在步骤一中所述最大定位卫星数目的限制下，在中仰角和低仰角卫星区域中进行增选或改选；

当GDOP不满足要求且所选卫星数nsl小于定位卫星最大数目时，按中仰角卫星优先的原则，从中仰角卫星区域或低仰角卫星区域中选取1颗与已选所有卫星方位角相差大于20°的卫星；如果不存在这样的卫星，则按5°为步长逐步降低该方位角之差进行选取；

如果所选卫星数nsl等于定位卫星最大数，且GDOP不满足要求并超过值大于5％，则在所有已选卫星之中，除卫星S1外，以优先剔除较大仰角卫星的原则，剔除中、低仰角卫星中两两方位角之差最小的一颗卫星，然后按低仰角卫星优先的原则，从低仰角卫星区域或中仰角卫星区域中选取1颗与已选所有卫星方位角相差最大的卫星；在增选或改选后，重复步骤七、步骤八，直至GDOP满足设计要求，完成选星过程。

2、根据权利要求1所述的一种全球导航卫星系统快速选星方法，其特征在于，步骤一中所述的配置所需选取定位卫星的最大数目，对双系统组合星座一般取为不大于9，而对三系统或四系统组合星座，在双系统组合星座的基础上，每增加一个卫星系统则增加1颗星。

3、根据权利要求1所述的一种全球导航卫星系统快速选星方法，其特征在于，步骤一中所述的星座几何精度因子GDOP的初步限制要求一般取为6。

4、根据权利要求1所述的一种全球导航卫星系统快速选星方法，其特征在于，步骤一中所述的遮蔽角MA一般情形下取为5°。

5、根据权利要求1所述的一种全球导航卫星系统快速选星方法，其特征在于，步骤二中所述的选定的坐标系一般选取某种卫星系统的地心地固系。

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