CN101592723A - Gps接收机及其定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种GPS接收机，包括接收装置；解调装置；历书修正参数计算装置，用于根据解调出的有效的星历和历书信息分别计算出对应的历书修正参数；存储装置，用于存储及更新解调出的星历和历书信息以及历书修正参数；实时时钟，用于记录当前时间，以转换为GPS时间；卫星位置计算装置，用于在所述GPS接收机上电时，恢复存储装置中的星历和历书信息，并根据当前GPS时间计算出多个卫星的粗略位置；以及利用存储装置中更新后的星历和历书信息以及历书修正参数计算出卫星的精确位置；捕获跟踪装置；接收机位置计算装置，用于根据卫星的精确位置计算所述接收机的位置。本发明的GPS接收机能够在缺乏有效的星历的情况下还能够精确计算GPS接收机的位置。

Description

GPS接收机及其定位方法

技术领域

本发明涉及一种GPS接收机及其定位方法，特别涉及一种能够快速定位的GPS接收机及其定位方法。

背景技术

随着汽车及电子计算机技术的发展和人们生活需求的提高，GPS(全球卫星定位)系统得到了广泛的应用，越来越多的人开始购买和使用GPS接收机。GPS在车载导航、移动消费电子等领域有了迅速发展。

本领域技术人员知道，GPS系统包括三大部分：GPS卫星星座、地面主控站和GPS接收机(用户设备部分)。

其中，GPS卫星星座由21颗工作卫星和3颗在轨备用卫星组成，记作(21+3)GPS星座，24颗卫星均匀分布在6个轨道平面内，能够保证在地球的任一地点向GPS接收机使用者提供4颗以上可视卫星；地面主控站用于对GPS卫星星座中的卫星进行监测、控制，并向每颗卫星注入更新的导航电文；然后GPS卫星向GPS接收机发送包含其导航电文的GPS信号；GPS接收机用于根据GPS信号确定该接收机的位置。

GPS卫星的导航电文中包含两类信息：卫星的星历参数和卫星的历书参数。

GPS星历参数是对卫星轨道状态短期(4小时)拟合而得到的一组参数，由各地面主控站将星历参数定期的注入至各在轨GPS卫星中，然后由各卫星再下发至接收机。由于星历参数是短期拟合的结果，其有效期一般为2小时，因此在其有效期之内，通过星历计算得到的卫星的位置和速度信息的误差一般都在数米之内(＜10m)，能满足大多数普通导航服务的要求。由于星历参数是短期拟合的结果，随着星历失效时间的增大，通过其外推得到的卫星位置和速度信息的误差也会急剧扩大，也就必然导致了接收机导航精度的急剧恶化，因此，一般在星历失效4小时之后，不宜再使用该卫星的失效星历信息。

GPS历书参数是对卫星轨道状态长期(2周)拟合而得到的一组参数，由各地面主控站将历书参数定期的注入至在轨GPS卫星中，再由各卫星以广播的方式下发至接收机，由于历书参数是长期拟合的结构，因此其能很好的描述卫星轨道的长期统计特性，而从短期来看，由于影响卫星轨道信息的因素较多，因此历书参数尚无法替代星历参数在导航服务中的作用。

其中，GPS星历包括如下参数：星历表参考时刻toe、参考时刻的平近点角M0、平均角速度的变化Δn、偏心率e、半长轴的平方根

参考时刻的升交点赤经Ω0、升交点赤经变化率′Ω、参考时刻的轨道倾角i0、轨道倾角变化率i、近地点幅角ω、纬度幅角的余弦调和改正项的振幅Cuc、纬度幅角的正弦调和改正项的振幅Cus、轨道半径的余弦调和改正项的振幅Crc、轨道半径的正弦调和改正项的振幅Crs、轨道倾角的余弦调和改正项的振幅Cic、轨道倾角的正弦调、改正项的振幅Cis和卫星钟差修正参数af0、af1和af2共19个。

GPS历书包括如下参数：历书表参考时刻toa、参考时刻的平近点角M0、偏心率e、半长轴的平方根

参考时刻的升交点赤经Ω0、升交点赤经变化率′Ω、参考时刻的轨道倾角i0、近地点幅角ω和卫星钟差修正参数af0、af1共10个。

本领域技术人员知道，GPS接收机定位的一般过程如下，捕获、跟踪4颗(或者多于4颗)GPS卫星，解调GPS Navigation message(导航电文)，从中提取星历等信息，计算GPS卫星位置和伪距信息，最终计算得到GPS接收机的位置信息。图1所示为现有技术的GPS接收机的结构示意图，其中包括：

接收装置，用于接收来自多个卫星的导航电文；

解调装置，用于解调所述导航电文，并提取出相应的星历和历书信息；

星历存储装置，用于存储解调出的星历；

历书存储装置，用于存储解调出的历书；

本领域技术人员可以理解，星历存储装置和历书存储装置可以合为一个存储装置，分为不同的存储区分别进行存储(如图所示)；

实时时钟，用于记录当前时间，以转换为GPS时间；

卫星位置计算装置，用于在所述GPS接收机上电时，读取存储装置中的星历和历书信息，并根据当前GPS时间计算出多个卫星的粗略位置；以及利用存储装置中更新后的星历计算出卫星的精确位置；

捕获跟踪装置，用于根据计算出的多个卫星的粗略位置捕获和跟踪可见的卫星；

接收机位置计算装置，用于根据卫星的精确位置计算所述接收机的位置。

图2所示为现有技术的GPS接收机的工作流程。

首先，GPS接收机上电；

然后，执行步骤100-101，卫星位置计算装置从存储装置中读取星历和历书信息，并根据有效的星历或历书信息计算出卫星的粗略位置；

具体地说(图中未示出)，卫星位置计算装置根据实时时钟中记录的当前GPS时间判断所述星历和历书信息的有效性，

若卫星星历信息有效，则根据读取得到的星历信息计算当前的卫星位置信息，包括星座分布、卫星速度、可见性、多普勒频移、仰角等；若星历信息无效，历书信息仍然有效，则利用历书信息更新当前的卫星信息，包括星座分布、卫星速度、可见性、多普勒频移、仰角等；若星历信息和历书信息均已失效则按照无任何先验知识的定位方法进行工作；

其中，当前GPS时间的具体计算方法为，根据GPS时钟同步信息(存在备份区)，将当前的实时时钟信息(RTC)转换成粗略的GPS时间，在转换当中，采用1999年8月21/22日作为时钟转换的参考起始点，转换公式如下：

t_GPS＝[dow*24+(hour+zonenum)×60+min]×60+sec+leapsec

其中，dow(day of week)是指当前时间为周内天数，hour/min/sec分别为当前待转换时间的时、分、秒信息，zonenum是指当前时钟的时区信息，leapsec是指当前UTC时间和GPS时间的秒差，即闰秒信息。这与现有技术的计算方法并无区别。其中，公知的，卫星多普勒频移和仰角的计算公式如下：

doppler＝-((rcvr_vx-sv_vx)×(rcvr_px-sv_px)+

(rcvr_vy-sv_vy)×(rcvr_py-sv_py)+

(rcvr_vz-sv_vz)×(rcvr_pz-sv_pz)

/dis tan ce/wavelen_L1)

el＝a sin(sv_neh_head/dis tan ce)

其中，rcvr_px/rcvr_py/rcvr_pz为接收机在ECEF(地心地固坐标系)坐标系中的粗略位置，这里使用备份区中的历史位置来替代；rcvr_vx/rcvr_vy/rcvr_vz为接收机在ECEF坐标系中的速度值，由于系统尚未定位，因此可以假设该接收机的速度为0；

sv_px/sv_py/sv_pz为卫星在ECEF坐标系中的位置信息；sv_vx/sv_vy/sv_vz为卫星在ECEF坐标系中的速度值；sv_neh_head为以接收机为坐标原点的N-E-H(北东天坐标系)坐标系统中head(向上分量)方向的分量；distance为接收机与卫星之间的距离；wavelen_11为GPS L1信号(GPS卫星发送的扩频L频带载波的一种)的波长；由于计算卫星可见性和卫星多普勒频移时有关坐标转换和卫星位置速度计算不是本发明的重点，因此这里不再一一赘述。

接下来，执行步骤102，根据卫星的可见性，捕获跟踪装置通过捕获通道捕获卫星并通过跟踪通道跟踪GPS卫星；

然后，执行步骤103，接收装置通过跟踪通道接收多个卫星的导航电文，并通过解调装置对接收到的各个卫星的导航电文进行解调，从而提取出相应卫星的星历和历书信息；

然后执行步骤104，将提取出的星历和历书信息更新存储在存储装置中；

同时，卫星位置计算装置读取存储装置中的星历，并判断其有效性，并根据有效的星历进行精确的卫星位置计算，然后接收机位置计算装置根据该精确的卫星位置计算接收机的位置，即步骤105-108：本领域技术人员可知，为了精确定位，需要收集到4颗及以上的卫星的有效星历进行计算。

如上可知，由于现有技术中必须利用有效的星历进行GPS定位计算，因此在无法收集到有效的星历情况下，则还需要大量的时间等待有效的星历，从而大大增加了定位的时间。

发明内容

为了实现GPS接收机能够不依赖于有效的星历而快速定位，本发明提供了一种GPS接收机，包括：

接收装置，用于接收来自多个跟踪到的卫星的导航电文；

解调装置，用于解调所述导航电文，并提取出各卫星相应的星历和历书信息；

历书修正参数计算装置，用于根据解调出的各卫星有效的星历和历书信息分别计算出对应卫星的历书修正参数；

存储装置，用于存储及更新解调出的星历和历书信息以及历书修正参数；

实时时钟，用于记录当前时间，以转换为GPS时间；

卫星位置计算装置，用于在所述GPS接收机上电时，读取存储装置中的星历和历书信息，并根据当前GPS时间，利用读取出的星历和历书信息计算出多个卫星的粗略位置；以及利用存储装置中更新后的有效的星历和历书信息以及历书修正参数计算出卫星的精确位置；

捕获跟踪装置，用于根据计算出的多个卫星的粗略位置捕获和跟踪可见的卫星；

接收机位置计算装置，用于根据卫星的精确位置计算所述接收机的位置；

其中，

所述卫星位置计算装置，判断存储装置中更新后的星历是否有效，如果有效，则利用星历进行卫星精确位置计算；

如果星历无效，则判断历书及历书修正参数是否有效，若均有效，则利用历书及相应的历书修正参数进行卫星精确位置计算；若历书及历书修正参数其中之一无效，则重复上述操作；

其中，

所述历书修正参数计算装置，

利用有效的星历计算出多个采样时间点ti对应的各卫星位置坐标x、y、z和钟差T的数值组，以及利用有效的历书计算出相同时间点ti对应的各卫星位置坐标x、y、z和钟差T的数值组；

然后对应各时间点ti计算由星历确定的所述卫星位置坐标x、y、z和钟差T的值以及由历书确定的所述卫星位置坐标x、y、z和钟差T的值之间的差值组Δx(ti)、Δy(ti)、Δz(ti)和ΔT(ti)，然后分别对所述差值组Δx(ti)、Δy(ti)、Δz(ti)和ΔT(ti)进行基于最小二乘法的多项式拟合，分别求出相应卫星的位置坐标x、y、z和钟差T的历书修正参数，然后更新存储装置中的历书修正参数；

其中，

所述最小二乘法多项式拟合的计算公式为，

$\left[\begin{array}{cccc}m+1& \underset{i=0}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{t}_i& ...& \underset{i=0}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{t}_i^n\\ \underset{i=0}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{t}_i& \underset{i=0}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{t}_i^2& ...& \underset{i=0}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{t}_i^{n+1}\\ .& .& .& .\\ .& .& .& .\\ .& .& .& .\\ \underset{i=0}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{t}_i^n& \underset{i=0}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{t}_i^{n+1}& ...& \underset{i=0}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{t}_i^{2n}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{a}_0\\ a_1\\ .\\ .\\ .\\ a_n\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}\underset{i=0}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\Δx}\left(t_i\right)\\ \underset{i=0}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}t\·\mathrm{\Δx}\left(t_i\right)\\ .\\ .\\ .\\ \underset{i=0}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{t}^n\·\mathrm{\Δx}\left(t_i\right)\end{array}\right]$

其中a₀，a₁......a_n为所述x坐标的历书修正参数，n为多项式最高阶数，m-1为采样点个数，依次类推到所述坐标y、z及所述钟差T的各历书修正参数；

其中，

所述采样点个数为12个，并且，t_{oe_}t₀为4小时，t_{i_}t_i-1为20分钟。

其中，所述卫星位置计算装置利用有效的历书及相应的历书修正参数进行精确卫星位置计算的操作为：

首先利用有效的历书计算当前时刻t的卫星位置坐标x、y、z和钟差T的值，设为x’、y’、z’及T’，

然后利用有效的历书修正参数分别计算所述时刻t的所述卫星位置坐标x、y、z和钟差T的修正量Δx’、Δy’、Δz’、ΔT’，其中计算公式如下：

$\mathrm{\Δ}{x}^{\′}\left(t\right)=\underset{k=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{a}_k{t}^k,$ $\mathrm{\Δ}{y}^{\′}\left(t\right)=\underset{k=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{b}_k{t}^k,$ $\mathrm{\Δ}{z}^{\′}\left(t\right)=\underset{k=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{c}_k{t}^k,$ $\mathrm{\Δ}{T}^{\′}\left(t\right)=\underset{k=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{d}_k{t}^k,$

其中t为当前GPS时间，a_k，，b_k，c_k，d_k为所述卫星位置坐标x、y、z和钟差T对应的历书修正参数，n为历书修正参数的阶数；

然后，修正t时刻的所述卫星位置坐标x、y、z和钟差T的值分别为x’+Δx’、y’+Δy’、z’+Δz’、T’+ΔT’。

本发明进一步提供了一种GPS接收机定位方法，包括：

捕获和跟踪卫星；

读取接收机中所存储的星历和/或历书、历书修正参数；

判断星历是否有效，若星历有效，则利用星历进行精确卫星位置计算；

若星历无效，则判断历书及对应卫星的历书修正参数是否有效；

若均有效，则利用有效的历书修正参数和历书进行卫星的精确位置计算，然后利用所述卫星的精确位置计算接收机位置；

若历书及对应卫星的历书修正参数有其一无效，则返回到上述的读取步骤；

其中，

所述利用有效的历书修正参数和历书进行卫星的精确位置计算的步骤为：

首先，利用有效的历书计算当前时刻t的卫星位置坐标x、y、z和钟差T的值，设为x’、y’、z’和钟差T’；

然后，利用有效的历书修正参数分别计算t时刻的所述卫星位置坐标x、y、z和钟差T的修正量Δx、Δy、Δz、ΔT，其中计算公式如下：

$\mathrm{\Δx}\left(t\right)=\underset{k=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{a}_k{t}^k,$ $\mathrm{\Δy}\left(t\right)=\underset{k=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{b}_k{t}^k,$ $\mathrm{\Δz}\left(t\right)=\underset{k=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{c}_k{t}^k,$ $\mathrm{\ΔT}\left(t\right)=\underset{k=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{d}_k{t}^k,$

其中，t为当前GPS时间，a_k、b_k、c_k、d_k为所述卫星位置坐标x、y、z和钟差T对应的t时刻的历书修正参数，n为历书修正参数的阶数；

然后，修正t时刻的卫星位置坐标x’、y’、z’和钟差T’分别为x、y、z、T，修正后的所述卫星位置坐标x、y、z和钟差T的值分别为x’+Δx、y’+Δy、z’+Δz、T’+ΔT；

本发明进一步还提供了一种在GPS接收机中生成历书修正参数的方法，其特征在于，包括：

利用有效的星历计算多个采样点ti对应的各卫星的位置坐标x、y、z和钟差T的数值组；

利用有效的历书确定相同采样点ti对应的相应卫星的卫星位置坐标x、y、z和钟差T的数值组；

对应各时间点ti计算利用有效的星历确定的卫星位置坐标x、y、z和钟差T的数值组和利用有效的历书确定的相应的卫星位置坐标x、y、z和钟差T的数值组之间的差值组Δx(ti)、Δy(ti)、Δz(ti)、ΔT(ti)；

对所述差值组Δx(ti)、Δy(ti)、Δz(ti)、ΔT(ti)分别进行基于最小二乘法的多项式拟合，从而分别求解出相应卫星的位置坐标x、y、z和钟差T的历书修正参数；

其中，

所述最小二乘法多项式拟合的计算公式为：

$\left[\begin{array}{cccc}m+1& \underset{i=0}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{t}_i& ...& \underset{i=0}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{t}_i^n\\ \underset{i=0}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{t}_i& \underset{i=0}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{t}_i^2& ...& \underset{i=0}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{t}_i^{n+1}\\ .& .& .& .\\ .& .& .& .\\ .& .& .& .\\ \underset{i=0}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{t}_i^n& \underset{i=0}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{t}_i^{n+1}& ...& \underset{i=0}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{t}_i^{2n}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{a}_0\\ a_1\\ .\\ .\\ .\\ a_n\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}\underset{i=0}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\Δx}\left(t\right)\\ \underset{i=0}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}t\·\mathrm{\Δx}\left(t\right)\\ .\\ .\\ .\\ \underset{i=0}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{t}^n\·\mathrm{\Δx}\left(t\right)\end{array}\right]$

其中a₀，a₁......a_n为所述坐标x的历书修正参数，n为多项式最高阶数，m-1为采样点个数，依次类推到所述坐标y、z及钟差T的历书修正参数；

其中，m为12个，并且，t_{oe_}t₀为4小时，t_{i_}t_i-1为20分钟。

本发明从GPS卫星的轨道特征、星历参数和历书参数出发，从中推导出基于历书的卫星历书修正参数，并将该修正参数应用至GPS接收机捕获、跟踪、定位和导航当中，缩减了GPS接收机定位所需时间。

附图说明

图1为现有技术的GPS接收机的结构示意图；

图2为现有技术的GPS接收机的工作流程；

图3为本发明的GPS接收机的结构示意图；

图4为本发明的GPS接收机的定位流程；

图5为本发明的历书修正参数更新流程；

图6为本发明的GPS接收机的历书修正参数生成流程。

具体实施方式

下面参照附图详细描述本发明的GPS接收机的结构及其中使用的方法。

如图3所示为本发明的GPS接收机系统，其中与现有技术相同的部分不再赘述。其中包括：

接收装置，用于接收来自多个卫星的导航电文；

解调装置，用于解调所述导航电文，并提取出相应的星历和历书信息；

星历存储装置，用于存储解调出的星历信息；

历书存储装置，用于存储解调出的历书信息；

历书修正参数计算装置，用于根据解调出的各卫星的有效的星历和历书信息分别计算出对应卫星的历书修正参数；

历书修正参数存储装置，用于存储计算出的历书修正参数；

本领域技术人员可知，所述星历存储装置、历书存储装置和历书修正参数存储装置可以合并成一个存储装置，为了直观地理解本发明，图3中使用三个装置进行表示。

实时时钟，用于记录当前时间，以转换为GPS时间；

卫星位置计算装置，用于在所述GPS接收机上电时，恢复并读取存储装置中的星历和历书信息，并根据当前GPS时间计算出多个卫星的粗略位置；以及利用存储装置中更新后的星历和/或历书信息、历书修正参数计算出卫尾的精确位置；

捕获跟踪装置，用于根据计算出的多个卫星的粗略位置捕获和跟踪可见的卫星；

接收机位置计算装置，用于根据卫星的精确位置计算所述接收机的位置。

需要注意的是，本发明的GPS接收机中增加了用于计算基于历书的历书修正参数的计算装置，并且在定位时利用该参数进行接收机位置计算，不仅提高了系统捕获、跟踪的效率，而且将系统的首次定位时间从30秒以上缩减至15秒左右。

图4所示为历书修正参数的生成方法，其中具体的推导过程为：

首先，计算在t时刻星历对应的各卫星的位置坐标(x、y、z坐标轴)和卫星钟差T的值，设为：x_e(t)，y_e(t)，z_e(t)，T_e(t)；

然后，计算在同一t时刻历书对应的相应卫星的位置坐标和卫星钟差的值，设为：x′(t)，y′(t)，z′(t)，T′(t)

则可以计算出在t时刻，由星历和历书分别对应的各卫星位置坐标和卫星钟差(卫星的星载时钟与GPS时钟的差)差值，即基于历书的卫星位置坐标和卫星钟差的修正量，为：

Δx(t)＝x_e(t)-x′(t)，

Δy(t)＝y_e(t)-y′(t)，

Δz(t)＝z_e(t)-z′(t)

ΔT(t)＝T_e(t)-T′(t)

可以认为Δx(t)，Δy(t)，Δz(t)，ΔT(t)是时间t的高阶多项式函数，计算公式如下，

$\mathrm{\Δx}\left(t\right)=\underset{k=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{a}_k{t}^k,$ $\mathrm{\Δy}\left(t\right)=\underset{k=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{b}_k{t}^k,$ $\mathrm{\Δz}\left(t\right)=\underset{k=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{c}_k{t}^k,$ $\mathrm{\ΔT}\left(t\right)=\underset{k=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{d}_k{t}^k,$

其中a_k(a₀，a₁......a_n)，b_k(b₀，b₁......b_n)，c_k(c₀，c₁......c_n)，d_k(d₀，d₁......d_n)为各卫星的位置坐标和钟差的历书修正参数，n为多项式最高阶数。

为了求得历书修正参数a₀，a₁......a_n，b₀，b₁......b_n，d₀，d₁......d_n，c₀，c₁......c_n，可以对其进行基于最小二乘法的多项式拟合，如图4所示，可以在多个时间采样点ti，分别使用星历和历书计算出卫星的位置坐标和钟差的数值组，通过对这两组数值的多项式拟合，从而求出历书修正参数的公式。本领域技术人员可知，n越大则历书修正参数越精确，且参与拟合的数据点越多，其拟合得到的卫星历书修正参数的精度也就越高，参与拟合的数据时间跨度越长，其拟合得到的卫星历书修正参数的有效期也就越长。

为了方便说明，以其中Δx(t)为例：假设共有m-1(i＝0-m)个采样点，要求其最小二乘法拟合，即求取历书修正参数a₀，a₁......a_n，使得下式最小，即：

$\min \left(\underset{i=0}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{(\underset{k}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{a}_k{t}_i^k-\mathrm{\Δx}\left(t_i\right))}^2\right),$

通过求取以下矩阵可以解出a₀，a₁......a_n

$\left[\begin{array}{cccc}m+1& \underset{i=0}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{t}_i& ...& \underset{i=0}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{t}_i^n\\ \underset{i=0}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{t}_i& \underset{i=0}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{t}_i^2& ...& \underset{i=0}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{t}_i^{n+1}\\ .& .& .& .\\ .& .& .& .\\ .& .& .& .\\ \underset{i=0}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{t}_i^n& \underset{i=0}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{t}_i^{n+1}& ...& \underset{i=0}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{t}_i^{2n}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{a}_0\\ a_1\\ .\\ .\\ .\\ a_n\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}\underset{i=0}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\Δx}\left(t_i\right)\\ \underset{i=0}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}t\·\mathrm{\Δx}\left(t_i\right)\\ .\\ .\\ .\\ \underset{i=0}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{t}^n\·\mathrm{\Δx}\left(t_i\right)\end{array}\right]$

这样，可以按照上述方法依次求出Δy(t)的b₀，b₁......b_n，Δz(t)的c₀，c₁......c_n，以及ΔT(t)的d₀，d₁......d_n，从而以此类推到所有卫星。

最优地，以t0＝toe-2小时，每个时间间隔为20分钟，可以采样12个点，这样可以涵盖4小时内的卫星信息。

本领域技术人员可知，这样使得该历书修正参数能够在外延到6小时内准确使用，并可外推到8小时，即设定距离上次更新的修正参数表的时间8小时之后为失效。

更优地，历书修正参数计算装置还包括时间判定装置(图中未示出)，用于判定所解调出来的星历和历书是否均有效，若是，则在历书修正参数无效时，利用有效的星历和历书求解出相应卫星的历书修正参数；

下面参照图5详细描述本发明的GPS接收机通过其中的历书修正参数计算装置更新历书修正参数的流程，其中与现有技术相同的部分，即利用存储装置中的星历和历书进行卫星位置计算等步骤不再赘述。其步骤如下：

首先进入步骤200，根据卫星的可见性，捕获跟踪装置捕获和跟踪GPS卫星；

然后，步骤201，接收装置接收多个卫星的导航电文；然后，解调装置从导航电文中提取出星历和历书信息；

然后，步骤202，历书修正参数计算装置判断各存储装置中星历、历书及对应的历书修正参数的有效性；若星历、历书均有效且历书修正参数无效，则；进入步骤203；若不是上述情况，则返回步骤201；

步骤203，根据解调出的有效的星历和历书信息分别计算出对应的历书修正参数，并将其更新存储在存储装置中。

进一步地，如图6所示为本发明的GPS接收机的定位流程，其中与现有技术相同的流程不再赘述。

首先，步骤300，根据卫星的可见性捕获和跟踪卫星；

然后，步骤301，从存储区中读取星历、历书及历书修正参数，判断此时的星历是否有效；若星历有效，则进入步骤302，通过卫星星历精确求解卫星的位置，这和一般的GPS定位计算并无区别；若星历无效，则进入步骤303；

步骤303，判断历书和历书修正参数是否有效，若均有效，则进入步骤304-305，利用历书和历书修正参数进行精确卫星位置计算，然后进行接收机位置计算；若有一个无效，则返回到步骤301，等待有效的卫星信息后进行定位计算。

具体地，其中利用历书和历书修正参数进行定位计算的具体步骤如下：

首先，利用历书参数计算当前时刻t的卫星位置坐标x、y、，z和钟差T的值x’、y’、z’、T’，然后，利用各卫星的历书修正参数分别计算各卫星的卫星位置坐标x，y，z和钟差T的修正量Δx’(t)，Δy’(t)，Δz’(t)，ΔT’(t)，其中计算公式如下：

$\mathrm{\Δ}{x}^{\′}\left(t\right)=\underset{k=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{a}_k{t}^k,$ $\mathrm{\Δ}{y}^{\′}\left(t\right)=\underset{k=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{b}_k{t}^k,$ $\mathrm{\Δ}{z}^{\′}\left(t\right)=\underset{k=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{c}_k{t}^k,$ $\mathrm{\Δ}{T}^{\′}\left(t\right)=\underset{k=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{d}_k{t}^k,$

其中t为当前GPS时间，a_k、b_k、c_k、d_k为卫星位置坐标x、y、z、钟差T对应的历书修正参数，n为历书修正参数的阶数；

根据各参数修正量，修正t时刻的卫星位置坐标x、y、z、钟差T的值分别修正为x’+Δx’、y’+Δy’、z’+Δz’、T’+ΔT’；

然后，将修正后的卫星位置坐标x、y、z、钟差T的值代入至接收机位置计算的方程中，计算接收机的位置。

综上所述，本发明关键在于结合了星历参数的精确性和历书参数的长期稳定性，在系统中引入了基于卫星历书的历书修正参数，这样就使得在缺乏有效的卫星星历参数时，依靠历书和相关的历书修正参数来确定满足一定精度范围的卫星位置信息。

虽然前述的说明书和附图代表了本发明的优选实施例，但是可以理解各种添加、修改和替代方案并不背离本发明的思想和范围，如所带的权利要求中所限定的。本领域技术人员可以理解本发明可以在形状、结构、排布、修改、比例、原料、元件和部件上进行修改后也可以使用，在本发明的实施过程中，在不背离本发明的原理的情况下，特别适用于特定环境和工作要求。现在公开的实施例因此在所有考虑中被认为描述性的而不是限制性的，本发明的范围由附加的权利要求和合法的等效物所表示，但不局限于之前的说明书中。

Claims (11)

1、一种GPS接收机，其特征在于，包括：

接收装置，用于接收来自多个跟踪到的卫星的导航电文；

解调装置，用于解调所述导航电文，并提取出各卫星相应的星历和历书信息；

历书修正参数计算装置，用于根据解调出的各卫星有效的星历和历书信息分别计算出对应卫星的历书修正参数；

存储装置，用于存储及更新解调出的星历和历书信息以及历书修正参数；

实时时钟，用于记录当前时间，以转换为GPS时间；

卫星位置计算装置，用于在所述GPS接收机上电时，读取存储装置中的星历和历书信息，并根据当前GPS时间，利用读取出的星历和历书信息计算出多个卫星的粗略位置；以及利用存储装置中更新后的有效的星历和历书信息以及历书修正参数计算出卫星的精确位置；

捕获跟踪装置，用于根据计算出的多个卫星的粗略位置捕获和跟踪可见的卫星；

接收机位置计算装置，用于根据卫星的精确位置计算所述接收机的位置。

2、根据权利要求1所述的GPS接收机，其特征在于：

所述卫星位置计算装置，判断存储装置中更新后的星历是否有效，如果有效，则利用星历进行卫星精确位置计算；

如果星历无效，则判断历书及历书修正参数是否有效，若均有效，则利用历书及相应的历书修正参数进行卫星精确位置计算；若历书及历书修正参数其中之一无效，则重复上述操作。

3、根据权利要求1或2所述的GPS接收机，其特征在于：

所述历书修正参数计算装置，

利用有效的星历计算出多个采样时间点ti对应的各卫星位置坐标x、y、z和钟差T的数值组，以及利用有效的历书计算出相同时间点ti对应的各卫星位置坐标x、y、z和钟差T的数值组；

然后对应各时间点ti计算由星历确定的所述卫星位置坐标x、y、z和钟差T的值以及由历书确定的所述卫星位置坐标x、y、z和钟差T的值之间的差值组Δx(ti)、Δy(ti)、Δz(ti)和ΔT(ti)，然后分别对所述差值组Δx(ti)、Δy(ti)、Δz(ti)和ΔT(ti)进行基于最小二乘法的多项式拟合，分别求出相应卫星的位置坐标x、y、z和钟差T的历书修正参数，然后更新存储装置中的历书修正参数。

4、根据权利要求3所述的GPS接收机，其特征在于：

所述最小二乘法多项式拟合的计算公式为，

$\left[\begin{array}{cccc}m+1& \underset{i=0}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{t}_i& \·\·\·& \underset{i=0}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{t}_i^n\\ \underset{i=0}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{t}_i& \underset{i=0}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{t}_i^2& \·\·\·& \underset{i=0}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{t}_i^{n+1}\\ \·& \·& & \·\\ \·& \·& & \·\\ \·& \·& & \·\\ \underset{i=0}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{t}_i^n& \underset{i=0}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{t}_i^{n+1}& \·\·\·& \underset{i=0}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{t}_i^{2n}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{a}_0\\ a_1\\ \·\\ \·\\ \·\\ a_n\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}\underset{i=0}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\Δx}\left(t_i\right)\\ \underset{i=0}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}t\·\mathrm{\Δx}\left(t_i\right)\\ \·\\ \·\\ \·\\ \underset{i=0}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{t}^n\·\mathrm{\Δx}\left(t_i\right)\end{array}\right]$

其中a₀，a₁......a_n为所述x坐标的历书修正参数，n为多项式最高阶数，m-1为采样点个数，依次类推到所述坐标y、z及所述钟差T的各历书修正参数。

5、根据权利要求4所述的GPS接收机，其特征在于：

所述采样点个数为12个，并且，t_{oe_}t₀为4小时，t_{i_}t_i-1为20分钟。

6、根据权利要求2所述的GPS接收机，其特征在于，所述卫星位置计算装置利用有效的历书及相应的历书修正参数进行精确卫星位置计算的操作为：

首先利用有效的历书计算当前时刻t的卫星位置坐标x、y、z和钟差T的值，设为x’、y’、z’及T’，

然后利用有效的历书修正参数分别计算所述时刻t的所述卫星位置坐标x、y、z和钟差T的修正量Δx’、Δy’、Δz’、ΔT’，其中计算公式如下：

$\mathrm{\Δ}{x}^{\′}\left(t\right)=\underset{k=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{a}_k{t}^k,$ $\mathrm{\Δ}{y}^{\′}\left(t\right)=\underset{k=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{b}_k{t}^k,$ $\mathrm{\Δ}{z}^{\′}\left(t\right)=\underset{k=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{c}_k{t}^k,$ $\mathrm{\Δ}{T}^{\′}\left(t\right)=\underset{k=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{d}_k{t}^k,$

其中t为当前GPS时间，a_k，，b_k，c_k，d_k为所述卫星位置坐标x、y、z和钟差T对应的历书修正参数，n为历书修正参数的阶数；

然后，修正t时刻的所述卫星位置坐标x、y、z和钟差T的值分别为x’+Δx’、y’+Δy’、z’+Δz’、T’+ΔT’。

7、一种GPS接收机定位方法，其特征在于，包括：

捕获和跟踪卫星；

读取接收机中所存储的星历和/或历书、历书修正参数；

判断星历是否有效，若星历有效，则利用星历进行精确卫星位置计算；

若星历无效，则判断历书及对应卫星的历书修正参数是否有效；

若均有效，则利用有效的历书修正参数和历书进行卫星的精确位置计算，然后利用所述卫星的精确位置计算接收机位置；

若历书及对应卫星的历书修正参数有其一无效，则返回到上述的读取步骤。

8、根据权利要求7所述的GPS接收机定位方法，其特征在于，

所述利用有效的历书修正参数和历书进行卫星的精确位置计算的步骤为：

首先，利用有效的历书计算当前时刻t的卫星位置坐标x、y、z和钟差T的值，设为x’、y’、z’和钟差T’；

然后，利用有效的历书修正参数分别计算t时刻的所述卫星位置坐标x、y、z和钟差T的修正量Δx、Δy、Δz、ΔT，其中计算公式如下：

$\mathrm{\Δx}\left(t\right)=\underset{k=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{a}_k{t}^k,$ $\mathrm{\Δy}\left(t\right)=\underset{k=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{b}_k{t}^k,$ $\mathrm{\Δz}\left(t\right)=\underset{k=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{c}_k{t}^k,$ $\mathrm{\ΔT}\left(t\right)=\underset{k=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{d}_k{t}^k,$

其中，t为当前GPS时间，a_k、b_k、c_k、d_k为所述卫星位置坐标x、y、z和钟差T对应的t时刻的历书修正参数，n为历书修正参数的阶数；

然后，修正t时刻的卫星位置坐标x’、y’、z’和钟差T’分别为x、y、z、T，修正后的所述卫星位置坐标x、y、z和钟差T的值分别为x’+Δx、y’+Δy、z’+Δz、T’+ΔT。

9、一种在GPS接收机中生成历书修正参数的方法，其特征在于，包括：

利用有效的星历计算多个采样点ti对应的各卫星的位置坐标x、y、z和钟差T的数值组；

利用有效的历书确定相同采样点ti对应的相应卫星的卫星位置坐标x、y、z和钟差T的数值组；

对应各时间点ti计算利用有效的星历确定的卫星位置坐标x、y、z和钟差T的数值组和利用有效的历书确定的相应的卫星位置坐标x、y、z和钟差T的数值组之间的差值组Δx(ti)、Δy(ti)、Δz(ti)、ΔT(ti)；

对所述差值组Δx(ti)、Δy(ti)、Δz(ti)、ΔT(ti)分别进行基于最小二乘法的多项式拟合，从而分别求解出相应卫星的位置坐标x、y、z和钟差T的历书修正参数。

10、根据权利要求9所述的在GPS接收机中生成历书修正参数的方法，其特征在于：

所述最小二乘法多项式拟合的计算公式为：

$\left[\begin{array}{cccc}m+1& \underset{i=0}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{t}_i& \·\·\·& \underset{i=0}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{t}_i^n\\ \underset{i=0}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{t}_i& \underset{i=0}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{t}_i^2& \·\·\·& \underset{i=0}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{t}_i^{n+1}\\ \·& \·& & \·\\ \·& \·& & \·\\ \·& \·& & \·\\ \underset{i=0}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{t}_i^n& \underset{i=0}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{t}_i^{n+1}& \·\·\·& \underset{i=0}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{t}_i^{2n}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{a}_0\\ a_1\\ \·\\ \·\\ \·\\ a_n\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}\underset{i=0}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\Δx}\left(t\right)\\ \underset{i=0}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}t\·\mathrm{\Δx}\left(t\right)\\ \·\\ \·\\ \·\\ \underset{i=0}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{t}^n\·\mathrm{\Δx}\left(t\right)\end{array}\right]$

其中a₀，a₁......a_n为所述坐标x的历书修正参数，n为多项式最高阶数，m-1为采样点个数，依次类推到所述坐标y、z及钟差T的历书修正参数。

11、根据权利要求9所述的在GPS接收机中生成历书修正参数的方法，其特征在于：

其中，m为12个，并且，t_{oe_}t₀为4小时，t_{i_}t_i-1为20分钟。

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