CN101782640A - 卫星搜索方法及接收机 - Google Patents

Abstract

本发明提供卫星搜索方法及接收机。其中卫星搜索方法，包含步骤：(a)提供包含多颗卫星的候选卫星列表；(b)于观测位置为所述多颗卫星计算其在可能时间取样下的平均可见度；(c)根据所述多颗卫星的所述平均可见度，从所述候选卫星列表中选择卫星，以得到已选择卫星；(d)搜索所述已选择卫星以获得搜索结果；(e)根据所述搜索结果，从所述可能时间取样中消除至少一个时间取样；以及(f)重复步骤(b)至(e)。利用本发明所提供的卫星搜索方法及实施该方法的接收机，缩短了获取可见卫星的时间。

Description

卫星搜索方法及接收机

技术领域

本发明涉及卫星搜索，尤其涉及动态且迅速地搜索卫星的方法及实施该方法的接收机。

背景技术

如今，多个全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System，GNSS)是可用的，包括美国的全球定位系统(Global Positioning System，GPS)具有32颗运转卫星(operational satellites)、欧洲的伽利略具有27颗运转卫星、俄罗斯的全球导航卫星系统(GLObal NAvigation Satellite System，GLONASS)具有24颗运转卫星、中国的北斗具有35颗运转卫星。由这些系统所构成的星座(constellation)称之为超级GNSS星座。此外，区域导航卫星系统(Regional Navigation SatelliteSystems，RNSS)也计划在不久的将来运转，例如日本的准天顶卫星系统(Quasi-Zenith Satellite System，QZSS)以及印度的GPS辅助型静地轨道增强导航系统(GPS Aided Augmented Navigation System，GAGAN)。

此外，已开发各种星基增强系统(Satellite Based Augmentation Systems，SBAS)以增强GNSS，例如美国的广域增强系统(Wide AreaAugmentation System，WAAS)、欧洲的同步卫星导航覆盖服务(European Geostationary NavigationOverlay Service，EGNOS)、日本的MTSAT星基增强系统(MTSAT Satellite BasedAugmentation System，MSAS)以及印度的GAGAN。

可以看到，当前的卫星星座已相当密集。可很容易的预测到，在不久的将来越来越多的卫星会挤满天空。因此，对于接收机来说如何迅速搜索所有卫星变得越来越具有挑战性。众所周知，搜索一颗卫星即决定其卫星ID、多普勒频率以及伪随机数(Pseudo Random Number，PRN)码相位。通常对接收机执行硬件加速以减少获取多普勒频率及伪随机数码相位的搜索时间。很少倾力于对未知卫星ID的处理。如上所述，随着星座变得越来越大，卫星搜索中会有越来越多的卫星ID。传统顺序(sequential)搜索方法于固定次序下逐一搜索卫星。利用此传统方法需要一段很长的时间才能获取所有可见(visible)卫星。

发明内容

为了解决传统的顺序搜索方法获取所有可见卫星需时很长的问题，本发明提出卫星搜索方法及接收机。

本发明揭露一种卫星搜索方法，包含步骤：(a)提供包含多颗卫星的候选卫星列表；(b)于观测位置为所述多颗卫星计算其在可能时间取样下的平均可见度；(c)根据所述多颗卫星的所述平均可见度，从所述候选卫星列表中选择卫星，以得到已选择卫星；(d)搜索所述已选择卫星以获得搜索结果；(e)根据所述搜索结果，从所述可能时间取样中消除至少一个时间取样；以及(f)重复步骤(b)至(e)。

本发明揭露一种接收机，用于接收及处理卫星信号以实施卫星搜索，所述接收机包含：关联器，用于将所述卫星信号与卫星的代码关联，以便搜索所述卫星；以及导航处理器，用于控制所述关联器，其中所述导航处理器提供包含多颗卫星的候选卫星列表，在观测位置为所述多颗卫星在可能时间取样下计算其平均可见度，指示所述关联器搜索卫星，所述卫星是根据所述多颗卫星的所述平均可见度选择得到的，以获得搜索结果，且根据所述搜索结果，从所述可能时间取样中消除至少一个时间取样。

利用本发明所提供的卫星搜索方法及接收机，缩短了获取可见卫星的时间。

以下根据多个图式对本发明的较佳实施例进行详细描述，本领域普通技术人员阅读后应可明确了解本发明的目的。

附图说明

图1是根据本发明显示接收机的模块示意图。

图2表示根据本发明的方法的流程图。

图3至图13分别显示了在此例的11次搜索中的候选卫星的平均可见度及可见时间取样的变化。。

图14为计算最初的六次搜索的卫星的各自平均可见度的图表。

图15为传统的顺序搜索方法所获得的结果与本发明的方法所获得的结果之间的搜索时间的比较图。

具体实施方式

当接收机启动时，首要任务是在天空中搜索所有可见卫星。卫星可见度(visibility)的决定涉及接收机位置、系统时间(如GPS时间)及卫星轨道信息。卫星轨道信息可以来自于接收机先前定位(fixing)中的数据或由远程辅助数据服务器(aiding data server)提供。例如，接收机可由卫星相对于接收机位置的仰角决定该卫星的可见度。当仰角大于5度时，则该颗卫星视为可见。否则，该卫星视为不可见。然而，除了卫星相对于接收机位置的仰角以外，每颗卫星的可见度亦可由其它任何适当的方法决定。总而言之，卫星可见度可表示为接收机位置、系统时间和卫星轨道信息的一个函数。若接收机的粗略位置、粗略时间和粗略卫星轨道信息，例如六个开普勒轨道参数或卫星历书(almanac)是已知的，则在此条件下可得知哪颗卫星是可见的。其中粗略时间可取自于接收机的实时时钟(Real Time Clock，RTC)单元所提供的时间。相反地，当前系统时间(例如当前GPS时间)是接收机位置、卫星轨道信息和卫星可见度的一个反函数。也就是说，若粗略的接收机位置和卫星轨道信息是已知的，则可通过利用卫星是否可见来估计当前时间，从而决定每颗卫星的可见度，并因此决定最有可能看见的卫星以搜索。本发明即基于此概念而发展。

在接下来的描述中，以具有32颗卫星(SV1，SV2，...，SV32)的GPS为例。然而，本发明并不局限于此。

图1是根据本发明显示接收机100的模块示意图。接收机100接收和处理卫星信号(GPS信号或其它卫星系统信号)以定位接收机的位置。例如，所有卫星的GPS信号由天线101所接收，GPS信号为射频(Radio Frequency，RF)信号。射频信号由前置放大器(preamplifier)103放大。之后，利用频率合成器114所提供的信号混合频率，下变频器(down-converter)116将放大的信号低向变频至中频(Intermediate Frequency，IF)或基带信号，其中频率合成器114利用振荡器112提供的参考时钟生成所需频率。中频或基带信号经由模拟/数字转换器(analog-to-digital converter，ADC)120转换至数字信号。总体来说，前置放大器103、下变频器116、频率合成器114、振荡器112及模拟/数字转换器120被认为是一个整体，且作为射频模块110用于处理射频信号。之后，数字信号传送至关联器130，以执行卫星关联运算(correlation)，从关联结果决定卫星信号是否存在。这就是所谓的卫星搜索。提供关联器130的关联结果至导航处理器140，以侦测卫星的存在。导航处理器140控制关联器130执行卫星搜索及/或追踪(tracking)。细节将进一步详述于后。

由于GPS卫星在地面的轨迹周期约为24小时，因此本实施例中选择24小时的预定时间段。对24小时的时间段(即86400秒)每600秒取样一次，因此共有144个时间取样。

图2表示根据本发明的方法的流程图。方法起始于步骤S210。在步骤S220中，于导航处理器140中设定一个包含GPS的所有32颗卫星的初始候选卫星列表“candList”。即初始candList＝{1，2，...，32}。在步骤S230中，于导航处理器140中设定一个包含所有的时间取样的初始GPS时间列表“gpstList”。即初始gpstList＝{0，600，1200，...，85800}。需注意步骤S220和S230的顺序是任意的。这两个步骤可平行执行。

在步骤S240中，在特定接收机位置计算每颗卫星在每个时间取样的可见度“vis(SV，t)”。如前所述，可见度从接收机位置、时间和卫星轨道信息中获取。若特定卫星(如SV1)在特定时间(如t＝0)可见，则其可见度为1，即vis(SV1，0)＝1。若卫星SV1在时间0不可见，则其可见度为0，即vis(SV1，0)＝0。

在步骤S250，计算每颗卫星在所有可能时间取样(possible time sample)下的平均可见度“meanVis(SV)”如下：

$\mathrm{meanVis}\left(\mathrm{SV}\right)=\frac{1}{\left|\mathrm{gpstList}\right|}\underset{t\∈\mathrm{gpstList}}{\mathrm{\Σ}}\mathrm{vis}(\mathrm{SV},t)---\left(1\right)$

其中|gpstList|为gpstList中的取样数目；可以针对在候选卫星列表中的卫星或是所有可能的卫星(如GPS中的所有32颗可能的卫星：SV1到SV32)计算其平均可见度。

起初，在此例中，对于24小时的整个时间段为每颗卫星SV1至SV32计算meanVis(SV)。也就是说，所有的时间取样皆可能为真正的系统时间。第一次计算的结果可以发现SV29的平均可见度是最高的。即卫星SV29在整个24小时的时间段内是最可能可见的。因此，导航处理器140选择SV29作为要搜索的候选卫星“candSV”(步骤S260)，且指示关联器130为搜索SV29执行关联运算(步骤S270)，实行了此搜索的候选卫星(此处即卫星SV29)为一已搜索卫星。在步骤S280中，导航处理器140决定SV29是否命中(hit)。若SV29命中(即获得，意味该颗卫星可见)，那么SV29不可见的时间取样则从GPS时间列表gpstList中移除。也就是说，导航处理器140从gpstList中移除每个vis(candSV，t)＝0的t(步骤S292)。若SV29未被命中(即未获得，意味该颗卫星不可见)，那么SV29可见的时间取样则从GPS时间列表gpstList中移除。也就是说，导航处理器140从gpstList中移除每个vis(candSV，t)＝1的t(步骤S290)。无论搜索结果是什么，可能时间取样的数量都会显著减少。需注意到应仔细验证是否发生卫星存在却没有被侦测到的情形(miss detection)，以确保未获得的卫星确实是不可见的，同理，亦应确认已获得的卫星确实是可见的，使得不出现卫星存在却宣称未获得和卫星不存在却宣称获得的情况。例如，在关联器中使用较长的关联积分时间(correlation integration time)以达到信号的信噪比(SNR)，进而提高关联器侦测卫星的能力。或者，可以重复侦测同一颗卫星，以提高侦测机率(detection probability)和降低错误机率(false alarm)。

在步骤S300，导航处理器140决定是否已获得预定数目的卫星。若是，过程可在步骤S310结束。否则，过程转至步骤S320，更新候选卫星列表candList。在本实施例中，一旦搜索完一颗卫星，无论它是否命中都从candList中移除。在另一个实施例中，一颗卫星只有在被命中时才从candList中移除。更新candList后，在步骤S330中导航处理器140决定候选卫星列表candList是否是空的。若候选卫星列表candList不是空的(即candList≠{})，就意味着当前这一轮的搜索尚未结束。过程转至步骤S250，导航处理器140使用更新后的gpstList为candList中的每颗候选卫星计算平均可见度。在此实施例中，若候选卫星列表candList是空的(即candList＝{})，那么在步骤S340导航处理器140将所有未获得的卫星放入列表，以为下一轮搜索形成一个新的初始候选卫星列表，且过程转至步骤S250以运行下一轮搜索。

如下所给出的一个实验性的例子揭示了本发明相对于传统方法的效能改进。图3至图13分别显示了在此例的11次搜索中的候选卫星的可见的时间取样的变化及平均可见度。在图3至图13的每个视图中，上方的图表显示了候选卫星在哪个时间取样是可见的；下方的图表显示了每个候选卫星的平均可见度。在此例中，我们假设接收机的目前系统在t₀。可以看到，此时可获得卫星SV2、4、5、10、12、13、17及26。假设可能的时间段选择的初始值为24小时。24小时(即86400秒)的时间段被分为144个时间取样，每个时间取样有600秒。

当接收机开机时，假设没有任何的辅助信息，则所有的32颗GPS卫星都是候选卫星。也就是说候选卫星列表candList包含32颗GPS卫星。接收机并不知道目前的系统时间t₀。于接收机所在的位置，32颗GPS卫星中的每颗卫星的可见时间记录在图3上方的图表中。如前所述，于此假设例中，在时间t₀卫星SV2、4、5、10、12、13、17及26可见。

如上所述，根据观测站的位置、卫星轨道信息及GPS系统时间，决定每颗卫星SV1至SV32的可见度vis(SV，t)为0或1。对24小时的时间段计算32颗GPS卫星各自的平均可见度。结果显示在图3下方的图表中。在此例中，对24小时的整个时间段，卫星SV29具有最大的平均可见度。因此，选择SV29作为要搜索的第一颗卫星。

如图3上方的图表所示，在时间t₀卫星SV29不可见。因此，对SV29的搜索结果应为“未获得”。基于SV29的搜索结果，从可能时间取样中清除SV29可见的时间取样。更新后的时间取样图表如图4上方图表所示。

在搜索SV29后，使用其搜索结果可以减少可能时间取样。对剩余的可能时间取样重新计算所有卫星的平均可见度。结果如图4下方图表所示。可以看到，卫星SV13在此阶段具有最大的平均可见度。因此，选择SV13作为要搜索的第二颗卫星。

需注意到在此例中，无论是否命中，每颗卫星在一轮搜索中仅能被搜索一次。因此，在第二轮搜索中，SV29被从候选卫星列表中移除。

在时间t₀卫星SV13可见。因此，SV13的搜索结果为“命中(即获得)”。SV13不可见的时间取样则被消除。结果如图5上方的图表所示。可能时间取样进一步减少。再次对剩余的可能时间取样重新计算所有卫星的平均可见度。结果如图5下方的图表所示。由于SV13已被搜索到，因此将其从候选卫星列表中移除。也就是说，再次更新候选卫星列表。在更新后的候选卫星列表中卫星SV23具有最大的可见度。因此，选择SV23作为要搜索的第三颗卫星。

可以看到，在时间t₀卫星SV23是不可见的。因此，对SV23的搜索结果为“未命中(即未获得)”。消除SV23可见的时间取样。结果如图6上方图表所示。可能时间取样进一步减少。对剩余的可能时间取样重新计算所有卫星的平均可见度。结果如图6下方图表所示。在本例中，由于SV23已被搜索过，因此即使其未获得也会从候选卫星列表中移除。也就是说，再次更新候选卫星列表。在更新后的候选卫星列表中卫星SV27具有最大的可见度。因此，选择SV27作为要搜索的第四颗卫星。

在时间t₀卫星SV27是不可见的。因此，对SV27的搜索结果为“未命中(即未获得)”。消除SV27可见的时间取样。结果如图7上方图表所示。可能时间取样进一步减少。对剩余的可能时间取样重新计算所有卫星的平均可见度。结果如图7下方图表所示。可以看到，卫星SV2、4、5、10、12、13、17、26的平均可见度显著高于其它卫星。也就是说在此阶段获得真实的可见度。

由于若干颗卫星具有明显高的平均可见度(例如接近1)，因此，除了执行本发明的方法，在此阶段也可顺序搜索这些被筛选的卫星。在此例中，选择SV2作为要搜索的第五颗卫星，且重复上述过程。一次次筛选时间取样，最终剩余的时间取样接近真正时间t₀。利用本发明的方法卫星的平均可见度会迅速接近真实情况。图14为计算最初的六次搜索的卫星的各自平均可见度的图表。在此图表中，每个平均可见度转换为范围在0～2内的加权。垂直轴为加权，水平轴为卫星ID。结果，通过执行本发明的方法，在接下来的搜索(即第5次搜索至第11次搜索)中顺序获得卫星SV4、5、10、12、17、26。

通过利用本发明的方法，动态的安排所要搜索的候选卫星，在11次搜索中获得所有的8颗卫星SV2、4、5、10、12、13、17及26。相比来说，若利用传统的顺序搜索方法，则需要26次搜索才获得8颗卫星。图15为传统的顺序搜索方法所获得的结果与本发明的方法所获得的结果之间的搜索时间的比较图。垂直轴为命中第K个可见卫星的时间，水平轴为命中卫星的数目。为了定位，需要至少获得四颗卫星。若利用传统的页序搜索方法，需要10次搜索才能命中四颗卫星。利用本发明，最初的四颗卫星可在7次搜索中命中。同时，使用越多颗卫星参与定位可以改进接收机定位准确度以及其收敛速度。由于更快地找到所有可见的卫星，所以其达到高准确定位的速度远大于传统方法。

上述实施例仅用来例举本发明的实施形式，以及阐释本发明的技术特征，并非用来限制本发明的范畴。任何普通技术人员可依据本发明的精神轻易完成的改变或均等性的安排均属于本发明所主张的范围，本发明的权利范围应以前附的权利要求为准。

Claims (16)

1.一种卫星搜索方法，其特征在于，包含步骤：

(a)提供包含多颗卫星的候选卫星列表；

(b)于观测位置计算所述多颗卫星在可能时间取样下的平均可见度；

(c)根据所述多颗卫星的所述平均可见度，从所述候选卫星列表中选择卫星，以得到已选择卫星；

(d)搜索所述已选择卫星以获得搜索结果；

(e)根据所述搜索结果，从所述可能时间取样中消除至少一个时间取样；以及

(f)重复步骤(b)至(e)。

2.如权利要求1所述的卫星搜索方法，其特征在于，在步骤(c)中从所述候选卫星列表选择具有最大平均可见度的卫星。

3.如权利要求1所述的卫星搜索方法，其特征在于，若所述搜索结果表明获得已搜索卫星，则于步骤(e)中消除所述已搜索卫星不可见的每个时间取样。

4.如权利要求1所述的卫星搜索方法，其特征在于，若所述搜索结果表明未获得已搜索卫星，则于步骤(e)中消除所述已搜索卫星可见的每个时间取样。

5.如权利要求1所述的卫星搜索方法，其特征在于，更包含：(d1)于步骤(d)后验证所述搜索结果，以确保所述搜索结果的正确性。

6.如权利要求5所述的卫星搜索方法，其特征在于，使用更长的积分时间以执行卫星信号的关联运算，以于步骤(d1)中搜索所述已选择卫星。

7.如权利要求1所述的卫星搜索方法，其特征在于，更包含若一颗卫星已被搜索过或者已获得一颗卫星，则从所述候选卫星列表中移除该颗卫星，以更新所述候选卫星列表。

8.如权利要求1所述的卫星搜索方法，其特征在于，更包含重复步骤(f)直到获得预定数目的卫星或者直到所述候选卫星列表为空。

9.一种接收机，用于接收及处理卫星信号以实施卫星搜索，其特征在于，所述接收机包含：

关联器，用于对所述卫星信号进行关联运算，以便搜索所述卫星；以及

导航处理器，用于控制所述关联器，

其中所述导航处理器提供包含多颗卫星的候选卫星列表，于观测位置在可能时间取样下计算所述多颗卫星的平均可见度，指示所述关联器搜索卫星，其中所述卫星是根据所述多颗卫星的所述平均可见度选择得到的，以获得搜索结果，且根据所述搜索结果，从所述可能时间取样中消除至少一个时间取样。

10.如权利要求9所述的接收机，其特征在于，所述导航处理器从所述候选卫星列表中选择具有最大平均可见度的卫星以搜索。

11.如权利要求9所述的接收机，其特征在于，若所述搜索结果表明获得已搜索卫星，则所述导航处理器消除所述已搜索卫星不可见的每个时间取样。

12.如权利要求9所述的接收机，其特征在于，若所述搜索结果表明未获得已搜索卫星，则所述导航处理器消除所述已搜索卫星可见的每个时间取样。

13.如权利要求9所述的接收机，其特征在于，所述导航处理器更指示所述关联器验证所述搜索结果，以确保所述搜索结果的正确性。

14.如权利要求13所述的接收机，其特征在于，所述导航处理器指示所述关联器使用更长的积分时间以执行所述卫星信号的关联运算以搜索所述已选择卫星，以便验证所述搜索结果。

15.如权利要求9所述的接收机，其特征在于，若一颗卫星已被搜索过或者已获得一颗卫星，则所述导航处理器从所述候选卫星列表中移除该颗卫星，以更新所述候选卫星列表。

16.如权利要求9所述的接收机，其特征在于，当获得预定数目的卫星或者所述候选卫星列表为空时，所述导航处理器指示停止卫星搜索。

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