CN102004237A

CN102004237A - 一种卫星导航定位方法及接收机

Info

Publication number: CN102004237A
Application number: CN2009101947489A
Authority: CN
Inventors: 贾广沂; 余超; 杨诗明; 朱秋芳; 陈红芳
Original assignee: SHANGHAI JIALILUE NAVIGATION CO Ltd
Current assignee: The perseverance space Big Dipper (Beijing) development in science and technology Co., Ltd
Priority date: 2009-08-28
Filing date: 2009-08-28
Publication date: 2011-04-06
Anticipated expiration: 2029-08-28
Also published as: CN102004237B

Abstract

本发明实施例提供一种卫星导航定位的方法及接收机。所述卫星导航定位的方法，包括：在预设的卫星发射信号时间误差范围内的不同时刻，获得至少五颗卫星的位置信息及各所述卫星到接收机的伪距；根据所述位置信息和所述伪距，求解所述不同时刻的接收机时钟与全球定位系统GPS时间的时钟偏差及所述接收机的位置；求解所述不同时刻的各卫星的残差并进行比较，其中最小残差对应的接收机的位置即为接收机的定位位置，其中，所述残差为所述接收机到卫星的真实距离与伪距的差。本发明实施例实现了在室内等信号强度较弱的环境中，通过依靠卫星的位置信息及卫星发射信号的相关时间，最终确定了较为精确的接收机位置，实现了对接收机的定位。

Description

一种卫星导航定位方法及接收机

技术领域

本发明涉及星基导航技术领域，尤其涉及一种卫星导航定位的方法及接收机。

背景技术

星基导航定位系统尤其涉及地面接收机系统基于移动通信辅助模式下的定位，该系统主要包括GPS(Global Positioning Systems，全球定位系统)、伽利略系统以及中国正在组网的北斗定位系统。

移动通信系统定位功能对人们的生活非常重要，在美国联邦通信委员会的推动下，蜂窝网定位技术正在迅速发展。目前该委员会的第一阶段目标已经实现，正在全世界许多地方迅速推广，进一步提高精度是第二阶段的主要目标。最近出现的AGPS(Assisted GPS，辅助全球卫星定位系统)技术是一种以GPS技术为基础，结合了网络基站信息和GPS信息对移动台进行定位的技术，该技术在满足第二阶段目标的研究上产生了明显的进步。

采用该技术对接收机进行定位时，网络将GPS卫星信息如星历表传送给接收机，接收机利用这些信息可以快速的搜索到有效的GPS卫星，接收机直接从卫星广播中提取导航数据和时间信息后，可以由网络实体或接收机完成计算接收机位置的工作。

然而，由于卫星发射信号的强度受建筑物的影响会大大衰减，在信号强度较弱的地方如室内无法直接从卫星广播中提取导航数据和时间信息，进而也就无法对接收机进行定位。

发明内容

本发明实施例提供一种卫星导航定位的方法及接收机，能够当卫星发射信号强度较弱时对接收机进行定位。

为了解决上述技术问题，本发明实施例的技术方案如下：

一种卫星导航定位的方法，包括：

在预设的卫星发射信号时间误差范围内的不同时刻，获得至少五颗卫星的位置信息及各所述卫星到接收机的伪距；

根据所述位置信息和所述伪距，求解所述不同时刻的接收机时钟与全球定位系统GPS时间的时钟偏差及所述接收机的位置；

求解所述不同时刻的各卫星的残差并进行比较，其中最小残差对应的接收机的位置即为接收机的定位位置，其中，所述残差为所述接收机到卫星的真实距离与伪距的差。

进一步，通过接收到的各卫星的辅助信息获得所述至少五颗卫星的位置信息，所述辅助信息包括：

卫星号，星历的基准时间、半长轴的平方根、偏心率、倾角、升交点经度在每星期历元上、近地点幅角、平均近点角、倾角的变化率、升交点经度的变化率、对平均运动的校正值、对纬度幅角余弦的校正值、对纬度幅角正弦的校正值、对轨道半径余弦的校正值、对轨道半径正弦的校正值、对倾角余弦的校正值、对倾角正弦的校正值、卫星时钟修正参数、卫星时钟修正参数、卫星时钟修正参数、卫星时钟修正参数、卫星的群延迟差、卫星的健康状况、获得辅助信息时的GPS时间。

进一步，所述获得各卫星到接收机的伪距包括：

根据预先获得的所述各卫星发射的信号到达参考服务器的传输时间，确定所述各卫星发射的信号到达所述接收机的传输时间；

根据所述各卫星发射的信号到达所述接收机的传输时间及光速确定所述各卫星到所述接收机的伪距。

进一步，所述求解所述不同时刻的接收机时钟与全球定位系统GPS时间的时钟偏差及所述接收机的位置，包括：

根据所述各所述卫星到接收机的伪距与各所述卫星到所述接收机的真实距离的关系，获得伪距方程组；

对所述伪距方程组中的接收机的位置和时钟偏差围绕接收机的位置近似值和时钟偏差预测值进行级数展开；

在所述进行级数展开后的方程组中消除非线性项；

根据消除非线性项后的方程组和已知的所述至少五颗卫星的位置信息及所述各所述卫星到接收机的伪距，求解所述接收机的位置近似值和时钟偏差预测值；

利用求解出的所述位置近似值和时钟偏差预测值对所述伪距方程组进行迭代运算，直至迭代运算后获得的位置近似值与上一次迭代运算后获得的位置近似值的差值小于门限值，则根据迭代运算获得的位置近似值和时钟偏差预测值确定接收机时钟与GPS时间的时钟偏差及所述接收机的位置。

进一步，所述门限值为1×10^-5。

进一步，所述预设的卫星发射时间误差范围内的不同时刻具体为，所述预设的卫星发射时间误差范围内的每一毫秒。

一种接收机，包括：

获取模块，用于在预设的卫星发射信号时间误差范围内的不同时刻，获得至少五颗卫星的位置信息及各所述卫星到接收机的伪距；

求解模块，用于根据所述位置信息和所述伪距，求解所述不同时刻的接收机时钟与全球定位系统GPS时间的时钟偏差及所述接收机的位置；

确定模块，用于求解所述不同时刻的各卫星的残差并进行比较，其中最小残差对应的接收机的位置即为接收机的定位位置，其中，所述残差为所述接收机到卫星的真实距离与伪距的差。

进一步，所述获取模块通过接收到的各卫星的辅助信息获得所述至少五颗卫星的位置信息，所述辅助信息包括：

进一步，所述获取模块通过伪距获取单元获得各卫星到接收机的伪距，所述伪距获取单元包括：

时间获取子单元，用于根据预先获得的所述各卫星发射的信号到达参考服务器的传输时间，确定所述各卫星发射的信号到达所述接收机的传输时间；

伪距获取子单元，用于根据所述各卫星发射的信号到达所述接收机的传输时间及光速确定所述各卫星到所述接收机的伪距。

进一步，所述求解模块包括：

方程组获取单元，用于根据所述各所述卫星到接收机的伪距与各所述卫星到所述接收机的真实距离的关系，获得伪距方程组；

第一求解单元，用于对所述伪距方程组中的接收机的位置和时钟偏差围绕接收机的位置近似值和时钟偏差预测值进行级数展开；

近似单元，用于在所述进行级数展开后的方程组中消除非线性项；

第二求解单元，用于根据消除非线性项后的方程组和已知的所述至少五颗卫星的位置信息及所述各所述卫星到接收机的伪距，求解所述接收机的位置近似值和时钟偏差预测值；

迭代处理单元，用于利用求解出的所述位置近似值和时钟偏差预测值对所述伪距方程组进行迭代运算，直至迭代运算后获得的位置近似值与上一次迭代运算后获得的位置近似值的差值小于门限值，则根据迭代运算获得的位置近似值和时钟偏差预测值确定接收机时钟与GPS时间的时钟偏差及所述接收机的位置。

现有技术中由于在弱信号环境中，接收机无法接收全部导航数据使得接收机的位置无法确定，而本发明实施例实现了在室内等信号强度较弱的环境中，通过依靠卫星的位置信息及卫星发射信号的相关时间，最终确定了较为精确的接收机位置，实现了对接收机的定位。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例一种卫星导航定位的方法流程图；

图2是本发明实施例一种获得卫星位置的方法流程图；

图3是本发明实施例一种获得卫星到接收机伪距的方法流程图；

图4是本发明实施例一种求解接收机位置的方法流程图；

图5是本发明实施例一种对接收机定位的方法流程图；

图6是本发明实施例一种接收机的结构示意图；

图7是本发明实施例一种伪距获取单元的结构示意图；

图8是本发明实施例一种求解模块的结构示意图。

具体实施方式

为了使本领域技术人员能进一步了解本发明的特征及技术内容，请参阅以下有关本发明的详细说明与附图，附图仅提供参考与说明，并非用来限制本发明。

下面结合附图和实施例，对本发明的技术方案进行描述。

参照图1，为本发明实施例一种卫星导航定位的方法流程图。

该方法可以包括：

步骤101，在预设的卫星发射信号时间误差范围内的不同时刻，获得至少五颗卫星的位置信息及各所述卫星到接收机的伪距。

其中，卫星发射信号的时间误差范围可以根据具体情况进行评估设定，比如6S，该误差范围内的不同时刻也可根据卫星的运行速度等参量进行设定，如果误差范围设定为6S，对应的该误差范围内的不同时刻可以缩小到1ms，也就是说在该6S内的每一毫秒都获取至少五颗卫星的位置信息及各所述卫星到接收机的伪距，用于后续接收机位置的计算，那么每一毫秒就会对应一个接收机位置计算结果，通过最终的比较可以确定最精确的接收机位置也即接收机的定位位置。具体的获取过程请参照后续实施例的描述。

步骤102，根据所述位置信息和所述伪距，求解所述不同时刻的接收机时钟与GPS时间的时钟偏差及所述接收机的位置。

根据上一步骤中获得的卫星的位置信息和卫星到接收机的伪距，以及伪距与卫星到接收机真实距离之间的关系，可以进一步求解出时钟偏差及所述接收机的位置，该求解过程中为了方便运算，可以采用多种近似方法或其它处理方法，请参见后续实施例。由于上一步骤中获得了不同时刻的卫星位置信息和伪距，在本步骤中获得的时钟偏差和接收机的位置也有多个值，均对应不同的时刻，然后转入下一步骤以确定最精确的接收机位置也即接收机的定位位置。

步骤103，求解所述不同时刻的各卫星的残差并进行比较，其中最小残差对应的接收机的位置即为接收机的定位位置。

其中，所述残差为所述接收机到卫星的真实距离与伪距的差。

通过上一步骤的求解，在得到多个接收机的位置后，通过计算卫星到接收机的真实距离与对应伪距的差可以获得多个残差值，通过比较残差来确定接收机的定位位置。

下面通过具体的实施例分别对上述步骤进行详细说明。

参照图2，为本发明实施例一种获得卫星位置的方法流程图。

该方法可以包括：

步骤201，接收机向参考服务器发送提取卫星信息的请求。

其中，参考服务器的有效覆盖范围是方圆120公里，在每一个有效的范围内设置一个参考服务器即可，不必过分密集，但也不能过少。所在接收机及参考服务器所处环境的卫星信号的强度不能低于-165dbm，一般在这种条件下才能捕获得到至少5颗卫星的信号，才能够满足定位的要求。

步骤202，接收参考服务器发送的用于确定卫星位置的辅助信息。

该辅助信息中可以包含参考服务器接收请求后提取卫星信息的GPS时刻，其中还可以包含信号的延时时间，该延时时间也就确定了卫星发射信号的时间误差，如6S。

该辅助信息中除了包含上述时间信息，还包括了当前时刻在当前区域内的各种参数，包括卫星号，星历的基准时间t_oe，半长轴的平方根

偏心率E，倾角i₀(在t_oe时)，升交点经度Ω₀在每星期历元上，近地点幅角ω(在t_oe时)，平均近点角M₀(在t_oe时)，倾角的变化率iodt，升交点经度的变化率Ω′，对平均运动的校正值，对纬度幅角余弦的校正值C_wc，对纬度幅角正弦的校正值C_ws，对轨道半径余弦的校正值C_rc，对轨道半径正弦的校正值C_rs，对倾角余弦的校正值C_ic，对倾角正弦的校正值C_is，卫星时钟修正参数af₀，卫星时钟修正参数af₁，卫星时钟修正参数af₂，卫星时钟修正参数t_oc，卫星的群延迟差t_gd，卫星的健康状况，卫星的位置(在用户请求时刻的ECEF坐标)等。

步骤203，确定当前GPS时刻至少五颗卫星的位置信息。

根据各卫星的星历及当前的GPS时刻即可确定当前时刻各卫星的位置，该确定过程为现有技术，此处不再赘述。该位置可以直接用于后续接收机位置的计算。

本实施例中，通过向参考服务器发送请求来获取各卫星的信息进而确定各卫星的位置信息，为后续在室内等信号强度较弱的环境中接收机位置的计算提供了依据，具体的即为后续伪距方程组的计算提供了已知量。

参照图3，为本发明实施例一种获得卫星到接收机伪距的方法流程图。

其中，伪距就是由卫星发射的测距码信号到达GPS接收机的传播时间乘以光速所得出的量测距离，由于卫星时钟、接收机时钟的误差以及无线电信号经过电离层和对流层中的延迟，实际测出的距离与卫星到接收机的几何距离有一定差值，因此一般称量测出的距离为伪距。该方法可以包括：

步骤301，根据预先获得的所述各卫星发射的信号到达参考服务器的传输时间，确定所述各卫星发射的信号到达所述接收机的传输时间。

以4颗卫星为例，根据各卫星和参考服务器的位置可以得到各卫星发射信号到达参考服务器的传输时间，该时间为已知量，将这四颗卫星对应的传输时间记为：tr_time1＝Aa，tr_time2＝Bb，tr_time3＝Cc，tr_time4＝Dd其中，A，B，C，D代表各颗卫星传输时间的毫秒部分；a，b，c，d代表卫星传输时间的毫秒内部分。

假设各卫星发射信号到接收机的伪距传输时间分别为tr_time1′＝A′a′，tr_time2′＝B′b′，tr_time3′＝C′c′，tr_time4′＝D′d′；A′，B′，C′，D′，分别代表伪距时间的毫秒部分，a′，b′，c′，d′分别代表伪距时间的毫秒内部分。

则各卫星发射信号到接收机的伪距传输时间的求解过程如下：

1.以第1颗卫星的传输时间为基准：

Aa-Bb＝t₁

Aa-Cc＝t₂

Aa-Dd＝t₃

2.以第一颗星为基准，即A′a′为正确的伪距对应时间：

A′a′-B′b′＝t₁′

A′a′-C′c′＝t₂′

A′a′-D′d′＝t₃′

由于参考服务器的有效覆盖范围是方圆120公里，在每一个有效的范围内设置一个参考服务器，在此范围之内利用辅助信息进行后续卫星伪距的求解才具有有效性。把范围限制在120公里的目的是为了区分1毫秒时间的模糊度，从而比较可靠的得到各颗卫星的伪距。

由于每个接收机到所属范围内的参考服务器距离均不超过120公里，根据信号的传输速度(光速)可推知：

t₁和t₁′、t₂和t₂′以及t₃和t₃′应该相差在0.5毫秒以内。

故可以如下计算卫星到达用户接收机的伪距：

已知量：Aa，Bb，Cc，Dd，A′a′，b′，c′，d′，其中a′，b′，c′，d′为得到的C/A码相位值代表的毫秒内时间数值。

A′a′-t₁-b′计算得到的最接近的整数，即为B′，以毫秒为单位

A′a′-t₂-c′计算得到的最接近的整数，即为C′，以毫秒为单位

A′a′-t₃-d′计算得到的最接近的整数，即为D′，以毫秒为单位

由此所确定的A′a′，B′b′，C′c′，D′d′，即可以作为当前4颗卫星的伪距传输的时间。

步骤302，根据所述各卫星发射的信号到达所述接收机的传输时间及光速确定所述各卫星到所述接收机的伪距。

根据确定出的伪距传输时间A′a′，B′b′，C′c′，D′d′，分别再乘以光速就得到了当前4颗卫星到接收机的伪距。

本实施例中，通过获得伪距传输时间进而确定各卫星到接收机的伪距，为后续在室内等信号强度较弱的环境中接收机位置的计算提供了依据，具体的即为后续伪距方程组的计算提供了已知量。

通过上述实施例中确定的各卫星位置和各卫星到接收机的伪距，可以根据伪距和真实距离之间的关系式求解不同时刻的接收机时钟与GPS时间的时钟偏差及接收机的位置，因为不同时刻对应的求解过程均类似，下面以其中某一时刻的求解过程为例进行说明。

参照图4，为本发明实施例一种求解接收机位置的方法流程图。

该方法可以包括：

步骤401，根据所述各所述卫星到接收机的伪距与各所述卫星到所述接收机的真实距离的关系，获得伪距方程组。

由于接收机时钟与GPS时间具有时钟偏差，所以卫星到接收机的伪距和卫星到接收机的真实距离具有一定的差值，该差值即上述时钟偏差与信号传输速度即光速的乘积，则由此获得的伪距方程组即为：

ρ_{1} = \sqrt{{(x_{1} - x_{u})}^{2} + {(y_{1} - y_{u})}^{2} + {(z_{1} - z_{u})}^{2}} + {ct}_{u}

ρ_{2} = \sqrt{{(x_{2} - x_{u})}^{2} + {(y_{2} - y_{u})}^{2} + {(z_{2} - z_{u})}^{2}} + {ct}_{u}

ρ_{3} = \sqrt{{(x_{3} - x_{u})}^{2} + {(y_{3} - y_{u})}^{2} + {(z_{3} - z_{u})}^{2}} + {ct}_{u}

ρ_{4} = \sqrt{{(x_{4} - x_{u})}^{2} + {(y_{4} - y_{u})}^{2} + {(z_{4} - z_{u})}^{2}} + {ct}_{u}

ρ_{5} = \sqrt{{(x_{5} - x_{u})}^{2} + {(y_{5} - y_{u})}^{2} + {(z_{5} - z_{u})}^{2}} + {ct}_{u}

其中，(x_j，y_j，z_j)(j＝1，2，3，4，5)是5颗GPS卫星的位置坐标，ρ₁，ρ₂，ρ₃，ρ₄，ρ₅，是从GPS卫星到接收机的伪距，上述两类物理量为已知量。(x_u，y_u，z_u)是假设的接收机的位置近似值，c代表光速，t_u是接收机时钟与GPS时间的时钟偏差预测值，这两类物理量为待求解的未知量。

可见，上述方程组中具有4个未知量，但是由于获取了5颗卫星的位置信息及对应的伪距，该方程组中有5个方程，所以，该求解的结果非唯一解，其目的在于通过对上述方程的后续处理以通过多次迭代获得多个接收机位置的近似值，从中确定某一时刻较精确的接收机的位置，再根据精度要求从中选择误差最小精度最高的值作为最终接收机的定位位置，以提高定位的精确性。上述对方程组的处理过程如以下步骤所述。

步骤402，对所述伪距方程组中的接收机的近似位置和时钟偏差预测值围绕接收机的位置估计值和时钟偏差估计值进行级数展开。

通过接收机的位置估计值

可以将位置近似值(x_u，y_u，z_u)与位置估计值

之间的偏离位移(Δx_u，Δy_u，Δz_u)来标记上述方程组。将伪距方程组再按照泰勒级数绕近似位置展开，就可以将位置偏移(Δx_u，Δy_u，Δz_u)表示为已知坐标和伪距测量值的函数。这一过程表示如下：

将单一伪距方程表示如下：

\begin{matrix} ρ_{j} = \sqrt{{(x_{j} - x_{u})}^{2} + {(y_{j} - y_{u})}^{2} + {(z_{j} - z_{u})}^{2}} + {ct}_{u} \\ = f (x_{u}, y_{u}, z_{u}, t_{u}) \end{matrix}

利用位置估计值

和时钟偏差估计值

可以计算出一个近似的伪距：

{\hat{ρ}}_{j} = \sqrt{{(x_{j} - {\hat{x}}_{u})}^{2} + {(y_{j} - {\hat{y}}_{u})}^{2} + {(z_{j} - {\hat{z}}_{u})}^{2}} + c {\hat{t}}_{u}

= f ({\hat{x}}_{u}, {\hat{y}}_{u}, {\hat{z}}_{u}, {\hat{t}}_{u})

其中，上述各估计值可以根据辅助信息或根据接收机的当前预测位置进行设定和估算。

如上所述，认为未知的接收机位置近似值和时钟偏差预测值由近似分量和增量分量两部分组成，即：

\{\begin{matrix} x_{u} = {\hat{x}}_{u} + Δ x_{u} \\ y_{u} = {\hat{y}}_{u} + Δ y_{u} \\ z_{u} = {\hat{z}}_{u} + Δ z_{u} \\ t_{u} = {\hat{t}}_{u} + Δ t_{u} \end{matrix}

因此有：

f (x_{u}, y_{u}, z_{u}, t_{u}) = f ({\hat{x}}_{u} + {Δx}_{u}, {\hat{y}}_{u} + {Δy}_{u}, {\hat{z}}_{u} + {Δz}_{u}, {\hat{t}}_{u} + t_{u})

后一个函数可以围绕位置估计值和相关联的时钟偏差的估计值

用泰勒级数展开成：

步骤403，在所述进行级数展开后的方程组中消除非线性项。

为了简化运算可以将对求解结果影响较小的项忽略，在本实施例中可以消除上述函数关系式中的非线性项，具体的可以略去上面展开式中的一阶偏导数以上的量，只要偏离位移Δx是在线性化点的附近，这种线性化的方法是可行的，则各偏导数的值为：

\{\begin{matrix} \frac{&PartialD; f ({\hat{x}}_{u}, {\hat{y}}_{u}, {\hat{z}}_{u}, {\hat{t}}_{u})}{&PartialD; {\hat{x}}_{u}} = - \frac{x_{j} - {\hat{x}}_{u}}{{\hat{r}}_{j}} \\ \frac{&PartialD; f ({\hat{x}}_{u}, {\hat{y}}_{u}, {\hat{z}}_{u}, {\hat{t}}_{u})}{&PartialD; {\hat{y}}_{u}} = - \frac{y_{j} - {\hat{y}}_{u}}{{\hat{r}}_{j}} \\ \frac{&PartialD; f ({\hat{x}}_{u}, {\hat{y}}_{u}, {\hat{z}}_{u}, {\hat{t}}_{u})}{&PartialD; {\hat{z}}_{u}} = - \frac{z_{j} - {\hat{z}}_{u}}{{\hat{r}}_{j}} \\ \frac{&PartialD; f ({\hat{x}}_{u}, {\hat{y}}_{u}, {\hat{z}}_{u}, {\hat{t}}_{u})}{&PartialD; {\hat{t}}_{u}} = c \end{matrix}

式中，

{\hat{r}}_{j} = \sqrt{{(x_{j} - {\hat{x}}_{u})}^{2} + {(y_{j} - {\hat{y}}_{u})}^{2} + {(z_{j} - {\hat{z}}_{u})}^{2}}

故由以上各式可以得到：

ρ_{j} = {\hat{ρ}}_{j} - \frac{x_{j} - {\hat{x}}_{u}}{{\hat{r}}_{j}} Δ x_{u} - \frac{y_{j} - {\hat{y}}_{u}}{{\hat{r}}_{j}} Δ x_{u} - \frac{z_{j} - {\hat{z}}_{u}}{{\hat{r}}_{j}} Δ x_{u} + cΔ t_{u}

这样，即完成了伪距方程相对于未知数Δx_u，Δy_u，Δz_u，Δt_u的线性化，将上式整理，得到：

{\hat{ρ}}_{j} - ρ_{j} = \frac{x_{j} - {\hat{x}}_{u}}{{\hat{r}}_{j}} Δ x_{u} - \frac{y_{j} - {\hat{y}}_{u}}{{\hat{r}}_{j}} Δ x_{u} - \frac{z_{j} - {\hat{z}}_{u}}{{\hat{r}}_{j}} Δ x_{u} - cΔ t_{u}

步骤404，根据消除非线性项后的方程组和已知的所述至少五颗卫星的位置信息及所述各所述卫星到接收机的伪距，求解所述接收机的位置近似值和时钟偏差预测值。

为计算方便，引进下述新变量以简化上述公式：

\{\begin{matrix} Δρ = {\hat{ρ}}_{j} - ρ_{j} \\ a_{xj} = \frac{x_{j} - {\hat{x}}_{u}}{{\hat{r}}_{j}} \\ a_{yi} = \frac{y_{j} - {\hat{y}}_{u}}{{\hat{r}}_{j}} \\ a_{zj} = \frac{z_{j} - {\hat{z}}_{u}}{{\hat{r}}_{j}} \end{matrix}

式中，Δρ表示伪距和近似伪距的差值，(a_xj，a_yj，a_zj)表示由位置估计值指向第j号卫星的单位矢量。

于是，可把方程更加简化为：

Δρ_j＝a_xjΔx_u+a_yjΔy_u+a_zjΔz_u-cΔt_u

现有4个未知数Δx_u，Δy_u，Δz_u，Δt_u，可以用对5颗卫星进行距离测量而将他们解出来。根据伪距方程组线性化的结果，可以得到下述方程组：

\{\begin{matrix} Δ ρ_{1} = a_{x 1} Δ x_{u} + a_{y 1} Δ y_{u} + a_{z 1} Δ z_{u} - cΔ t_{u} \\ Δ ρ_{2} = a_{x 2} Δ x_{u} + a_{y 2} Δ y_{u} + a_{z 2} Δ z_{u} - cΔ t_{u} \\ Δ ρ_{3} = a_{x 3} Δ x_{u} + a_{y 3} Δ y_{u} + a_{z 3} Δ z_{u} - cΔ t_{u} \\ Δ ρ_{4} = a_{x 4} Δ x_{u} + a_{y 4} Δ y_{u} + a_{z 4} Δ z_{u} - cΔ t_{u} \\ Δ ρ_{5} = a_{x 5} Δ x_{u} + a_{y 5} Δ y_{u} + a_{z 5} Δ z_{u} - cΔ t_{u} \end{matrix}

定义矩阵：

Δρ = [\begin{matrix} Δ ρ_{1} \\ Δ ρ_{2} \\ Δ ρ_{3} \\ Δ ρ_{4} \\ Δ ρ_{5} \end{matrix}]

H = [\begin{matrix} a_{x 1} & a_{y 1} & a_{z 1} & 1 \\ a_{x 2} & a_{y 2} & a_{z 2} & 1 \\ a_{x 3} & a_{y 3} & a_{z 3} & 1 \\ a_{x 4} & a_{y 4} & a_{z 4} & 1 \end{matrix}]

Δx = [\begin{matrix} Δ x_{u} \\ Δ y_{u} \\ Δ z_{u} \\ - cΔ t_{u} \end{matrix}]

这样，可以把方程组写成：

Δρ＝HΔx

它的解是：

Δx＝H^-1Δρ

在这种算法中，更普遍的做法是将上式转化成下列式子可以满足多颗卫星的需要：

Δx＝(H^TH)^-1H^TΔρ

一旦算出了未知量，便可以结合已知的接收机的位置估计值算出接收机的位置近似值坐标(x_u，y_u，z_u)和时钟偏差预测值t_u。其中，上述过程计算出的接收机的位置近似值坐标(x_u，y_u，z_u)，并非最终接收机的位置，更非接收机的定位位置，还需要根据该近似值进行迭代运算以获得较精确的某一时刻接收机的位置，最终通过比较不同时刻对应获得的接收机的位置确定最精确的接收机的定位位置；上述过程计算出的时钟偏差预测值t_u也非最终的精确时钟偏差。其中所述的迭代运算如下步骤所述。

步骤405，利用求解出的所述位置近似值和时钟偏差预测值对所述伪距方程组进行迭代运算，直至迭代运算后获得的位置近似值与上一次迭代运算后获得的位置近似值的差值小于门限值，则根据此次迭代运算获得的位置近似值和时钟偏差预测值确定接收机时钟与GPS时间的时钟偏差及所述接收机的位置。

根据以上步骤的求解，已获得在某一时刻的偏离位移(Δx_u，Δy_u，Δz_u)和偏离的时钟偏差量Δt_u，进而可以确定该次计算获得的接收机位置近似值(x_u，y_u，z_u)和时钟偏差预测值t_u。但是单次运算获得的上述偏移量误差比较大，因此，为了提高获得的接收机位置的精确度，需要重复上述运算过程进行迭代运算。

具体的，即将该次计算获得的接收机位置近似值和时钟偏差预测值分别作为下一次运算中的接收机位置估计值和时钟偏差估计值，带入前述方程组中重复上述步骤401～404的运算，则该第一次迭代运算也会产生偏离位移值(Δx_u ¹，Δy_u ¹，Δz_u ¹)和偏离的时钟偏差量，当该次迭代运算获得的偏离位移与上一次运算获得的偏离位移的差值小于预设的门限值时，则可以认为该次迭代运算获得的接收机位置近似值已经达到需求的精确度，即可将该接收机位置近似值作为该时刻的接收机的位置，将该次迭代获得的时钟偏差预测值作为接收机时钟与GPS时间的时钟偏差。否则，再进行迭代运算直至满足门限值。该门限值可以根据需要进行设定，如1×10^-5等。

其中，偏离位移的差值小于预设的门限值可以是指各坐标轴数值的差值均小于该门限值，或者至少一个坐标轴的数值差值小于门限值，或者两偏离位移的矢量差的模小于门限值等。

本实施例通过对接收机位置和时钟偏差的计算，并通过迭代运算获得了较为精确的接收机位置，从根本上提高了后续在室内等信号强度较弱的环境中对接收机定位的精确度。

下面通过具体的实施例说明如何最终实现对接收机的定位。

参照图5，为本发明实施例一种对接收机定位的方法流程图。

该方法可以包括：

步骤501，求解所述不同时刻的各卫星的残差。

该步骤中所述的不同时刻也即前述实施例中预设的卫星发射信号时间误差范围内的不同时刻，其中的时间误差范围可以根据具体情况评估设定，也可以是接收机接收到卫星信号的时间与伪距传输时间的差值。

可以遍历该时间误差范围内的每一毫秒，利用每一毫秒获得的卫星位置求解用户的位置及对应的残差。

步骤502，比较各残差，其中最小残差对应的接收机的位置即为接收机的定位位置。

本实施例通过获取各卫星的残差，通过比对进一步确定了接收机的定位位置，提高了对接收机的定位精确度。

以上是对本发明实施例的方法进行了详细说明，下面通过具体实施例对本发明实施例的装置进行介绍。

参照图6，为本发明实施例一种接收机的结构示意图。

该接收机可以包括获取模块601、求解模块602和确定模块603。

其中，获取模块601，用于在预设的卫星发射信号时间误差范围内的不同时刻，获得至少五颗卫星的位置信息及各所述卫星到接收机的伪距。

求解模块602，用于求解所述不同时刻的接收机时钟与全球定位系统GPS时间的时钟偏差及所述接收机的位置。

确定模块603，用于根据所述位置信息和所述伪距，求解所述不同时刻的各卫星的残差并进行比较，其中最小残差对应的接收机的位置即为接收机的定位位置，其中，所述残差为所述接收机到卫星的真实距离与伪距的差。

本发明实施例实现了在室内等信号强度较弱的环境中，通过依靠卫星的位置信息及卫星发射信号的相关时间，最终确定了较为精确的接收机位置，实现了对接收机的定位。

在本发明的另一实施例中，该接收机的获取模块601通过伪距获取单元获得各卫星到接收机的伪距，下面通过具体实施例说明该伪距获取单元。

参照图7，为本发明实施例一种伪距获取单元的结构示意图。

本实施例中该伪距获取单元可以包括时间获取子单元701和伪距获取子单元702。

其中，时间获取子单元701，用于根据预先获得的所述各卫星发射的信号到达参考服务器的传输时间，确定所述各卫星发射的信号到达所述接收机的传输时间；

伪距获取子单元702，用于根据所述各卫星发射的信号到达所述接收机的传输时间及光速确定所述各卫星到所述接收机的伪距。

本实施例中，通过时间获取子单元701和伪距获取子单元702获得了伪距传输时间进而确定各卫星到接收机的伪距，为后续在室内等信号强度较弱的环境中接收机位置的计算提供了依据，具体的即为后续伪距方程组的计算提供了已知量。

参照图8，为本发明实施例一种求解模块的结构示意图。

该求解模块可以包括方程组获取单元801、第一求解单元802、近似单元803、第二求解单元804、迭代处理单元805。

方程组获取单元801，用于根据所述各所述卫星到接收机的伪距与各所述卫星到所述接收机的真实距离的关系，获得伪距方程组；

第一求解单元802，用于对所述伪距方程组中的接收机的位置和时钟偏差围绕接收机的位置近似值和时钟偏差预测值进行级数展开；

近似单元803，用于在所述进行级数展开后的方程组中消除非线性项；

第二求解单元804，用于根据消除非线性项后的方程组和已知的所述至少五颗卫星的位置信息及所述各所述卫星到接收机的伪距，求解所述接收机的位置近似值和时钟偏差预测值；

迭代处理单元805，用于利用求解出的所述位置近似值和时钟偏差预测值对所述伪距方程组进行迭代运算，直至迭代运算后获得的位置近似值与上一次迭代运算后获得的位置近似值的差值小于门限值，则根据迭代运算获得的位置近似值和时钟偏差预测值确定接收机时钟与GPS时间的时钟偏差及所述接收机的位置。

本实施例通过上述各单元实现了对接收机位置和时钟偏差的计算，并通过迭代处理单元805的迭代运算获得了较为精确的接收机位置，从根本上提高了后续在室内等信号强度较弱的环境中对接收机定位的精确度。

以上所述的本发明实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims

1.一种卫星导航定位的方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过接收到的各卫星的辅助信息获得所述至少五颗卫星的位置信息，所述辅助信息包括：

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述获得各卫星到接收机的伪距包括：

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述求解所述不同时刻的接收机时钟与全球定位系统GPS时间的时钟偏差及所述接收机的位置，包括：

在所述进行级数展开后的方程组中消除非线性项；

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述门限值为1×10^-5。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预设的卫星发射时间误差范围内的不同时刻具体为，所述预设的卫星发射时间误差范围内的每一毫秒。

7.一种接收机，其特征在于，包括：

8.根据权利要求7所述的接收机，其特征在于，所述获取模块通过接收到的各卫星的辅助信息获得所述至少五颗卫星的位置信息，所述辅助信息包括：

9.根据权利要求7所述的接收机，其特征在于，所述获取模块通过伪距获取单元获得各卫星到接收机的伪距，所述伪距获取单元包括：

10.根据权利要求7所述的接收机，其特征在于，所述求解模块包括：