CN102692632A - 消除卫星定位系统接收机定位过程中模糊度的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种消除卫星定位系统接收机定位过程中模糊度的方法及装置。该方法通过引入与重构发射时刻对应的卫星位置、接收机初始位置以及伪距等参数相关的伪距差判决量，设置判决门限消除1ms模糊度，从而减少了错误定位点的数量。

Description

消除卫星定位系统接收机定位过程中模糊度的方法及装置

技术领域

本发明涉及电子行业全球卫星定位与导航技术领域，尤其涉及一种消除卫星定位系统接收机定位过程中模糊度的方法及装置。

背景技术

目前，美国、俄罗斯、欧盟和中国相继推出了各自的全球卫星定位和导航系统。其中，以美国的全球定位系统(Globe Positioning System，简称GPS)最为成熟。

GPS接收机根据卫星信号的发射时间计算卫星位置与伪距，进而完成对接收机位置、速度和时间的求解。卫星发射时间的计算需要已知卫星电文的TOW字、比特计数器、毫秒计数器、半码片计数器和PN码相位计数器。TOW字和比特计数器要在帧同步完成之后才能确定，毫秒计数器要在比特同步完成之后才能确定，而半码片计数器和PN码相位计数器要在PN码正确跟踪之后才能确定。在得到卫星的发射时间之后，根据该颗卫星的电文即可计算卫星的位置、速度，同时对该颗卫星的星钟误差进行纠正和伪距计算，进而实现定位。

由此可知，在接收机定位消耗的时间中，卫星电文的获取占据了消耗时间的大部分，如图1所示，图1为现有技术无辅助信息下GPS接收机启动的流程图，该GPS接收机启动流程包括：

步骤S102，接收机上电初始化；

步骤S104，接收机初始化后，进入捕获状态，搜索视线内的卫星、该卫星的载波频率和PN码的码相位，该步骤中对载波频率的搜索是粗糙的，通常在数百赫兹的量级；

步骤S106，接收机根据所搜索的载波频率进入频率牵引状态；把本地频率牵引到和卫星载波频率相差几个赫兹的量级；在进行频率牵引的同时进行比特同步；

步骤S108，接收机完成频率牵引后，接收机进入跟踪状态，完成帧同步；

步骤S110，接收机进入解调电文状态，将载波上调制的电文解调出来；

步骤S112，接收机根据从该解调的电文中的信息计算接收机位置。

图2为现有技术GPS接收机的温启、热启和重捕启动方式的流程图。如图2所示，该流程包括：

步骤S202，接收机首先进行初始化，

步骤S204，随即从Flash存储器中读取存储的最后一次运行时间；

步骤S206，从实时时钟获取系统当前运行时间；

步骤S208，计算两次运行时间之差；

步骤S210，如果该时间差小于t₁，一般为十几分钟，执行步骤S216；

步骤S212，如果该时间差大于t₁而小于t₂，即星历有效期内(通常长达2个小时左右)，执行步骤S218；

步骤S214，否则该时间差大于t₂，即大于星历有效期而小于历书有效期，采用温启动方式启动，执行步骤S220；

步骤S216，采用重捕启动方法启动，执行步骤S220；

步骤S218，采用热启动方式启动，执行步骤S220；

步骤S220，执行接收机启动流程，如果是热启动和重捕时，则不需要解调电文步骤。在本领域中，重捕启动指的是卫星信号短暂丢失之后而又恢复时，接收机进行的操作，在此过程中接收机不关机。热启动指的是接收机短时间关闭之后重新开启进行的操作。温启动指的是接收机长时间(几天或者几周)未使用，然后开启进行的操作。

David Akopian等人提出一种在电文已知和GPS信号捕获跟踪成功时的快速定位方法(以下简称David快速定位方法)，应用于重捕启动和热启动过程中，以缩短启动时间。图3为现有技术David快速定位方法的流程图。如图3所示，该方法包括以下流程。

步骤S302，根据接收机实时时钟(Real Time Clock，简称RTC)时间T_tor计算估计的发射时间

-预设传输时间，此处，预设传输时间为信号由卫星至接收机的传输时间，一般取值在0.066-0.086之间；

步骤S304，根据

和卫星星历信息计算卫星位置

步骤S306，根据

和接收机的上次定位结果

计算估计的伪距

步骤S308，估计的传输时间为

其中c表示真空中的光速，当满足一定条件时，

与真实的传输时间T_tof相差小于1ms；此处，满足一定条件指的是，接收机开机位置距离上次关机位置不超过100公里，接收机时钟与真实UTC时间差距不超过10s。

步骤S310，重构得到的发射时间为这里T_chip表示由半码片计数器和码相位计数器计算得到的时间，round(·)_1ms表示对1ms四舍五入。

步骤S312，根据重构的发射时间列出定位方程，接收机与卫星的距离

这里，

表示T_{tot_new}时刻的卫星位置，表示T_{tot_new}时刻的卫星速度，τ表示重构的发射时间与真实发射时间的差值，表示用户位置，t′_u表示接收机时钟偏差。

步骤S314，对步骤S312所列方程求解，τ是否小于预设阈值，如果是，执行步骤S316，否则流程结束；

S316，用解出的τ更新发射时间，执行步骤312，该步骤的目的在于：直至最终τ足够小，从而获得最接近真实发射时间的重构发射时间。

在上述方法中，根据RTC提供的接收机时间估计卫星发射时间，计算卫星位置，根据卫星位置和用户位置计算伪距，在满足一定条件下该伪距与用正确的卫星发射时间计算得到的伪距相差小于1毫秒。因此，可根据该伪距重构发射时间。在重构发射时间的过程中用到了round函数(四舍五入函数)。

在实现本发明的过程中，申请人意识到现有技术存在如下技术缺陷：由于在David Akopian的方法中用到了round函数，可能会导致1毫秒模糊度，最终导致几十甚至上百公里的定位结果偏差。

发明内容

(一)要解决的技术问题

针对上述技术问题，本发明提出一种消除卫星定位系统接收机定位过程中模糊度的方法及装置，以避免上述的1毫秒模糊度，提高定位的准确率。

(二)技术方案

根据本发明的一个方面，提供了一种消除卫星定位系统接收机定位过程中模糊度的方法。该方法包括：步骤A，接收机对至少5颗卫星进行跟踪；步骤B，接收机对该至少5颗卫星进行跟踪后分别得到判决量

其中，对于每颗卫星，

表示T_{tot_new}时刻的卫星位置，

表示用户位置，T_tor为接收机实时时钟RTC的时间，T_{tot_new}为重构得到的发射时间；步骤C，对于所得到的判决量ζ_i，i＝1，2，3，4，5，如果max(ζ_i，i＝1，2，3，4，5)-min(ζ_i，i＝1，2，3，4，5)≥th1，则min(ζ_i)对应卫星的T_{tot_new}减去1毫秒或max(ζ_i)对应卫星的T_{tot_new}加上1毫秒，执行步骤B，其中th1为第一判决门限，ζ_i为第i颗卫星的ζ；否则，获取该至少5颗卫星的T_{tot_new}。

优选地，该消除卫星定位系统接收机定位过程中模糊度的方法中，步骤B中判决量

为：

其中，c表示真空中的光速。

优选地，该消除卫星定位系统接收机定位过程中模糊度的方法中，步骤C中th1为150km。

优选地，该消除卫星定位系统接收机定位过程中模糊度的方法中，步骤B中接收机对至少5颗卫星进行跟踪后分别得到判决量ζ之前还包括：对于每一颗卫星，步骤B1，根据接收机RTC时间T_tor，计算估计发射时间

步骤B2，根据

和卫星星历信息计算卫星位置

步骤B3，根据

和接收机的上次定位结果

计算估计伪距

步骤B4，估计传输时间

步骤B5，重构得到的发射时间为

其中，T_chip表示由半码片计数器和码相位计数器计算得到的时间，round(·)_1ms表示对

在1毫秒幅度上四舍五入。

优选地，该消除卫星定位系统接收机定位过程中模糊度的方法中，步骤C中获取该至少5颗卫星的T_{tot_new}之后，还包括：步骤D，根据T_{tot_new}，对每颗卫星列出定位方程

其中，τ表示T_{tot_new}与真实发射时间的差值，t′_u表示接收机时钟偏差；步骤E，根据该至少5颗卫星的定位方程组成的方程组，求解τ；步骤F，如果τ≥th2，则根据解出的τ更新该至少5颗卫星的T_{tot_new}，即T_{tot_new}＝T_{tot_new}+τ，执行步骤E；否则，根据更新的该至少5颗卫星的T_{tot_new}进行卫星定位，其中th2为第二判决门限。

优选地，该消除卫星定位系统接收机定位过程中模糊度的方法应用于卫星定位系统接收机的热启动过程和重捕过程中。

根据本发明的另一个方面，还提供了一种消除卫星定位系统接收机定位过程中模糊度的接收机。该接收机包括：跟踪模块，用于对至少5颗卫星进行跟踪；判决量模块，与跟踪模块相连接，用于对该至少5颗卫星进行跟踪后分别得到判决量其中，对于每颗卫星，

表示T_{tot_new}时刻的卫星位置，表示用户位置，T_tor为接收机实时时钟RTC的时间，T_{tot_new}为重构得到的发射时间；模糊度消除模块，与判决量模块相连接，用于对于所得到的判决量ζ_i，i＝1，2，3，4，5，如果max(ζ_i，i＝1，2，3，4，5)-min(ζ_i，i＝1，2，3，4，5)≥th1，则min(ζ_i)对应卫星的T_{tot_new}减去1毫秒或max(ζ_i)对应卫星的T_{tot_new}加上1毫秒，流转至判决量模块，其中th1为判决门限，ζ_i为第i颗卫星的ζ；否则，获取该至少5颗卫星的T_{tot_new}。

(三)有益效果

本发明消除卫星定位系统接收机定位过程中模糊度的方法及装置中，通过引入伪距差判决量改进了David Akopian提出的快速定位方法，有效消除了1ms模糊度问题，明显减小了错位定位结果的数量。

附图说明

图1为现有技术无辅助信息下GPS接收机启动的流程图；

图2为现有技术GPS接收机的温启、热启和重捕启动方式的流程图；

图3为现有技术David快速定位方法的流程图；

图4为本发明实施例消除卫星定位系统接收机定位过程中模糊度方法的流程图；

图5为采用本发明方法的David快速定位方法的流程图。

图6为采用现有技术David快速定位方法定位的X、Y、Z与真实点X、Y、Z的偏差示意图；

图7为本发明定位的X、Y、Z与真实点X、Y、Z的偏差示意图。

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。

首先，分析David快速定位方法为何会造成的1ms模糊度。

如图3所示，在步骤S310中出现round(·)_1ms函数，该取整函数会导致1ms模糊度问题的出现。举例说明，若接收时间T_tor和传输时间

都非常准确，比如

是准确的发射时间，则可知T_chip＝0.0004321s，若由于接收时间T_tor和传输时间

的误差造成的估计的发射时间与真实发射时间的偏差为0.3ms，则根据步骤S310可得到，

T_{tot_new}＝round(12345.6784321s+0.0003s)_1ms+0.0004321s＝12345.6794321s

此时，该重构的发射时间T_{tot_new}与真实发射时间T_tot相差了1ms，产生了1毫秒模糊度问题。而发射时间1ms的偏差将会导致伪距测量300km的偏差，可能会造成定位偏差达到几十甚至上百公里。

针对David快速定位方法造成的1ms模糊度的原因，在本发明的一个示例性实施例中，提出了一种消除卫星定位系统接收机定位过程中模糊度的方法。图4为本发明实施例消除卫星定位系统接收机定位过程中模糊度方法的流程图。如图4所示，该方法包括：

步骤S402，接收机对至少5颗卫星进行跟踪；

步骤S404，接收机对该至少5颗卫星进行跟踪后分别得到判决量

即判决量ζ为以下参数的函数T_{tot_new}、

T_tor，其中，对于每颗卫星，

表示T_{tot_new}时刻的卫星位置，

表示用户位置，T_tor为接收机实时时钟RTC的时间，T_{tot_new}为重构得到的发射时间；

步骤S406，对于所得到的判决量ζ_i，i＝1，2，3，4，5，判决式max(ζ_i，i＝1，2，3，4，5)-min(ζ_i，i＝1，2，3，4，5)≥th1是否成立，如果成立，执行步骤S408，否则，执行步骤S410，其中th1为第一判决门限，ζ_i为第i颗卫星的ζ；

步骤S408，则min(ζ_i)对应卫星的T_{tot_new}减去1毫秒或max(ζ_i)对应卫星的T_{tot_new}加上1毫秒，执行步骤S404；

步骤S410，获取该至少5颗卫星的T_{tot_new}。

本实施例中，所述步骤S404中，接收机对该至少5颗卫星分别得到判决量ζ中，

为：

其中，c表示真空中的光速。对于该判决量ζ，也可以选择其他的函数，例如：

等。该判决量只要与上述四个参数相关，就能够反映出在重构得到的发射时间上是否存在1毫秒的误差。

图5为采用本发明方法的David快速定位方法的流程图。如图5所述，该方法包括：

步骤S502，根据接收机RTC时间T_tor计算估计的发射时间

此处，预设传输时间取0.076s；

步骤S504，根据

和卫星星历信息计算卫星位置

步骤S506，根据

和接收机的上次定位结果

计算估计的伪距

步骤S508，估计的传输时间为

其中c表示真空中的光速，当满足一定条件时，

与真实的传输时间T_tof相差小于1ms；

步骤S510，重构得到的发射时间为

这里T_chip表示由半码片计数器和码相位计数器计算得到的时间，round(·)_1ms表示对1ms四舍五入；

步骤S512，至少需要5颗卫星的处于跟踪状态，得到至少5组伪距判决量ζ_i，这里i从1到5，

ζ由两部分组成，前一部分

表示用T_{tot_new}计算得到的卫星位置与用户位置之间的距离，即使T_{tot_new}与真实发射时间有1ms的偏差，在卫星位置的计算上也仅有几十米的偏差；ζ中的后一部分c·(T_tor-T_{tot_new})也表示卫星到接收机之间的距离，若T_{tot_new}与真实发射时间有1ms的偏差，则会产生300km的偏差。因此可以利用ζ作为判决量进行判断；

步骤S514，若max(ζ_i)-min(ζ_i)＜th，则说明没有发生1ms模糊度问题，不需进行调整，执行步骤S518；若max(ζ_i)-min(ζ_i)≥th，则说明出现了1ms模糊度问题，执行步骤S516，此处th为第一判决门限，取150km；

步骤S516，将min(ζ_i)对应的通道的发射时间减小1ms，执行步骤S512；

步骤S518，根据重构的发射时间列出定位方程

$\mathrm{\ρ}=(T_{\mathrm{tor}}-T_{\mathrm{tot}\_\mathrm{new}})\·c=\left|\right|\stackrel{\→}{S}\left(T_{\mathrm{tot}\_\mathrm{new}}\right)+\stackrel{\→}{V}\left(T_{\mathrm{tot}\_\mathrm{new}}\right)\·\mathrm{\τ}-\stackrel{\→}{U}\left|\right|+t_u^{\′}\·c,$

这里，表示T_{tot_new}时刻的卫星位置，

表示T_{tot_new}时刻的卫星速度，τ表示重构的发射时间与真实发射时间的差值，表示用户位置，t′_u表示接收机时钟偏差。

步骤S520，该τ是否大于等于第二判决门限th2，如果是，执行步骤S522，否则，执行步骤S524，此处，该第二判决门限th2为10^-8s；

步骤S522，根据该τ更新该至少5颗卫星的T_{tot_new}，即T_{tot_new}＝T_{tot_new}+τ，执行步骤S516；

步骤S524，根据更新的该至少5颗卫星的T_{tot_new}进行卫星定位，流程结束。

本实施例中，接收机需要本地时钟RTC，以便在关机时仍能计时，开机时能估算开机时间，以重构卫星信号发射时间。本实施例应用于热启动和重捕过程中，由于在这两个过程没有进行帧同步和比特同步的操作，从而可能引进1ms的模糊度，通过引入与重构发射时刻对应的卫星位置、接收机初始位置以及伪距等参数相关的伪距差判决量，设置判决门限消除1ms模糊度，从而减少了错误定位点的数量。

根据本发明的另一个方面，还提供了一种消除卫星定位系统接收机定位过程中模糊度的接收机。该接收机用于执行权利要求1所述的方法，该接收机包括：跟踪模块，用于对至少5颗卫星进行跟踪；判决量模块，与所述跟踪模块相连接，用于对该至少5颗卫星进行跟踪后分别得到判决量

其中，对于每颗卫星，表示T_{tot_new}时刻的卫星位置，

表示用户位置，T_tor为接收机实时时钟RTC的时间，T_{tot_new}为重构得到的发射时间；模糊度消除模块，与所述判决量模块相连接，用于对于所得到的判决量ζ_i，i＝1，2，3，4，5，如果max(ζ_i，i＝1，2，3，4，5)-min(ζ_i，i＝1，2，3，4，5)≥th1，则min(ζ_i)对应卫星的T_{tot_new}减去1毫秒或max(ζ_i)对应卫星的T_{tot_new}加上1毫秒，流转至所述判决量模块，其中th1为判决门限，ζ_i为第i颗卫星的ζ；否则，获取该至少5颗卫星的T_{tot_new}。

本接收机为上述方法实施例对应的装置，其目的即是为了实现上述方法。上述方法中的各种技术特征也同样可用于该接收机。以下将一具体的应用场景为例对本发明的进行说明。

选择Spirent STR4500 GPS信号发生器的场景为24小时静止场景，静止地点的位置为北纬50.42336°、西经3.59723°，海拔为0m，ECEF坐标系下X＝4063656m、Y＝-255466m、Z＝4892925m。对场景中的4、6、7、10、22、27、30这7颗卫星进行捕获跟踪，并保存好相应卫星的星历信息。当星历卫星保存完整之后，关闭接收机电源。数分钟之后开启接收机，此时接收机进入热启动状态。将接收机初始位置设为X、Y、Z分别加上10000m，即初始位置为X＝4073656m、Y＝-245466m、Z＝4902925m。接收机本地时钟与GPS时间相差在1s以内。分别采用David Akopian算法和本专利方法在不做位同步和帧同步的情况下进行1000次定位实验。David Akopian算法定位的X、Y、Z与真实点X、Y、Z的偏差如图6所示；本专利方法定位的X、Y、Z与真实点X、Y、Z的偏差如图7所示。实验结果显示，本发明在1000次热启定位试验中定位结果全都正确，而David Akopian算法仅有403个定位结果正确，其错误的结果无一例外均由1ms模糊度导致。

上述实施例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。

综上所述，本发明涉及GPS接收机中的快速定位方法，尤其涉及热启情形和重捕情形下的快速定位。本发明改进了David Akopian等人提出的在电文已知和GPS信号捕获跟踪成功时的快速定位方法，通过引入伪距偏差判决量消除了1ms模糊度问题，大大提高了卫星定位的准确度。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种消除卫星定位系统接收机定位过程中模糊度的方法，其特征在于，该方法包括：

步骤A，接收机对至少5颗卫星进行跟踪；

步骤B，接收机对该至少5颗卫星进行跟踪后分别得到判决量

其中，对于每颗卫星，表示T_{tot_new}时刻的卫星位置，

表示用户位置，T_tor为接收机实时时钟RTC的时间，T_{tot_new}为重构得到的发射时间；

步骤C，对于所得到的判决量ζ_i，i＝1，2，3，4，5，如果max(ζ_i，i＝1，2，3，4，5)-min(ζ_i，i＝1，2，3，4，5)≥th1，则min(ζ_i)对应卫星的T_{tot_new}减去1毫秒或max(ζ_i)对应卫星的T_{tot_new}加上1毫秒，执行步骤B，其中th1为第一判决门限，ζ_i为第i颗卫星的ζ；否则，获取该至少5颗卫星的T_{tot_new}。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤B中所述判决量为：

其中，c表示真空中的光速。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤C中所述第一判决门限th1为150km。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤B中所述接收机对至少5颗卫星进行跟踪后分别得到判决量ζ之前还包括：对于每一颗卫星，

步骤B1，根据接收机RTC时间T_tor，计算估计发射时间

步骤B2，根据所述

和卫星星历信息计算卫星位置

步骤B3，根据所述

和接收机的上次定位结果

计算估计伪距

步骤B4，估计传输时间

步骤B5，重构得到的发射时间为

其中，T_chip表示由半码片计数器和码相位计数器计算得到的时间，round(·)_1ms表示对

在1毫秒幅度上四舍五入。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤C中所述获取该至少5颗卫星的T_{tot_new}之后，还包括：

步骤D，根据所述T_{tot_new}，对每颗卫星列出定位方程

其中，τ表示T_{tot_new}与真实发射时间的差值，t′_u表示接收机时钟偏差；

步骤E，根据该至少5颗卫星的所述定位方程组成的方程组，求解τ；

步骤F，如果τ≥th2，则根据解出的τ更新该至少5颗卫星的T_{tot_new}，即T_{tot_new}＝T_{tot_new}+τ，执行步骤E；否则，根据更新的该至少5颗卫星的T_{tot_new}进行卫星定位，其中th2为第二判决门限。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述步骤F中，所述第二判决门限th2＝10^-8s；

7.根据权利要求1至6中任一项所示的方法，其特征在于，该方法应用于卫星定位系统接收机的热启动过程和重捕过程中。

8.根据权利要求1至6中任一项所示的方法，其特征在于，该方法应用于全球卫星定位系统、格洛纳斯系统、伽利略系统或北斗系统。

9.一种消除卫星定位系统接收机定位过程中模糊度的接收机，其特征在于，该接收机用于执行权利要求1所述的方法，该接收机包括：

跟踪模块，用于对至少5颗卫星进行跟踪；

判决量模块，与所述跟踪模块相连接，用于对该至少5颗卫星进行跟踪后分别得到判决量

其中，对于每颗卫星，

表示T_{tot_new}时刻的卫星位置，表示用户位置，T_tor为接收机实时时钟RTC的时间，T_{tot_new}为重构得到的发射时间；

模糊度消除模块，与所述判决量模块相连接，用于对于所得到的判决量ζ_i，i＝1，2，3，4，5，如果max(ζ_i，i＝1，2，3，4，5)-min(ζ_i，i＝1，2，3，4，5)≥th1，则min(ζ_i)对应卫星的T_{tot_new}减去1毫秒或max(ζ_i)对应卫星的T_{tot_new}加上1毫秒，流转至所述判决量模块，其中thl为判决门限，ζ_i为第i颗卫星的ζ；否则，获取该至少5颗卫星的T_{tot_new}。

10.根据权利要求9所述的接收机，其特征在于，所述判决量模块中，

为：

其中，c表示真空中的光速。

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