CN102901972A

CN102901972A - 北斗卫星搜索装置及其搜索方法

Info

Publication number: CN102901972A
Application number: CN2012103034000A
Authority: CN
Inventors: 钱久超; 许良备; 应忍冬; 刘佩林; 郁文贤
Original assignee: MEDIASOC TECHNOLOGIES Co Ltd; Shanghai Jiaotong University
Current assignee: MEDIASOC TECHNOLOGIES Co Ltd; Shanghai Jiaotong University
Priority date: 2012-08-23
Filing date: 2012-08-23
Publication date: 2013-01-30

Abstract

本发明提出一种能够缩短冷启动后首次定位时间的北斗卫星搜索装置，至少包括：概率模型生成器、搜星核心处理单元和输出控制器。其中，概率模型生成器，用于生成不同北斗卫星间可见性的条件概率模型；搜星核心处理单元，用于控制各个通道北斗卫星捕获次序；输出控制器，用于检查核心处理单元输出的卫星号，并根据结果判断是否输出结果，如满足要求则输出结果，否则通知概率模型生成器，更新概率模型。本发明在缩短卫星搜索首次定位时间的同时，减少了等效硬件相关器数量，并且通过实时调整概率模型和度量向量权重，提高了装置的鲁棒性，满足精度要求。

Description

北斗卫星搜索装置及其搜索方法

技术领域

本发明涉及北斗卫星搜索领域，尤其涉及一种缩短冷启动首次定位时间的北斗卫星搜索装置及搜索方法。

背景技术

在卫星通信系统中，接收机在冷启动时，不知道当前的时间和接收机所处的位置，并且在它的存储器上也没有保存任何有效的卫星星历与历书，也就是说，没有任何信息可以用来辅助接收机进行卫星搜索。因此，冷启动后的接收机只能按照卫星号逐个依次搜索所有的卫星。由于对于每个可能的卫星，都需要通过花费大量的时间进行多普勒频率和码相位的二维搜索来确定卫星是否存在，所以成功捕获每颗卫星都相当于进行三维的搜索。在北斗卫星导航系统中，尽管可以借助北斗静止轨道卫星来确定部分卫星的搜索次序，但是大部分非静止轨道卫星依然需要按次序进行搜索。

在传统的北斗卫星搜索处理过程中，接收机按照顺序搜索所有可能卫星，以确定卫星的可见性，并且每颗卫星的多普勒频率和伪随机码相位都是未知的。因此，需要花费大量的时间搜遍所有卫星来确定卫星的存在。尽管可以利用大量的等效相关运算实现硬件加速，从而减少多普勒频率和伪随机码相位的搜索时间，但是随着北斗卫星导航系统中卫星数目的增加，将会需要越来越多的等效相关器完成卫星捕获工作，对于硬件实现来说，就需要加大专用集成电路（ASIC，Application Specific Integrated Circuit）的面积以及增加功耗，而这在接收机终端设计实现中是无法接受的。本发明针对北斗系统卫星运行模式和信号特点，改进了搜索卫星的策略，提高冷启动阶段的卫星搜索效率，并降低了运算量和硬件功耗。

发明内容

为了解决现有技术中存在的缺陷，本发明提出一种能够缩短冷启动后首次定位时间的北斗卫星搜索装置，至少包括：概率模型生成器、搜星核心处理单元和输出控制器。其中，概率模型生成器，用于生成不同北斗卫星间可见性的条件概率模型；搜星核心处理单元，用于控制各个通道卫星捕获次序；输出控制器，用于检查核心处理单元输出的卫星号，并根据结果判断是否输出结果，如满足要求则输出结果，否则通知概率模型生成器，更新概率模型。本发明通过实时调整概率模型和度量向量权重，缩短了搜索时间，并且提高了装置的鲁棒性。

另外本发明还提出了一种北斗卫星搜索方法，包括以下步骤：（1）通过输入数据计算不同时刻各颗北斗卫星的空间坐标及搜索范围内各颗北斗卫星的可见性，并通过对上述数据进行概率统计，计算出各颗北斗卫星相互之间同时可见的联合概率以及条件概率，再通过归一化处理，生成不同北斗卫星间可见性的条件概率模型P_{i_j}。（2）根据搜索结果修正概率模型P_{i_j}，并初始化度量向量W_i。（3）根据搜索状态及条件概率模型P_{i_j}更新度量向量W_i，并根据得到的i值确定输出卫星号。（4）判断输出卫星号是否满足精度要求，如果满足则搜索该卫星号对应的卫星，并返回到（3）；如果不满足则返回到（2）。（5）当搜索卫星数达到预定要求时结束搜索。

本发明通过动态的控制北斗卫星搜索次序，使具有最大可见可能性的卫星最先被搜索到，可见可能性最小的卫星最后搜索到，节省了搜索所需数量卫星的时间；并通过输出反馈提高了装置的鲁棒性，满足精度要求。

附图说明

图1是本发明的北斗卫星搜索装置的结构框图。

图2是本发明的北斗卫星搜索装置的概率模型生成器的功能示意图。

图3是本发明的北斗卫星搜索装置的搜星核心处理单元的工作流程图。

图4是本发明的北斗卫星搜索装置的输出控制器的功能示意图。

具体实施方式

卫星搜索装置的应用领域很多，这里以北斗卫星导航系统中的卫星搜索为例，结合附图对本发明进行说明。

如图1所示的本发明的北斗卫星搜索装置主要包括：概率模型生成器111、搜星核心处理单元112和输出控制器113。概率模型生成器111根据输入的北斗星历文件、北斗IGPs文件以及输出控制器的反馈，生成不同北斗卫星可见性的条件概率模型，并输出给搜星核心处理单元112。搜星核心处理单元112用于控制各个通道卫星的捕获次序，记录卫星捕获结果，并生成最佳卫星搜索顺序。输出控制器113用于检查搜星核心处理单元112输出的卫星号，并根据检查结果判断是否输出结果，如果不输出，则反馈给概率模型生成器111，使其更新概率模型。该装置的不同模块相互联系，形成了一个闭环系统，利用统一接口互连来传递当前模块的输入和输出，各个模块间通过判决反馈来进行模块间的状态跳转，这有利于提高整个系统的鲁棒性和精确度，这也是该北斗卫星搜索装置的一个优势。

图2说明了冷启动时，概率模型生成器111的工作流程。概率模型生成器111以北斗星历文件和北斗IGPs文件作为输入，利用星历文件计算不同时刻各颗北斗卫星的空间坐标，然后利用北斗电离层网格点文件计算北斗卫星覆盖范围内的不同网格点处各颗北斗卫星的可见性。接下来对各颗北斗卫星在不同时刻、不同地点的可见性进行概率统计，并计算各颗北斗卫星相互之间同时可见的联合概率以及条件概率，最后通过归一化处理，输出不同北斗卫星间可见性的条件概率模型P_{i_j}。

条件概率模型P_{i_j}输出给搜星核心处理单元112后，搜星核心处理单元112的处理流程如图3所示。冷启动后，先初始化度量向量W_i，最初的W_i值由系统自动设定为0，系统默认从1号卫星开始捕获。随着卫星搜索状态的不同，W_i值会随之更新，更新方法如公式（1）和（2）所示：

W_i=W_i+P_{i_j},j=1,i=2，...,37 (1)

W_i=W_i-P_{i_j},j=1,i=2，...,37 (2)

如果捕获成功，度量向量W_i将按照（1）式进行更新，如果未捕获成功，度量向量W_i将按照（2）式进行更新。

然后，将度量向量W_i值排序，取W_i最大值所对应的下标i作为下一颗捕获卫星星号，当度量向量W_i的最大值不唯一时，默认取首个最大值。由于在每轮搜星控制算法中，每颗卫星只捕获一次，所以在输出卫星PRN之前，先判断下标i所对应的卫星是否已经搜过，如果此时输出卫星PRN已经存在于寄存器SatelliteSearchedList中，则取度量向量W_i次大值所对应的下标i作为下一颗捕获的卫星星号输出到输出控制器113。

如图4所示，输出控制器113根据用户提供的精确性要求判断当前的输出是否满足精度要求，如果不满足则将输出结果以及捕获信息反馈到概率模型生成器111，概率模型生成器111重新调整不同北斗卫星之间可见性的关联程度，更新系统条件概率模型，然后进行新一轮的处理；如果满足精度要求则输出卫星号，搜索对应的卫星，并通知搜星核心处理单元112根据捕获状态更新度量向量W_i，继续搜索。依此类推，直至输出所需数量的不同卫星PRN。

应用中，用户需要提供最新的北斗星历文件、参考观测时间以及输出结果精确性要求。该装置所能达到的精确程度依赖于用户提供的北斗星历文件的有效性。这些北斗星历文件并不需要进行任何的预处理，所有的处理都将由该装置自动完成。参考观测时间是用来生成概率模型的，参考观测时间可以是用户读取接收机系统时间得出的结果，也可以是手动输入的时间点。输出结果的精确性要求指用户能够接受的在实际输出结果和无搜星算法时输出结果之间的差距，这是算法实现复杂度与算法优化效果之间的权衡。用户可以自己定义精确性判断的方式，输出控制器会根据用户的精确性要求判断当前的输出是否满足精度要求。由上可知，整个过程全部由冷启动北斗卫星搜索装置自动完成，同时保证了装置的鲁棒性和高精度结果的产生。

下面介绍本发明的卫星搜索方法在北斗卫星导航系统中的应用实例。

搜索过程包括以下步骤：

（a）读入北斗星历文件、北斗电离层网格点IGPs文件以及用户提供的参考观测时间t；将星历文件中的参数存入寄存器AlmanacData，北斗电离层网格点IGPs文件参数存入寄存器Longitude和Latitude，参考观测时间t转化为周积秒WeekSecond，转化公式为：

WeekSecond=week*86400+hour*3600+minute*60+second。

（b）计算不同时间北斗卫星空间坐标，然后计算不同地点北斗卫星的可见性，卫星可见标记为1，不可见标记为0。并计算各颗北斗卫星相互之间同时可见的联合概率以及条件概率，最后通过归一化处理，输出不同北斗卫星间可见性的条件概率模型P_{i_j}。

（c）根据接收机捕获记录结果，修正概率模型P_{i_j}，作为输入传给搜星核心处理单元，如图1所示，并初始化度量向量W_i。

（d）根据PRN 1捕获状态更新度量向量W_i，如果捕获成功按公式（1）方式更新，并且寄存器NumberOfSatelliteAcquisited加1，否则按照公式（2）方式更新，公式（1）和（2）如下所示：

W_i=W_i+P_{i_j},j=1,i=2，...,37 (1)

W_i=W_i-P_{i_j},j=1,i=2，...,37 (2)

更新后，排序度量向量W_i，并取W_i最大值时下标i作为输出卫星号ID。

（e）判断ID是否已经存在于寄存器SatelliteSearchedList中，如果不存在，则输出该ID；否则取度量向量W_i次大值所对应的下标i作为下一颗捕获的卫星号ID。

（f）记录捕获结果，判断输出结果是否符合精确性要求，满足则输出卫星号ID，捕获输出卫星号ID所对应的卫星，并回到步骤（d）；不满足则回到步骤（c）。

（g）当接收机成功捕获卫星数量达到用户要求N颗或者能够实现解算（即大于等于4颗）时，搜索结束。

以上介绍的仅仅是基于本发明的几个较佳实施例，并不能以此来限定本发明的范围。任何对本发明的装置作本技术领域内熟知的部件的替换、组合、分立，以及对本发明实施步骤作本技术领域内熟知的等同改变或替换均属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种北斗卫星搜索装置，其特征在于：至少包括概率模型生成器、搜星核心处理单元和输出控制器；其中，概率模型生成器，用于生成不同北斗卫星间可见性的条件概率模型；搜星核心处理单元，用于控制各个北斗卫星搜索次序；输出控制器，用于检查核心处理单元输出的卫星号，并根据结果判断是否输出结果，如满足要求则输出结果，否则反馈至概率模型生成器，更新概率模型。

2.如权利要求1所述的北斗卫星搜索装置，其特征在于：所述的概率模型生成器利用输入的北斗星历文件及所述的输出控制器的反馈，计算不同时刻各颗北斗卫星的空间坐标及搜索范围内的各颗北斗卫星的可见性；并对各颗北斗卫星在不同时刻、不同地点的可见性进行概率统计，计算各颗北斗卫星相互之间同时可见的联合概率以及条件概率，通过归一化处理，输出不同北斗卫星间可见性的条件概率模型。

3.如权利要求1或2所述的北斗卫星搜索装置，其特征在于：所述的搜星核心处理单元根据概率模型生成器输出的条件概率模型，通过度量向量动态控制各卫星搜索次序。

4.一种北斗卫星搜索方法，其特征在于包括以下步骤：（1）通过输入数据生成不同北斗卫星间可见性的条件概率模型；（2）根据反馈的搜索结果修正所述的条件概率模型，并初始化度量向量；（3）根据搜索状态及所述的条件概率模型更新度量向量，并确定输出卫星号；（4）判断输出卫星号是否满足精度要求，如果满足则搜索该卫星号对应的卫星，并返回到步骤（3）；如果不满足则返回到步骤（2）。

5.如权利要求4所述的北斗卫星搜索方法，其特征在于步骤（1）进一步包括：计算不同时刻各颗北斗卫星的空间坐标及搜索范围内各颗北斗卫星的可见性；对上述数据进行概率统计，计算出各颗北斗卫星相互之间同时可见的联合概率以及条件概率；通过归一化处理，生成不同北斗卫星间可见性的条件概率模型。

6.如权利要求4或5所述的北斗卫星搜索方法，其特征在于步骤（3）进一步包括：

（a），度量向量W_i值会根据卫星搜索状态的不同进行更新，更新方法如公式（1）和（2）所示：

W_i=W_i+P_{i_j},j=1,i=2，...,37 （1）

W_i=W_i-P_{i_j},j=1,i=2，...,37 （2）

如果搜索成功，度量向量W_i将按照（1）式进行更新，如果未搜索成功，度量向量W_i将按照（2）式进行更新；

（b）将度量向量W_i值排序，取W_i最大值所对应的下标i作为下一搜索卫星号，当度量向量W_i的最大值不唯一时，默认取首个最大值；

（c）判断下标i所对应的卫星是否已经搜索过，如果搜索过，则取度量向量W_i次大值所对应的下标i作为下一搜索卫星号并重复步骤（c），如果没有搜索过，则输出卫星号。