CN103064092A - 一种导航卫星的选择方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种导航卫星的选择方法，该方法以信号能量和星座布局GDOP值为衡量基准，通过设定接收信号能量阈值、GDOP阈值以及最大选星数，在选择一定数量的高能量信号基础上，选取次优GDOP的星座结构。采用本发明能够在保证定位精度的同时，减少运算量，实现快速选星，降低工程上对多系统导航接收机通道数的要求，适用于接收机位于高轨且多卫星导航系统组合的场景中。

Description

一种导航卫星的选择方法

技术领域

本发明涉及定位技术，特别是涉及一种导航卫星的选择方法。

背景技术

传统卫星定位系统中，接收机在选择用于定位的导航卫星时，通常采用最小定位星座几何精度因子（Geometric Dilution of Precision，GDOP）法选取4至5颗最优星进行定位。

所述GDOP是衡量一个定位系统的重要标准之一，其计算公式如下述公式（1.1）：

$\mathrm{GDOP}=\sqrt{{\mathrm{tr}\left(H_{\mathrm{comb}}^T{H}_{\mathrm{comb}}\right)}^{-1}}---\left(1.1\right)$

公式（1.1）中H_comb为GPS/Galileo/GLONASS/北斗(COMPASS)组合系统的观测矩阵，具体矩阵结构如下式（1.2）。

$H_{\mathrm{comb}}=\left[\begin{array}{ccccc}{H}_{\mathrm{GPS}}^{\′}& 1_{\mathrm{GPS}}& 0_{\mathrm{GPS}}& 0_{\mathrm{GPS}}& 0_{\mathrm{GPS}}\\ H_{\mathrm{Galileo}}^{\′}& 0_{\mathrm{Galileo}}& 1_{\mathrm{Galileo}}& 0_{\mathrm{Galileo}}& 0_{\mathrm{Galileo}}\\ H_{\mathrm{GLONASS}}^{\′}& 0_{\mathrm{GLONASS}}& 0_{\mathrm{GLONASS}}& 1_{\mathrm{GLONASS}}& 0_{\mathrm{GLONASS}}\\ H_{\mathrm{COMPASS}}^{\′}& 0_{\mathrm{COMPASS}}& 0_{\mathrm{COMPASS}}& 0_{\mathrm{COMPASS}}& 1_{\mathrm{COMPASS}}\end{array}\right]---\left(1.2\right)$

公式（1.2）中，

（S=GPS、Galileo、GLONASS、COMPASS）为第S个系统的卫星观测矩阵H的前3列，且

为k×3维的矩阵,0_S、1_S分别表示k×1阵,k为每个系统的可见星数。

H为单系统的观测矩阵，为k×4维，k为可见卫星颗数。

$H=\left[\begin{array}{cccc}{a}_{x1}& a_{y1}& a_{z1}& 1\\ a_{x2}& a_{y2}& a_{z2}& 1\\ \·& \·& \·& \·\\ \·& \·& \·& \·\\ \·& \·& \·& \·\\ a_{\mathrm{xn}}& a_{\mathrm{yn}}& a_{\mathrm{zn}}& 1\end{array}\right]---\left(1.3\right)$

式（1.3）中，

是以接收机指向第i颗导航卫星的单位矢量。

伪距测量精度有码元宽度和接收机的跟踪精度共同决定，其中接收机的跟踪精度除了受到硬件结构的限制外，更容易受到外界环境中各种干扰的影响，而信号能量高，接收机收到的载噪比就高，在相同条件下，受干扰的程度小，伪距测量误差相应变小。

信号能量指到达接收机输入端的信号功率，该能量考虑了发射机天线增益、空间链路损耗、接收机天线增益影响，可表示为：

P=EIRP+G_T-Loss+G_R               (1.4)

其中，P表示信号能量，EIRP（Effective Isotropic Radiated Power）表示有效全向辐射功率，也称为等效全向辐射功率，G_T表示发射机天线增益，Loss表示空间链路损耗，G_R表示接收机天线增益。

显然，在接收机相同的硬件水平下，接收信号能量越高，伪距测量误差越小，而伪距测量误差越小，定位精度也会越高。

上述传统的选星方法适用于接收机位于低轨或地面的情况，而不适用于接收机位于高轨的情况。原因在于，当接收机位于低轨或地面时，所接收到的导航卫星的接收信号能量较大，且不同导航卫星的接收信号能量的差异较小，而当接收机位于高轨时，所接收到的导航卫星的接收信号能量较弱，且不同导航卫星的接收信号能量的差异较大。导航卫星的接收信号能量的高低将会直接影响定位精度，如果接收信号能量很弱则会较大降低定位精度，因此在高轨的情况下，应选择接收信号相对较高的导航卫星进行定位，以确保定位精度。而上述传统的选星方法中，在选星时并未考虑导航卫星的接收信号能量，这样，当选择了接收信号能量很弱的导航卫星用于定位，将无法确保定位精度，因此，采用传统的选星方法，将会影响定位精度。

另外，在接收机位于高轨的情况下，单一卫星导航系统，很难满足实时定位的需求，而多全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System，GNSS)组合导航在精度、完好性、可用性等方面性能明显优于单一系统，将是高轨导航定位今后发展的必然趋势。

但在多卫星导航系统组合时,可见星从单GPS的3、4颗上升到近40颗,由于要引入各系统间的钟差量，状态变量增加到7维，即最少需要选出7颗可见星进行定位。观测信息的增加使得定位精度、完好性、可用性等导航性能都有较大的改善.但过多的冗余信息并不能太多地提高定位精度,反而使导航解算运算量随之成几十倍增长,严重影响导航定位解算的实时性,也提高了工程上对多系统接收机的通道数和处理速度的要求,这会大大增加了接收机硬件设计难度和成本。对此,实时选择空间位置合适的卫星至关重要,需要在保证选取卫星几何分布较优情况下,减少过多冗余信息,在定位精度和导航运算量之间均衡处理。

由此可见，将传统的选星方法应用于接收机位于高轨且多卫星导航系统组合的场景中，将存在计算量大、难以实现且无法确保定位精度的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种导航卫星的选择方法，该方法适用于接收机位于高轨且多卫星导航系统组合的场景中。

为了达到上述目的，本发明提出的技术方案为：

一种导航卫星的选择方法，包括：

a、确定当前的可见导航卫星，并将信号接收能量大于预设能量阈值的所述可见导航卫星确定为候选定位卫星；

b、按照信号接收能量的降序，对所述候选定位卫星进行排序，选择前N个候选定位卫星作为当前的定位卫星候选集合；

c、以当前的所述定位卫星候选集合作为定位星座，计算该定位星座对应的定位星座几何精度因子GDOP，其中，在进行所述计算时，确保GDOP的计算矩阵正定；

d、判断当前所述定位卫星候选集合对应的GDOP是否小于预设的GDOP阈值，如果是，则执行步骤g；否则，执行步骤e;

e、判断当前的所述定位卫星候选集合中的卫星数量是否达到预设的选星数阈值，如果是，则执行步骤g；否则，执行步骤f；

f、从当前的候选定位卫星中除所述定位卫星候选集合中的卫星之外的其他卫星中，选择一颗能获得最小GDOP的卫星增加到当前的所述定位卫星候选集合中，执行步骤d；

g、确定当前的所述定位卫星候选集合中的卫星为用于定位的导航卫星。

综上所述，本发明提出的导航卫星的选择方法，考虑了导航卫星的接收信号能量和星座布局，可以在接收机位于高轨且多卫星导航系统组合的场景中，确保导航卫星选择的准确度和定位的实时性。

附图说明

图1为本发明实施例一的流程示意图。

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，下面将结合附图及具体实施例对本发明作进一步地详细描述。

导航接收机的定位精度一般可以表示为公式（2.1）：

σ_p＝GDOP·σ_UERE                    （2.1）

其中，σ_p是定位精度的标准差，σ_UERE是接收机到导航卫星的伪距测量误差的标准差，公式（2.1）表示了伪距测量误差的标准差与定位解之间的放大关系，GDOP值就是放大倍数。

显然，为使用户定位精度满足指标要求，需对伪距测量误差和GDOP值进行限定。

考虑到在高轨条件下，由于用户卫星（即接收机所在的卫星）所处的轨道高度高，与GNSS导航卫星相隔地球而望，接收机收到的导航信号能量非常微弱，在多个GNSS卫星系统全星座布局下，可视卫星数量较多，同时，用户卫星和导航卫星的高度关系，又导致了大多导航信号集中在大致相同的角度区间到达接收机，因此，在高轨多系统条件下，选星方法应该以信号能量和星座布局作为选星衡量基准，同时需要考虑定位实时性能。

基于此，本发明的核心思想是：以信号能量和星座布局GDOP值为衡量基准，通过设定接收信号能量阈值、GDOP阈值以及最大选星数，在选择一定数量的高能量信号基础上，选取次优GDOP的星座结构，从而在能够保证定位精度的同时，减少运算量，实现快速选星，降低工程上对多系统导航接收机通道数的要求，在选星过程中，能够根据已选择的导航卫星分属系统情况，动态调整观测矩阵，以保证GDOP值计算矩阵的正定性。

图1为本发明实施例一的流程示意图，如图1所示，该实施例主要包括：

步骤101、确定当前的可见导航卫星，并将信号接收能量大于预设能量阈值的所述可见导航卫星确定为候选定位卫星。

本步骤中，可见导航卫星可由接收机根据接收信号解调导航信号得到的，具体方法为本领域人员所掌握，在此不再赘述。

这里需要说明的是，对于一个硬件设计技术确定的接收机来说，接收信号能量水平直接决定对应该信号的伪距测量精度，所以在实际应用中接收信号能量阈值的设置，将依据接收机的硬件设计水平和可接受的伪距测量精度进行。

步骤102、按照信号接收能量的降序，对所述候选定位卫星进行排序，选择前N个候选定位卫星作为当前的定位卫星候选集合。

所述N为预设值，具体可由本领域人员根据实际需要设置。例如，1个卫星导航系统时，N≥4；2个卫星导航系统时，N≥5；3个卫星导航系统时，N≥6；4个卫星导航系统时，N≥7。

步骤103、以当前的所述定位卫星候选集合作为定位星座，计算该定位星座对应的定位星座几何精度因子GDOP，其中，在进行所述计算时，确保GDOP的计算矩阵正定。

这里需要说明的是，在选星过程中，需要自动识别已选择的导航卫星分属系统情况，动态调整观测矩阵，来保证GDOP值计算矩阵的正定性。动态调整的具体原因如下：

式（1.2）中所示H_comb是由四个卫星导航系统组合场景下的用户观测矩阵，该矩阵通过分块矩阵的形式表示，如果当前所有卫星不是来自四个卫星导航系统，而只是分属这四个系统中的某一/二/三个系统，那么观测矩阵中必对应存在某三/二/一列上的分块矩阵列为0。例如，假设用户没有收到Galileo系统的导航信号，那么H_comb所对应的公式（1.2）中第二行第一列分块矩阵H’_Galileo将变为0，同时因为没有收到Galileo系统的导航信号，那么自然不会有针对该系统的钟差解算，因此钟差解算标识项1_Galileo变为0_Galileo，即公式（1.2）中第二行第三列分块矩阵1_Galileo也变为0_Galileo，也就是说，公式（1.2）中第二行全变为0。这时，GDOP计算矩阵，即是式（1.1）中的(H^T _combH_comb)将非正定，其行列式为0，无法进行求逆运算，即(H^T _combH_comb)^-1不存在。因此，需要通过动态调整观测矩阵，确保GDOP的计算矩阵正定。

具体的动态调整观测矩阵的方法：对式（1.2）所示形式的观测矩阵H_comb，去掉对应的分块矩阵全为0的行，构成新的观测矩阵。

综上所述，确保GDOP的计算矩阵正定的方法为：如果用于计算GDOP的观测矩阵中出现为全为0的行，则将该全为0的行删除，得到新的观测矩阵，利用新的观测矩阵确定所述GDOP的计算矩阵。

步骤104、判断当前所述定位卫星候选集合对应的GDOP是否小于预设的GDOP阈值，如果是，则执行步骤107；否则，执行步骤105。

这里需要说明的是，在接收信号能量阈值确定之后，对于一个硬件设计技术确定的接收机来说，也就是确定了其接收信号的伪距测量精度，那么在接收机定位精度指标确定的前提下，由公式（2.1），即可确定GDOP阈值。

本步骤中，如果GDOP小于预设的GDOP阈值，则说明利用当前的定位卫星候选集合中的卫星进行定位，可满足精度需要。

步骤105、判断当前的所述定位卫星候选集合中的卫星数量是否达到预设的选星数阈值，如果是，则执行步骤107；否则，执行步骤106。

这里需要说明的是：在实际应用中，对一个接收机来说，其能够同时跟踪和处理的信号个数是有限的，即通道数有限。那么在选星过程中，能够用于定位的导航卫星个数就是有限的，所以需要设置选星数阈值，这个值一般等于接收机通道数。因此，反过来，在接收机设计阶段，利用本发明提出的导航卫星的选择方法，通过分析设置不同的选星数阈值得到的选星结果，将能够有效地确定接收机通道数。

步骤106、从当前的候选定位卫星中除所述定位卫星候选集合中的卫星之外的其他卫星中，选择一颗能获得最小GDOP的卫星增加到当前的所述定位卫星候选集合中，然后执行步骤104。

较佳地，所述选择可采用下述方法实现：

对于当前的候选定位卫星中除所述定位卫星候选集合中的卫星之外的每个卫星，按照确保GDOP的计算矩阵正定的方式，计算由该卫星和当前的所述定位卫星候选集合中的所有卫星组成的定位星座对应的GDOP，并将计算得到的最小GDOP值对应的卫星增加到当前的所述定位卫星候选集合中。

较佳地，为了进一步减少本发明的算法复杂度，本步骤中，还可以对未加入定位卫星候选集合的候选定位卫星进行筛选，将会删除GDOP值很大的候选定位卫星，以减少后续过程中在选择增加至定位卫星候选集合的卫星时所需要考虑的卫星数量，进而可以提高本发明的选星效率。上述思想的具体实现可采用如下方法：

对于当前的候选定位卫星中除所述定位卫星候选集合中的卫星之外的任一卫星，如果在步骤106中计算得到的该卫星对应的GDOP为本步骤中计算得到的最大GDOP值且大于k·GDOPmin，则将该卫星从所述候选定位卫星中删除，其中，k为预设的调整系数，GDOPmin为本步骤中得到的所述最小GDOP值。

在实际应用中，如果设定k值过大，在筛选过程中能够满足删除条件的卫星数量将很少，直接结果是整个选星过程中运算开销大幅增加；如果设定k值过小，满足删除条件的卫星数量会很多，虽然能够大幅减小选星运算开销，但由于在选星过程中删除卫星过多，反而可能得不到满足定位指标要求的选星结果。本领域技术人员根据实际情况，基于上述规则设置合适的k值。

步骤107、确定当前的所述定位卫星候选集合中的卫星为用于定位的导航卫星。

通过上述方法可以看出本发明在导航卫星的选择过程中加入了信号能量因素，设定了信号能量阈值，并在选星过程中优先选择信号能量高的导航卫星；同时，本发明不以追求最优GDOP为目标，而是通过设定GDOP阈值，只要选择的星座GDOP值不超出该阈值，选择的星座布局就能够满足定位指标要求，为有效减少运算量，提高导航定位的实时性（快速选星），降低多系统导航接收机的通道数，可以设定最大选星数，有效的减少冗余导航信息；由于该方法是以信号能量和GDOP为衡量基准，其各自的函数变化规律不一致，存在变化趋势差异，GDOP值计算矩阵会有非正定的情况，因此本发明可根据选星星座布局，自动识别已选择的导航卫星分属系统情况，动态调整观测矩阵，来保证GDOP值计算矩阵的正定性。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种导航卫星的选择方法，其特征在于，包括：

a、确定当前的可见导航卫星，并将信号接收能量大于预设能量阈值的所述可见导航卫星确定为候选定位卫星；

b、按照信号接收能量的降序，对所述候选定位卫星进行排序，选择前N个候选定位卫星作为当前的定位卫星候选集合；

c、以当前的所述定位卫星候选集合作为定位星座，计算该定位星座对应的定位星座几何精度因子GDOP，其中，在进行所述计算时，确保GDOP的计算矩阵正定；

d、判断当前所述定位卫星候选集合对应的GDOP是否小于预设的GDOP阈值，如果是，则执行步骤g；否则，执行步骤e;

e、判断当前的所述定位卫星候选集合中的卫星数量是否达到预设的选星数阈值，如果是，则执行步骤g；否则，执行步骤f；

f、从当前的候选定位卫星中除所述定位卫星候选集合中的卫星之外的其他卫星中，选择一颗能获得最小GDOP的卫星增加到当前的所述定位卫星候选集合中，执行步骤d；

g、确定当前的所述定位卫星候选集合中的卫星为用于定位的导航卫星。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤f包括:

对于当前的候选定位卫星中除所述定位卫星候选集合中的卫星之外的每个卫星，按照确保用于计算GDOP的计算矩阵正定的原则，计算由该卫星和当前的所述定位卫星候选集合中的所有卫星组成的定位星座对应的GDOP，并将计算得到的最小GDOP值对应的卫星增加到当前的所述定位卫星候选集合中。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤f进一步包括：对于当前的候选定位卫星中除所述定位卫星候选集合中的卫星之外的任一卫星，如果在步骤f中计算得到的该卫星对应的GDOP为步骤f中计算得到的最大GDOP值且大于kGDOPmin，则将该卫星从所述候选定位卫星中删除，其中，k为预设的调整系数，GDOPmin为所述最小GDOP值。

4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述确保GDOP的计算矩阵正定的方法为：如果用于计算GDOP的观测矩阵中出现为全为0的行，则将该全为0的行删除，得到新的观测矩阵，利用新的观测矩阵确定所述GDOP的计算矩阵。

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