CN103472465B - 一种加速gnss接收装置首次定位时间的方法和系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种用于加速GNSS接收装置首次定位时间的方法，所述方法包括：捕获卫星信号，获取卫星信号的整毫秒边界信息；对相邻整毫秒边界内数据进行相干积分，获得相干积分值；根据所述相干积分值确定导航比特边界，并同时进行导航比特调解，获得最终的比特符号；在导航比特调解结束后收集卫星星历；在收集卫星星历完毕后，进行定位解算。采用本发明的技术方案后，能在相对较小的资源开销和不需要额外的建设成本基础上，有效的缩短GNSS接收装置的首次定位时间，提高接收装置的定位效率。
Description
技术领域
本发明涉及卫星导航信号处理技术领域，尤其涉及一种加速GNSS接收装置首次定位时间的方法和系统。
背景技术
全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System，GNSS)利用导航卫星进行定时、定位和测距，能在全世界范围内实现全天候、全方位连续为海上、陆地和空中的用户提供实时高精度的三维空间、速度和时间信息。目前，GNSS包含了美国的GPS、俄罗斯的GLONASS、欧盟的Galileo系统、中国的北斗导航系统，以GPS系统为例，该系统主要由三部分组成，即空间部分、地面控制部分和用户装置部分。空间部分由24颗卫星组成，分布在6个道平面上。地面控制部分由负责管理、协调整个地面控制系统的工作的主控站、在主控站的控制下，向卫星注入寻电文的地面天线、作为数据自动收集中心的监测站和通讯辅助系统组成。用户装置部分主要由GPS接收机和卫星天线组成。
欲准确地利用卫星定位技术计算出远程接收器的位置，需要精确得知全球导航卫星系统的3个或4个卫星的星钟(clock)及轨道信息，而GNSS接收装置一般可由每一卫星每30秒重复广播的星历信息(ephemeris infomation)来取得所需的信息内容。然而，由于会有许多因素影响着卫星轨道(orbit)，全球导航卫星系统广播的星历信息的有效期通常仅在接下来的2至4小时中维持有效。
因此，若GNSS接收装置已持续一段时间无法接收更新的星历信息(可能是因为被关闭(turned off)或是停用(disabled))，当远程接收器重新启动(reactivate)时，任何之前已储存的星历信息将会失效(invalid)，以及在远程接收器能够开始计算其目前位置(current position)之前，需要先从卫星取得更新的信息。启动远程接收器到计算出目前位置之间的延迟(delay)称为首次定位时间(Time To First Fix，TTFF)。由于任何的延迟都会影响使用者的使用，全球导航卫星系统(例如，全球定位系统(Global Positioning System，GPS))最重要的任务之一即是针对远程接收器来延长或预测轨道的星历以加速首次定位时间。
目前对首次定位时间的改进主要集中在卫星星历收集的时间优化上，例如一种一般性方法为采用服务器(server)持续收集过去许多天的星历信息并计算延长的(extended)卫星轨道及星钟信息。由于计算轨道具相当的复杂度且需要有一定的精确度(往往会应用扰动(perturbed)力学模型(force model)来处理所接收的星历信息)，所以需要在具有强大运算能力的中央服务器(central server)中使用特殊软件，以持续估测接下来许多天的延长的轨道(extended trajectory)，并能保持估测结果在可接受的误差范围(acceptable error limit)内。每当GNSS接收装置重新启动时，远程接收器可通过互联网(Internet)或无线通信系统(wireless communication system)来从中央服务器接收延长的轨道信息，取代广播的卫星信息(而不是等待卫星的重复广播)，而大幅地缩短首次定位时间。还有另一种一般性方法为采用服务器连续地(continuously)收集并提供目前正在使用中的全球导航卫星系统的轨道及星钟数据(其在接下来的一段延长时间中会是有效的)，并将其提供给GNSS接收装置，然而，此解决方法需要GNSS接收装置与服务器有连续的或至少经常性(frequent)的连接，并且远程接收器需要具有足够的数据储存容量。
而事实上，GNSS接收装置的首次定位时间由三个部分组成：卫星信号捕获时间，比特同步时间，星历收集时间。也就说，对首次定位时间的改进，还可以对卫星信号捕获时间，比特同步时间的改进或者对三个部分的优化改进。
附图1给出了GNSS卫星信号的结构示意：
GNSS信号由循环播放的五个子帧组成，对于卫星首次定位而言，需要收集前三个子帧中包含的星历信息和导航比特边界。
101为信号子帧流，五个子帧循环播放，每个子帧持续6秒时间；
102为子帧结构，每个子帧由300个导航比特组成；
103为导航比特结构，每个导航比特长度为20毫秒；
104为伪码结构，伪码码长视不同的卫星系统而定（GPS为1023，北斗II为2046），总的持续时间为1毫秒；
而GNSS接收机的信号处理流程为：
1. 通过搜索伪码相位，找到信号的整毫秒边界；
2. 在整毫秒边界位置开始相干积分；
3. 在连续的整毫秒积分值的基础上进行比特同步，其目的是确定每个导航比特的起始边界；
4. 在导航比特边界位置开始进行相干积分，积分长度为一个导航比特长度（20毫秒），具体操作可以是从导航比特边界处作20个整毫秒累加，避免重复计算；
5. 根据20毫秒相干积分值的符号确定导航比特（正值对应0，负值对应1）；
6. 收集前三个子帧的导航比特序列解析星历；
7. 定位解算。
从上面7个步骤的描述不难看出，每一步的输入信息，都是上一步的输出结果，因为时间上的因果关系，所以接收机在首次定位时间为上述步骤消耗时间的总和。
在某些条件下，如天空比较开阔，信号比较强的环境下，理论上存在对上述步骤进行合理的统筹优化，以减少首次定位时间的可能性，而本发明正是基于这样的研究思路，提出的一种新的用于加速GNSS接收装置首次定位时间的方法和系统。
发明内容
本发明的目的是提供一种加速GNSS接收装置首次定位时间的方法和系统，能够有效加速GNSS接收装置首次定位时间。
本发明提供一种加速GNSS接收装置首次定位时间的方法，所述方法包括：捕获卫星信号，获取卫星信号的整毫秒边界信息；对相邻整毫秒边界内数据进行相干积分，获得相干积分值；根据所述相干积分值确定导航比特边界，并同时进行导航比特调解，获得最终的比特符号；在导航比特调解结束后收集卫星星历；在收集卫星星历完毕后，进行定位解算。
更进一步，所述对相邻整毫秒边界内数据进行相干积分的长度为1毫秒。
更进一步，所述的导航比特边界是指从每连续的20个整毫秒边界中确定的导航比特边界。
更进一步，所述比特调解是指从比特边界的位置开始进行长度为20毫秒的符号累加，得到所述最终的比特符号。
更进一步，所述最终的比特符号，如果是负号，对应的导航比特为1；如果是正号，对应的导航比特为0。
更进一步，所述GNSS接收装置为GPS接收装置。
本发明还提供一种所述加速GNSS接收装置首次定位时间方法的加速GNSS接收装置首次定位时间的系统。
更进一步，所述对整毫秒边界内数据进行相干积分的长度为1毫秒。
更进一步，所述的导航比特边界是指从每连续的20个整毫秒边界中确定的导航比特边界。
更进一步，所述比特调解是指从比特边界的位置开始进行长度为20毫秒的符号累加，得到所述最终的比特符号。
更进一步，所述最终的比特符号，如果是负号，对应的导航比特为1；如果是正号，对应的导航比特为0。
更进一步，所述GNSS接收装置为GPS接收装置。
采用本发明的技术方案后，能在相对较小的资源开销和不需要额外的建设成本基础上，有效的缩短GNSS接收装置的首次定位时间，提高接收装置的定位效率。
附图说明
图1是GNSS卫星信号的一般结构示意图；
图2是导航比特数据构成示意图；
图3是本发明实施例实现装置结构框图；
图4是本发明实施例流程示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
图1是GNSS卫星信号的一般结构示意图；图2是导航比特数据构成示意图；图3是本发明实施例实现装置结构框图；图4是本发明实施例流程示意图。
本发明所处理的信号数据为积分单元302和305输出的整毫秒积分值的序列，在这个序列中调制了导航比特数据103，为了方便说明这里给出比103更为详细的导航比特构成细节，如附图2所示：
附图2中涉及的每个数据单元均为长度为1毫秒的GNSS信号相干积分值的分解示意。
201为数据，序列a(n)为非负序列，其值对应GNSS接收机所接收到GNSS信号的强度，信号越强，a(n)越大；没有信号时，a(n)=0。当接收机处在开阔天空无遮挡的环境下，a(n)序列的取值平稳，假设在一段足以完成首次定位的时间，例如40秒，其平均值为A。
202为噪声，所有的通信系统都包含噪声，在信号传播链路的各个环节中引入，对于本系统噪声主要为热噪声，即N(n)服从期望为0，标准差为B的正态分布，在开阔环境下系统能保证A>B。
203为导航比特符号，一个比特维持20毫秒时间，在这20毫秒时间内，其值不变，如208区间表示的导航比特符号序列203中一段长度内的导航比特符号所示。
201,202,203是时长为1毫秒的相干积分值的构成部分，三个部分通过209,210的运算之后得到204信号，该信号是时长为1毫秒的相干积分值序列，。
209为加法示意，表示201和202两个序列对应元素相加。
210为乘法示意，表示201，02之和序列，跟203两个序列对应元素相乘。
导航比特边界的位置如208区间表示的信号序列204一段长度的边界位置。
解调信号中包含的导航比特，需要知道203中一个导航比特内的符号，通常做法是累加208区间内的204序列的值，然后根据其符号得到导航比特。然而在信号强度较大的时候，即A>B时，数据不会被噪声淹没，所以累加长度即便达不到20毫秒，同样可以解调出导航比特。
在没有做导航比特同步的时候，系统不知道导航比特边界，即208未知。这时可以从任意位置，如205区间,206区间，一直到207区间，总共20个位置区间，开始作长度为20毫秒的累加，不难看出除了205区间因为前后两个导航比特符号相反，几乎会抵消全部的能量，以至于不能解调出正确的导航比特外，另外19个位置区间全部可以解调正确的导航比特，这是一个遍历的结果，因此可以得出这种方式成功解调出导航比特的概率为二十分之一。
按当前GNSS卫星分布，在开阔环境下，接收机可见的卫星至少有8颗，然而接收装置定位需要的卫星数为4颗，那么如果采用不需要导航比特边界的方式收取导航比特，不能定位的概率小于0.0000003125，属于小概率事件，在本发明中，运用小概率事件不发生原理，因此不对这种情况做处理。
在本发明实施例中，如附图3所示，301为卫星捕获单元，其作用完成可见卫星捕获工作，可以由各种不同的方法实现，该单元与本方案描述的工作原理无直接关系，所以不需要详细说明。
302,305为积分单元，其作用是根据捕获单元获得的整毫秒边界，对数据进行两个相邻整毫秒边界内数据进行长度为1毫秒的相干积分，对于一个GNSS接收装置会有若干个卫星跟踪通道，每个通道都包含各自的积分单元，导航比特同步单元，导航比特解调单元，卫星星历收集单元，302和305属于不同的跟踪通道。
306为导航比特同步单元，该单元可以从305的运算结果中获得卫星信号的时长为1毫秒的相干积分值。根据GNSS卫星信号的特点，卫星星历通过导航比特传播，每个导航比特的长度为20毫秒，本单元所要完成的工作便是从每连续的20个整毫秒边界中找到导航比特的边界。
303为比特解调单元，该单元的作用是从整毫秒边界位置开始进行长度为20毫秒的符号累加，得到最终的比特符号，如果为负对应的导航比特为1，如果为正，对应的导航比特为0 。
304为星历收集单元，根据GNSS卫星信号的帧结构特点，本单元从303中获取导航比特，收集信号前三个子帧中的数据解析星历。
307为定位解算单元，利用304和306的星历信息和导航比特边界进行定位解算。
302,303,304属于同一个跟踪通道的功能单元；
305,306属于同一个跟踪通道的功能单元，且和302,303,304不属于同一个跟踪通道。
本发明利用两个通道同时跟踪一颗星，两个通道并行完成不同的功能运算，两个功能运算的结果为定位所需的充要条件，通过将步骤的串行执行转为并行执行的方式节省了时间。
附图4是本发明实施例的流程示意图：
步骤401和406均为卫星信号捕获，这里假设了接收装置里面只有一个捕获单元，如果是多个的话，401和406可以并行执行。目前，GNSS接收装置的普遍设计水平，卫星捕获单元完成一次可见星的搜索所耗费的时间都在1秒钟以内，所以401和406并行或者串行，在总体首次定位时间长度来看，不会有差别。
402,403,404由一个跟踪通道（设为通道A）顺序执行，407和408由另一个跟踪通道（设为通道B）顺序执行；因为通道A的执行时间大于通道B的执行时间，所以先启动通道A为最优；通道A收集完星历并输出给定位解算单元之后被复位释放409，通道B在导航比特同步完成并输出给定位解算单元边界信息之后继续保持跟踪，以便持续定位。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种加速GNSS接收装置首次定位时间的方法，其特征在于，所述方法包括:捕获卫星信号，获取卫星信号的整毫秒边界信息;对相邻整毫秒边界内数据进行相干积分，获得相干积分值;根据所述相干积分值确定导航比特边界，并同时进行导航比特调解，获得最终的比特符号;在导航比特调解结束后收集卫星星历;在收集卫星星历完毕后，进行定位解算。
2.根据权利要求1所述的加速GNSS接收装置首次定位时间的方法，其特征在于，所述对相邻整毫秒边界内数据进行相干积分的长度为1毫秒。
3.根据权利要求1或2所述的加速GNSS接收装置首次定位时间的方法，其特征在于，所述的导航比特边界是指从每连续的20个整毫秒边界中确定的导航比特边界。
4.根据权利要求1所述的加速GNSS接收装置首次定位时间的方法，其特征在于，所述比特调解是指从比特边界的位置开始进行长度为20毫秒的符号累加，得到最终的比特符号。
5.根据权利要求4所述的加速GNSS接收装置首次定位时间的方法，其特征在于，所述最终的比特符号，如果是负号，对应的导航比特为1;如果是正号，对应的导航比特为0。
6.根据权利要求1或2或4或5所述的加速GNSS接收装置首次定位时间的方法，其特征在于，所述GNSS接收装置为GPS接收装置。
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