CN104391306B - 卫星搜索方法和接收机 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种卫星搜索方法和接收机。该卫星搜索方法包括：确定时空格子集及与时空格子集相应的卫星可见度；根据接收机位于时空格子集上每个时空格子的置信度以及卫星可见度，确定待搜索卫星的搜索优选级；根据所述待搜索卫星的优选级搜索卫星。通过本申请的卫星搜索方法和接收机，能够根据置信度和卫星可见度确定卫星的搜索顺序，提高了捕获的命中率，从而进一步提高卫星搜索效率。

Description

卫星搜索方法和接收机

技术领域

本申请涉及卫星导航定位领域，尤其涉及卫星搜索方法及接收机。

背景技术

随着卫星定位导航技术的发展，对于接收机的搜索速度和搜索效率的要求越来越高。尤其，目前多种全球导航卫星系统(例如，美国的GPS全球定位系统，中国的北斗系统，欧洲的伽利略系统，俄罗斯的全球导航卫星系统等)的快速发展，更要求接收机能够利用扩大的联合星群来提高定位精度和可用性。但是，扩大的联合星群也意味着接收机搜索卫星信号的复杂度变大，限制了接收机的定位速度。

为提高定位速度，Kun-Tso Chen提出了一种动态卫星搜索算法。该算法依据接收机每次搜索卫星的结果，利用时空格子集计算卫星的平均可见度，动态调整接下来搜索卫星的顺序。仅利用卫星的平均可见度来调整卫星的搜索顺序，并不能够满足对接收机搜索效率的要求。例如，Chen的算法浪费了先验信息。此外，Chen的算法不具备抗遮挡能力，当接收机因地面障碍物遮挡而尝试捕获卫星失败后，将导致“连锁错误”的发生，造成算法的性能恶化。

发明内容

本申请的目的是提供一种卫星搜索方法及接收机，能够确定卫星搜索顺序，提高卫星搜索效率。

根据本申请的一个方面，公开了一种卫星搜索方法，所述方法包括：确定时空格子集及与时空格子集相应的卫星可见度；根据接收机位于时空格子集上每个时空格子的置信度以及卫星可见度，确定待搜索卫星的搜索优选级；以及根据所述待搜索卫星的优选级搜索卫星。

根据本申请的另一个方面，公开了一种接收机，所述接收机包括：处理器，确定时空格子集及与时空格子集相应的卫星可见度，根据接收机位于时空格子集上每个时空格子的置信度以及卫星可见度，确定待搜索卫星的搜索优选级；以及卫星搜索器，根据所述待搜索卫星的优选级搜索卫星。

通过本申请公开的卫星搜索方法和接收机，能够根据置信度和卫星可见度确定卫星的搜索顺序，提高了捕获的命中率，从而进一步提高卫星搜索效率。

附图说明

图1显示了根据本申请的一种实施方式的卫星搜索方法流程图。

图2显示了根据本申请的一种实施方式的接收机的示意图。

图3显示了根据本申请的另一种实施方式的接收机的示意图。

图4显示了根据本申请的一种具体应用场景下的卫星搜索方法流程图。

具体实施方式

下面参照附图对本申请公开的卫星搜索方法进行详细说明。为简明起见，本申请各实施例的说明中，相同或类似的装置使用了相同或相似的附图标记。

图1显示了根据本申请的一种实施方式的卫星搜索方法流程图。如图所示，在步骤110中，确定时空格子集及与时空格子集相应的卫星可见度。在步骤120中，根据接收机位于时空格子集上每个时空格子的置信度以及卫星可见度，确定待搜索卫星的搜索优选级。在步骤130中，根据待搜索卫星的优选级搜索卫星。通过本申请的方法，能够根据置信度和卫星可见度确定卫星的搜索顺序，提高了捕获的命中率，从而进一步提高卫星搜索效率。

在卫星导航定位时，接收机将搜索卫星群中的卫星。通常，首次定 位前，接收机所处的时间和空间是未知的，但是它们的取值都有一定的范围。比如，空间范围可以是整个地球表面。时间范围可以是接收机自带时钟附近的范围，例如，接收机时钟前后各一个小时之内。可以将这些时间和空间划分成时间格子和空间格子，并映射为时空格子集{G}。时空格子集合{G}中的每一个时空格子对应于某个时间划分和空间划分。

由于卫星群中各卫星的运行方式和轨道已知，对于接收机待搜索卫星中的每一颗卫星，可以确定该卫星对于某个时空格子是否可见。例如，可以根据该卫星的轨道位置和取定的时空格子，计算出该轨道位置对于该空间格子的仰角，根据仰角值则判定该卫星是否可见，例如，可以用可见度为1表示该卫星对该时空格子可见，可见度为0表示该卫星对该时空格子不可见。遍历待搜索的卫星列表{S}和时空格子集合{G}，便可得到与时空格子集相应的卫星可见度，例如，可以记为可见度矩阵V。

对于时空格子集，接收机位于时空格子集中任意时空格子的可能性并不相同，将其称为接收机位于时空格子集中每一个时空格子的置信度。可以将接收机处于时空格子集的可能性通过置信度矩阵C表示，当接收机位于某个时空格子的可能性越高时，置信度矩阵C中对应该时空格子的元素值越大。通过接收机位于时空格子集中每一个时空格子的置信度以及卫星可见度，确定待搜索卫星的搜索优选级。这样，对置信度高的格子可见的卫星，其卫星平均可见度被“拔高”了，对置信度高的格子不可见的卫星，其卫星平均可见度被“压低”了。因此，可以获得合理的卫星搜索顺序，提高卫星搜索效率。

图2显示了根据本申请的一种实施方式的接收机200的示意图。接收机200接收和处理卫星信号以实现接收机的定位和导航。通常，接收机200通过天线201接收所有可见卫星的射频信号。该射频信号经前置滤波器202和前置放大器203放大后，进入下变频器204。下变频器204利用频率合成器205合成的信号混合频率对放大后的射频信号进行下变频得到中频信号或基带信号。其中，频率合成器205合成信号混合频率所需的参考时钟信号由振荡器206提供。下变频得到的中频信号或基带信号经过A/D转换器207从模拟信号转变为数字信号。上述过程可以视 为接收机射频模块的主要功能。射频模块进行射频信号处理后得到的数字信号一般包含多颗卫星的信号，而包含哪些卫星信号是未知的。根据本申请的接收机能够确定搜索顺序，高效搜索卫星。

根据本申请的实施方式，接收机200包括处理器220和卫星搜索器230。处理器220确定时空格子集及与时空格子集相应的卫星可见度，根据接收机位于时空格子集上每个时空格子的置信度以及卫星可见度，确定待搜索卫星的搜索优选级。卫星搜索器230根据所述待搜索卫星的优选级搜索卫星。

根据本申请的一种实施方式，置信度的初始值可以根据接收机的先验时间和空间信息确定。例如，接收机对自己的位置和时间有一定先验的了解，比如接收机目前所处的位置很可能就在上次定位位置的附近，从而提高先验空间信息。接收机的时钟也能够提供先验时间信息。

根据本申请的一种实施方式，接收机200还包括信息收集器240。如图3所示，信息收集器240获得接收机的先验时间和空间信息，处理器220可以根据信息收集器240提供的先验时间和空间信息设定置信度的初始值。信息收集器240可以是信息输入单元，由用户直接输入先验时间和空间信息。信息收集器240也可以是设置于接收机中的传感器单元，通过感测例如温度，太阳高度角等信息，以获得先验时间和空间信息。信息收集器240还可以是参数存储单元，存储默认的先验时间和空间信息。信息收集器240还可以是通信模块，接收由接收机以外的信息源发布或传输的先验时间和空间信息。

根据本申请的另一种实施方式，也可以不考虑先验信息，将置信度矩阵C中的每个元素赋相同的非零值。此外，还可以对置信度矩阵C中的元素进行归一化。

根据本申请的一种实施方式，处理器220可以根据接收机位于时空格子集上每一个时空格子的置信度对所述卫星可见度进行加权，计算卫星加权平均可见度，并根据卫星加权平均可见度确定卫星群中待搜索卫星的搜索优选级。

根据本申请的一种实施方式，处理器220中设有待搜索卫星列表，处理器220根据卫星搜索器230的搜索结果更新所述待搜索卫星列表、 时空格子集和/或置信度，并进一步确定搜索优选级。

卫星的搜索结果除受到卫星可见度的影响外，还有可能受到接收机所处位置的遮挡情况的影响。根据本申请的一种实施方式，处理器220可以设定卫星的遮挡概率e，并根据卫星的搜索结果和卫星的遮挡概率来更新接收机位于时空格子集上每个时空格子的置信度。

根据一种实施方式，处理器220可以采用固定的遮挡概率计算时空格子的置信度。例如，可以统计可能的平均遮挡概率，并通过平均遮挡概率来计算时空格子的置信度。或者，可以根据用户经验设定固定的遮挡概率。

根据另一种实施方式，处理器220可以根据时空格子因素设定卫星的遮挡概率e。可以认为，每一颗卫星相对于每一个时空格子的仰角是确定的。仰角越大，则对处于该时空格子中的接收机这颗卫星被遮挡的概率越小；反之，被遮挡的概率就越大。因此，可以对每一颗卫星针对时空格子集中的每一个时空格子设置遮挡概率。

根据另一种实施方式，处理器220还可以根据接收机所处环境因素设定卫星的遮挡概率e。例如，接收机所处地形、地貌将影响卫星遮挡概率。空旷地区的遮挡概率比较小；城市峡谷(如高层建筑物比较密集的地方)的遮挡概率比较大。

根据一种实施例，接收机所处的环境参数可以通过处理器220中的信息收集器240获得。信息收集器240可以是信息输入单元，由用户直接输入环境参数(例如用户通过观察周围环境进行判断)。信息收集器240也可以是设置于接收机中的传感器单元，例如摄像头等，通过感测周围环境信息获得环境参数。信息收集器240还可以是参数存储单元，存储默认的环境参数。信息收集器240还可以是通信模块，接收由接收机以外的信息源发布或传输的环境参数。

根据另一种实施方式，处理器220还可以综合考虑时空格子和接收机所处环境因素设定卫星的遮挡概率e。

根据一种实施方式，当搜索卫星的结果为未捕获成功时(即，未搜索到该卫星)，处理器220可以通过卫星遮挡概率调整对于该搜索卫星的 可见度为1的时空格子的置信度，并保持对于该搜索卫星的可见度为0的时空格子的置信度不变。此外，当搜索卫星的结果为捕获成功时(即，搜索到该卫星)，处理器220可以通过卫星未被遮挡的概率调整对于该搜索卫星的可见度为1的时空格子的置信度，并将对于该搜索卫星的可见度为0的时空格子的置信度调整为0。根据本实施方式，不会因捕获某颗卫星信号失败这一结果而将所有不匹配这个捕获结果的时空格子剔除，而是降低这些时空格子的置信度。对于与捕获结果匹配的时空格子，将升高它的置信度。如果的确是因为发生了遮挡造成了捕获失败，从而某些时空格子的置信度被降低，只要置信度不为0，在下一轮搜索中，该格子还有机会重新获得较高置信度。虽然遮挡是不可预知的，但遮挡造成的后果是可以纠正的。从而避免了当接收机因地面障碍物遮挡而尝试捕获卫星失败后所导致的“连锁错误”。

根据一种实施方式，处理器220可以将置信度为0的时空格子从时空格子集中删除。这样，可以缩小时空格子集合，从而降低计算量。

根据本申请的一种实施方式，处理器220将从待搜索卫星列表中删除已搜索卫星。也就是，接收机将不再搜索已经搜索过的卫星。

根据本申请的一种实施方式,当搜索卫星的结果为捕获成功时，处理器220将判断捕获到的卫星数量是否满足要求，如果满足要求，则停止卫星搜索。

以下将结合接收机进行卫星搜索的一个具体应用为例进一步详细说明本申请的搜索方法。可以理解，根据需要或者各种不同场景，本申请公开的搜索方法可以有各种不同的具体应用。

在本应用中，如图4所示，可以在步骤310中设定预处理参数，以确定时空格子集合{G}，置信度矩阵C的初始值，以及可见度矩阵V。可以理解，上述参数可以由用户设定，也可以预先存储在接收机中。或者，上述参数也可以由接收机自身设定，例如，通过在接收机上集成通信链路、惯导、摄像头、温度计和/或气压计等来进行参数设定。

所设置的参数包括时空范围，时空格子划分参数和先验信息。时空范围是指用户认为接收机可能所处的时间和空间范围。时空格子划分参 数可以包括时空格子的步长。当对时空格子进行均匀划分时，时空格子的步长为定值；当对时空格子进行不均匀划分时，时空格子的步长可以根据需要设定不同的步长值。用来配置划分的时空格子的大小；先验信息，指在进行搜索前用户先验的时空位置信息。

根据时空格子划分参数对时空范围进行划分，构成时空格子集合{G}。例如，若指定的空间范围是全球地表，划分的步长经纬度均为10°，则空间范围将被划分为180/10*360/10＝648个空间格子；若指定的时间范围是接收机自带时钟的时间前后各1h，划分的步长为30min，则时间范围将被划分为2*60/30＝4个时间格子。可以对时间格子和空间格子进行交叉拓展，从而得到648*4＝2592个时空格子，它们组成了时空格子集合{G}。为{G}中每一个格子都分配一个对应的时间点和空间点，例如，可以取时间格子的中点和空间格子的中点。

先验信息给出了接收机可能所处的时间和空间，从而可以根据先验信息设置置信度矩阵的初始值。可以使置信度矩阵C的赋值方式满足当接收机处于某个时空格子的可能性越高时，置信度矩阵C中对应格子对应的元素值越大。可以根据先验信息，按照上述赋值办法给置信度矩阵C赋值。当没有先验信息时，也可以将置信度矩阵C中的每个元素赋相同的非零值。

接收机所能处理的GNSS的卫星构成了待搜索的卫星列表{S}。对待搜索的卫星列表{S}中的每一颗卫星，计算它对时空格子集合{G}中每一个时空格子的可见度。为此，首先读取指定卫星的历书，获取其轨道根数，再按照一定模型计算出该卫星在时空格子所对应的时间点上的轨道位置，联合这个轨道位置和取定的时空格子所包含的空间点，可以计算出轨道位置对于该空间点的仰角值，比较这个仰角值与事先设定的仰角阈值的大小关系——若它大于事先设定的仰角阈值，则判定该卫星可见(标记为数值1)，若它小于事先设定的仰角阈值则判定该卫星不可见(标记为数值为0)。遍历待搜索的卫星列表{S}和时空格子集合{G}，得到可见度矩阵V。

在确定了时空格子集合{G}，置信度矩阵C的初始值，以及可见度矩阵V后，可以进行卫星的动态搜索。在本应用中，可以设定卫星信号被 遮挡概率为e。可以理解，在不同的环境及不同的时空格子中遮挡概率e可以有不同的取值。

步骤320，计算卫星加权平均可见度。对待搜索的卫星列表{S}中的每一颗卫星，计算其卫星加权平均可见度。对于待搜索的卫星列表的各个卫星，检索可见度矩阵V，可以得到它对每一个时空格子的可见度，而每一个时空格子在置信度矩阵C中都能找到其对应的权值，按照置信度矩阵C提供的权值分布将指定卫星对这些时空格子的可见度加权平均，得到待搜索的卫星列表的各卫星的加权平均可见度。

步骤330，确定本轮要搜索的卫星信号。可以选择取待搜索的卫星列表的加权平均可见度最大的卫星作为本轮要搜索的卫星。

步骤340，接收机尝试捕获该卫星的信号，返回捕获结果。若捕获成功，则在步骤350中判断捕获的卫星信号数是否足够多，若足够多，结束卫星搜索过程；否则，执行步骤360。若捕获失败，则执行步骤360。

步骤360，更新置信度矩阵C。检索可见度矩阵V，若接收机对某颗卫星的信号捕获成功，对满足该卫星可见(可见度矩阵V中对应值为1)的时空格子，将它在置信度矩阵C中的对应值乘以“卫星信号没有被遮挡”这一事实发生的概率(1-e)；对不满足卫星可见(可见度矩阵V中对应值为0)的时空格子，我们将它在置信度矩阵C中的对应值置为0。若接收机对某颗卫星的信号捕获失败，对满足卫星不可见(可见度矩阵V中对应值为0)的时空格子，不改变它在置信度矩阵C中的对应值；对满足卫星可见(可见度矩阵V中对应值为1)的时空格子，将它在置信度矩阵C中的对应值乘以“卫星信号被遮挡”这一事实发生的概率e。

步骤370，缩小时空格子集合{G}。检索置信度矩阵C中各元素，将C中0值元素对应的时空格子从时空格子集合{G}中剔除出去。

步骤380，更新待搜索的卫星列表{S}。将本轮捕获中尝试捕获的卫星从待捕获卫星中剔除出去。

重复上述步骤320至380，直至搜索到足够数量的卫星后停止卫星搜索过程。

以上参照附图对本申请的示例性的实施方案进行了描述。本领域技 术人员应该理解，上述实施方案仅仅是为了说明的目的而所举的示例，而不是用来进行限制，凡在本申请的教导和权利要求保护范围下所作的任何修改、等同替换等，均应包含在本申请要求保护的范围内。

Claims (22)

1.一种卫星搜索方法，所述方法包括：

确定时空格子集及与时空格子集相应的卫星可见度；

根据接收机位于时空格子集上每个时空格子的置信度以及卫星可见度，确定待搜索卫星的搜索优选级；以及

根据所述待搜索卫星的优选级搜索卫星，

其中，所述时空格子集是将时间和空间划分成时间格子和空间格子映射得到的时空格子集，所述时空格子集中的每一个时空格子对应于一个时间划分和空间划分。

2.如权利要求1所述的方法，其中，所述置信度的初始值根据接收机的先验时间和空间信息确定。

3.如权利要求1所述的方法，还包括：根据搜索结果更新卫星群中的待搜索卫星、时空格子集和/或置信度，并进一步确定搜索优选级。

4.如权利要求1所述的方法，还包括：设定卫星遮挡概率，根据搜索结果和所设定的卫星遮挡概率更新接收机位于时空格子集上每个时空格子的置信度。

5.如权利要求4所述的方法，其中，所述卫星遮挡概率根据时空格子因素设定。

6.如权利要求4所述的方法，其中，所述卫星遮挡概率根据接收机所处环境因素设定。

7.如权利要求4所述的方法，其中，当搜索卫星的结果为未捕获成功时，通过卫星遮挡概率调整对于该搜索卫星的可见度为1的时空格子的置信度，并保持对于该搜索卫星的可见度为0的时空格子的置信度不变；

当搜索卫星的结果为捕获成功时，通过卫星未被遮挡的概率调整对于该搜索卫星的可见度为1的时空格子的置信度，并将对于该搜索卫星的可见度为0的时空格子的置信度调整为0。

8.如权利要求1中任一项所述的方法，其中，将置信度为0的时空格子从时空格子集中删除。

9.如权利要求1所述的方法，其中，从待搜索卫星中删除已搜索卫星。

10.如权利要求1所述的方法，其中,当搜索卫星的结果为捕获成功时，判断捕获到的卫星数量是否满足要求，如果满足要求，则停止卫星搜索。

11.如前述任一项权利要求所述的方法，其中，根据接收机位于时空格子集上每一个时空格子的置信度对所述卫星可见度进行加权，计算卫星加权平均可见度，并根据所述卫星加权平均可见度确定卫星群中待搜索卫星的搜索优选级。

12.一种接收机，所述接收机包括：

处理器，确定时空格子集及与时空格子集相应的卫星可见度，根据接收机位于时空格子集上每个时空格子的置信度以及卫星可见度，确定待搜索卫星的搜索优选级；以及

卫星搜索器，根据所述待搜索卫星的优选级搜索卫星，

其中，所述时空格子集是将时间和空间划分成时间格子和空间格子映射得到的时空格子集，所述时空格子集中的每一个时空格子对应于一个时间划分和空间划分。

13.如权利要求12所述的接收机，其中，所述接收机还包括信息收集器，所述信息收集器获得接收机的先验时间和空间信息，所述处理器根据所述先验时间和空间信息确定所述置信度的初始值。

14.如权利要求12所述的接收机，其中，所述处理器中设有待搜索卫星列表，所述处理器根据所述卫星搜索器的搜索结果更新所述待搜索卫星列表、时空格子集和/或置信度，并进一步确定搜索优选级。

15.如权利要求12所述的接收机，其中，所述处理器设定卫星遮挡概率，根据搜索结果和所设定的卫星遮挡概率更新接收机位于时空格子集上每个时空格子的置信度。

16.如权利要求15所述的接收机，其中，所述处理器根据时空格子因素设定所述卫星遮挡概率。

17.如权利要求15所述的接收机，其中，所述接收机还包括信息收集器，所述信息收集器获得接收机所处的环境因素，所述处理器根据所述环境因素设定所述卫星遮挡概率。

18.如权利要求15所述的接收机，其中，当所述卫星搜索器搜索卫星的结果为未捕获成功时，所述处理器通过卫星遮挡概率调整对于该搜索卫星的可见度为1的时空格子的置信度，并保持对于该搜索卫星的可见度为0的时空格子的置信度不变；以及

当所述卫星搜索器搜索卫星的结果为捕获成功时，所述处理器通过卫星未被遮挡的概率调整对于该搜索卫星的可见度为1的时空格子的置信度，并将对于该搜索卫星的可见度为0的时空格子的置信度调整为0。

19.如权利要求12所述的接收机，其中，所述处理器将置信度为0的时空格子从时空格子集中删除。

20.如权利要求12所述的接收机，其中，所述处理器从待搜索卫星中删除已搜索卫星。

21.如权利要求12所述的接收机，其中,当所述卫星搜索器搜索卫星的结果为捕获成功时，所述处理器判断捕获到的卫星数量是否满足要求，如果满足要求，则停止卫星搜索。

22.如权利要求12至21中任一项所述的接收机，其中，当所述处理器根据接收机位于时空格子集上每一个时空格子的置信度对所述卫星可见度进行加权，计算卫星加权平均可见度，并根据所述卫星加权平均可见度确定卫星群中待搜索卫星的搜索优选级。