CN104678419B - 一种卫星导航接收机失锁重捕后快速定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种卫星导航接收机失锁重捕后快速定位方法。该方法记录卫星失锁时刻、失锁前参与定位卫星号和星历及失锁前用户位置速度信息和用户钟差钟速信息；重捕后，利用当前时刻和失锁时刻及失锁前用户位置速度信息推算用户概略位置，利用当前时刻计算卫星概略位置。利用用户概略位置和卫星概略位置计算伪距，利用用户钟差和用户钟速修正伪距值。利用码跟踪环路提供的小于1毫秒的伪距值和计算的伪距值求解整毫秒的伪距模糊度，获得正确伪距值和卫星信号发射时刻，进行定位。采用本方法跟踪后即可定位，无需位同步和帧同步，实现了在失锁60秒内重捕后1秒内即可定位的指标。解决了传统定位方法不适用对移动物体进行快速定位的问题。

Description

一种卫星导航接收机失锁重捕后快速定位方法

技术领域

本发明涉及卫星导航接收机无源定位技术，特别涉及一种卫星导航接收机失锁重捕后快速定位方法。

背景技术

卫星导航接收机接收卫星直接序列扩频信号，捕获到卫星信号后，要经过跟踪、位同步、帧同步和广播星历解析后才可以组装出正确的卫星信号发射时刻进行定位。首次定位需要几十秒，即使在已获得星历的情况下，完成帧同步定位也需要十几秒。传统的定位方法是：在卫星信号失锁后重新进行捕获、跟踪、位同步和帧同步，从星历中解析出周内秒数后，组装出卫星信号发射时刻，计算出卫星位置和卫星到用户伪距，然后利用卫星位置和伪距计算用户位置，进行定位，采用这种方法的缺点是：接收机在运动过程中，信号极易受桥梁、隧道等遮挡而失锁。重捕后如果完成帧同步后定位则要十几秒。对移动物体定位，这一指标不实用，这对失锁重捕后的快速定位方法提出了需求。即需要针对失锁重捕后的定位进行定位算法的特别处理。目前失锁15秒左右的重定位指标一般要求在1秒左右。如何解决这个问题就成为了本领域的技术人员所要研究和解决的课题。

发明内容

鉴于现有技术存在的问题和不足，针对卫星导航接收机对失锁重捕后快速定位的需求，本发明提供了一种卫星导航接收机失锁重捕后快速定位方法。该方法记录卫星失锁时刻、失锁前参与定位卫星号和星历及失锁前用户位置速度信息和用户钟差钟速信息。失锁重捕后，利用当前时刻和失锁时刻及失锁前用户位置速度信息推算用户概略位置，利用当前时刻计算卫星概略位置。利用用户概略位置和卫星概略位置计算伪距，利用用户钟差钟速修正伪距值。利用码跟踪环路提供的小于1毫秒的伪距值和计算的伪距值求解整毫秒的伪距模糊度，获得正确伪距值和卫星信号发射时刻，进行定位。

本发明为实现上述目的，所采取的技术方案是：一种卫星导航接收机失锁重捕后快速定位方法，其特征在于：卫星导航接收机在失锁重捕后，利用记录的卫星失锁时刻、用户位置、用户速度、用户钟差和用户钟速信息求解出卫星信号发射时刻整毫秒模糊度，即可求解出卫星信号发射时刻，最后进入定位解算，卫星信号发射时刻求解步骤如下：

步骤一 .卫星导航接收机记录以下失锁时信息：

接收机卫星信号失锁时刻用t₀表示；

用户位置在地心地固坐标系下的x、y、z坐标用x_u0 、y_u0、z_u0表示；

用户速度在地心地固坐标系下的x、y、z坐标方向上的速度分量用v_x0 、v_y0、v_z0 表示；

用户钟差用δ_tu0表示，用户钟速用δ′_tu0表示；

星钟参考时刻用t_oc表示 ，星历中多项式系数用α_f0 、α_f1 、α_f2表示；

步骤二.利用失锁时记录的信息推算重捕后用户概略位置，设t_u为用户当前时刻，重捕后用户概略位置在地心地固坐标系下的x、y、z坐标为：

x_u= x_u0+ v_x0×(t_u- t₀)

y_u= y_u0+ v_y0×(t_u- t₀)

z_u= z_u0+ v_z0×(t_u- t₀)

其中x_u、y_u 、z_u为失锁重捕后用户概略位置在地心地固坐标系下的x、y、z坐标；x_u0、y_u0、z_u0为失锁时用户位置在地心地固坐标系下的x、y、z坐标；v_x0 、v_y0、v_z0为失锁时用户速度在地心地固坐标系下的x、y、z坐标方向上的速度分量；t₀为卫星信号失锁时刻；

步骤三.利用用户当前时刻t_u和星历即可计算出卫星概略位置x_s、y_s、z_s，即为t_u时刻在地心地固坐标系下卫星的x、y、z坐标；

步骤四.首先利用步骤二获得的用户概略位置和步骤三获得的卫星概略位置计算卫星概略位置所得伪距：

ρ₁= [(x_u-x_s)²+(y_u-y_s)²+(z_u-z_s)²]^0.5

其中x_u、y_u 、z_u为用户概略位置；x_s、y_s、z_s为卫星概略位置；ρ₁为卫星概略位置所得伪距；

然后利用记录的用户钟差和和用户钟速对伪距ρ₁进行修正，即从伪距ρ₁中消除用户钟差和用户钟速引起的伪距增量，并且消除由于卫星钟差引起的伪距增量，修正后进一步得出卫星概略位置的真实伪距：

ρ =ρ₂+c×[δ_tu0+( t_u- t₀) ×δ′_tu0]-c×[α_f0+α_f1×(t_u- t_oc)+ α_f2×(t_u- t_oc)²]

其中ρ为卫星概略位置的真实伪距；ρ₁为卫星概略位置所得伪距；c为光速，取299792458m/s；δ_tu0为用户钟差；δ′_tu0为用户钟速；t_u为用户当前时刻；t₀为卫星信号失锁时刻；t_oc为星钟参考时刻；α_f0 、α_f1 、α_f2为星历中三个多项式系数；

步骤五.首先利用步骤四获得的卫星概略位置真实的伪距计算卫星信号发射时刻整毫秒数模糊度：

t_svms=| t_u-ρ÷c-φ|_取整

其中t_svms为求解的卫星信号发射时刻整毫秒数模糊度；t_u为用户当前时刻；ρ为卫星概略位置真实的伪距；c为光速，取299792458m/s；φ为从码跟踪环路获得的毫秒以下的精确值；

然后利用求解的卫星信号发射时刻整毫秒数模糊度t_svms、t_svms+1和t_svms-1分别和从码跟踪环路获得毫秒以下的精确值φ组成三个卫星信号发射时刻t_svms+φ、t_svms+1+φ和t_svms-1+φ，利用三个卫星信号发射时刻计算三个与卫星概略位置真实的伪距值ρ的差值：

Δρ₁ = [t_u-( t_svms+1+φ)] ×c-ρ

Δρ₂ = [t_u-( t_svms+φ)] ×c-ρ

Δρ₃ = [t_u-( t_svms-1+φ)] ×c-ρ

利用Δρ₁、Δρ₂、Δρ₃判断与卫星概略位置真实的伪距值ρ的相近程度，取最小的Δρ₁、Δρ₂、Δρ₃中的t_svms+1+φ或t_svms+φ或t_svms-1+φ作为卫星信号发射时刻t_sv，利用此卫星信号发射时刻和星历即可计算出正确的卫星位置，利用公式（t_u-t_sv）×c重新计算正确的伪距，最后根据正确的卫星位置和正确的伪距即可进入下一步的定位解算。

本发明的有益效果是：采用本方法跟踪后即可定位，无需位同步和帧同步，实现了在失锁60秒内重捕后1秒内即可定位的指标。解决了传统定位方法不适用对移动物体进行快速定位的问题。

附图说明

图1为本发明卫星失锁判断流程图；

图2为本发明快速定位算法流程图。

具体实施方式

为了更清楚的理解本发明，以下结合附图和实施例进行详细描述：

如图1所示，首先判断本通道跟踪的卫星信号是否失锁，若失锁则设置本通道卫星信号失锁标志及失锁时刻信息，然后退出。

如图2所示，每秒对接收机所有跟踪通道进行如下操作：对是否跟踪到卫星、是否设置失锁标志、是否失锁时间已超门限值进行判断；如果确认则按照本方法进行失锁重捕后的快速定位。

本方法通过记录卫星失锁时刻、失锁前参与定位卫星号和星历及失锁前用户位置速度信息和用户钟差钟速信息，失锁重捕后，利用以上记录的失锁前信息，在稳定跟踪而不进行位同步和帧同步情况下，求解卫星信号发射时刻整毫秒模糊度，即可求解出卫星信号发射时刻，进入定位解算，以达到失锁重捕后1秒内定位的目的，卫星信号发射时刻求解步骤如下：

（1）以卫星导航接收机为硬件平台，在接收机输出正常定位信息情况（条件）下，使接收机卫星信号失锁，如断开接收机天线输入，此时应用本方法的接收机软件记录失锁时信息：

接收机卫星信号失锁时刻用t₀表示；

用户位置在地心地固坐标系下的x、y、z坐标用x_u0 、y_u0、z_u0表示；

用户速度在地心地固坐标系下的x、y、z坐标方向上的速度分量用v_x0 、v_y0、v_z0 表示；

用户钟差用δ_tu0表示，用户钟速用δ′_tu0表示；

星钟参考时刻用t_oc表示 ，星历中多项式系数用α_f0 、α_f1 、α_f2表示；

（2）利用失锁前信息推算重捕后用户概略位置，设t_u为用户当前时刻，重捕后的用户位置为失锁前位置与失锁时间段内用户运动的距离相加即为重捕后用户概略位置在地心地固坐标系下的x、y、z坐标：

x_u= x_u0+ v_x0×(t_u- t₀)

y_u= y_u0+ v_y0×(t_u- t₀)

z_u= z_u0+ v_z0×(t_u- t₀)

其中x_u、y_u 、z_u为失锁重捕后用户概略位置在地心地固坐标系下的x、y、z坐标；x_u0、y_u0、z_u0为失锁时用户位置在地心地固坐标系下的x、y、z坐标；v_x0 、v_y0、v_z0为用户速度在地心地固坐标系下的x、y、z坐标方向上的速度分量；t₀为卫星信号失锁时刻；

（3）利用用户当前时刻t_u和星历通过接口控制文件中给出的通用计算模型即可计算出卫星概略位置x_s、y_s、z_s，即为t_u时刻在地心地固坐标系下卫星的x、y、z坐标；

（4）首先利用步骤二获得的用户概略位置和步骤三获得的卫星概略位置计算卫星概略位置所得伪距：

ρ₁= [(x_u-x_s)²+(y_u-y_s)²+(z_u-z_s)²]^0.5

其中x_u、y_u 、z_u为用户概略位置；x_s、y_s、z_s为卫星概略位置；ρ₁为卫星概略位置所得伪距；

然后利用记录的用户钟差和用户钟速对伪距ρ₁进行修正，即从伪距ρ₁中消除用户钟差和用户钟速引起的伪距增量，并且消除由于卫星钟差引起的伪距增量，修正后进一步得出卫星概略位置的真实伪距：

ρ =ρ₁+c×[δ_tu0+( t_u- t₀) ×δ′_tu0]-c×[α_f0+α_f1×(t_u- t_oc)+ α_f2×(t_u- t_oc)²]

其中ρ为卫星概略位置的真实伪距；ρ₁为卫星概略位置所得伪距；c为光速，取299792458m/s；δ_tu0为用户钟差；δ′_tu0为用户钟速；t_u为用户当前时刻；t₀为卫星信号失锁时刻；t_oc为星钟参考时刻；α_f0 、α_f1 、α_f2为星历中三个多项式系数；

（5）首先利用步骤四获得的卫星概略位置真实的伪距计算卫星信号发射时刻整毫秒数模糊度：

t_svms=| t_u-ρ÷c-φ|_取整

其中t_svms为求解的卫星信号发射时刻整毫秒数模糊度；t_u为用户当前时刻；ρ为卫星概略位置真实的伪距；c为光速，取299792458m/s；φ为从码跟踪环路获得的毫秒以下的精确值；

然后利用求解的卫星信号发射时刻整毫秒数模糊度t_svms、t_svms+1和t_svms-1分别和从码跟踪环路获得毫秒以下的精确值φ组成三个卫星信号发射时刻t_svms+φ、t_svms+1+φ和t_svms-1+φ，利用三个卫星信号发射时刻计算三个与卫星概略位置真实的伪距值ρ的差值：

Δρ₁ = [t_u-( t_svms+1+φ)] ×c-ρ

Δρ₂ = [t_u-( t_svms+φ)] ×c-ρ

Δρ₃ = [t_u-( t_svms-1+φ)] ×c-ρ

利用三个与卫星概略位置真实的伪距值ρ的差值Δρ₁、Δρ₂、Δρ₃判断与卫星位置真实的伪距值ρ的相近程度，取最小的Δρ₁、Δρ₂、Δρ₃中的t_svms+1+φ或t_svms+φ或t_svms-1+φ作为卫星信号发射时刻t_sv，利用此卫星信号发射时刻和星历即可根据接口控制文件中给出的通用计算模型计算出正确的卫星位置，利用公式（t_u-t_sv）×c重新计算正确的伪距，最后根据正确的卫星位置和正确的伪距即可进入下一步的定位解算。

Claims (1)

1.一种卫星导航接收机失锁重捕后快速定位方法，其特征在于：卫星导航接收机在失锁重捕后，利用记录的卫星失锁时刻、用户位置、用户速度、用户钟差和用户钟速信息求解出卫星信号发射时刻整毫秒模糊度，即可求解出卫星信号发射时刻，最后进入定位解算，卫星信号发射时刻求解步骤如下：

步骤一、卫星导航接收机记录以下失锁时信息：

接收机卫星信号失锁时刻用t₀表示；

用户位置在地心地固坐标系下的x、y、z坐标用x_u0 、y_u0、z_u0表示；

用户速度在地心地固坐标系下的x、y、z坐标方向上的速度分量用v_x0 、v_y0、v_z0 表示；

用户钟差用δ_tu0表示，用户钟速用δ′_tu0表示；

星钟参考时刻用t_oc表示 ，星历中多项式系数用α_f0 、α_f1 、α_f2表示；

步骤二、利用失锁时记录的信息推算重捕后用户概略位置，设t_u为用户当前时刻，重捕后用户概略位置在地心地固坐标系下的x、y、z坐标为：

x_u= x_u0+ v_x0×(t_u- t₀)

y_u= y_u0+ v_y0×(t_u- t₀)

z_u = z_u0+ v_z0×(t_u - t₀)

其中x_u、y_u 、z_u为失锁重捕后用户概略位置在地心地固坐标系下的x、y、z坐标；x_u0、y_u0、z_u0为失锁时用户位置在地心地固坐标系下的x、y、z坐标；v_x0 、v_y0、v_z0为失锁时用户速度在地心地固坐标系下的x、y、z坐标方向上的速度分量；t₀为卫星信号失锁时刻；

步骤三、利用用户当前时刻t_u和星历即可计算出卫星概略位置x_s、y_s、z_s，即为t_u时刻在地心地固坐标系下卫星的x、y、z坐标；

步骤四、首先利用步骤二获得的用户概略位置和步骤三获得的卫星概略位置计算卫星概略位置所得伪距：

ρ₁= [(x_u-x_s)²+(y_u-y_s)²+(z_u-z_s)²]^0.5

其中x_u、y_u 、z_u为用户概略位置；x_s、y_s、z_s为卫星概略位置；ρ₁为卫星概略位置所得伪距；

然后利用记录的用户钟差和用户钟速对伪距ρ₁进行修正，即从伪距ρ₁中消除用户钟差和用户钟速引起的伪距增量，并且消除由于卫星钟差引起的伪距增量，修正后进一步得出卫星概略位置的真实伪距：

ρ =ρ₁+c×[δ_tu0+( t_u- t₀) ×δ′_tu0]-c×[α_f0+α_f1×(t_u- t_oc)+ α_f2×(t_u- t_oc)²]

其中ρ为卫星概略位置的真实伪距；ρ₁为卫星概略位置所得伪距；c为光速，取299792458m/s；δ_tu0为用户钟差；δ′_tu0为用户钟速；t_u为用户当前时刻；t₀为卫星信号失锁时刻；t_oc为星钟参考时刻；α_f0 、α_f1 、α_f2为星历中三个多项式系数；

步骤五、首先利用步骤四获得的卫星概略位置真实的伪距计算卫星信号发射时刻整毫秒数模糊度：

t_svms=| t_u-ρ÷c-φ|_取整

其中t_svms为求解的卫星信号发射时刻整毫秒数；t_u为用户当前时刻；ρ为卫星概略位置真实的伪距；c为光速，取299792458m/s；φ为从码跟踪环路获得的毫秒以下的精确值；

然后利用求解的卫星信号发射时刻整毫秒数模糊度t_svms、t_svms+1和t_svms-1分别和从码跟踪环路获得毫秒以下的精确值φ组成三个卫星信号发射时刻t_svms+φ、t_svms+1+φ和t_svms-1+φ，利用三个卫星信号发射时刻计算三个与卫星概略位置真实的伪距值ρ的差值：

Δρ₁ = [t_u-( t_svms+1+φ)] ×c-ρ

Δρ₂ = [t_u-( t_svms+φ)] ×c-ρ

Δρ₃ = [t_u-( t_svms-1+φ)] ×c-ρ

Δρ₁、Δρ₂、Δρ₃判断与卫星概略位置真实的伪距值ρ的相近程度，取最小的Δρ₁、Δρ₂、Δρ₃中的t_svms+1+φ或t_svms+φ或t_svms-1+φ作为卫星信号发射时刻t_sv，利用此卫星信号发射时刻和星历即可计算出正确的卫星位置，利用公式（t_u-t_sv）×c重新计算正确的伪距，最后根据正确的卫星位置和正确的伪距即可进入下一步的定位解算。