CN104820228A

CN104820228A - 一种全球卫星导航系统接收机星座优选方法

Info

Publication number: CN104820228A
Application number: CN201510216519.8A
Authority: CN
Inventors: 石江宏; 彭敖; 李耿民
Original assignee: Xiamen University
Current assignee: Xiamen University
Priority date: 2015-04-30
Filing date: 2015-04-30
Publication date: 2015-08-05

Abstract

本发明提供一种全球卫星导航系统接收机星座优选方法，包括：初始化星座选择集合；在当前集合中添加一颗卫星构成新的星座选择集合；计算新集合的GDOP值，当其为局部最小值时，记录该新集合；遍历所有卫星以获得当前规模的局部最优星座选择集合；将集合规模扩大，重复局部最优化选择过程；达到所需规模时，选出当前GDOP最小的集合作为最终结果，本发明计算量小，不依赖于可见卫星均匀分布假设，且考虑了不同卫星导航系统时间偏差对GDOP的影响，适用于具有不规则障碍物遮挡的复杂环境下的星座优选。

Description

一种全球卫星导航系统接收机星座优选方法

技术领域

本发明涉及一种全球卫星导航系统接收机星座优选方法。

背景技术

目前全球卫星导航系统处于蓬勃发展状态，世界上共有四大卫星导航系统，包括已建成的GPS系统、GLONASS系统、北斗二代区域导航系统以及正在建设中的北斗二代二期全球导航系统和GALILEO系统。可以预见在不久的将来，全球绝大部分区域上空在任意时刻均有不低于50颗可见的导航卫星。从理论上说，卫星导航接收机只需要4颗卫星就可以计算自身的位置信息，而更多的可见卫星可以带来更高的定位精度，但卫星数量对定位精度的提升效果呈现递减趋势。考虑实际卫星导航接收机的处理能力和功耗，在为数众多的可见卫星中选择数量有限、几何精度稀释因子(GDOP)小的部分卫星作为星座优选集合用于定位具有很大的实际应用价值。

星座优选技术普遍存在以下问题：GDOP的计算过程涉及复杂的矩阵求逆过程，计算量大；当可见卫星总数增加时，可能的卫星集合组合情况呈指数增长趋势。在现有技术的导航接收机星座优选算法主要有：分组选择法、二维/三维凸壳法、贪心选择法等。上述方法均假设了导航接收机工作在开阔环境，且可见卫星均匀分布于天空中。在一些复杂场景下，如城市等遮挡严重，障碍物形状不规则的场景中，上述方法无法保证选择结果的可靠性。并且上述方法均忽略了不同卫星导航系统的时间差异对GDOP的影响，无法满足多系统卫星导航接收机星座优选的要求。对于一申请号：201210585006.0，该专利就是通过设定接收信号能量阈值、GDOP阈值及最大选星数，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，使得计算量大，依赖于可见卫星均匀分布假设，且没有考虑了不同卫星导航系统时间偏差对GDOP的影响，而且不适用于具有不规则障碍物遮挡的复杂环境下的星座优选。

发明内容

本发明要解决的技术问题，在于提供一种全球卫星导航系统接收机星座优选方法。

本发明是这样实现的：一种全球卫星导航系统接收机星座优选方法，包括如下步骤：

步骤1、选择4颗可见卫星作为初始化集合，记为集合(4，4)，将剩余卫星随机编号为1到N，N为剩余卫星的数量，初始化局部变量M＝5；

步骤2、初始化局部变量i＝M，k＝4；

步骤3、将第i颗卫星添加至集合(k，M-1)，构成新集合，记为S(i，k，M)，，并计算出几何权重因子矩阵G_i及GDOP值；

步骤4、判断若S(i，k，M)集合的GDOP值最小，则将S(i，k，M)作为新的集合(i，M)；

步骤5、判断k是否等于i-1；若不等，则令k＝k+1，转至步骤3；否则转至步骤6；

步骤6、判断i是否等于N；若不等，则令i＝i+1，转至步骤3；否则转至步骤7；

步骤7、判断当前是否已获得所需规模的卫星选择集合；若是，转至步骤8，否则，令M＝M+1，转至步骤2；

步骤8、从集合1至集合N中选出GDOP最小的集合，即为星座优选结果。

进一步地，所述步骤1中，选择4颗可见卫星的方法为选择方法为按地理位置平均选择，即按照卫星仰角将视野分为四个区域，分别是0～90°，90～180°，180～270°和270～360°，并从每个区域中选择一颗卫星进入初始集合，若某区域中不包含卫星，则从相邻区域中选择一颗作为补充，且该4颗卫星来自同一个卫星导航系统。

进一步地，所述步骤3中计算出几何权重因子矩阵G_i及GDOP值进一步具为：若新添加的卫星属于集合中已有的卫星导航系统中的卫星，则G_i的计算公式为：GDOP的计算公式为：式中trace(G_i)表示矩阵G_i的迹，G_k为集合(k，M-1)对应的几何权重因子矩阵，h为第i颗卫星的观测向量；否则，G_i和GDOP的计算公式分别为：

G_{i} = [\begin{matrix} G_{k} & - G_{k} h^{T} \\ - {(1 - h {\tilde{G}}_{i} h^{T})}^{- 1} h {\tilde{G}}_{i} & {(1 - h {\tilde{G}}_{i} h^{T})}^{- 1} \end{matrix}],

GDOP = \sqrt{trace (G_{i})},

式中的计算公式为：

{\tilde{G}}_{i} = G_{k} - \frac{G_{k} h^{T} h G_{k}}{1 + h G_{k} h^{T}} .

进一步地，所述步骤4中集合(i，M)包括卫星编号、GDOP值和几何权重因子矩阵G_i。

本发明具有如下优点：

1、使用矩阵串行求逆的方法计算GDOP值，可有效降低GDOP的计算量；

2、本发明采用逐个添加卫星的方法获得所需规模的星座优选子集，缩小了每次迭代过程中可能的卫星组合数量，可有效降低搜索时间；

3、本发明的实施过程中未使用卫星之间的相对位置关系，可应用于卫星分布不均匀、障碍物形状不规则的复杂环境中；

4、本发明考虑了不同卫星导航系统时间对几何权重因子矩阵维度的影响，具有矩阵扩维处理，可应用于多系统卫星导航接收机中。

附图说明

下面参照附图结合实施例对本发明作进一步的说明。

图1为本发明方法执行流程图；

图2为本发明一种实施例示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明全球卫星导航系统接收机星座优选方法，包括如下步骤：

步骤1、选择4颗可见卫星作为初始化集合，记为集合(4，4)，将剩余卫星随机编号为1到N，N为剩余卫星的数量，初始化局部变量M＝5，选择4颗可见卫星的方法为选择方法为按地理位置平均选择，即按照卫星仰角将视野分为四个区域，分别是0～90°，90～180°，180～270°和270～360°，并从每个区域中选择一颗卫星进入初始集合，若某区域中不包含卫星，则从相邻区域中选择一颗作为补充，且该4颗卫星来自同一个卫星导航系统；

步骤2、初始化局部变量i＝M，k＝4；

步骤3、将第i颗卫星添加至集合(k，M-1)，构成新集合，记为S(i，k，M)，并计算出几何权重因子矩阵G_i及GDOP值，其中计算出几何权重因子矩阵G_i及GDOP值进一步具为：若新添加的卫星属于集合中已有的卫星导航系统中的卫星，则G_i的计算公式为：GDOP的计算公式为：式中trace(G_i)表示矩阵G_i的迹，G_k为集合(k，M-1)对应的几何权重因子矩阵，h为第i颗卫星的观测向量，上标T表示矩阵转置运算；否则，G_i和GDOP的计算公式分别为：

G_{i} = [\begin{matrix} G_{k} & - G_{k} h^{T} \\ - {(1 - h {\tilde{G}}_{i} h^{T})}^{- 1} h {\tilde{G}}_{i} & {(1 - h {\tilde{G}}_{i} h^{T})}^{- 1} \end{matrix}], GDOP = \sqrt{trace (G_{i})},

式中的计算公式为：

{\tilde{G}}_{i} = G_{k} - \frac{G_{k} h^{T} h G_{k}}{1 + h G_{k} h^{T}};

步骤4、判断若S(i，k，M)集合的GDOP值最小，则将S(i，k，M)作为新的集合(i，M)，集合(i，M)包括卫星编号、GDOP值和几何权重因子矩阵G_i；

上述步骤中N、M、i、k都为正整数。

如下为本发明一种具体实施方式：

如图2所示为本发明所述一种全球卫星导航系统接收机星座优选方法的运行样例过程。共有8颗可见卫星，编号1～6号为GPS卫星，编号7～8号为北斗卫星，需要从中选择6颗卫星作为星座优选子集。

初始集合按照地理位置选择4颗来自GPS系统的卫星，将其他卫星随机编号为5～8。

向初始集合中添加第5颗卫星，新添加的卫星属于GPS系统，采用公式(1)计算集合的GDOP，此时k＝i-1，且仅存在包含第5颗卫星的唯一一个集合，因此将其作为新的集合(5，5)。用相同方式向初始集合中添加第6颗卫星，获得集合6(6，5)。

向初始集合中添加第7颗卫星，新添加的卫星属于北斗系统，是原集合中未包含的导航系统，采用公式(2)～(3)计算集合的GDOP，同样将其作为新的集合(7，5)。用相同方式向初始集合中添加第8颗卫星，获得集合(8，5)。

此时M＝5，未达到所需规模，令M＝6。

将第6颗卫星添加至集合(5，5)，采用公式(1)计算GDOP，此时k＝i-1，且仅存在包含第6颗卫星的唯一一个集合，因此将其作为新的集合(6，6)。将第7颗卫星添加至集合(5，5)，获得集合(7，5，6)，使用公式(2)～(3)计算其GDOP值，同样获得集合(7，6，6)，集合(7，6，6)具有比集合(7，5，6)更小的GDOP值，因此将集合(7，6，6)作为集合(7，6)。同样方式获得集合(8，6)。

此时M＝6，已达到所需规模。在集合(6，6)、集合(7，6)和集合(8，6)中选出具有最小GDOP值的集合(7，6)作为最终星座优选集合。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是熟悉本技术领域的技术人员应当理解，我们所描述的具体的实施例只是说明性的，而不是用于对本发明的范围的限定，熟悉本领域的技术人员在依照本发明的精神所作的等效的修饰以及变化，都应当涵盖在本发明的权利要求所保护的范围内。

Claims

1.一种全球卫星导航系统接收机星座优选方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤2、初始化局部变量i＝M，k＝4；

步骤3、将第i颗卫星添加至集合(k，M-1)，构成新集合，记为S(i，k，M)，并计算出几何权重因子矩阵G_i及GDOP值；

2.根据权利要求1所述的一种全球卫星导航系统接收机星座优选方法，其特征在于：所述步骤1中，选择4颗可见卫星的方法为选择方法为按地理位置平均选择，即按照卫星仰角将视野分为四个区域，分别是0～90°，90～180°，180～270°和270～360°，并从每个区域中选择一颗卫星进入初始集合，若某区域中不包含卫星，则从相邻区域中选择一颗作为补充，且该4颗卫星来自同一个卫星导航系统。

3.根据权利要求1所述的一种全球卫星导航系统接收机星座优选方法，其特征在于：所述步骤3中计算出几何权重因子矩阵G_i及GDOP值进一步具为：若新添加的卫星属于集合中已有的卫星导航系统中的卫星，则G_i的计算公式为：GDOP的计算公式为：式中trace(G_i)表示矩阵G_i的迹，G_k为集合(k，M-1)对应的几何权重因子矩阵，h为第i颗卫星的观测向量；否则，G_i和GDOP的计算公式分别为：

G_{i} = [\begin{matrix} G_{k} & - G_{k} h^{T} \\ - {(1 - h {\tilde{G}}_{i} h^{T})}^{- 1} h {\tilde{G}}_{i} & {(1 - h {\tilde{G}}_{i} h^{T})}^{- 1} \end{matrix}],

GDOP = \sqrt{trace (G_{i})},

式中的计算公式为：

{\tilde{G}}_{i} = G_{k} - \frac{G_{k} h^{T} h G_{k}}{1 + h G_{k} h^{T}} .

4.根据权利要求1所述的一种全球卫星导航系统接收机星座优选方法，其特征在于：所述步骤4中集合(i，M)包括卫星编号、GDOP值和几何权重因子矩阵G_i。