CN105652299B - 一种基于最大相关信号能量的卫星导航定位方法 - Google Patents

一种基于最大相关信号能量的卫星导航定位方法 Download PDF

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Abstract

一种基于最大相关信号能量的卫星导航定位方法。其包括基于用户概略位置，在导航域建立栅格搜索空间；基于先验信息，针对每一栅格，计算该栅格对应的每一颗卫星的码相位和多普勒频率；针对每一栅格，计算该栅格对应的每一颗卫星的码相位和多普勒频率，构造本地信号，计算本地信号与实际接收信号的相关能量；将所有卫星的相关能量进行非相干累加，得到该栅格的联合相关能量；遍历计算所有栅格，依次计算每一栅格的联合相关能量，比较所有导航域栅格的联合相关能量，找出峰值所在的栅格点；最终所得栅格点坐标换算成真实的用户三维位置等步骤。本发明方法能将全部卫星的相关信号能量直接投射到导航域，可用于接收机移动到弱信号环境下导航解的快速估计。

Description

一种基于最大相关信号能量的卫星导航定位方法
技术领域
本发明属于卫星导航定位技术领域，特别是涉及一种基于最大相关信号能量的卫星导航定位方法。
背景技术
由于全球导航卫星系统(GNSS)具有全球性、全天候和连续的精密三维定位能力，因此近十余年，以GPS和北斗为代表的卫星导航系统已经广泛应用到各种领域。目前GNSS接收机采用的主要信号处理流程为捕获、跟踪、比特同步、帧同步、导航电文解码、卫星位置解算、伪距计算以及用户位置解算。但是，如果卫星导航信号比较微弱，就会导致GNSS接收机无法成功捕获和跟踪，那么将无法成功获取卫星的导航电文，进而无法实现卫星位置的解算和用户位置的解算。通常，若GNSS接收机移动到丛林、室内、桥下等遮挡环境下，卫星导航信号会急剧衰减，一旦低于跟踪灵敏度，则发生失锁，无法完成定位，只能重新捕获。由于弱信号环境下重新捕获的成功概率较低，因此极大地影响了导航的连续性和可用性，限制了GNSS接收机的应用范围。
导致传统接收机无法实现上述高性能导航应用的本质在于其跟踪环路的设计是一种标量跟踪策略，虽然传统接收机具有结构简单和故障易于识别等优点，但是各个卫星信号独立跟踪的架构使得不同卫星的信号处理完全分离，多通道信号之间基于接收机位置和速度的相关性被完全忽略，因此没有实现信息的充分利用。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种基于最大相关信号能量的卫星导航定位方法。
为了达到上述目的，本发明提供的基于最大相关信号能量的卫星导航定位方法包括按顺序进行的下列步骤：
(1)首先基于用户概略位置，在导航域建立栅格搜索空间，其中某一栅格为真实导航解；
(2)基于已经获取的包括星历、接收机钟差、概略位置在内的先验信息，针对每一栅格，计算该栅格对应的每一颗卫星的码相位和多普勒频率
(3)针对步骤(2)所述每一栅格以及该栅格对应的每一颗卫星的码相位和多普勒频率构造本地信号，计算其与实际接收信号的相关能量Ei(m,n)，其中m和n为二维栅格的索引；
(4)针对步骤(2)所述每一栅格以及步骤(3)所述每一颗卫星的相关能量Ei(m,n)，将所有卫星的相关能量进行非相干累加，得到该栅格的联合相关能量
(5)遍历计算所有栅格，依次计算每一栅格的联合相关能量，比较所有导航域栅格的联合相关能量，找出峰值所在的栅格点，该栅格点的坐标记为(mt,nt)，则有：
(6)将步骤(5)最终所得栅格点坐标换算成真实的用户地理位置。
在步骤(1)中，所述的导航域为二维平面或三维空间；用户概略位置或为接收机失锁之前最后一次成功定位的结果，或为借助包括移动通信无线定位技术在内的导航定位方式得到的近似位置。
在步骤(2)中，所述的基于已经获取的包括星历、接收机钟差、概略位置在内的先验信息，针对每一栅格，计算该栅格对应的每一颗卫星的码相位和多普勒频率的具体步骤如下：
(2.1)获取最近一次的接收机钟差，修正本地时间，将本地时间统一到GPS时；
(2.2)获取当前栅格所代表的接收机位置
(2.3)建立如下方程其中为信号到达接收机天线的GPS时刻，为待求的从卫星i到接收机位置所需的信号传输时间，为信号离开卫星的GPS时刻，为信号发送时刻的卫星位置，该位置可以利用先验星历信息计算得到，和分别为基于接收机位置计算得到的对流层误差和电离层误差，c为光速；
(2.4)采用二分搜索法求解步骤(2.3)中所述方程的待求未知量
(2.5)计算信号发送时刻的卫星钟差
(2.6)计算信号发送时刻的卫星钟面时间
(2.7)根据信号发送时刻的卫星钟面时间确定该时刻对应的C/A码相位，也即时刻信号到达接收机天线的码相位
(2.8)计算的变化率，得到多普勒频率
在步骤(2.4)中，所述的采用二分搜索法求解步骤(2.3)中所述方程的待求未知量的具体步骤如下：
(d)当多普勒频率大于0时，则令当多普勒频率小于0时，则令
(e)计算从时刻k的传输时间到下一时刻的传输时间存在区间的中间时刻MD＝(L+H)/2；
(f)令为MD，代入步骤(2.3)中所述等式，若则令L＝L,H＝MD；若则令L＝MD,H＝H。
重复步骤步骤(b)、(c)，直到等式两边近似相等，即为所求。
本发明与现有技术相比的优点在于，主要有四个贡献：第一，背景技术中GNSS接收机移动到丛林、室内、桥下等遮挡环境下，卫星导航信号急剧衰减，一旦失锁和重新捕获失败，则无法保证定位的连续性，本发明将各卫星信号的相关能量直接投射在导航域，依据极大似然准则进行直接位置估计，与信号是否成功捕获和跟踪无关，克服了传统方法只有成功捕获和跟踪之后才能定位解算的缺点；第二，背景技术中传统接收机的跟踪环路设计是一种标量跟踪策略，各个卫星信号独立跟踪的架构使得不同卫星的信号处理完全分离，多通道信号之间基于接收机位置和速度的相关性被完全忽略，本发明充分利用各卫星导航信号基于同一导航定位解而产生的几何相关性，将全部卫星的相关信号能量直接投射到导航域，本质上是一种矢量策略；第三，背景技术中传统接收机无法克服NLOS信号引入的误差，本发明利用LOS信号在真实位置的能量累积估计导航解，NLOS信号由于时变性能量无法累积，故能够克服NLOS信号引入的误差。第四，本发明为多星座多频点信号在相关器级别的联合提供统一的处理架构，最大限度提高系统的导航性能。
附图说明
图1为本发明提供的基于最大相关信号能量的卫星导航定位方法流程图。
图2为利用本发明方法最终实现的基于导航域的最大相关信号能量示意图。
具体实施方式
如图1所示，本发明提供的基于最大相关信号能量的卫星导航定位方法包括按顺序进行的下列步骤：
(1)首先基于用户概略位置，在导航域建立栅格搜索空间，其中某一栅格为真实导航解，导航域可以是二维平面或三维空间；用户概略位置可以是接收机失锁之前最后一次成功定位的结果，也可以是借助其他导航定位方式得到的近似位置，例如移动通信无线定位技术；栅格的大小与预期的定位精度有关，划分的栅格越小，定位精度越高，但搜索次数也越多。
(2)基于已经获取的包括星历、接收机钟差、概略位置在内的先验信息，针对每一栅格，计算该栅格对应的每一颗卫星的码相位和多普勒频率具体步骤如下：
(2.1)获取最近一次的接收机钟差，修正本地时间，将本地时间统一到GPS时；
(2.2)获取当前栅格所代表的接收机位置
(2.3)建立如下方程其中为信号到达接收机天线的GPS时刻，为待求的从卫星i到接收机位置所需的信号传输时间，为信号离开卫星的GPS时刻，为信号发送时刻的卫星位置，该位置可以利用先验星历信息计算得到，和分别为基于接收机位置计算得到的对流层误差和电离层误差，c为光速；
(2.4)采用二分搜索法求解步骤(2.3)中所述方程的待求未知量
(2.5)计算信号发送时刻的卫星钟差
(2.6)计算信号发送时刻的卫星钟面时间
(2.7)根据信号发送时刻的卫星钟面时间确定该时刻对应的C/A码相位，也即时刻信号到达接收机天线的码相位
(2.8)计算的变化率，得到多普勒频率
(3)针对步骤(2)所述每一栅格以及该栅格对应的每一颗卫星的码相位和多普勒频率构造本地信号，计算其与实际接收信号的相关能量Ei(m,n)，其中m和n为二维栅格的索引；
(4)针对步骤(2)所述每一栅格以及步骤(3)所述每一颗卫星的相关能量Ei(m,n)，将所有卫星(假定数目为K)的相关能量进行非相干累加，得到该栅格的联合相关能量
(5)遍历计算所有栅格，依次计算每一栅格的联合相关能量，比较所有导航域栅格的联合相关能量，找出峰值所在的栅格点，该栅格点的坐标记为(mt,nt)，则有：
(6)将步骤(5)最终所得栅格点坐标换算成真实的用户地理位置。
在步骤(2.4)中，所述的二分搜索法是用于估计传输时间，其基本思想如下：步骤(2.3)所述等式左边卫星位置的计算与传输时间是间接关联，而等式右边是根据传输时间与光速的乘积得到的接收机与卫星的距离，光速是一常数，即等式右边与传输时间是直接关联。因此，可以根据上一时刻解算出来的传输时间来确定下一时刻的传输时间范围，然后对下一时刻的传输时间用二分搜索法进行搜索。
假设卫星i在时刻k的传输时间为下一时刻的传输时间的波动范围为[-σ,+σ]，则根据卫星多普勒频率的正负，得到的范围是属于还是若多普勒频率大于0，说明接收机与卫星的距离越来越远，则应该大于即若多普勒频率小于0，说明接收机与卫星的距离越来越近，则应该小于即
即首先根据多普勒频率确定下一时刻传输时间的存在区间，然后用二分搜索法进行搜索，具体步骤如下：
(g)当多普勒频率大于0时，则令当多普勒频率小于0时，则令
(h)计算从时刻k的传输时间到下一时刻的传输时间存在区间的中间时刻MD＝(L+H)/2；
(i)令为MD，代入步骤(2.3)中所述等式，若则令L＝L,H＝MD；若则令L＝MD,H＝H。
(j)重复步骤步骤(b)、(c)，直到等式两边近似相等，即为所求。
图2为利用本发明方法最终实现的基于导航域的最大相关信号能量示意图，该图是将步骤(2)所述每一栅格的地理北向分量对应X轴，将步骤(2)每一栅格的地理东向分量对应Y轴，将步骤(4)所述每一栅格的联合相关能量对应Z轴，利用MATLAB软件绘制三维曲面图可得。

Claims (4)

1.一种基于最大相关信号能量的卫星导航定位方法，其特征在于：所述的基于最大相关信号能量的卫星导航定位方法包括按顺序进行的下列步骤：
(1)首先基于用户概略位置，在导航域建立栅格搜索空间，其中某一栅格为真实导航解；
(2)基于已经获取的包括星历、接收机钟差、概略位置在内的先验信息，针对每一栅格，计算该栅格对应的每一颗卫星的码相位和多普勒频率
(3)针对步骤(2)所述每一栅格以及该栅格对应的每一颗卫星的码相位和多普勒频率构造本地信号，计算其与实际接收信号的相关能量Ei(m,n)，其中m和n为二维栅格的索引；
(4)针对步骤(2)所述每一栅格以及步骤(3)所述每一颗卫星的相关能量Ei(m,n)，将所有卫星的相关能量进行非相干累加，得到该栅格的联合相关能量其中K为假定数目；
(5)遍历计算所有栅格，依次计算每一栅格的联合相关能量，比较所有导航域栅格的联合相关能量，找出峰值所在的栅格点，该栅格点的坐标记为(mt,nt)，则有：
(6)将步骤(5)最终所得栅格点坐标换算成真实的用户地理位置。
2.根据权利要求1所述的基于最大相关信号能量的卫星导航定位方法，其特征在于：在步骤(1)中，所述的导航域为二维平面或三维空间；用户概略位置或为接收机失锁之前最后一次成功定位的结果，或为借助移动通信无线定位技术的导航定位方式得到的近似位置。
3.根据权利要求1所述的基于最大相关信号能量的卫星导航定位方法，其特征在于：在步骤(2)中，所述的基于已经获取的包括星历、接收机钟差、概略位置在内的先验信息，针对每一栅格，计算该栅格对应的每一颗卫星的码相位和多普勒频率 的具体步骤如下：
(2.1)获取最近一次的接收机钟差，修正本地时间，将本地时间统一到GPS时；
(2.2)获取当前栅格所代表的接收机位置
(2.3)建立如下方程其中为信号到达接收机天线的GPS时刻，为待求的从卫星i到接收机位置所需的信号传输时间，为信号离开卫星的GPS时刻，为信号发送时刻的卫星位置，该位置可以利用先验星历信息计算得到，和分别为基于接收机位置计算得到的对流层误差和电离层误差，c为光速；
(2.4)采用二分搜索法求解步骤(2.3)中所述方程的待求未知量
(2.5)计算信号发送时刻的卫星钟差
(2.6)计算信号发送时刻的卫星钟面时间
(2.7)根据信号发送时刻的卫星钟面时间确定该时刻对应的C/A码相位，也即时刻信号到达接收机天线的码相位
(2.8)计算的变化率，得到多普勒频率
4.根据权利要求3所述的基于最大相关信号能量的卫星导航定位方法，其特征在于：在步骤(2.4)中，所述的采用二分搜索法求解步骤(2.3)中所述方程的待求未知量的具体步骤如下：
(a)当多普勒频率大于0时，则令当多普勒频率小于0时，则令卫星i在时刻k的传输时间为下一时刻的传输时间的波动范围为[-σ,+σ]，则 根据卫星多普勒频率的正负，得到的范围是属于 还是
(b)计算从时刻k的传输时间到下一时刻的传输时间存在区间的中间时刻MD＝(L+H)/2；
(c)令为MD，代入步骤(2.3)中所述等式，若 则令L＝L,H＝MD；若 则令L＝MD,H＝H；
重复步骤步骤(b)、(c)，直到等式 两边近似相等，即为所求。
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