CN106199654B - 卫星接收机快速冷启动方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种卫星接收机快速冷启动方法，包括如下步骤：1、对卫星系统中的卫星按所在轨道进行分组；2、按照每个轨道内卫星可见的统计结果对卫星分组进行排序，得到轨道优先顺序；3、对每个卫星分组内的卫星按照可见概率排序，得到卫星优先级；4、在同一卫星分组内，计算任意两个卫星的相关度；5、按照轨道优先顺序依次对每一个轨道的卫星进行捕获；同一轨道内的卫星按照卫星优先级进行捕获，当捕获到一个卫星时，对捕获到的卫星进行相关度优选并结束本轨道卫星的捕获；6、对所有轨道捕获完毕，输出所有捕获到的卫星，冷启动结束。该方法对高频可见卫星进行优先捕获，提高了接收机确定位置信息的速度。

Description

卫星接收机快速冷启动方法
技术领域
本发明属于卫星接收机技术领域，具体涉及一种卫星接收机的冷启动方法。
背景技术
卫星导航、定位系统在军事民用等方面都有广泛应用。目前许多国家都在大力发展和建设各自的导航系统，如美国的GPS、俄罗斯的GLONASS、欧洲的伽利略、以及中国的北斗系统等。其中GPS系统是目前实际中使用最为广泛的导航系统，经过多年发展，GPS目前有在轨卫星32颗，处于全面现代化阶段但尚未完成，目标构型为36/6/1。六个轨道分别为A,B,C,D,E,F，其中轨道A中包括卫星的PRN码为07，24，30，31，轨道B中包括的卫星PRN码为04，12，16，26，25，28，轨道C中卫星PRN码为08，17，19，27，29，轨道D中卫星PRN码为01，02，06，11，21，轨道E中卫星PRN码为03，05，10，18，20，22，轨道F中卫星PRN码为09，13，14，15，23，32。
北斗系统是我国自行研制的全球卫星导航系统，目前主要覆盖亚太地区。完整的北斗卫星导航系统的空间星座由5颗GEO和30颗非地球静止轨道(Non-GEO)卫星组成。分布于赤道上空的地球静止轨道的五颗卫星均为GEO卫星。非地球静止轨道分为倾斜地球同步轨道(IGSO，Inclined Geosynchronous Orbit)卫星和中圆地球轨道(MEO)卫星。北斗卫星导航系统将在未来的几年内继续增发卫星，预计到2020年实现系统的全面建成。
卫星接收机将卫星天线捕获到的信号降频，AD转换后再进行采样，得到RF前端数据，去除多普勒效应之后再与伪随机码PRN码进行相关运算，最终确定卫星是否捕获成功。户外作业时，接收机通常需要通过冷启动开始定位。冷启动是在卫星接收机清空了所有历史信息的情况下启动并尝试定位、锁定卫星。目前常用的冷启动采用类似于轮询的方法，从所有的卫星中锁定信号，由于没有先前的信息，冷启动过程非常缓慢，户外复杂的作业环境更是影响到定位效率，无法提供实时高效的导航数据和位置信息，大大影响了接收机时效性。
发明内容
发明目的：针对现有技术中存在的问题，本发明公开了一种卫星接收机快速冷启动方法，该方法通过对卫星轨道结构和全天候多地导航数据的分析，对卫星捕获顺序进行优化，使高频可见卫星能够优先进行捕获，进而快速捕获数颗可见卫星，提高了接收机确定位置信息的速度。
技术方案：一种卫星接收机快速冷启动方法，包括如下步骤：
(1)对卫星系统中的卫星按所在轨道进行分组；
设卫星系统有n个轨道，则卫星可以分为n组；第m组，即第m个轨道中的卫星数为Nm，1≤m≤n；
(2)按照每个轨道内卫星可见的统计结果对卫星分组进行排序，得到轨道优先顺序；
(3)对每个卫星分组内的卫星按照可见概率排序，得到卫星优先级；
卫星的可见概率表示在任意时刻卫星可以被捕获到，即可见的概率，与全天候观测中卫星可见时长正相关。
(4)在同一卫星分组内，计算任意两个卫星的相关度；
(5)按照步骤(2)得到的轨道优先顺序，依次对每一个轨道的卫星进行捕获；同一轨道内的卫星按照步骤(3)得到的卫星优先级进行捕获，当捕获到一个卫星时，对捕获到的卫星进行相关度优选并结束本轨道卫星的捕获；
(6)对所有轨道捕获完毕，输出所有捕获到的卫星，冷启动结束。
在对高频可见卫星进行捕获后，为了提高定位精度，进一步对低频可见卫星进行捕获，步骤(5)还包括将每一个轨道中未进行捕获操作的卫星追加至等待序列；步骤(6)中还包括对等待序列的捕获。
具体地，步骤(6)中对等待序列的捕获步骤如下：按照步骤(2)得到的轨道优先顺序，依次对等待序列中的卫星进行捕获；同一轨道内的卫星按照步骤(3)得到的卫星优先级依次进行捕获。
具体地，步骤(5)中所述的相关度优选步骤如下：
(51)、按照步骤(4)的计算结果查找同一卫星分组内与捕获到的卫星相关度最高且比此卫星优先级低的卫星；
(52)、捕获步骤(51)查找到的卫星。
作为一种优选，步骤(2)中所述卫星可见的统计结果为卫星可见数量的统计结果；
设轨道m中地面同时可见卫星数X的分布律为：
其中表示轨道m上地面同时可见Xm颗卫星的概率，1≤m≤n, 0≤Xm≤Nm。
轨道m中地面同时可见卫星数的数学期望E(X)|m为：
对n个轨道的地面同时可见卫星数的数学期望进行排序，得到轨道优先顺序。
作为另一种优选，步骤(2)中所述卫星可见的统计结果为卫星可见概率的统计结果，即根据各个轨道的卫星可见概率进行排序，得到轨道优先顺序；
轨道m的卫星可见概率pm按下式计算：
pm＝E(X)|m/Nm (3)
本发明公开的方法可用于GPS卫星接收机或北斗导航卫星接收机。
有益效果：与现有技术相比，本发明公开的卫星接收机快速冷启动方法具有以下优点：1、本发明公开的方法充分利用了卫星星座结构和卫星数据的统计结果，通过对高频可见卫星以及高频可见卫星对进行优先捕获，使接收机在星历数据丢失、卫星参数变化、无位置信息的情况下可以快速捕获卫星，从而实现接收机的快速定位，极大地缩短了接收机的冷启动耗时；2、对高频可见卫星进行捕获后再对低频可见卫星进行捕获，可以提高定位精度；3、本发明公开的方法不需要增加新的设备和器件，只需更新接收机软件即可。
附图说明
图1为实施例一的卫星接收机快速冷启动方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明。
实施例一：
本实施例为GPS卫星接收机的冷启动，所用卫星数据是对中国和俄罗斯多地全天候的GPS卫星数据进行采集、统计而得。如图1所示，GPS卫星接收机的快速冷启动包括如下步骤：
步骤1、对卫星系统中的卫星按所在轨道进行分组；
GPS卫星共32颗，分布在六个轨道中，因此将32颗卫星按轨道分为A,B,C,D,E,F六组；第k组，即第k个轨道中的卫星数为Nk，k∈{A,B,C,D,E,F}；
步骤2、按照每个轨道内卫星可见的统计结果对卫星分组进行排序，得到轨 道优先顺序；
根据本实施例所采用的卫星数据，由(2)式计算可得，单个轨道k的数学期望E(X)|k从大到小顺序依次为：
E(X)|F>E(X)|B>E(X)|C>E(X)|D>E(X)|E>E(X)|A；
因此本实施例的轨道优先顺序为：(F,B,C,D,E,A)。
步骤3、对每个轨道即每个卫星分组内的卫星按照可见概率排序，得到卫星优先级；
本实施例根据卫星观测数据计算得到各轨道内卫星可见概率按从高到低排序为：
PA＝[30,07,24,31]；
PB＝[16,28,12,26,25,04]；
PC＝[27,08,17,19,29]；
PD＝[11,06,01,21,02]；
PE＝[22,03,05,20,18,10]；
PF＝[14,23,15,32,13,9]；
其中A,B,C,D,E,F为GPS卫星轨道序号，序列内数据为对应卫星的PRN码，用于区别不同的卫星，也可以用卫星编号代替。
步骤4、在同一卫星分组内，计算任意两个卫星的相关度；
定义卫星a和b的相关度为卫星a可见时卫星b可见的概率，即为a可见时b可见的条件概率P(b|a)，如式(4)计算。选用条件概率是由于本发明公开的方法中卫星捕获设定了顺序，因此如果a、b同时可见，一定是先捕获到a，再捕获到b；如果a不可见，捕获到了b，则不会根据相关度优选对a进行重复捕获；
P(b|a)＝P(ab)/P(b) (4)
由式(4)可以计算同一轨道内卫星的相关度。在本实施例所采用的卫星数据中，轨道F中的卫星与PRN码为23的卫星同时可见的概率中，P(9|23)＝62.8％,P(14|23)＝4.2％,P(15|23)＝2.8％,P(32|23)＝11.4％,P(13|23)＝0％。由此可以得出，轨道F中卫星23与卫星09相关度最高且大于50％。类似地可以计算得到， 轨道F中卫星15与卫星13相关度最高，卫星32与卫星14相关度最高；轨道B卫星中16与卫星26相关度最高，卫星12与25相关度最高；轨道E中卫星05与卫星20相关度最高，卫星20与卫星10相关度最高；轨道D中卫星11与卫星01相关度最高，卫星06与卫星02相关度最高；轨道C中卫星27与卫星08相关度最高，卫星17与卫星19相关度最高；轨道A中卫星30与卫星07相关度最高。
步骤5、按照步骤(2)得到的轨道优先顺序，依次对每一个轨道的卫星进行捕获；同一轨道内的卫星按照步骤(3)得到的卫星优先级进行捕获，当捕获到一个卫星时，对捕获到的卫星进行相关度优选并结束本轨道卫星的捕获；具体如下：
(1)初始化等待序列W为空序列；从卫星可见概率最高的轨道F中开始搜索，接收机接收到天线信号之后，对轨道F中的卫星按照可见概率从高到底顺序进行捕获，即按序列PF＝[14,23,15,32,13,9]中的PRN码进行卫星捕获；
(2)如果在序列PF中发现可见卫星，即捕获到卫星，则做一次相关度优选；相关度优选完成后，F轨道中没有进行过捕获操作的卫星PRN码按卫星优先级追加至等待序列W尾部，卫星优先级高的卫星PRN码排序在前；
(3)对轨道B中的卫星按PB＝[16,28,12,26,25,04]的顺序进行捕获，如果序列PB中捕获到卫星，则做一次相关度优选；相关度优选完成后，B轨道中没有进行过捕获操作的卫星PRN码按卫星优先级追加至等待序列W尾部，卫星优先级高的卫星PRN码排序在前；
(4)类似于上述步骤，依次对轨道C、D、E和A中的卫星分布按照序列PC、PD、PE和PA中的卫星PRN码进行卫星捕获，如果捕获到卫星，则做一次相关度优选；相关度优选完成后，该轨道中没有进行过捕获操作的卫星PRN码按卫星优先级追加至等待序列W尾部，卫星优先级高的卫星PRN码排序在前。
步骤5中相关度优选的具体步骤为：
(51)、根据步骤(4)的计算结果查找同一卫星分组内与捕获到的卫星相关度最高且比此卫星优先级低的卫星；
(52)、对步骤(51)查找到的卫星进行捕获操作。
如轨道F中，如果先捕获到PRN码为23的卫星，由于卫星23与卫星9相关度最高，且卫星9比卫星23的优先级低，则捕获卫星9；如果先捕获到卫星9，由于卫星9是本卫星分组中优先级最低的卫星，则无论其与哪个卫星的相关度最高都结束本轨道卫星的捕获。轨道E中，如果先捕获到了卫星5，则可以查找到与其相关度最高的卫星是卫星20，且卫星20比卫星5的优先级低，则捕获卫星20后结束本轨道卫星的捕获；如果先捕获到了卫星20，则可以查找的与其相关度最高的卫星是卫星10，且卫星10比卫星20的优先级低，则捕获卫星10后结束本轨道卫星的捕获。
步骤6、对所有轨道捕获完毕，捕获等待序列W，输出所有捕获到的卫星，冷启动结束。
对等待序列的捕获步骤为：按照步骤(2)得到的轨道优先顺序，依次对等待序列中的卫星进行捕获；同一轨道内的卫星按照步骤(3)得到的卫星优先级依次进行捕获。由于本实施例中对等待序列W中元素采用按轨道优先顺序追加，同一轨道内的卫星按卫星优先级追加，所以只需遍历捕获等待序列W中的卫星即可。
实施例二：
本实施例以中国自主研发的北斗导航卫星接收机为例。
北斗系统截止在2016年6月在轨工作卫星有21颗，其中14颗为2012年年底前发射，其余7颗为2015年2月后发射的，因此目前大部分北斗接收机的设计都是在2012年14颗卫星的基础上进行的，之后发射的卫星不在捕获范围内。本实施例中采用的北斗接收机也是基于2012年14颗卫星的星座结构。
步骤1、对卫星系统中的卫星按所在轨道进行分组；
2012年底前发射的在轨工作卫星中，5颗GEO卫星，其PRN码为01-05；5颗IGSO卫星，其PRN码为06-10；4颗MEO卫星，其PRN码为11-14。由此将卫星分为3组：GEO、IGSO和MEO。
步骤2、按照每个轨道内卫星可见的统计结果对卫星分组进行排序，得到轨道优先顺序；
根据在江苏省南京地区采集、统计的北斗卫星观测数据，按照式(3)计算每个轨道的卫星可见概率，对计算结果从大到小排序，可得本实施例轨道优先顺 序为：(GEO,IGSO,MEO)。
步骤3、对每个轨道即每个卫星分组内的卫星按照可见概率排序，得到卫星优先级；
根据北斗卫星观测数据计算得到各轨道内卫星可见概率按从高到低排序为：
PGEO＝[02,03,01,04,05]
PIGSO＝[08,10,07,06,09]
PMEO＝[11,12,13,14]
其中GEO,IGSO,MEO为北斗卫星轨道名称，序列内的数据为对应卫星的PRN码。
步骤4、在同一卫星分组内，计算任意两个卫星的相关度；
步骤5、按照步骤(2)得到的轨道优先顺序，依次对每一个轨道的卫星进行捕获；同一轨道内的卫星按照步骤(3)得到的卫星优先级进行捕获，当捕获到一个卫星时，对捕获到的卫星进行相关度优选并结束本轨道卫星的捕获；
步骤6、对所有轨道捕获完毕，捕获等待序列W，输出所有捕获到的卫星，冷启动结束。
步骤4-6与实施例一中的步骤类似，只是捕获轨道的顺序为：(GEO,IGSO,MEO)。

Claims (7)

1.一种卫星接收机快速冷启动方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)对卫星系统中的卫星按所在轨道进行分组；
(2)按照每个轨道内卫星可见的统计结果对卫星分组进行排序，得到轨道优先顺序；
(3)对每个卫星分组内的卫星按照可见概率排序，得到卫星优先级；
(4)在同一卫星分组内，计算任意两个卫星的相关度；
(5)按照步骤(2)得到的轨道优先顺序，依次对每一个轨道的卫星进行捕获；同一轨道内的卫星按照步骤(3)得到的卫星优先级进行捕获，当捕获到一个卫星时，先比较捕获到的卫星与本轨道内其他卫星的优先级，如果捕获到的卫星优先级最低，结束本轨道的捕获；如果所捕获到的卫星优先级不是最低，则对捕获到的卫星进行相关度优选并结束本轨道卫星的捕获；
(6)对所有轨道捕获完毕，输出所有捕获到的卫星，冷启动结束。
2.根据权利要求1所述的一种卫星接收机快速冷启动方法，其特征在于，所述步骤(5)还包括将每一个轨道中未进行捕获操作的卫星追加至等待序列；所述步骤(6)中还包括对等待序列的捕获。
3.根据权利要求2所述的一种卫星接收机快速冷启动方法，其特征在于，步骤(6)中对等待序列的捕获步骤如下：按照步骤(2)得到的轨道优先顺序，依次对等待序列中的卫星进行捕获；同一轨道内的卫星按照步骤(3)得到的卫星优先级依次进行捕获。
4.根据权利要求1所述的一种卫星接收机快速冷启动方法，其特征在于，步骤(5)中所述的相关度优选步骤如下：
(51)、根据步骤(4)的计算结果查找同一卫星分组内与捕获到的卫星相关度最高且比此卫星优先级低的卫星；
(52)、对步骤(51)查找到的卫星进行捕获操作。
5.根据权利要求1所述的一种卫星接收机快速冷启动方法，其特征在于，步骤(2)中所述的卫星可见的统计结果为卫星可见数量的统计结果。
6.根据权利要求1所述的一种卫星接收机快速冷启动方法，其特征在于，步骤(2)中所述的卫星可见的统计结果为卫星可见概率的统计结果。
7.根据权利要求1-6任一项所述的一种卫星接收机快速冷启动方法，其特征在于，所述卫星接收机为GPS卫星接收机或北斗导航卫星接收机。
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