CN107064964A

CN107064964A - 一种gps接收机双模热启动快速定位方法

Info

Publication number: CN107064964A
Application number: CN201710207562.7A
Authority: CN
Inventors: 蔡佳楠; 李寅寅; 王佩生
Original assignee: CETC 38 Research Institute
Current assignee: CETC 38 Research Institute
Priority date: 2017-03-31
Filing date: 2017-03-31
Publication date: 2017-08-18

Abstract

本发明涉及一种GPS接收机双模热启动快速定位方法，包括：利用实时时钟RTC估计本地当前时刻、信号发射时刻，利用已存储的先验信息估算卫星位置和伪距；利用伪距和跟踪环路中读取的时间信息，重构信号发射时刻；依据双模热启动策略选择热启动定位解算模式，即当重构信号发射时刻与真实的发射时刻之间的误差小于10ms时，选用4状态模式进行热启动定位解算，得到热启动定位结果；当重构信号发射时刻与真实的发射时刻之间误差大于10ms时，选用5状态模式进行热启动定位解算，得到热启动定位结果。本发明适用的时间误差范围很大，对重构的信号发射时刻估计精度要求低；本发明热启动成功率高。

Description

一种GPS接收机双模热启动快速定位方法

技术领域

本发明涉及卫星导航技术领域，尤其是一种GPS接收机双模热启动快速定位方法。

背景技术

随着卫星导航技术的快速发展，用户对于GPS接收机的首次定位时间要求越来越高，特别是车载导航领域、军事领域,首次定位时间的长短与接收机的启动模式、定位算法和数据处理等息息相关。GPS接收机的启动模式有冷启动、温启动和热启动三种模式，每一种启动模式分别对应一种或多种定位算法，其中冷启动的首次定位时间最长，首次定位至少需要20秒以上的时间；热启动模式的首次定位时间最短。

国外Sirf、U-Blox公司的主流导航产品热启动首次定位时间已达到1秒以内。近年来国内对热启动也开展了研究，并取得了不错的成果，热启动的首次定位时间已达到3秒以内。

热启动算法的核心是对卫星信号发射时刻的估计，因此接收机中通常具有一个不掉电的存储器和实时时钟(RTC，Real-time clock)用于存储时间信息和计量关机时刻。对于RTC而言，虽然短时间内的计时精度稳定，但是仍存在一个计时偏差，不同型号产品的RTC的偏差是不同的，同一型号下的RTC在不同环境条件下的偏差也是不同的。4状态的热启动方法要求时间误差必须小于10ms，否则热启动算法失效，这对RTC的计时精度要求比较苛刻，并且大大降低了热启动的成功率；5状态的热启动方法计算量较大，在时间误差小于10ms时使用5状态热启动方法又会消耗更多的资源用于不必要的计算。因此单一热启动快速定位算法无法使性能发挥到最优，选择什么模式的热启动快速定位算法不是一个绝对的选择，而是需要依据具体情况而定。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够克服现有单一方法的缺陷，提高热启动首次定位的成功率，保证定位精度的GPS接收机双模热启动快速定位方法。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：一种GPS接收机双模热启动快速定位方法，该方法包括下列顺序的步骤：

(1)利用实时时钟RTC估计本地当前时刻、信号发射时刻，利用已存储的先验信息估算卫星位置和伪距；

(2)利用伪距和跟踪环路中读取的时间信息，重构信号发射时刻；

(3)依据双模热启动策略选择热启动定位解算模式，即当重构信号发射时刻与真实的发射时刻之间的误差小于10ms时，选用4状态模式进行热启动定位解算，得到热启动定位结果；当重构信号发射时刻与真实的发射时刻之间误差大于10ms时，选用5状态模式进行热启动定位解算，得到热启动定位结果。

所述步骤(1)具体是指：

实时时钟RTC记录上次关机到下一次开机之间的时间间隔，那么下次开机时刻估计值为T_TOR，则估计的信号发射时刻为：

所述先验信息是指星历，利用信号发射时刻和星历计算卫星位置再依据GPS接收机上次关机时的用户位置u得到估算的伪距为：

所述步骤(2)具体是指：

估计的信号传输时间T_TOF为：

其中，为伪距，C为光速；

热启动时，如果达到比特同步，则：

T_TOT＝T_TOT0+△_SatClock,etc(T_TOT0) (4)

T_startNavBit＝T_{startNavBitInit}-△_SatClock,etc(T_{startNavBitInit}) (7)

其中，T_{startNavBitInit}为最后一个完整比特的末尾，即最后一个不完整比特的起始时刻的初始值；T_startNavBit为第一个不完整CA码起始时刻修正后结果；T_TOT为信号发射时刻；为卫星的位置；△_SatClock,etc(T_TOT0)为T_TOT0时刻下对原子钟时间的修正值；△_SatClock,etc(T_{startNavBitInit})为T_{startNavBitInit}时刻下对原子钟时间的修正值；T_TOT0为T_TOT未修正值时的值；round()为向下取整；为导航比特起始位置CA码历元计数；为最后一个完整比特处的码历元计数；为不完整比特中的整码片计数；τ_Nav为一个导航比特持续的时间；τ_Code为一个完整CA码持续时间；τ_chip为一个完整码片的持续时间；

在步骤(3)中所述4状态模式的公式如下：

其中，为重构发射时刻的卫星位置，ρ^N为伪距，u为用户位置，c为光速；t_u为用户接收机时钟相对于原子钟的钟差。

在步骤(3)中所述5状态模式的公式如下：

其中，为重构发射时刻的卫星位置，为重构发射时刻的卫星速度，上表N为卫星号；τ为重构发射时刻与真实发射时刻的差值，ρ^N为伪距，u为用户位置，c为光速；t_u为用户接收机时钟相对于原子钟的钟差。

由上述技术方案可知，本发明的优点在于：第一，本发明适用的时间误差范围很大，对重构的信号发射时刻估计精度要求低；第二，本发明热启动成功率高。

附图说明

图1本发明的方法流程图；

图2为4状态热启动定位的位置误差图；

图3为5状态热启动定位的位置误差图；

图4为双模热启动定位的位置误差图。

具体实施方式

如图1所示，一种GPS接收机双模热启动快速定位方法，该方法包括下列顺序的步骤：

(2)利用伪距和跟踪环路中读取的时间信息，重构信号发射时刻；跟踪环路是起到跟踪输入信号作用的反馈电路；

(3)依据双模热启动策略选择热启动定位解算模式，即当重构信号发射时刻与真实的发射时刻之间的误差小于10ms时，选用4状态模式进行热启动定位解算，得到热启动定位结果；当重构信号发射时刻与真实的发射时刻之间误差大于10ms时，选用5状态模式进行热启动定位解算，得到热启动定位结果。真实的发射时刻在非热启动模式下是通过解调卫星信号解析出来的，在热启动模式下是解析不出来的，这里作为一个理想时间参照标准。

所述步骤(1)具体是指：

所述步骤(2)具体是指：

估计的信号传输时间T_TOF为：

其中，为伪距，C为光速；

热启动时，如果达到比特同步，则：

T_TOT＝T_TOT0+△_SatClock,etc(T_TOT0) (4)

T_startNavBit＝T_{startNavBitInit}-△_SatClock,etc(T_{startNavBitInit}) (7)

其中，T_{startNavBitInit}为最后一个完整比特的末尾，即最后一个不完整比特的起始时刻的初始值；T_startNavBit为第一个不完整CA码起始时刻修正后结果；T_TOT为信号发射时刻；为卫星的位置；△_SatClock,etc(T_TOT0)为T_TOT0时刻下对原子钟时间的修正值；△_SatClock,etc(T_{startNavBitInit})为T_{startNavBitInit}时刻下对原子钟时间的修正值；T_TOT0为T_TOT未修正值时的值；round()为向下取整；为导航比特起始位置CA码历元计数；为最后一个完整比特处的码历元计数；为不完整比特中的整码片计数；τ_Nav为一个导航比特持续的时间，即20ms；τ_Code为一个完整CA码持续时间，即1ms；τ_chip为一个完整码片的持续时间，即1/1023ms。

步骤(2)所述的时间信息包括

在步骤(3)中所述4状态模式的公式如下：

在步骤(3)中所述5状态模式的公式如下：

式(9)模式下需要解算三维位置、钟差、τ，共5个未知量，该模式下考虑卫星自身运动引起的伪距变化，则对发射时刻估计得准确性要求较低。

通常4状态模式可以容忍的时间误差仅为10ms，但计算量较少；5状态模式可容忍的时间误差较大，可达小时量级，但计算量较大。因此模式选择的策略为：当重构的发射时刻与真实的发射时刻误差小于10ms时，选用4状态模式进行热启动定位解算，计算量与接收机正常冷启动定位解算相同；当重构的发射时刻与真实的发射时刻误差大于10ms时，选用5状态模式进行热启动定位解算，此时需要用较大的计算量换取定位精度。

例如：对于没有温度补偿标称频率为32.768kHz的晶振，频率受温度变化影响，在23℃时频率为标称频率32.768kHz，当温度变化到-40℃或80℃时，频率变为32.764kHz，那么每一秒的计时误差为0.1220703125ms，只有当计时小于82s时，计时误差小于10ms，才可以选择4状态模式进行热启动快速定位；如果计时大于82s，时间误差大于10ms，则需选择5状态模式进行热启动快速定位。

为了进一步验证GPS双模热启动方法的实用性和优越性，仿真实验在单一模式热启动算法和双模热启动之间进行对比。在不考虑模式选择策略的单一热启动模式下，时间误差分别为τ＝0s、0.001s、0.01s、0.1s、1s、10s、100s等，4状态模式和5状态模式下的定位误差如图2和图3所示。在双模热启动方法下时间误差分别为τ＝0s、0.001s、0.01s、0.1s、1s、10s、100s等，定位误差如图4所示。

从图2和图3可知首次定位时间为0.999940s，每0.1s更新一次定位数据。图2所示的4状态热启动定位误差从τ>0.01s后显著增加，原因是4状态模式对时间误差没有修正能力，只能任由定位误差随着时间误差的增加而增大，因此4状态热启动模式在τ>0.01s时的定位误差已经无法满足定位精度的要求。图3所示的5状态热启动模式定位误差没有随着τ的增加而增加，特别是当τ>0.01s时仍然保持着10m以内的定位误差，原因是5状态模式估计出了τ值，并将其反馈进行时间校正。同时本实验将τ的范围进一步扩大，直到τ＝3800s时，仍保持着良好的定位精度。但是5状态热启动模式的计算量较大，当时间误差小于10ms时消耗了较多的资源进行了不必要的计算。

在考虑模式选择策略的情况下，时间误差分别为τ＝0s、0.001s、0.01s、0.1s、1s、10s、100s、1000s等，定位误差结果为图4。由于星历的有效期为2h，因此通常对GPS接收机热启动性能要求为：关机小于2h，热启动定位误差小于10m。

对于没有温度补偿的32.768kHz RTC，热启动时间误差小于10ms时，采用4状态模式进行热启动快速定位，计算量较小，可以减小CPU的计算时间，同时减少接收机的功耗，并且相比于有温度补偿的RTC而言，没有温度补偿的RTC不需要额外的控制电路和算法对RTC进行监测和矫正，这在一定程度上也降低了结构和算法的复杂度以及RTC的功耗，对于手持式的便携GPS定位设备，延长电量的使用时间是十分重要的；当温度变化到-40℃或80℃的极端情况下，关机2h的最大时间误差为0.87890625s，因此关机时间大于82s以后进行4状态模式热启动就已经无法达到定位精度要求，此时需要切换到5状态模式，用较大的计算量和功耗换取要求的定位精度，在短时间内获得可靠的位置信息对于GPS用户而言更加重要。因此，双模热启动算法兼顾了功耗和首次定位时间等性能可以满足用户的需求。

同时由图4所示，时间误差达3800秒时依旧保持良好的定位精度，那么就意味着双模热启动切换算法可以容忍较大范围的时间误差，这就对RTC的精度要求进一步降低。更进一步，如果接收机中不具备RTC结构，关机时间小于3800s时，也可以在保证定位精度的前提下进行热启动快速定位，从而降低GPS接收机的成本、功耗、设计结构的复杂程度。同时对于已经在使用中的不具备热启动功能的低端GPS接收机，只需要进行软件升级即可实现热启动功能，产品升级的周期短、成本低。该算法除了应用于GPS热启动功能之外，还可以扩展应用到GPS的重捕获定位和弱信号下的定位。

Claims

1.一种GPS接收机双模热启动快速定位方法，该方法包括下列顺序的步骤：

2.根据权利要求1所述的GPS接收机双模热启动快速定位方法，其特征在于：所述步骤(1)具体是指：

3.根据权利要求1所述的GPS接收机双模热启动快速定位方法，其特征在于：所述步骤(2)具体是指：

估计的信号传输时间T_TOF为：

其中，为伪距，C为光速；

热启动时，如果达到比特同步，则：

T_TOT＝T_TOT0+△_SatClock,etc(T_TOT0) (4)

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T_startNavBit＝T_{startNavBitInit}-△_SatClock,etc(T_{startNavBitInit}) (7)

其中，T_{startNavBitInit}为最后一个完整比特的末尾，即最后一个不完整比特的起始时刻的初始值；T_startNavBit为第一个不完整CA码起始时刻修正后结果；T_TOT为信号发射时刻；为卫星的位置；△_SatClock,etc(T_TOT0)为T_TOT0时刻下对原子钟时间的修正值；△_SatClock,etc(T_{startNavBitInit})为T_{startNavBitInit}时刻下对原子钟时间的修正值；T_TOT0为T_TOT未修正值时的值；round()为向下取整；为导航比特起始位置CA码历元计数；为最后一个完整比特处的码历元计数；为不完整比特中的整码片计数；τ_Nav为一个导航比特持续的时间；τ_Code为一个完整CA码持续时间；τ_chip为一个完整码片的持续时间。

4.根据权利要求1所述的GPS接收机双模热启动快速定位方法，其特征在于：在步骤(3)中所述4状态模式的公式如下：

<mrow> <msup> <mi>&rho;</mi> <mi>N</mi> </msup> <mo>=</mo> <mo>|</mo> <mo>|</mo> <msup> <mi>s</mi> <mi>N</mi> </msup> <mrow> <mo>(</mo> <msubsup> <mi>T</mi> <mrow> <mi>T</mi> <mi>O</mi> <mi>T</mi> </mrow> <mi>N</mi> </msubsup> <mo>)</mo> </mrow> <mo>-</mo> <mi>u</mi> <mo>|</mo> <mo>|</mo> <mo>+</mo> <msub> <mi>t</mi> <mi>u</mi> </msub> <mo>&CenterDot;</mo> <mi>c</mi> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>8</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>

5.根据权利要求1所述的GPS接收机双模热启动快速定位方法，其特征在于：在步骤(3)中所述5状态模式的公式如下：

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