CN107064967A - 一种多星座接收机冷启动可见星搜索方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多星座接收机冷启动可见星搜索方法，该方法依据已捕获的可见星做出合理推断，并剔除理论已不可见卫星，从而缩小剩余卫星的搜索范围。主要设计为四个步骤采取不同的搜索次序，第一步搜索初始卫星组，第二步搜索边缘卫星组，第三步外延、内缩搜索，第四步搜索剩余卫星，从而快速、合理地确定剩余卫星的最小范围，在有无遮蔽的情况下，都能有效降低冷启动耗时。

Description

一种多星座接收机冷启动可见星搜索方法

技术领域

本发明涉及一种多星座接收机冷启动可见星搜索方法，属于卫星导航技术领域。

背景技术

多星座组合定位是综合运用不同星座的卫星帮助用户实现定位，美国的GPS、俄罗斯的GLONASS、欧盟的GALIEO、中国的北斗等，都可以提供有效的观测信息。较之传统的单星座定位，多星座组合定位多出成倍的观测信息，这使得定位服务的可用性、可靠性和精度等性能能够大幅提升。

在冷启动的过程中，接收机需要完成一个三维搜索过程，三维的不确定度分别是可见星、多普勒频移和码相位。对于某个卫星的多普勒频移和码相位的二维搜索过程，分为两种情况。一种是卫星不可见，那么接受机就会搜索整个二维空间的所有待检测点；另一种是卫星可见，接收机在搜索二维空间的过程中将找到一个待检测点达到有效峰值，并开始跟踪这颗可见星。已有大量文献研究如何加快这个二维搜索过程，例如采用硬件并行、改进算法等方式。而对于可见星这一维的不确定度的搜索，相关文献较少。不论是快速的捕获信号(二维搜索)，还是快速的确定可见星，都有利于减少冷启动耗时，并且这两者紧密联系、相互影响。

传统的冷启动的定义是时间、用户粗略位置、星历、历书皆未知，而如今一般情况下，时间与历书往往是已知并可用的，但用户粗略位置、星历未知，这样的启动条件仍然存在三维的不确定度，是一种新的冷启动条件。针对这种新的冷启动条件，需要提出一种新的多星座接收机冷启动可见星搜索算法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种多星座接收机冷启动可见星搜索方法，克服了多星座接收机冷启动耗时过长的问题。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种多星座接收机冷启动可见星搜索方法，包括如下步骤：

步骤1，根据已知的卫星分布，按照准则构建初始卫星组并搜索初始卫星组中的可见星；如果未搜索到，则按准则构建新的初始卫星组，直至成功搜索到第一颗可见星；根据第一颗可见星剔除理论不可见星；

步骤2，根据步骤1搜索到的第一颗可见星，按照构建边缘卫星组的方法构建第一颗可见星的边缘卫星组，并且在边缘卫星组中搜索可见的边缘卫星，根据可见的边缘卫星剔除理论不可见星；

步骤3，根据可见的边缘卫星逐个进行外延搜索，边缘卫星组中除可见的边缘卫星之外，剩余为不可见的边缘卫星，根据不可见的边缘卫星逐个进行内缩搜索，得到除第一颗可见星、第一颗可见星的边缘卫星组、步骤1剔除的理论不可见星、步骤2剔除的理论不可见星之外，所有剩余卫星中的部分可见星；根据得到的部分可见星剔除理论不可见星；

步骤4，根据步骤1、步骤2、步骤3得到的可见星以及步骤1、步骤2、步骤3剔除的理论不可见星，在剩余的卫星中搜索理论可见星，从而完成冷启动。

作为本发明的一种优选方案，步骤1所述准则为：1)从以地心为体心的正六面体的八个顶点中，找到构成正四面体的四个顶点，选择四颗卫星构建初始卫星组，这四颗卫星在ECEF中的空间向量分别与上述四个顶点对应的空间向量的夹角最小；2)如果上述四颗卫星中未搜索到可见星，则以八个顶点中余下的四个顶点构建新的初始卫星组，新的初始卫星组的四颗卫星在ECEF中的空间向量分别与余下的四个顶点对应的空间向量的夹角最小；3)如果新的初始卫星组四颗卫星中未搜索到可见星，则以正六面体的六个面心构建新的初始卫星组，新的初始卫星组的六颗卫星在ECEF中的空间向量分别与六个面心对应的空间向量的夹角最小；4)如果新的初始卫星组六颗卫星中未搜索到可见星，则以正六面体十二条棱的中点构建新的初始卫星组，新的初始卫星组的十二颗卫星在ECEF中的空间向量分别与十二条棱的中点对应的空间向量的夹角最小；上述四条准则存在先后次序，如果搜索到第一颗可见星，则结束构建；上述四条准则中用来找到初始卫星组的空间向量共同旋转相同的角度得到一系列新的空间向量，新的空间向量与原来的空间向量等效。

作为本发明的一种优选方案，步骤2所述构建边缘卫星组的方法具体为：设定步骤1搜索到的第一颗可见星的星下点为位置P，计算除第一颗可见星之外的其余所有卫星在P当地坐标系中接收卫星信号的仰角，将其中最小的仰角作为开区间的下限，并设定开区间的上限，将在P当地坐标系中的实际仰角位于该开区间内的卫星放入边缘卫星组，得到第一颗可见星的边缘卫星组。

作为本发明的一种优选方案，步骤3所述根据可见的边缘卫星逐个进行外延搜索具体过程为：计算第一颗可见星到除第一颗可见星、第一颗可见星的边缘卫星组、步骤1剔除的理论不可见星、步骤2剔除的理论不可见星之外所有剩余卫星的空间向量，记为D_i；设某个可见的边缘卫星对应的空间向量为D3，根据所有剩余卫星的空间向量D_i与D3的夹角构建升序表，升序表中忽略|D_i|<|D3|的卫星，对升序表从头开始外延搜索，如果搜索结果为当前卫星可见，则继续搜索直至搜索结果为当前卫星不可见；对每个可见的边缘卫星进行上述相同的操作。

作为本发明的一种优选方案，步骤3所述根据不可见的边缘卫星逐个进行内缩搜索具体过程为：计算第一颗可见星到除第一颗可见星、第一颗可见星的边缘卫星组、步骤1剔除的理论不可见星、步骤2剔除的理论不可见星之外所有剩余卫星的空间向量，记为D_i；设某个不可见的边缘卫星对应的空间向量为D4，根据所有剩余卫星的空间向量D_i与D4的夹角构建升序表，升序表中忽略|D_i|>|D4|的卫星，对升序表从头开始内缩搜索，如果搜索结果为当前卫星不可见，则继续搜索直至搜索结果为当前卫星可见；对每个不可见的边缘卫星进行上述相同的操作。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

本发明多星座接收机冷启动可见星搜索方法，可用于降低冷启动耗时。与现有的冷启动可见星搜索算法相比，该方法不会因遮蔽情况而退化为全星搜索且保持高效，并基于新的冷启动条件，充分运用先验信息，从而使接受机更快速、稳定地完成冷启动。

附图说明

图1是本发明一种多星座接收机冷启动可见星搜索方法的整体流程图。

图2是本发明剔除理论不可见星原理图。

图3是本发明构建边缘卫星组原理图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本方法的整体流程图如图1所示，已知时间、历书，求得卫星分布，第一阶段构建初始卫星组并搜索，第二阶段构建边缘卫星组并搜索，第三阶段外延、内缩搜索，第四阶段搜索剩余卫星，最终完成冷启动。需要完成以下工作：

1、剔除理论不可见卫星

设某颗可见星为SV1，另一颗待检验卫星为SV2，已知两者在ECEF(地心地固坐标系)中瞬时坐标，选取过SV1、SV2和地心三点的截面，如图2所示。

图中r表示地球平均半径，h₁、h₂分别表示SV1、SV2距地心瞬时高度，α表示接收卫星信号最小仰角，β表示假设临界情况时SV1与SV2的夹角，β_real表示实际夹角，θ₁、θ₂均为中间参数。β由下式(1)得出：

如果β_real>β，则判断SV2理论已不可见。

2、初始卫星组的构建

初始卫星组是根据一定准则选取的一组卫星，在冷启动的最初阶段，用来找到第一颗可见星。初始卫星组的构造方法直接影响到捕获第一颗可见星的速度，对于整个冷启动过程的耗时有着重要影响。

初始卫星组的构建方法基于以下前提：

(1)理想情况下，以地心为体心，大致构成正四面体的四颗卫星，更准确地说，是地心到卫星连线之间的角度关系，与正四面体体心到顶点连线之间的角度关系相一致的四颗卫星，其中必有一颗可见，并可以自然地推广到正六面体、正八面体等；

(2)当一颗卫星不可见时，地心到此卫星连线的方向表征了受遮蔽的情况，其他卫星的空间向量(地心到卫星连线)与该方向夹角越小，则受遮蔽的可能性就越大；

初始卫星组的构造方法如下：首先根据前提1找到四颗卫星，它们在ECEF中的空间向量分别与以下四个空间向量(1,1,1)、(1,-1,-1)、(-1,1,-1)、(-1,-1,1)的夹角最小，理想无遮蔽情况下，其中必有一颗可见。需要说明的是，这组空间向量只是符合正四面体角度关系的一例，也完全可以选择另一组空间向量，只要满足角度关系即可，但是为表达得更加清晰、具体，选择这一组空间向量作为案例分析。如果这四颗卫星都不可见，说明这四个方向受到遮蔽，根据前提2，之后选取的空间向量应尽可能避之。并结合前提1，按照以下四个空间向量(-1,-1,-1)、(-1,1,1)、(1,-1,1)、(1,1,-1)，搜索新的四颗卫星。如果仍都不可见，则按以下六个空间向量搜索(1,0,0)、(0,1,0)、(0,0,1)、(-1,0,0)、(0,-1,0)、(0,0,-1)。如果仍都不可见，则按以下十二个空间向量搜索(0,1,1)、(0,1,-1)、(0,-1,1)、(0,-1,-1)、(1,0,1)、(1,0,-1)、(-1,0,1)、(-1,0,-1)、(1,1,0)、(1,-1,0)、(-1,1,0)、(-1,-1,0)。以此类推，新的空间向量尽可能避开旧的空间向量，并使用必要的数量以保证理想情况下必有一颗可见。在对这些卫星搜索的过程中，一旦有某颗星可见，则退出第一阶段，进入第二阶段。第一阶段的设计使得接收机可以尽快地搜索到第一颗可见星。上述一系列空间向量只是便于表述的一例，由此例共同旋转一定角度而产生的新的一系列空间向量是等效的。

3、边缘卫星组的构建

边缘卫星组是一组根据第一颗可见星选取的一组卫星，假设用户正好处于其星下点，那么，用户能够搜索到的与第一颗卫星方向夹角最大的或近似最大的一组(处于低仰角的一定范围的)卫星，称之为边缘卫星组。其意义在于为第三阶段确定可见星的最外围轮廓做好准备。

边缘卫星组的构造方法如下：设第一颗可见星的星下点为位置P，选取在P当地坐标系中的仰角处于一个特殊范围内的卫星，作为边缘卫星组。这个范围的下限是接受卫星信号的最小仰角，上限是在最小仰角基础上加20度(仅作举例，可适当调整)。设仰角下限为α₁，上限为α₂，待检验卫星距地心高度为h，地球平均半径为r，第一颗可见星为SV1，待检验卫星为SV2，β_real表示实际夹角，如何确定SV2是否属于边缘卫星组，如图3所示。

图中β₁、β₂分别表示SV1与SV2的夹角上限与下限，由下式(2)得出：

如果β₂<β_real<β₁，则选取SV2进入边缘卫星组。

4、外延、内缩搜索

在获得边缘卫星组搜索结果的基础上，如果某颗边缘卫星可见，该卫星将大幅地缩小剩余卫星的范围。为进一步缩小剩余卫星的范围，则应沿着第一颗可见星到该卫星的连线方向，搜索更外围的卫星，直到搜索结果为不可见，这就是外延搜索；如果某颗边缘卫星不可见，该卫星并不能缩小剩余卫星的范围，为找到其附近的可见星，则应沿着该卫星到第一颗可见星的连线方向，搜索更内部的卫星，直到搜索结果为可见，这就是内缩搜索。为尽快缩小剩余卫星范围，显然，应先进行外延搜索，再进行内缩搜索。

外延、内缩搜索的具体实现如下：首先求得第一颗可见星到所有剩余的理论仍可见卫星的空间向量，记为D_i。设某个可见的边缘卫星为SV3，对应D3，其他卫星按各自的D_i与D3的夹角排序构建升序表(忽略|D_i|<|D3|的卫星)，外延搜索这些卫星直到搜索结果为不可见，然后取下一颗边缘卫星为参考，重复以上过程。之后，设某个不可见的边缘卫星为SV4，对应D4，其他卫星按各自的D_i与D4的夹角升序排序，并忽略|D_i|>|D4|的卫星，内缩搜索这些卫星直到搜索结果为可见，然后取下一颗边缘卫星为参考，重复以上过程。

5、搜索剩余卫星

搜索剩余卫星，完成冷启动。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (5)

1.一种多星座接收机冷启动可见星搜索方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，根据已知的卫星分布，按照准则构建初始卫星组并搜索初始卫星组中的可见星；如果未搜索到，则按准则构建新的初始卫星组，直至成功搜索到第一颗可见星；根据第一颗可见星剔除理论不可见星；

步骤2，根据步骤1搜索到的第一颗可见星，按照构建边缘卫星组的方法构建第一颗可见星的边缘卫星组，并且在边缘卫星组中搜索可见的边缘卫星，根据可见的边缘卫星剔除理论不可见星；

步骤3，根据可见的边缘卫星逐个进行外延搜索，边缘卫星组中除可见的边缘卫星之外，剩余为不可见的边缘卫星，根据不可见的边缘卫星逐个进行内缩搜索，得到除第一颗可见星、第一颗可见星的边缘卫星组、步骤1剔除的理论不可见星、步骤2剔除的理论不可见星之外，所有剩余卫星中的部分可见星；根据得到的部分可见星剔除理论不可见星；

步骤4，根据步骤1、步骤2、步骤3得到的可见星以及步骤1、步骤2、步骤3剔除的理论不可见星，在剩余的卫星中搜索理论可见星，从而完成冷启动。

2.根据权利要求1所述多星座接收机冷启动可见星搜索方法，其特征在于，步骤1所述准则为：1)从以地心为体心的正六面体的八个顶点中，找到构成正四面体的四个顶点，选择四颗卫星构建初始卫星组，这四颗卫星在ECEF中的空间向量分别与上述四个顶点对应的空间向量的夹角最小；2)如果上述四颗卫星中未搜索到可见星，则以八个顶点中余下的四个顶点构建新的初始卫星组，新的初始卫星组的四颗卫星在ECEF中的空间向量分别与余下的四个顶点对应的空间向量的夹角最小；3)如果新的初始卫星组四颗卫星中未搜索到可见星，则以正六面体的六个面心构建新的初始卫星组，新的初始卫星组的六颗卫星在ECEF中的空间向量分别与六个面心对应的空间向量的夹角最小；4)如果新的初始卫星组六颗卫星中未搜索到可见星，则以正六面体十二条棱的中点构建新的初始卫星组，新的初始卫星组的十二颗卫星在ECEF中的空间向量分别与十二条棱的中点对应的空间向量的夹角最小；上述四条准则存在先后次序，如果搜索到第一颗可见星，则结束构建；上述四条准则中用来找到初始卫星组的空间向量共同旋转相同的角度得到一系列新的空间向量，新的空间向量与原来的空间向量等效。

3.根据权利要求1所述多星座接收机冷启动可见星搜索方法，其特征在于，步骤2所述构建边缘卫星组的方法具体为：设定步骤1搜索到的第一颗可见星的星下点为位置P，计算除第一颗可见星之外的其余所有卫星在P当地坐标系中接收卫星信号的仰角，将其中最小的仰角作为开区间的下限，并设定开区间的上限，将在P当地坐标系中的实际仰角位于该开区间内的卫星放入边缘卫星组，得到第一颗可见星的边缘卫星组。

4.根据权利要求1所述多星座接收机冷启动可见星搜索方法，其特征在于，步骤3所述根据可见的边缘卫星逐个进行外延搜索具体过程为：计算第一颗可见星到除第一颗可见星、第一颗可见星的边缘卫星组、步骤1剔除的理论不可见星、步骤2剔除的理论不可见星之外所有剩余卫星的空间向量，记为D_i；设某个可见的边缘卫星对应的空间向量为D3，根据所有剩余卫星的空间向量D_i与D3的夹角构建升序表，升序表中忽略|D_i|<|D3|的卫星，对升序表从头开始外延搜索，如果搜索结果为当前卫星可见，则继续搜索直至搜索结果为当前卫星不可见；对每个可见的边缘卫星进行上述相同的操作。

5.根据权利要求1所述多星座接收机冷启动可见星搜索方法，其特征在于，步骤3所述根据不可见的边缘卫星逐个进行内缩搜索具体过程为：计算第一颗可见星到除第一颗可见星、第一颗可见星的边缘卫星组、步骤1剔除的理论不可见星、步骤2剔除的理论不可见星之外所有剩余卫星的空间向量，记为D_i；设某个不可见的边缘卫星对应的空间向量为D4，根据所有剩余卫星的空间向量D_i与D4的夹角构建升序表，升序表中忽略|D_i|>|D4|的卫星，对升序表从头开始内缩搜索，如果搜索结果为当前卫星不可见，则继续搜索直至搜索结果为当前卫星可见；对每个不可见的边缘卫星进行上述相同的操作。