CN107390238A - 一种北斗导航星座快速选星方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种北斗导航星座快速选星方法，属于卫星导航领域。该方法从北斗卫星导航系统的多颗可见卫星中选择6颗用于定位解算，利用北斗导航星座的空间几何分布，结合卫星导航系统中选星领域常用的最大体积法，分别在低仰角区、中仰角区和高仰角区内选星，降低了传统选星过程中卫星选择的循环次数，同时利用离散型Hopfield神经网络算法进行GDOP计算公式优化，避免了传统GDOP计算中的矩阵求逆运算，降低了GDOP求解的运算量，满足用户对卫星定位精确性、实时性和鲁棒性的要求。该方法同时考虑了卫星空间几何分布等特殊情形，考虑各种复杂情况对选星结果的影响，能够成功实现北斗导航星座快速选星。

Description

一种北斗导航星座快速选星方法
技术领域
本发明涉及一种北斗导航星座优选方法，属于卫星导航技术领域，具体涉及一种北斗导航星座快速选星方法。
背景技术
全球卫星导航系统已经成为了国家非常重要的信息基础设施，在某些重要领域如依赖国外卫星导航系统，一旦出现紧急情况或重大利益冲突，整个国家的国防军事以及社会经济安全都将受到威胁，这对国家利益的影响将是惨重的。因此，北斗卫星导航系统应运而生。它的诞生，使得我国在一些特殊的场合不再受制于国外卫星系统，无论在军事战略还是日常生活中都对我国具有非常重大的意义。
北斗卫星导航系统是我国自主研制的，目前已经可为亚洲和太平洋地区提供无源定位、授时、导航服务。预计在未来二十年内，北斗卫星导航系统将逐渐成长为覆盖全球的卫星导航系统。可以预见的到，关系到国防军事方面将最先普及北斗导航应用，随着北斗导航系统逐渐完善和成熟，再普及到各类民用方面，最终成为普及度非常高的成熟的全球卫星定位导航系统，并拉动北斗产业的蓬勃发展。
为了能够正确接收并解调北斗导航卫星信号，研制北斗用户终端，就必须掌握如扩频测距码、导航电文格式、导航电文参数及算法等接口的相关参数，进而进行定位和导航，而这些内容构成了北斗空间信号接口控制（ICD）文件。2012年12月，北斗ICD文件正式公布，使得相关的接口特征和参数公开化，降低了北斗终端的开发成本及难度，北斗终端的研发的方向性更加明确，研制的思路步骤也更加清晰。依靠强大的市场需求及政府部门的支持，国内外对北斗导航系统感兴趣的厂商均可对北斗客户终端进行相关产品的开发，这标志着北斗导航系统的客户终端将向通用化、开放化、高速和网络化方向发展。
北斗导航接收机将会成为北斗产业中应用面最广、生产量最大的技术产品，它的性能高低将直接影响到北斗卫星导航系统的普及度。然而对于大多数厂商来说，北斗导航包含5颗GEO地球同步静止轨道卫星，以及IGSO和MEO卫星，在中国的某些地区，某一时刻可能跟踪到14颗及以上北斗卫星，对于运算处理能力有限的小型和单模接收机来说，无疑制约着接收机实时性定位解算性能。此外，北斗导航系统中，定位解算中提取的伪距信息存在卫星轨道误差、卫星钟差、电离层、对流层延迟、多路径效应、接收机钟差、观测误差、接收机天线相位中心误差等测量误差，GDOP(GeometricDilution of Precision)为衡量接收机定位误差的重要参量，GDOP越小，测量误差转化成的定位误差越小，卫星导航技术领域中，经常将GDOP作为衡量选星结果的参考标准，即在单星座或者多星座导航系统中，选择后的卫星组合，GDOP越小，则证明选星结果最优。
对比文件1：已授权发明专利：一种用于双星座卫星定位系统的选星方法，专利号：200610165466.2，公开了一种用于双星座卫星定位系统的选星方法，主要通过双星座导航系统中的卫星仰角优选n组四星组合，然后进行5星选择，最后选取GDOP值最小的一组作为最后的选星结果，并重复步骤A-G，得到最终优选结果，其中GDOP计算公式为：
（1）
其中GDOP是几何精度因子，trace()代表矩阵对角线元素的和，即求迹运算，G代表观测矩阵，与对比发明专利的A矩阵一样。但对比文件1中采用的是传统的GDOP计算多项式，涉及到观测矩阵G的矩阵相乘和矩阵求逆运算，运算复杂度相对较大，而选星的目的是降低系统的计算复杂度，因此提出一种适用于北斗导航星座的快速选星方法尤为重要。
对比文件2：发明专利：基于GDOP和UERE的多模GNSS选星方法，专利号：201610350058.8，公开了一种基于GDOP和UERE的多模GNSS选星方法，该方法结合GDOP和UERE，进行卫星仰角的简化计算模型计算用户等效误差UERE，通过定位评估函数和遍历截止高度角就那些卫星组合确定，同时在低仰角区、中仰角区和高仰角区选星，但该方法所采用的GDOP计算公式仍然为传统的计算方法，即公式（1），计算用户等效误差UERE时最终还是需要以GDOP作为基准，因此对比文件2的计算复杂度相对较大。
综上所述，有必要提出一种北斗导航星座快速选星方法，保证GDOP精度的前提下，避免传统GDOP运算过程中的矩阵求逆运算，通过北斗导航星座快速选星，降低参与接收机定位解算的卫星数量，降低系统整体运算复杂度，提高接收机实时性定位解算性能，成为了卫星导航领域亟待解决的技术问题。
发明内容
（一）要解决的技术问题
为了解决现有技术存在的上述问题，本发明提出了一种北斗导航星座快速选星方法。该方法从北斗卫星导航系统的多颗可见卫星中选择6颗用于定位解算的卫星，利用北斗导航星座的空间几何分布，分别在低仰角区、中仰角区和高仰角区内选星，同时利用神经网络算法进行GDOP计算公式优化，采用等价GDOP公式进行几何精度因子计算，在牺牲少量GDOP数值的前提下，避免了传统GDOP计算公式中的矩阵求逆运算，极大减小了接收机信息解算过程中的运算量，且保证了定位精度，成功实现北斗导航星座快速选星。
（二）技术方案
本发明提出的北斗导航星座快速选星方法，具体分为如下步骤：
步骤S1：提取北斗卫星导航电文，获取北斗导航卫星星历和伪距观测量；用户接收机根据北斗ICD文档和北斗卫星导航电文，计算出北斗导航卫星星历的开普勒轨道参数和北斗卫星在CGCS2000坐标系下的位置、速度信息，并通过本地时间和北斗卫星信号的发射时间构建北斗卫星伪距观测量。
步骤S2：根据接收机当前位置计算北斗导航星座中所有可见卫星的仰角和方位角；采用扩展卡尔曼滤波方法计算出上一时刻tk-1的接收机本地位置，并根据步骤S1中计算出的当前北斗导航星座中所有可见卫星的空间位置，获取当前北斗导航星座中tk时刻所有可见卫星的仰角和方位角信息。
步骤S3：将可见卫星划分为高仰角区、中仰角区和低仰角区；将北斗导航星座卫星中的仰角在65°到90°之间的卫星定义为高仰角区卫星，30°到64.9°之间的卫星定义为中仰角区卫星，5°到29.9°之间的卫星定义为低仰角区卫星。
步骤S4：北斗导航星座下选择N（N=6）颗卫星参与接收机定位解算；遮蔽角设置为5°，当北斗导航星座中相对于接收机的可见卫星仰角小于遮蔽角（5°）时，则此类卫星不参与接收机定位解算，并被剔除掉。
步骤S5：高仰角区选择一颗卫星，低仰角区选择一颗卫星，中仰角区选择两颗卫星；其中高仰角区中仰角最高的北斗卫星作为第一颗接收机定位解算用卫星，低仰角区中仰角最低的北斗卫星作为第二颗接收机定位解算用卫星，中仰角区中两颗卫星的方位角相差最大的卫星作为第三和第四颗接收机定位解算用卫星。同时，针对一些特殊情况进行特殊处理：
低仰角区无可见星时，第二颗北斗卫星从中仰角区中选择仰角最小的卫星作为第二颗接收机定位解算用卫星，中仰角区中从剩余的所有可见卫星中选择两颗卫星进行遍历，并将方位角相差最大的两颗卫星作为最后两颗接收机定位解算用卫星；
低仰角区只有一颗可见卫星时，第三颗卫星选择中仰角区中仰角最小的卫星作为第三颗接收机定位解算用卫星，第四颗卫星选择中仰角区中与第三颗卫星方位角相差最大的卫星作为最后第四颗接收机定位解算用卫星；
中仰角区中无可见卫星时，则低仰角区选择两颗卫星的方位角相差最大的卫星作为第一和第二颗接收机定位解算用卫星；高仰角区中选择两颗卫星的方位角相差最大的卫星作为第三和第四颗接收机定位解算用卫星；
中仰角区中只有一颗可见卫星时，则中仰角区的可见卫星作为第三颗接收机定位解算用卫星，第四颗卫星采用遍历的方式从低仰角区和高仰角区中选择GDOP数值最低的卫星作为第四颗接收机定位解算用卫星；
高仰角区中无可见卫星时，则选择中仰角区中仰角最高的卫星作为第一颗接收机定位解算用卫星，然后中仰角区剔除掉第一颗卫星后继续执行步骤S5。
步骤S6：采用如下神经网络GDOP计算多项式选择北斗导航星座中的第五颗和第六颗卫星：
（2）
其中，A=0.6，B=-1.2，C=3，系数A、B、C是采用离散型Hopfield神经网络算法拟合递推而来，且m1、m2、m3、m4满足如下方程式：
（3）
（4）
（5）
（6）
（7）
其中，G代表观测矩阵，GT代表观测矩阵的转置矩阵，trace()代表矩阵求迹运算，det()代表矩阵行列式运算。
北斗导航星座中的第五颗和第六颗卫星具体选择方式如下：确定前四颗接收机定位解算用卫星后，从剩余所有可见卫星中选择一颗卫星进行遍历，即此时采用公式（2）计算五颗卫星的GDOP，选择使得GDOP数值最小的卫星作为第五颗定位解算用卫星；同理，确定前五颗接收机定位解算用卫星后，从剩余所有可见卫星中选择一颗卫星进行遍历，即此时采用公式（2）计算六颗卫星的GDOP，选择使得GDOP数值最小的卫星作为第六颗定位解算用卫星。
步骤S7：针对接收机异常情况进行特殊处理。
若可见卫星数量少于接收机要选择的卫星数量（本发明中为六颗），则直接利用所有可见星进行定位解算；若可见卫星数量不足四颗，则无法进行接收机本地定位，并输出无法定位的提示信息；
若本次选出的六颗解算用卫星GDOP数值过大（通常认为GDOP数值大于6时定位误差无法忍受），可选择临时增加选星频率以提高解算卫星更换频率。
（三）有益效果
本发明能够产生积极的有益效果，本发明提出了一种北斗导航星座快速选星方法。该方法从北斗卫星导航系统的多颗可见卫星中选择6颗用于定位解算的卫星，利用北斗导航星座的空间几何分布，结合卫星导航系统中选星领域常用的最大体积法，分别在低仰角区、中仰角区和高仰角区内选星，降低了传统选星过程中卫星选择的循环次数。同时利用离散型Hopfield神经网络算法进行GDOP计算公式优化，采用等价GDOP公式进行几何精度因子计算，避免了传统GDOP计算公式中的矩阵求逆运算，极大减小了接收机信息解算过程中的运算量，满足用户对卫星定位精确性、实时性和鲁棒性的要求。该方法同时考虑了卫星空间几何分布等特殊情形，考虑各种复杂情况对选星结果的影响，能够成功实现北斗导航星座快速选星。
本发明提出的北斗导航星座快速选星方法从用户多颗可见卫星中选择6颗卫星进行定位解算，在尽量确保最优GDOP的基础上，利用离散型Hopfield神经网络算法进行GDOP计算公式优化，避免了传统选星方法中的矩阵求逆、矩阵乘法等复杂运算，使计算量降低了99%以上，满足用户对卫星定位精确性、实时性和鲁棒性的要求。
附图说明
图1是本发明优选实施例的北斗导航星座快速选星方法流程图；
图2是北京地区北斗导航星座一天内可见卫星数量变化示意图；
图3是北京地区某一时刻的北斗卫星分布图；
图4是北京地区某一时刻的北斗卫星选星后结果分布图；
图5是本发明提出的GDOP数值与传统经典GDOP数值对比图；
图6是本发明提出的北斗导航星座快速选星方法GDOP数值与传统最佳GDOP数值一天内对比图；
图7是本发明提出的快速选星GDOP计算量与传统经典GDOP计算量对比图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
图1是本发明优选实施例的北斗导航星座快速选星方法流程图。
如图1所示，本发明优选实施例的北斗导航星座快速选星方法包括如下7个步骤：
步骤S1：提取北斗卫星导航电文，获取北斗导航卫星星历和伪距观测量；本发明具体实施例中，用户接收机信号处理端捕获跟踪卫星信号后，通过帧同步获取北斗卫星导航电文，并根据北斗ICD文档计算出北斗导航卫星星历的开普勒轨道参数和北斗卫星在CGCS2000坐标系下的位置、速度信息，并通过本地时间和北斗卫星信号的发射时间构建北斗卫星伪距观测量。
步骤S2：根据接收机当前位置计算北斗导航星座中所有可见卫星的仰角和方位角；本发明具体实施例中，用户接收机初始化过程中采用最小二乘法进行接收机定位解算，然后根据当前位置在下一时刻采用扩展卡尔曼滤波方法进行接收机定位解算，当采用扩展卡尔曼滤波方法计算出上一时刻tk-1的接收机本地位置，并根据步骤S1中计算出的当前北斗导航星座中所有可见卫星的空间位置，获取当前北斗导航星座中tk时刻所有可见卫星的仰角和方位角信息。
步骤S3：将可见卫星划分为高仰角区、中仰角区和低仰角区；将北斗导航星座卫星中的仰角在65°到90°之间的卫星定义为高仰角区卫星，30°到64.9°之间的卫星定义为中仰角区卫星，5°到29.9°之间的卫星定义为低仰角区卫星。
步骤S4：北斗导航星座下选择N（N=6）颗卫星参与接收机定位解算；遮蔽角设置为5°，当北斗导航星座中相对于接收机的可见卫星仰角小于遮蔽角（5°）时，则此类卫星不参与接收机定位解算，并被剔除掉；本发明具体实施例中，用户接收机选择六颗北斗卫星参与接收机定位解算，但实际上本发明不只适用于六颗解算卫星情形，在多于六颗情况下同样适用，但考虑到实际导航接收机性能以及北斗导航星座的卫星空间布局（目前总共有15颗北斗卫星），本发明优选采用六颗定位解算卫星。
步骤S5：高仰角区选择一颗卫星，低仰角区选择一颗卫星，中仰角区选择两颗卫星；其中高仰角区中仰角最高的北斗卫星作为第一颗接收机定位解算用卫星，低仰角区中仰角最低的北斗卫星作为第二颗接收机定位解算用卫星，中仰角区中两颗卫星的方位角相差最大的卫星作为第三和第四颗接收机定位解算用卫星。同时，针对一些特殊情况进行特殊处理：
低仰角区无可见星时，第二颗北斗卫星从中仰角区中选择仰角最小的卫星作为第二颗接收机定位解算用卫星，中仰角区中从剩余的所有可见卫星中选择两颗卫星进行遍历，并将方位角相差最大的两颗卫星作为最后两颗接收机定位解算用卫星；
低仰角区只有一颗可见卫星时，第三颗卫星选择中仰角区中仰角最小的卫星作为第三颗接收机定位解算用卫星，第四颗卫星选择中仰角区中与第三颗卫星方位角相差最大的卫星作为最后第四颗接收机定位解算用卫星；
中仰角区中无可见卫星时，则低仰角区选择两颗卫星的方位角相差最大的卫星作为第一和第二颗接收机定位解算用卫星；高仰角区中选择两颗卫星的方位角相差最大的卫星作为第三和第四颗接收机定位解算用卫星；
中仰角区中只有一颗可见卫星时，则中仰角区的可见卫星作为第三颗接收机定位解算用卫星，第四颗卫星采用遍历的方式从低仰角区和高仰角区中选择GDOP数值最低的卫星作为第四颗接收机定位解算用卫星；
高仰角区中无可见卫星时，则选择中仰角区中仰角最高的卫星作为第一颗接收机定位解算用卫星，然后中仰角区剔除掉第一颗卫星后继续执行步骤S5。
步骤S6：采用如下神经网络GDOP计算多项式选择北斗导航星座中的第五颗和第六颗卫星：
（8）
其中，A=0.6，B=-1.2，C=3，系数A、B、C是采用离散型Hopfield神经网络算法拟合递推而来，且m1、m2、m3、m4满足如下方程式：
（9）
（10）
（11）
（12）
（13）
其中，G代表观测矩阵，GT代表观测矩阵的转置矩阵，trace()代表矩阵求迹运算，det()代表矩阵行列式运算。
北斗导航星座中的第五颗和第六颗卫星具体选择方式如下：确定前四颗接收机定位解算用卫星后，从剩余所有可见卫星中选择一颗卫星进行遍历，即此时采用公式（8）计算五颗卫星的GDOP，选择使得GDOP数值最小的卫星作为第五颗定位解算用卫星；同理，确定前五颗接收机定位解算用卫星后，从剩余所有可见卫星中选择一颗卫星进行遍历，即此时采用公式（8）计算六颗卫星的GDOP，选择使得GDOP数值最小的卫星作为第六颗定位解算用卫星。
步骤S7：针对接收机异常情况进行特殊处理。
若可见卫星数量少于接收机要选择的卫星数量（本发明中为六颗），则直接利用所有可见星进行定位解算；若可见卫星数量不足四颗，则无法进行接收机本地定位，并输出无法定位的提示信息；
若本次选出的六颗解算用卫星GDOP数值过大（通常认为GDOP数值大于6时定位误差无法忍受），可选择临时增加选星频率以提高解算卫星更换频率。
图2是北京地区北斗导航星座一天内可见卫星数量变化示意图。
如图2所示，实际观测北京地区（北纬39.9°，东经116. 3°）北斗导航星座在2017年5月17日0:00到24:00一天内可见卫星数量变化图，在某些时刻，北斗可见卫星最多达到了13颗，而最少则为8颗，因为在地球表面存在5颗北斗GEO对地静止卫星，并均匀分布在赤道上方，所以在中国区域内接收机的可见卫星数量较多，且平均达到10颗，如果采用所有可见卫星进行接收机定位解算，对于小型接收机来说，在计算处理器性能受限以及实时性定位解算要求的前提下，难以满足接收机精确性和实时性要求，故需要通过选星操作实现6颗卫星定位（通常情况下最少4颗北斗卫星可实现接收机定位解算），通过快速选星能够在保证定位精度的前提下，满足接收机实时性定位解算要求。
图3是北京地区某一时刻的北斗卫星分布图。
如图3所示，北京地区某一时刻的北斗卫星分布图总共包括13颗，其中外围0~360°代表可见卫星的方位角，第一象限内的20~100代表可见卫星的仰角，仰角和方位角分别为（37°,146°）、（30°, 229°）、（42°, 189°）、（26°, 124°）、（15°, 247°）、（72°, 29°）、（25°,168°）、（10°, 193°）、（61°, 310°）、（7°, 186°）、（38°, 314°）、（8°, 12°）、（46°,286°），如果13颗可见卫星全部用于接收机定位解算，则会给接收机的信息解算端程序空间和代码栈空间造成运算压力，故需要选星，尤其是快速选星操作，保证定位精度的前提下，实现接收机实时性定位解算。
图4是北京地区某一时刻的北斗卫星选星后结果分布图。
如图4所示，北京地区某一时刻的北斗卫星选星后结果分布图如图4所示，在图3的基础上，采用本发明优选实施例的步骤S1~S7，具体如下：
步骤S1：提取北斗卫星导航电文，获取北斗导航卫星星历和伪距观测量；
步骤S2：根据接收机当前位置计算北斗导航星座中所有可见卫星的仰角和方位角；
步骤S3：将可见卫星划分为高仰角区、中仰角区和低仰角区；
步骤S4：北斗导航星座下选择N（N=6）颗卫星参与接收机定位解算；
步骤S5：高仰角区选择一颗卫星，低仰角区选择一颗卫星，中仰角区选择两颗卫星；
步骤S6：采用神经网络GDOP计算多项式选择北斗导航星座中的第五颗和第六颗卫星；
步骤S7：针对接收机异常情况进行特殊处理。
图3是北斗导航星座未选星前的结果，图4是经过本发明优选实施例的北斗导航星座快速选星后的结果，所选择的六颗卫星仰角和方位角分别为（72°, 29°）、（7°, 186°）、（61°, 310°）、（26°, 124°）、（37°,146°）和（30°, 229°）。经过本发明优选实施例的北斗导航星座快速选星后，接收机采用六颗北斗卫星进行定位解算，极大降低了用户接收机的计算复杂度，提高了接收机实时性定位解算性能。
图5是本发明提出的GDOP数值与传统经典GDOP数值对比图。
如图5所示，本发明提出的GDOP数值采用如下神经网络GDOP计算多项式：
（14）
其中，A=0.6，B=-1.2，C=3，系数A、B、C是采用离散型Hopfield神经网络算法拟合递推而来，且m1、m2、m3、m4满足公式（9）~（13），其中，G代表观测矩阵，GT代表观测矩阵的转置矩阵，trace()代表矩阵求迹运算，det()代表矩阵行列式运算。传统经典GDOP计算多项式如下所示：
（15）
其中GDOP是几何精度因子，trace()代表矩阵对角线元素的和，即求迹运算，G代表观测矩阵，本发明提出的GDOP数值与传统经典GDOP数值结果基本一致，达到了99.99%，且本发明提出的公式（14）避免了传统经典GDOP计算公式（15）的矩阵求逆运算，且本发明通过空间几何结构的高、中、低仰角区卫星选择，降低了传统选星过程中的所有循环遍历运算，既减少了选星的循环次数，又降低了GDOP求解过程的运算量，故本发明提出的北斗导航星座快速选星方法优于对比文件1和对比文件2，且最终选星后的GDOP结果与传统最佳GDOP数值基本一致，具体如图6所示。
图6是本发明提出的北斗导航星座快速选星方法GDOP数值与传统最佳GDOP数值一天内对比图。
如图6所示，本发明提出的北斗导航星座快速选星方法GDOP数值与传统最佳GDOP数值一天内对比图中，其中横轴代表时间，纵轴代表GDOP数值，在0~12小时之间GDOP数值都比较小，在13~20小时之间存在一些抖动，但GDOP数值总体变化不大，且采用本发明提出的北斗导航星座快速选星方法，所得到的GDOP数值与传统最佳GDOP选星方法结果基本一致，而传统最佳GDOP选星方法是循环所有可见卫星的6星组合，并采用包含矩阵求逆运算的公式（15）进行GDOP数值计算，所需要的整体运算复杂度较大，而本发明提出的北斗导航星座快速选星方法通过卫星空间几何分布的优选以降低选星的循环运算次数，同时采用神经网络GDOP公式（14）降低GDOP数值计算过程中的计算复杂度，整体极大提高了选星效率。
图7是本发明提出的快速选星GDOP计算量与传统经典GDOP计算量对比图。
如图7所示，本发明提出的北斗导航星座快速选星方法既降低了选星过程中的循环次数，又进一步降低了GDOP数值计算的计算量，本发明采用硬件DSP进行实际运算量测试，其中采用TI公司的TMS320C6713进行运算过程中的时钟周期数量测试，TMS320C6713时钟频率为300MHz，执行单精度浮点乘法耗时19个时钟周期，单精度浮点除法耗时212个时钟周期，单精度浮点加法耗时20个时钟周期，单精度开方运算耗时457个时钟周期，此处需要说明的是，TMS320C6713采用乘法硬核加速技术，故执行浮点乘运算速度要快于浮点加等。图7中横坐标代表解算卫星数量，纵坐标代表执行选星过程中所消耗的时钟周期数，此处需要注意，纵坐标采用了取对数操作，否则两种算法的时钟周期差别特别大，由此可以看出，本发明提出的北斗导航星座快速选星方法性能明显优于传统经典选星方法。
综上所述，本发明提出的一种北斗导航星座快速选星方法，能够从北斗卫星导航系统的多颗可见卫星中选择6颗用于定位解算的卫星，利用北斗导航星座的空间几何分布，结合卫星导航系统中选星领域常用的最大体积法，分别在低仰角区、中仰角区和高仰角区内选星，降低了传统选星过程中卫星选择的循环次数。同时利用离散型Hopfield神经网络算法进行GDOP计算公式优化，采用等价GDOP公式进行几何精度因子计算，避免了传统GDOP计算公式中的矩阵求逆运算，极大减小了接收机信息解算过程中的运算量，满足用户对卫星定位精确性、实时性和鲁棒性的要求。该方法同时考虑了卫星空间几何分布等特殊情形，考虑各种复杂情况对选星结果的影响，能够成功实现北斗导航星座快速选星。
本发明提出的北斗导航星座快速选星方法从用户多颗可见卫星中选择6颗卫星进行定位解算，在尽量确保最优GDOP的基础上，利用离散型Hopfield神经网络算法进行GDOP计算公式优化，避免了传统选星方法中的矩阵求逆、矩阵乘法等复杂运算，使计算量降低了99%以上，满足用户对卫星定位精确性、实时性和鲁棒性的要求。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点,对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (9)

1.一种北斗导航星座快速选星方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
步骤S1：提取北斗卫星导航电文，获取北斗导航卫星星历和伪距观测量；
步骤S2：根据接收机当前位置计算北斗导航星座中所有可见卫星的仰角和方位角；
步骤S3：将可见卫星划分为高仰角区、中仰角区和低仰角区；
步骤S4：北斗导航星座下选择N（N=6）颗卫星参与接收机定位解算；
步骤S5：高仰角区选择一颗卫星，低仰角区选择一颗卫星，中仰角区选择两颗卫星；
步骤S6：采用如下神经网络GDOP计算多项式选择北斗导航星座中的第五颗和第六颗卫星：
<math display = 'block'> <mrow> <mi>GDOP</mi> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <mi>A</mi> <msubsup> <mi>m</mi> <mn>1</mn> <mn>3</mn> </msubsup> <mo>&amp;minus;</mo> <mi>B</mi> <msub> <mi>m</mi> <mn>1</mn> </msub> <msub> <mi>m</mi> <mn>2</mn> </msub> <mo>+</mo> <msub> <mi>m</mi> <mn>3</mn> </msub> </mrow> <mrow> <mi>C</mi> <msub> <mi>m</mi> <mn>4</mn> </msub> </mrow> </mfrac> </mrow> </math>（1）
其中，A=0.6，B=-1.2，C=3，系数A、B、C是采用离散型Hopfield神经网络算法拟合递推而来，且m1、m2、m3、m4满足如下方程式：
<math display = 'block'> <mrow> <mi>M</mi> <mo>=</mo> <msup> <mi>G</mi> <mi>T</mi> </msup> <mi>G</mi> </mrow> </math>（2）
<math display = 'block'> <mrow> <msub> <mi>m</mi> <mn>1</mn> </msub> <mo>=</mo> <mi>trace</mi> <mo stretchy='false'>(</mo> <mi>M</mi> <mo stretchy='false'>)</mo> </mrow> </math>（3）
<math display = 'block'> <mrow> <msub> <mi>m</mi> <mn>2</mn> </msub> <mo>=</mo> <mi>trace</mi> <mo stretchy='false'>(</mo> <msup> <mi>M</mi> <mn>2</mn> </msup> <mo stretchy='false'>)</mo> </mrow> </math>（4）
<math display = 'block'> <mrow> <msub> <mi>m</mi> <mn>3</mn> </msub> <mo>=</mo> <mi>trace</mi> <mo stretchy='false'>(</mo> <msup> <mi>M</mi> <mn>3</mn> </msup> <mo stretchy='false'>)</mo> </mrow> </math>（5）
<math display = 'block'> <mrow> <msub> <mi>m</mi> <mn>4</mn> </msub> <mo>=</mo> <mi>det</mi> <mo stretchy='false'>(</mo> <mi>M</mi> <mo stretchy='false'>)</mo> </mrow> </math>（6）
其中，G代表观测矩阵，GT代表观测矩阵的转置矩阵，trace()代表矩阵求迹运算，det()代表矩阵行列式运算；
步骤S7：针对接收机异常情况进行特殊处理。
2.根据权利要求1所述的一种北斗导航星座快速选星方法，其特征在于：所述步骤S1中，用户接收机根据北斗ICD文档和北斗卫星导航电文，计算出北斗导航卫星星历的开普勒轨道参数和北斗卫星在CGCS2000坐标系下的位置、速度信息，并通过本地时间和北斗卫星信号的发射时间构建北斗卫星伪距观测量。
3.根据权利要求1所述的一种北斗导航星座快速选星方法，其特征在于：所述步骤S2中，采用扩展卡尔曼滤波方法计算出上一时刻tk-1的接收机本地位置，并根据步骤S1中计算出的当前北斗导航星座中所有可见卫星的空间位置，获取当前北斗导航星座中tk时刻所有可见卫星的仰角和方位角信息。
4.根据权利要求1所述的一种北斗导航星座快速选星方法，其特征在于：所述步骤S3中，将北斗导航星座卫星中的仰角在65°到90°之间的卫星定义为高仰角区卫星，30°到64.9°之间的卫星定义为中仰角区卫星，5°到29.9°之间的卫星定义为低仰角区卫星。
5.根据权利要求1所述的一种北斗导航星座快速选星方法，其特征在于：所述步骤S4中，遮蔽角设置为5°，当北斗导航星座中相对于接收机的可见卫星仰角小于遮蔽角（5°）时，则此类卫星不参与接收机定位解算，并被剔除掉。
6.根据权利要求1所述的一种北斗导航星座快速选星方法，其特征在于：所述步骤S5中，高仰角区中仰角最高的北斗卫星作为第一颗接收机定位解算用卫星，低仰角区中仰角最低的北斗卫星作为第二颗接收机定位解算用卫星，中仰角区中两颗卫星的方位角相差最大的卫星作为第三和第四颗接收机定位解算用卫星。
7.根据权利要求1所述的一种北斗导航星座快速选星方法，其特征在于：所述步骤S6中，北斗导航星座中的第五颗和第六颗卫星具体选择方式如下：确定前四颗接收机定位解算用卫星后，从剩余所有可见卫星中选择一颗卫星进行遍历，即此时采用公式（1）计算五颗卫星的GDOP，选择使得GDOP数值最小的卫星作为第五颗定位解算用卫星；同理，确定前五颗接收机定位解算用卫星后，从剩余所有可见卫星中选择一颗卫星进行遍历，即此时采用公式（1）计算六颗卫星的GDOP，选择使得GDOP数值最小的卫星作为第六颗定位解算用卫星。
8.根据权利要求1所述的一种北斗导航星座快速选星方法，其特征在于：所述步骤S7中，若可见卫星数量少于接收机要选择的卫星数量（本发明中为六颗），则直接利用所有可见星进行定位解算；若可见卫星数量不足四颗，则无法进行接收机本地定位，并输出无法定位的提示信息。
9.根据权利要求1所述的一种北斗导航星座快速选星方法，其特征在于：所述步骤S7中，若本次选出的六颗解算用卫星GDOP数值过大（通常认为GDOP数值大于6时定位误差无法忍受），可选择临时增加选星频率以提高解算卫星更换频率。
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Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109459768A (zh) * 2018-09-03 2019-03-12 广东工业大学 一种基于北斗卫星信号强度权重优化模型的快速选星方法
CN109557567A (zh) * 2018-12-06 2019-04-02 中国电子科技集团公司第五十四研究所 一种改进型吉布斯采样的北斗卫星选择方法
CN110196436A (zh) * 2019-05-30 2019-09-03 中国人民解放军陆军工程大学 一种用于卫星导航接收机的快速选星方法
CN112904382A (zh) * 2021-01-25 2021-06-04 东南大学 一种城市峡谷环境下激光里程计辅助的快速优化选星方法
CN116299588A (zh) * 2023-03-17 2023-06-23 哈尔滨工业大学（深圳） 一种定位卫星选择方法、装置及存储介质

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102520422A (zh) * 2011-12-22 2012-06-27 成都金本华科技有限公司 北斗一号卫星无源定位选星方法
CN103499822A (zh) * 2013-10-14 2014-01-08 北京大学 一种基于最优gdop和牛顿恒等式的双星座快速选星方法
CN103823224A (zh) * 2014-03-04 2014-05-28 南京航空航天大学 一种基于北斗卫星导航系统的分轨选星方法
CN103954982A (zh) * 2014-04-18 2014-07-30 中国人民解放军国防科学技术大学 基于多模gnss接收机的可见卫星快速选择方法
CN105785412A (zh) * 2016-03-03 2016-07-20 东南大学 一种基于gps和北斗双星座的车辆快速优化选星定位方法
CN106054216A (zh) * 2016-05-24 2016-10-26 中国人民解放军信息工程大学 基于gdop和uere的多模gnss选星方法
CN106405587A (zh) * 2016-10-27 2017-02-15 广州海格通信集团股份有限公司 一种基于多系统卫星组合导航的选星方法

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102520422A (zh) * 2011-12-22 2012-06-27 成都金本华科技有限公司 北斗一号卫星无源定位选星方法
CN103499822A (zh) * 2013-10-14 2014-01-08 北京大学 一种基于最优gdop和牛顿恒等式的双星座快速选星方法
CN103823224A (zh) * 2014-03-04 2014-05-28 南京航空航天大学 一种基于北斗卫星导航系统的分轨选星方法
CN103954982A (zh) * 2014-04-18 2014-07-30 中国人民解放军国防科学技术大学 基于多模gnss接收机的可见卫星快速选择方法
CN105785412A (zh) * 2016-03-03 2016-07-20 东南大学 一种基于gps和北斗双星座的车辆快速优化选星定位方法
CN106054216A (zh) * 2016-05-24 2016-10-26 中国人民解放军信息工程大学 基于gdop和uere的多模gnss选星方法
CN106405587A (zh) * 2016-10-27 2017-02-15 广州海格通信集团股份有限公司 一种基于多系统卫星组合导航的选星方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
FANCHEN MENG, BOCHENG ZHU AND SHAN WANG: ""A new fast satellite selection algorithm for BDS-GPS receivers", 《SIPS 2013 PROCEEDINGS》 *

Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109459768A (zh) * 2018-09-03 2019-03-12 广东工业大学 一种基于北斗卫星信号强度权重优化模型的快速选星方法
CN109557567A (zh) * 2018-12-06 2019-04-02 中国电子科技集团公司第五十四研究所 一种改进型吉布斯采样的北斗卫星选择方法
CN109557567B (zh) * 2018-12-06 2020-06-12 中国电子科技集团公司第五十四研究所 一种改进型吉布斯采样的北斗卫星选择方法
CN110196436A (zh) * 2019-05-30 2019-09-03 中国人民解放军陆军工程大学 一种用于卫星导航接收机的快速选星方法
CN112904382A (zh) * 2021-01-25 2021-06-04 东南大学 一种城市峡谷环境下激光里程计辅助的快速优化选星方法
CN112904382B (zh) * 2021-01-25 2022-05-13 东南大学 一种城市峡谷环境下激光里程计辅助的快速优化选星方法
CN116299588A (zh) * 2023-03-17 2023-06-23 哈尔滨工业大学（深圳） 一种定位卫星选择方法、装置及存储介质
CN116299588B (zh) * 2023-03-17 2023-11-14 哈尔滨工业大学（深圳） 一种定位卫星选择方法、装置及存储介质

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