CN107505637A - 一种基于相对伪距的热启动定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于相对伪距的热启动定位方法，该方法包括下列顺序的步骤：接收机对全部卫星信号进行捕获和跟踪，实现码同步、比特同步、帧同步；帧同步后读取首个完整子帧信息获得当前卫星信号的准确发射时间虚构一个本地时间T_LOT；利用星历和卫星信号的准确发射时间计算卫星位置，再结合虚构的本地时间T_LOT建立相对伪距方程组。本发明降低了对热启动先验条件的依赖性，无需维护良好的本地时间、本地概略位置、RTC时钟等先验信息，只需要有保存完整的星历，即可在短时间内得到接收机的位置和本地时间。

Description

一种基于相对伪距的热启动定位方法

技术领域

本发明涉及卫星导航技术领域，尤其是一种基于相对伪距的热启动定位方法。

背景技术

随着GPS导航定位产品的广泛使用，用户对GPS导航定位产品的性能要求越来越高，其中，热启动的首次定位时间已成为各款GPS产品互相竞争的一个重要参数。而伴随热启动首次定位时间的另一个重要指标是热启动的成功率，这个指标往往被忽视，虽然目前还没有一个量化的标准来计算热启动的成功率，但是可以通过定性的分析衡量热启动的成功率。

保证热启动首次定位成功需要以下几个条件：①保存有大于等于4套的完整星历信息；②保存正确的上次关机时的本地时刻；③实时时钟RTC正确计量关机时间，并且误差小于10ms；④保存接收机的概略位置；⑤其他必须满足的条件。若要保证热启动定位成功，上述5个条件必须同时满足，只要其中有一个条件不满足，都将导致热启动失败。那么提高热启动的成功率的一个重要途径就是降低热启动对上述条件的依赖，即缺少其中1个或2个或3个条件，热启动仍然可以顺利进行。目前，热启动定位方法需要同时满足上述5个条件才可以热启动，要求比较苛刻。

发明内容

本发明的目的在于提供一种降低了对热启动先验条件的依赖性，提高了热启动的成功率的基于相对伪距的热启动定位方法。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：一种基于相对伪距的热启动定位方法，该方法包括下列顺序的步骤：

(1)接收机对全部卫星信号进行捕获和跟踪，实现码同步、比特同步、帧同步；帧同步后读取首个完整子帧信息获得当前卫星信号的准确发射时间

(2)虚构一个本地时间T_LOT；

(3)利用星历和卫星信号的准确发射时间计算卫星位置，再结合虚构的本地时间T_LOT建立相对伪距方程组。

在步骤(2)中，所述虚构的本地时间T_LOT是一个参考时间，该参考时间为子帧1的起点，或为周内秒范围内的任意时刻。

所述步骤(3)具体是指：

利用和星历计算卫星的位置其中，S为卫星位置，S_x、S_y、S_z为S的三维分量；结合虚构本地时间电离层延迟I⁽ⁿ⁾、对流层延迟T⁽ⁿ⁾得到修正后的相对伪距观测方程为：

其中，C为光速，δt为钟差，为修正后的伪距，ρ⁽ⁿ⁾为修正前的伪距；

构造的相对伪距方程为：

其中，(x y z)为待求的接收机位置；

定位解算方程组可表示为：

由上式可得：

将解算出的待求的接收机位置(x y z)代入到(式3)中，即可得到δt，这里的δt为虚构的本地时间与卫星时钟之间的钟差，那么本地时刻为：

T_LOCAL＝T_LOT+δt (式4)。

由上述技术方案可知，本发明的优点在于：第一，本发明降低了对热启动先验条件的依赖性，无需维护良好的本地时间、本地概略位置、RTC时钟等先验信息，只需要有保存完整的星历，即可在短时间内得到接收机的位置和本地时间；第二，也无需重构卫星发射时刻和处理1ms模糊度问题，减小了热启动算法对先验条件的依赖性和计算复杂度，提高了热启动的成功率。

附图说明

图1本发明的方法流程图；

图2为本发明的仿真实验结果示意图。

具体实施方式

如图1所示，一种基于相对伪距的热启动定位方法，该方法包括下列顺序的步骤：

(1)接收机对全部卫星信号进行捕获和跟踪，实现码同步、比特同步、帧同步；帧同步后读取首个完整子帧信息获得当前卫星信号的准确发射时间

(2)虚构一个本地时间T_LOT；

(3)利用星历和卫星信号的准确发射时间计算卫星位置，再结合虚构的本地时间T_LOT建立相对伪距方程组。

所述步骤(1)具体是指：接收机对全部卫星信号进行捕获和跟踪，实现码同步、比特同步、帧同步。与冷启动不同的是，本方法只要帧同步后读取首个完整子帧，目的是通过该子帧获得当前卫星信号的准确发射时间由于已经保存有完整的星历信息，因此无需读取全部子帧。

在步骤(2)中，所述虚构的本地时间T_LOT是一个参考时间，该参考时间为子帧1的起点，或为周内秒范围内的任意时刻。子帧1是GPS电文结构编排格式，是一种通用说法；周内秒范围为0至604800秒。

所述步骤(3)具体是指：

利用和星历计算卫星的位置其中，S为卫星位置，S_x、S_y、S_z为S的三维分量；结合虚构本地时间电离层延迟I⁽ⁿ⁾、对流层延迟T⁽ⁿ⁾得到修正后的相对伪距观测方程为：

其中，C为光速，δt为钟差，为修正后的伪距，ρ⁽ⁿ⁾为修正前的伪距；

构造的相对伪距方程为：

其中，(x y z)为待求的接收机位置；

定位解算方程组可表示为：

由上式可得：

则无论虚构的参考本地时间取何值，各个卫星到接收机的伪距相对关系是一定的，因此这也可以得出虚构的本地时间是不受限制的。同时由于获得的信号发射时刻是准确的，则解算得到的接收机位置也是准确的。将解算出的待求的接收机位置(x y z)代入到(式3)中，即可得到δt，这里的δt为虚构的本地时间与卫星时钟之间的钟差，那么本地时刻为：

T_LOCAL＝T_LOT+δt (式4)。

这里的δt与一般意义上的钟差不同，通常，采用绝对伪距进行定位解算时得到的δt是接收机时钟与卫星时钟之间的钟差，而本发明解得的δt为虚构的本地时间与卫星时钟之间的钟差。因此，本方法不仅可以得到本地位置，还可以得到本地时间。与原有的热启动算法相比，本方法无需重构信号发射时刻，减少了算法的步骤，避免了出现1ms模糊度问题，减少了算法循环迭代的次数，减少了计算量和计算时间。

基于相对伪距的热启动算法分析：

(1)成功率分析

保证热启动首次定位成功需要以下几个必要条件：

①保存有大于等于4套的完整星历信息，该条件满足的概率为p₁且0≤p₁≤1；

②保存正确的上次关机时的本地时刻，该条件满足的概率为p₂且0≤p₂≤1；

③实时时钟RTC正确计量关机时间，并且误差小于10ms，该条件满足的概率为p₃且0≤p₃≤1；

④保存接收机的概略位置，该条件满足的概率为p₄且0≤p₄≤1；

⑤其他必须满足的条件，该条件满足的概率为p₅且0≤p₅≤1。

若要保证热启动定位成功，上述5个条件必须同时满足。那么，只要其中有一个条件不满足，都将导致热启动失败，因此热启动成功定位的概率为：

P_{h_s}＝p₁×p₂×p₃×p₄×p₅ (式5)

则对应的热启动失败概率为：

P_{h_f}＝1-p₁×p₂×p₃×p₄×p₅ (式6)

理论上只有当p₁、p₂、p₃、p₄、p₅全为1时，失败的概率最低为0，成功的概率最高为1，从而热启动依赖的条件越多，失败率越高。

本发明提出的一种基于相对伪距的热启动定位算法只需要满足条件①、⑤即可成功热启动，因此热启动成功率为：

P_{rp_s}＝p₁×p₅ (式7)

失败率为：

P_{rp_f}＝1-p₁×p₅ (式8)

则：

P_{rp_f}≤P_{h_f} (式9)

只有当p₂、p₃、p₄全为1时取等号，而现实当中是无法保证p₂、p₃、p₄全为1的，这是十分难实现的，那么

P_{rp_s}＞P_{rp_s} (式10)

因此，本发明提出的基于相对伪距的热启动定位算法必将提高热启动的成功率。

(2)首次定位时间分析

如果不考虑数据校验错误、干扰等问题，接收机对信号的捕获、跟踪以及定位计算部分可以在1s内完成，实现帧同步并且读取一个完整子帧数据需要的时间是决定该热启动算法首次定位时间的决定因素。最幸运的情况下，比特同步完成后马上遇上子帧帧头的第1比特，从完成帧同步到读取首个完整子帧数据需要6s，这种情况下首次定位的时间为7s以内。最不幸的情况下，比特同步完成后马上遇到的是子帧帧头的第2比特，那么需要等到下一个子帧到达时才能实现帧同步，而读取首个完整子帧数据需要12s，这种情况下首次定位的时间为13s内。因此，本发明方法的首次定位时间为7s至13s。

虽然本方法的热启动首次定位时间比一般意义上的热启动定位时间长，但是本方法需要的先验信息较少，成功率更高。对于一般意义上的热启动而言，当前面所提到热启动必需的5个条件中只要缺少1个，热启动就无法进行，必须被迫进行冷启动，而进行冷启动最短首次定位时间也要18s以上，该时间仍大于本发明提出热启动方法的最大定位时间13s，因此本发明提出的基于相对伪距的热启动定位方法是具有十分重要的使用价值的。

为了更进一步证明本发明的可行性，仿真实验在C++编写的软件接收机下进行，仿真数据为对天采集的实际GPS卫星信号，定位结果的输出频率为10Hz，其他参数设置及结果如图2所示。

从图2中结果可以看出，输出10次定位结果后的时间是9.3秒，那么首次定位的时间为8.3s，定位误差小于5米。5号星是最后完成帧同步的，因此分析首次定位时间消耗以5号星的时间分布为准。5号星完成捕获、环路配置、跟踪，消耗0.2s；完成比特同步，消耗0.4s；比特同步成功后立即启动帧同步，帧同步过程中最先遇到的是子帧3的第8个字的第5个比特，因此数据需再滑过85个比特直到子帧4的到来，消耗1.7s；再读取完整的子帧4数据，消耗6秒；定位解算消耗11ms；因此，首次定位共计消耗8.3s。

综上所述，本发明降低了对热启动先验条件的依赖性，无需维护良好的本地时间、本地概略位置、RTC时钟等先验信息，只需要有保存完整的星历，即可在短时间内得到接收机的位置和本地时间；也无需重构卫星发射时刻和处理1ms模糊度问题，减小了热启动算法对先验条件的依赖性和计算复杂度，提高了热启动的成功率。

Claims (3)

1.一种基于相对伪距的热启动定位方法，该方法包括下列顺序的步骤：

(1)接收机对全部卫星信号进行捕获和跟踪，实现码同步、比特同步、帧同步；帧同步后读取首个完整子帧信息获得当前卫星信号的准确发射时间

(2)虚构一个本地时间T_LOT；

(3)利用星历和卫星信号的准确发射时间计算卫星位置，再结合虚构的本地时间T_LOT建立相对伪距方程组。

2.根据权利要求1所述的基于相对伪距的热启动定位方法，其特征在于：在步骤(2)中，所述虚构的本地时间T_LOT是一个参考时间，该参考时间为子帧1的起点，或为周内秒范围内的任意时刻。

3.根据权利要求1所述的基于相对伪距的热启动定位方法，其特征在于：所述步骤(3)具体是指：

利用和星历计算卫星的位置其中，S为卫星位置，S_x、S_y、S_z为S的三维分量；结合虚构本地时间电离层延迟I⁽ⁿ⁾、对流层延迟T⁽ⁿ⁾得到修正后的相对伪距观测方程为：

其中，C为光速，δt为钟差，为修正后的伪距，ρ⁽ⁿ⁾为修正前的伪距；

构造的相对伪距方程为：

其中，(x y z)为待求的接收机位置；

定位解算方程组可表示为：

由上式可得：

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将解算出的待求的接收机位置(x y z)代入到(式3)中，即可得到δt，这里的δt为虚构的本地时间与卫星时钟之间的钟差，那么本地时刻为：

T_LOCAL＝T_LOT+δt (式4)。