CN110196436B - 一种用于卫星导航接收机的快速选星方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于卫星导航接收机的快速选星方法。该方法包括步骤有：计算卫星概略位置，预选星座，计算贡献值，按照几何精度因子的贡献值的大小进行排序，从小到大将贡献值小的导航卫星逐一剔除，直至剩余的导航卫星数目满足定位计算所需的最小导航卫星数量的要求。该快速选星方法具有很好的通用性和鲁棒性，可以以较低的计算量将具有最佳几何布局的6～8颗导航卫星快速遴选出来，指导卫星导航接收机完成对有效卫星信号的高效捕获，获得资源、时间消耗和定位精度之间的平衡。

Description

一种用于卫星导航接收机的快速选星方法

技术领域

本发明涉及卫星导航技术领域，尤其涉及一种用于卫星导航接收机的快速选星方法。

背景技术

随着全球卫星导航系统的发展，卫星导航接收机开机时可见卫星数量显著增加，预计未来在亚太地区任意时刻可见的导航卫星数量可以达到40～50颗。选星问题之所以存在，是因为随着国际上多个卫星导航系统的发展以及每个系统卫星数量的增加，用户可见导航卫星的数量显著增加，而与此相对应，用户终端出于减少复杂度和降低功耗的考虑，可能只有12～24个接收通道，存在卫星多而通道少的问题，故此产生了选星问题。

按照现有技术，如果卫星导航接收机按顺序接收所有卫星的导航信号，一方面影响首次定位时间，另一方面增加接收机的功率消耗。另外，当卫星数量大于一定数值后，对几何精度因子的改善也将十分有限。

现有的卫星导航接收机的选星方法是将所有的可选组合进行遍历运算，例如10星选6星的过程中，就需要完成210种组合的计算。而可选卫星数提高至40星后，需要完成的计算组合数将达到383830种，因此传统的选星方法在卫星数量急剧增加的情况下变得无法承担。一方面接收机的功耗会增加，另一方面接收机的首次定位时间也将会变得十分漫长，严重影响导航接收机的用户体验。

发明内容

本发明主要解决的技术问题是提供一种用于卫星导航接收机的快速选星方法，解决现有技术中由于可见导航卫星数量较多的原因带来的接收机选星时间长、功耗增加进而影响快速定位的问题。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是提供一种用于卫星导航接收机的快速选星方法，包括以下步骤：计算卫星概略位置，利用已知的卫星历书概略计算导航接收机所在位置上空可见的多颗导航卫星相对于所述导航接收机的空间位置信息；预选星座，根据所述多颗导航卫星相对于所述导航接收机的空间位置信息，从中选取空间位置均匀分布的部分导航卫星组成预选星座；计算贡献值，对所述预选星座中的每颗导航卫星对几何精度因子的贡献值进行计算；按照贡献值的大小进行排序，从小到大将贡献值小的导航卫星逐一剔除，直至剩余的导航卫星数目满足定位计算所需的最小导航卫星数量的要求。

在本发明用于卫星导航接收机的快速选星方法另一实施例中，所述空间位置信息包括导航卫星相对于所述导航接收机的仰角和方位角。

在本发明用于卫星导航接收机的快速选星方法另一实施例中，所述预选星座包括高仰角的导航卫星和低仰角的导航卫星，并且所述低仰角的导航卫星的方位角在360度周向范围内均匀布设。

在本发明用于卫星导航接收机的快速选星方法另一实施例中，每颗导航卫星对几何精度因子的贡献值的计算方法包括：

第一步，设H_m为选择m个导航卫星作为观测量时的观测矩阵，从m个观测量中去掉第i个导航卫星观测量，得到m－1颗导航卫星的观测矩阵

两者有如下关系：

其中，h_i为第i个观测量的观测矢量；

第二步，由Sherman-Morrison公式得：

其中，

是一个标量，记为S_i，因此有：

去掉一个观测量后的

比

多出一项，为了确定

的正负，将

进行奇异值分解得到：

其中，U和V分别为(m-1)×(m-1)和4×4的正交矩阵，S是(m-1)×4对角线矩阵；

第三步，再将

等式两边进行相同的正交变换，并使用Sherman－Morrison公式得出：

其中，Z＝S^TS＝diag(z₁₁,z₂₂,z₃₃,z₄₄)，

由于正交变换不改变矩阵的迹，于是得：

其中，ν_z＝Z^-1ν，

因此有：

第四步，确定每颗卫星对当前几何精度因子的贡献值为：

本发明的有益效果是：本发明公开了一种用于卫星导航接收机的快速选星方法。该方法包括步骤有：计算卫星概略位置，预选星座，计算贡献值，按照贡献值的大小进行排序，从小到大将贡献值小的导航卫星逐一剔除，直至剩余的导航卫星数目满足定位计算所需的最小导航卫星数量的要求。该快速选星方法具有很好的通用性和鲁棒性，可以以较低的计算量将具有最佳几何布局的6～8颗导航卫星快速遴选出来，指导卫星导航接收机完成对有效卫星信号的高效捕获，获得资源、时间消耗和定位精度之间的平衡。

附图说明

图1是根据本发明用于卫星导航接收机的快速选星方法一实施例的流程图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面结合附图和具体实施例，对本发明进行更详细的说明。附图中给出了本发明的较佳的实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本说明书所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。

需要说明的是，除非另有定义，本说明书所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是用于限制本发明。本说明书所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

图1显示了本发明用于卫星导航接收机的快速选星方法一实施例的流程图。在图1中，包括步骤：

步骤S101，计算卫星概略位置，利用已知的卫星历书概略计算导航接收机所在位置上空可见的多颗导航卫星相对于所述导航接收机的空间位置信息；

步骤S102，预选星座，根据所述多颗导航卫星相对于所述导航接收机的空间位置信息，从中选取空间位置均匀分布的部分导航卫星组成预选星座；

步骤S103，计算贡献值，对所述预选星座中的每颗导航卫星对几何精度因子的贡献值进行计算；

步骤S104，按照贡献值的大小进行排序，从小到大将贡献值小的导航卫星逐一剔除，直至剩余的导航卫星数目满足定位计算所需的最小导航卫星数量的要求。

优选的，在步骤S101和S102中，所述空间位置信息包括导航卫星相对于所述导航接收机的仰角和方位角。

优选的，在步骤S102中，所述预选星座包括高仰角的导航卫星和低仰角的导航卫星，并且所述低仰角的导航卫星的方位角在360度周向范围内均匀布设。

这里，通过预选星座来选择几何精度因子较高的导航卫星，有利于通过这些卫星提供给导航接收机更高的定位准确度。需要说明的是，几何精度因子反映了定位几何的多样性，各个导航卫星的信号的波达方向变化越大，则获得的几何精度因子越高。例如，如果导航卫星信号主要来自西南和东南方向，则导航接收机在东西方向上定位所需的几何精度因子会较好，而南北方向上定位所需的几何因子较差。优选的，选择一颗仰角最高的卫星，同时在不同的象限，优选为4个象限，在每个象限中选择仰角最低的3颗卫星来组成预选星座。

但是当在选择预选星座中导航卫星时，往往会出现仰角和方位角难以兼顾的情况，此时已经无法直观判断，必须依靠定量计算的方法，来分析出每颗导航卫星的几何精度因子的影响力，为选星提供定量依据。

因此进一步优选的，在步骤S103中，在预选星座中，每颗导航卫星对此时几何精度因子的贡献值是不同的，该贡献值(也称之为几何因子增量)的计算方法包括：

第一步，设H_m为选择m个导航卫星作为观测量时的观测矩阵，从m个观测量中去掉第i个导航卫星观测量，得到m－1颗导航卫星的观测矩阵

两者有如下关系：

其中，h_i为第i个观测量的观测矢量；

第二步，由Sherman-Morrison公式得：

其中，

是一个标量，记为S_i，因此有：

这里，trace表示求矩阵的迹，迹为矩阵对角线元素的和，DOP(geometricdilution of precision)在这里表示几何精度因子，该因子描述导航卫星几何布局与定位精度之间的关系。去掉一个观测量后的

比

多出一项，为了确定

的正负，将

进行奇异值分解得到：

其中，U和V分别为(m-1)×(m-1)和4×4的正交矩阵，S是(m-1)×4对角线矩阵；

第三步，再将

等式两边进行相同的正交变换，并使用Sherman－Morrison公式得出：

其中，Z＝S^TS＝diag(z₁₁,z₂₂,z₃₃,z₄₄)，

由于正交变换不改变矩阵的迹，于是得：

其中，ν_z＝Z^-1ν，

由此证明了几何精度因子变化值的非负性。

因此有：

第四步，确定每颗卫星对当前几何精度因子的贡献值为：

该贡献值始终是正的，该值越大，则表明该星对几何精度因子的贡献越大，越应该保留。

由此可见，本发明采用首先是完成最优星座的初选，即依据仰角、方位角的均匀分布为要求，可以完成5～8颗卫星的初选。

在该小范围的星座内，再利用对每个导航卫星的几何精度因子的贡献值进行计算并进行排序，将贡献值最小的卫星排除在星座之外。当还未达到需要的最小卫星数时，则继续在已有的卫星星座中进行几何精度因子的贡献值计算和排序，完成对几何精度因子影响较小卫星的剔除，直至剩余的卫星数目满足最小卫星数的要求。

本发明综合了定性判断和定量计算两种手段，通过简单运算即可实现对最佳预选星座的准确选定。对于多系统选星，例如从多个卫星定位系统中选择多颗卫星，也可以采用类似的方法，只是初选范围需要适当扩大，同时观测矩阵的状态量需要从4维变为5维或6维，但基本流程是相同的。

采用本发明快速选星方法后，需要完成的计算量将显著下降，可以以较低的计算量将具有最佳或准最佳几何布局的6～8颗卫星遴选出来，指导接收机完成高效捕获，获得资源、时间消耗和定位精度之间的平衡。以可见星数40星为例，按照现有技术的最佳搜索的原则，40颗星当中挑出8颗卫星，需要进行

次几何精度因子计算，并根据计算结果排序后选择出具有最佳几何精度因子值的卫星组合。而采用本申请方法后，可以直接将部分对定位精度影响较小的卫星淘汰，然后在10～20颗卫星范围内进行穷举式搜索，完成最佳卫星组合的选择。计算量将会有3个数量级以上的减少，本申请新方法运算量仅为1/1000，而带来的几何精度因子恶化仅为0.3，对定位精度影响非常微小。

因此，本质上本发明是用一种计算量较小的方法来替代性能最佳，但计算量巨大的穷举式搜索法。因此本申请的方法在计算量显著减少的情况下，所获得参与解算的卫星组合的几何精度因子也将出现部分降低。几何精度因子是描述卫星空间几何布局性能的主要指标，反映的是一种放大和倍数关系，因此是没有量纲的，通常情况下，该数值在2～3之间。

由此可见，本发明公开了一种用于卫星导航接收机的快速选星方法。该方法包括步骤有：计算卫星概略位置，预选星座，计算贡献值，按照贡献值的大小进行排序，从小到大将贡献值小的导航卫星逐一剔除，直至剩余的导航卫星数目满足定位计算所需的最小导航卫星数量的要求。本方法就是要将对定位精度影响较小的卫星予以剔除，保留影响力较大的卫星，充分利用地面卫星接收终端已有通道资源，实现定位精度和通道资源的最佳组合。该快速选星方法具有很好的通用性和鲁棒性，可以以较低的计算量将具有最佳几何布局的6～8颗导航卫星快速遴选出来，指导卫星导航接收机完成对有效卫星信号的高效捕获，获得资源、时间消耗和定位精度之间的平衡。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (4)

1.一种用于卫星导航接收机的快速选星方法，其特征在于，包括以下步骤：

计算卫星概略位置，利用已知的卫星历书概略计算导航接收机所在位置上空可见的多颗导航卫星相对于所述导航接收机的空间位置信息；

预选星座，根据所述多颗导航卫星相对于所述导航接收机的空间位置信息，从中选取空间位置均匀分布的部分导航卫星组成预选星座；选择一颗仰角最高的卫星，同时在4个不同的象限，在每个象限中选择仰角最低的3颗卫星来组成预选星座；

计算贡献值，对所述预选星座中的每颗导航卫星对几何精度因子的贡献值进行计算；

按照贡献值的大小进行排序，从小到大将贡献值小的导航卫星逐一剔除，直至剩余的导航卫星数目满足定位计算所需的最小导航卫星数量的要求。

2.根据权利要求1所述的用于卫星导航接收机的快速选星方法，其特征在于，所述空间位置信息包括导航卫星相对于所述导航接收机的仰角和方位角。

3.根据权利要求2所述的用于卫星导航接收机的快速选星方法，其特征在于，所述预选星座包括高仰角的导航卫星和低仰角的导航卫星，并且所述低仰角的导航卫星的方位角在360度周向范围内均匀布设。

4.根据权利要求3所述的用于卫星导航接收机的快速选星方法，其特征在于，每颗导航卫星对几何精度因子的贡献值的计算方法包括：

第一步，设H_m为选择m个导航卫星作为观测量时的观测矩阵，从m个观测量中去掉第i个导航卫星观测量，得到m－1颗导航卫星的观测矩阵

两者有如下关系：

其中，h_i为第i个观测量的观测矢量；

第二步，由Sherman-Morrison公式得：

其中，

是一个标量，记为S_i，因此有：

去掉一个观测量后的

比

多出一项，为了确定

的正负，将

进行奇异值分解得到：

其中，U和V分别为(m-1)×(m-1)和4×4的正交矩阵，S是(m-1)×4对角线矩阵；

第三步，再将

等式两边进行相同的正交变换，并使用Sherman－Morrison公式得出：

其中，Z＝S^TS＝diag(z₁₁,z₂₂,z₃₃,z₄₄)，

由于正交变换不改变矩阵的迹，于是得：

其中，ν_z＝Z^-1ν，

几何精度因子变化值具有非负性，

因此有：

第四步，确定每颗卫星对当前几何精度因子的贡献值为：

Images