CN111159618A - 一种提高北斗二号卫星接收机pvt计算速度的方法 - Google Patents

一种提高北斗二号卫星接收机pvt计算速度的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种提高北斗二号卫星接收机PVT计算速度的方法，包括使用轮循方法计算各卫星的位置、速度和伪距修正，并基于计算出的各卫星的位置、速度和伪距修正计算用户的位置、速度和时间。其中，在使用轮循的方法过程中，当上次通过广播电文进行计算的计算时间与当前时间的时间间隔小于阈值时，基于上次通过广播电文计算的卫星位置、速度、加速度和第一时间间隔推算得到当前卫星位置和速度，反之则通过广播电文计算当前卫星位置和速度；且当上次获取伪距修正值的时间与当前时间的时间间隔小于第二阈值时，沿用上次获取的伪距修正值，反之再次获取新的伪距修正值。本发明极大地减小了系统运算量，提高了运算速度。

Description

一种提高北斗二号卫星接收机PVT计算速度的方法
技术领域
本发明属于卫星接收机PVT(Position-Velocity-Time，位置-速度-时间)计算技术领域，具体涉及一种提高北斗二号卫星接收机PVT计算速度的方法。
背景技术
随着北斗卫星导航系统的逐渐成熟，国内涌现出一批开发北斗系统的公司，基于不同的应用开发了自主知识产权的卫星定位基带和射频芯片。随着技术的发展，北斗系统的用户段由系统化、终端化走向模块化、芯片化已是必然趋势。
北斗二号卫星导航系统单模型(RNSS)嵌入式模块充分利用和借鉴了北斗二号通用机型已有技术和成果，采用国产军用多模多频基带芯片和射频芯片设计，基带芯片集成了基带处理、ARM CPU内核和绝大多数外围接口，射频芯片集成了系统所需射频通道。因此，基于这种高度集成的SoC，将节省成本、降低功耗并减小产品尺寸，使得OEM板卡产品在价格和便携性上具备显著的优势。可集成于各种单兵设备、战斗车辆、保障车辆、地面侦察装备、指挥系统等装备中使用。同时，该模块对资源利用方面提出了较高的要求。
接收机PVT计算是指接收机接收卫星广播信号后，计算出本地位置、速度、时间(PVT)的过程，北斗二号接收机的PVT由接收机独立解算，即先确定卫星的位置速度和卫星到用户的伪距，再以此计算用户的位置速度。在系统中，卫星的位置速度由导航电文的星历或历书计算获得，伪距由其原始观测值经修正模型修正后获得。这两个过程均具有操作复杂度高，计算数据量大的特点。在实际的应用中，传统的解算方法将会在一个周期内对所有的卫星都进行位置速度计算和伪距修正，这将耗费大量的时间及系统资源，从而降低系统的稳定性。目前提高卫星接收机PVT计算速度的较常用方法是更换内核芯片，或做芯片倍频处理等。然而，这些方法将会产生增加硬件成本、降低系统性能指标或增加系统损耗等影响。
发明内容
发明目的：针对背景中存在的问题和不足之处，本发明提供一种提高北斗二号卫星接收机PVT计算速度的方法。
技术方案：本发明提出的提高北斗二号卫星接收机PVT计算速度的方法包括如下步骤：(1)为各卫星排序并按序依次遍历各卫星，每遍历到一个卫星，执行以下操作：(11)判断是否已通过广播电文计算过当前卫星的位置、速度、加速度三项参数，且上次计算时间与当前时间的时间间隔小于第一阈值；若是，则基于上次通过广播电文计算的卫星位置、速度、加速度和所述时间间隔推算当前卫星位置、速度和加速度；反之，则直接通过广播电文计算当前卫星位置、速度、加速度三项参数，并记录当前时间；(12)对各伪距修正分量进行分类，将随时间变化量大的伪距修正分量作为第一类伪距修正分量，其余伪距修正分量作为第二类伪距修正分量；(13)对于第一类伪距修正分量，通过计算更新各伪距修正分量的值；对于第二类伪距修正分量，判断是否已计算过对应第二类伪距修正分量的值，且上次计算第二类伪距修正分量的值的时间与当前时间的时间间隔小于第二阈值；若是，则直接延用上次计算的对应伪距修正分量的值；反之，则通过计算更新对应伪距修正分量的值；(2)在遍历完所有卫星后，基于各卫星的位置、速度以及到用户的各伪距修正分量值计算用户的PVT，并输出计算结果。
进一步地，步骤(1)中，为各卫星排序并按序依次遍历各卫星包括：按接收机的捕获通道号排序，并按接收机的捕获通道号依次遍历各个捕获通道，每遍历到一个通道，判断该捕获通道是否捕获到卫星，若捕获到卫星，则遍历至捕获到的卫星，若没有捕获到卫星，则遍历至下一个通道。
进一步地，步骤(11)中，基于上次计算的卫星位置、速度、加速度和上次通过广播电文进行计算的时间与当前时间的时间间隔计算当前卫星位置、速度和加速度，具体包括利用下式计算当前卫星位置、速度和加速度：
Figure BDA0002287269280000021
Figure BDA0002287269280000022
其中，[Xk,Yk,Zk]T为推算得到的卫星三维位置值；
Figure BDA0002287269280000023
为推算得到的卫星三维速度值；[Xk-1,Yk-1,Zk-1]T为上次通过广播电文计算的卫星三维位置值；
Figure BDA0002287269280000031
为上次通过广播电文计算的卫星三维速度值；
Figure BDA0002287269280000032
为上次通过广播电文计算的卫星三维加速度值；Δt为上次通过广播电文进行计算的时间与当前时间的时间间隔。
进一步地，所述第一阈值和所述第二阈值均等于所述接收机的卫星捕获通道数除以解算频率。
进一步地，步骤(12)中，所述第一类伪距修正分量包括钟差修正、地球自转修正；所述第二类伪距修正分量包括相对论效应修正、电离层修正、对流层修正。
有益效果：相比较现有技术，本发明在没有对外部硬件环境进行改动且保证接收机指标的前提下，针对PVT计算中卫星位置速度计算和伪距修正两个处理模块，从纯算法的角度解决了传统计算方法操作复杂度高，计算数据量大的缺点，达到了在实际使用中提高PVT计算速度的目的，节省了系统开销。经实测每个周期内最快的计算速度可缩短到原来的近1/4，效果显著。同时，本发明提出的方法可与目前常用更换内核芯片或做芯片倍频处理的方法同时使用，以达到更好的处理效果。
附图说明
图1为本发明的一个实施例的总体流程图；
图2为使用本发明提出算法之前的程序的花费时间；
图3为使用本发明提出算法之后的程序的花费时间。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明：
在本实施例中，为确保PVT计算顺利进行，需要先确定当前北斗二号接收机处于正常PVT解算状态，即北斗二号接收机可连续稳定输出本地PVT解算结果。在确定接收机处于正常PVT解算状态后，进行PVT计算。
如图1，本实施例的提高北斗二号卫星导航接收机PVT计算速度的方法的具体流程包括：
第一步：为各卫星排序并按序依次遍历各卫星，每遍历到一个卫星，执行步骤(1)至步骤(3)。其中，为各卫星排序包括按接收机的卫星捕获通道号进行排序。例如，通道1所捕获的卫星的序号为1，通道2所捕获的卫星的序号为2，以此类推。按序依次遍历各卫星包括判断该捕获通道是否捕获到卫星，若捕获到卫星，则遍历至捕获到的卫星，若没有捕获到卫星，则遍历至下一个通道，继续判断对应通道是否捕获到卫星，以此类推。步骤(1)至步骤(3)具体为：
步骤(1)：判断是否已通过广播电文计算过当前卫星的位置、速度、加速度三项参数，且上次计算时间与当前时间的时间间隔小于第一阈值。该第一阈值为接收机的卫星捕获通道数除以接收机的解算频率。对于捕获通道数为16，解算频率为2Hz的接收机，第一阈值为8s。
若已经计算过且间隔时间小于第一阈值，则：获取上次计算的卫星位置、速度和加速度；获取上次通过广播电文计算卫星位置的时间，算出与当前时间的时间间隔；基于上次通过广播电文计算的卫星位置、速度、加速度和时间间隔推算当前卫星位置、速度和加速度，具体的推算公式为：
Figure BDA0002287269280000041
Figure BDA0002287269280000042
其中，[Xk,Yk,Zk]T为推算得到的卫星三维位置值；
Figure BDA0002287269280000043
为推算得到的卫星三维速度值；[Xk-1,Yk-1,Zk-1]T为上次通过广播电文计算的卫星三维位置值；
Figure BDA0002287269280000044
为上次通过广播电文计算的卫星三维速度值；
Figure BDA0002287269280000045
为上次通过广播电文计算的卫星三维加速度值；Δt为上次通过广播电文进行计算的时间与当前时间的时间间隔。
若还没有计算过当前卫星的位置、速度、加速度三项参数，或已经计算过但上次计算时间与当前时间的时间间隔达到或超过第一阈值，则直接通过广播电文计算当前卫星位置、速度、加速度三项参数，并记录当前时间。
步骤(2)：对各伪距修正分量进行分类，将随时间变化量大的伪距修正分量(包括钟差修正、地球自转修正等)作为第一类伪距修正分量，其余伪距修正分量(包括相对论效应修正、电离层修正、对流层修正等)作为第二类伪距修正分量。
步骤(3)：对于第一类伪距修正分量，通过计算更新各伪距修正分量的值。其中，通过计算更新各伪距修正分量的值为本领域现有技术。对于第二类伪距修正分量，判断之前是否已计算过对应第二类伪距修正分量的值，且上次计算第二类伪距修正分量的值的时间与当前时间的时间间隔小于第二阈值。该第一阈值为接收机的卫星捕获通道数除以接收机的解算频率。对于捕获通道数为16，解算频率为2Hz的接收机，第一阈值为8s。
若已经计算过第二类伪距修正分量的值且间隔时间小于第二阈值，则直接延用上次(即最近一次)计算得到的对应伪距修正分量的值。
若没有计算过第二类伪距修正分量的值或上次计算时间与当前时间的间隔时间达到或大于第二阈值，则通过计算更新对应的第二类伪距修正分量的值。
第二步：在遍历完所有卫星后，基于各卫星的位置、速度以及到用户的各伪距修正分量值计算用户的PVT，并输出计算结果。
下面对本发明的效果进行说明。附图2至附图3所针对的北斗二号接收机为16通道，捕获的卫星为10颗，解算频率为2Hz，程序设计以通道号来建立循环，每次通道号加1，这样每颗卫星的计算间隔为固定8s，不存在计算超时的危险。通过模拟仿真计算得到接收机在使用本发明提出算法之前与之后，在相同的环境下计算出定位结果与真实位置之间的偏差。其中，计算时间为1小时，输出频率为1Hz，最后结果为本小时所有测试结果的方差值。通过模拟仿真结果可知：
使用轮循推算保持算法的程序，显示定位精度为：
水平精度：0.366m；垂直精度：0.490m；三维精度：0.573m。
不使用的程序显示定位精度为：
水平精度：0.361m；垂直精度：0.480m；三维精度：0.570m。
可见，经实测运用该算法所产生的定位偏差只在0.001m量级有反应，由于北斗二号系统当前的定位精度为10m量级，所以本算法对接收机最终计算结果不造成影响。
图2和图3为某款接收机在使用本发明提出方法之前与之后，在相同的环境进行一次解算流程所需要花费的时间。测量方法为在硬件上定义两个输出管脚，第一个管脚在算法开始执行时置高，结束执行时置低；第二个管脚在每颗卫星位置计算开始时置高，结束时置低，这样就可以使用示波器测试出。
图2和图3中，横轴Ay为时间轴，且两图中时间轴的单位刻度一致，底部结果显示部分中。示波器上半部分所显示的较宽方波时间，为执行整段推算保持算法所用的时间，其数值为两图中底部结果显示框中的符号Δ所对应的数值；下半部分所显示的多个较窄方波或脉冲波时间，为执行每一颗卫星位置速度计算所用的时间。方波间的低电平时间为进行伪距修正的时间。
可以明显看出：当前时隙的解算卫星数为十颗，使用轮循推算保持算法的程序在此时隙内只执行了一颗卫星的计算，其余卫星的位置速度计算耗费时间几乎为零，伪距修正的执行时间也大幅缩减。整段程序的执行时间由256.91ms缩短至69.44ms。
测试结果证明，由于本发明降低了运算的频率，并使用推算或延用前期数据的方法获取新数据，因此本发明所涉及的优化轮循算法在保证定位结果的前提下，极大地减小了系统运算量，提高了运算速度，从而极大地减少了系统的开销，达到了预期的目标。同时，本发明提出的方法可与目前常用的处理方法同时使用，以达到更好的处理效果。

Claims (5)

1.一种提高北斗二号卫星接收机PVT计算速度的方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)为各卫星排序并按序依次遍历各卫星，每遍历到一个卫星，执行以下操作：
(11)判断是否已通过广播电文计算过当前卫星的位置、速度、加速度三项参数，且上次通过广播电文进行计算的时间与当前时间的时间间隔小于第一阈值；若是，则基于上次通过广播电文计算的卫星位置、速度、加速度和所述时间间隔推算当前卫星位置、速度和加速度；反之，则直接通过广播电文计算当前卫星位置、速度、加速度三项参数，并记录当前时间；
(12)对各伪距修正分量进行分类，将随时间变化量大的伪距修正分量作为第一类伪距修正分量，其余伪距修正分量作为第二类伪距修正分量；
(13)对于第一类伪距修正分量，通过计算更新各伪距修正分量的值；对于第二类伪距修正分量，判断是否已计算过对应第二类伪距修正分量的值，且上次计算对应第二类伪距修正分量的值的时间与当前时间的时间间隔小于第二阈值；若是，则直接延用上次计算的对应伪距修正分量的值；反之，则通过计算更新对应伪距修正分量的值；
(2)在遍历完所有卫星后，基于各卫星的位置、速度以及到用户的各伪距修正分量值计算用户的PVT，并输出计算结果。
2.根据权利要求1所述的提高北斗二号卫星接收机PVT计算速度的方法，其特征在于，步骤(1)中，为各卫星排序并按序依次遍历各卫星包括：按接收机的捕获通道号排序，并按接收机的捕获通道号依次遍历各个捕获通道，每遍历到一个通道，判断该捕获通道是否捕获到卫星，若捕获到卫星，则遍历至捕获到的卫星，若没有捕获到卫星，则遍历至下一个通道。
3.根据权利要求1所述的提高北斗二号卫星接收机PVT计算速度的方法，其特征在于，步骤(11)中，基于上次计算的卫星位置、速度、加速度和上次通过广播电文进行计算的时间与当前时间的时间间隔计算当前卫星位置、速度和加速度，具体包括利用下式计算当前卫星位置、速度和加速度：
Figure FDA0002287269270000021
Figure FDA0002287269270000022
其中，[Xk,Yk,Zk]T为推算得到的卫星三维位置值；
Figure FDA0002287269270000023
为推算得到的卫星三维速度值；[Xk-1,Yk-1,Zk-1]T为上次通过广播电文计算的卫星三维位置值；
Figure FDA0002287269270000024
为上次通过广播电文计算的卫星三维速度值；
Figure FDA0002287269270000025
为上次通过广播电文计算的卫星三维加速度值；Δt为上次通过广播电文进行计算的时间与当前时间的时间间隔。
4.根据权利要求1所述的提高北斗二号卫星接收机PVT计算速度的方法，其特征在于，所述第一阈值和所述第二阈值均等于所述接收机的卫星捕获通道数除以解算频率。
5.根据权利要求1所述的提高北斗二号卫星接收机PVT计算速度的方法，其特征在于，步骤(12)中，所述第一类伪距修正分量包括钟差修正、地球自转修正；所述第二类伪距修正分量包括相对论效应修正、电离层修正、对流层修正。
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