CN111208543A - 一种利用bds系统geo卫星的快速定位方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种利用BDS系统GEO卫星的快速定位方法及系统。方法包括：S1、卫星接收机冷启动；S2、判断是否有至少四颗GEO卫星输出伪距测量值，如是则获取粗略位置和粗略钟差；S3、判断是否有卫星完成位同步，如是则输出模糊的伪距测量值；S4、对于已完成位同步的卫星，计算当前时刻的粗略位置；计算卫星与接收机之间粗略的几何距离，并结合粗略钟差计算得到卫星粗略的伪距测量值；S5、计算出真实的伪距测量值；S6、将得到真实的伪距测量值的卫星参与定位解算；S7、判断定位结果的精度因子是否低于设定的门限值，如是则输出定位结果并完成首次定位。本发明能够将首次定位时间由6s缩短至2s。

Description

一种利用BDS系统GEO卫星的快速定位方法及系统
技术领域
本发明涉及卫星导航技术领域，更具体地说，特别涉及一种冷启动条件下利用BDS系统GEO卫星的快速定位方法及系统。
背景技术
卫星导航接收机为了能够解算出达到精度要求的位置，必须要满足如下三个条件：
1)获取4颗以上（含）卫星的完整星历；
2)输出4颗以上（含）卫星的伪距测量值；
3)定位解算的精度因子（DOP）低于门限值；
某些特殊类型的卫星导航接收机（比如用于弹药制导的弹载接收机）要求在冷启动条件下具有较短的首次定位时间。为了缩短首次定位时间，就必须使接收机尽快具备上述三个条件。其中条件一可以通过预先加注星历数据的方式解决；条件三则要求参与定位解算的卫星具有较优的定位几何，这要求接收机至少收到2颗以上的MEO卫星。下面介绍接收机输出伪距测量值（即条件二）的条件。
伪距测量值ρ反映的是接收机本地时间tr和卫星信号时间ts之间的差值，其表达式为：
Figure 113001DEST_PATH_IMAGE001
；其中，c表示光速，其值为299792458m/s。
本地时间t r 由接收机根据本地始终来维持，而卫星信号时间t s 是接收机通过接收卫星信号来获得，因此输出伪距测量值的前提是正确获取卫星信号时间。
各种卫星导航系统的民用信号的扩频码均存在周期性，由于卫星与接收机之间的信号传输时延远远大于民用信号扩频码的周期性，因此还需要扩频码的周期数才能正确解算出卫星信号时间。卫星导航信号的扩频码周期数是根据信号上调制的导航电文处理得到，电文处理的过程就是消除扩频码周期的模糊度。
根据导航信号电文处理的过程，卫星信号时间t s 可以表示为：
Figure 398620DEST_PATH_IMAGE002
，其中，t c 表示扩频码周期内的时间，T c 表示扩频码周期，k c 表示导航电文比特时长内的扩频码周期数，T b 表示导航电文比特时长，k b 表示秒以内的导航电文比特数，k s 表示秒计数，T s 表示1秒。式中的T c 和T b 与具体的信号类型有关。
在传统的信号接收流程中，卫星信号时间的获取包括如下四个步骤：
1) 捕获并跟踪该卫星，得到信号时间中的t c ；
2) 根据解调出的准时支路相关值，完成导航电文的位同步，得到信号时间中的k c ；
3) 根据导航电文比特数据，完成导航电文的帧同步，得到信号时间中的k b ；
4) 从导航电文中获取周内秒和周计数，得到信号时间中的k s 。
目前的卫星导航接收机均具备强大的并行接收能力，在预先加注星历的情况下，上述四个步骤中的帧同步需要最长的处理时间。以BDS B1I信号为例，GEO卫星电文的子帧周期为0.6s，帧同步所需的时间小于1s，而MEO/IGSO卫星电文的子帧周期为6s，帧同步需要约6秒的时间，因此，卫星导航接收机的首次定位时间通常需要6s左右的时间。
为了加快MEO/IGSO卫星信号时间的获取，专利号为2015103285214，名称为基于GEO星座粗定位的北斗接收机快速定位方法中提出了利用BDS GEO星座粗定位后得到概略位置快速恢复MEO/IGSO卫星信号的毫秒整数时间，从而减小星历已知条件下接收机的首次定位时间。但是该方法要求概略位置的三维误差不超过150km，为了避免出现MEO/IGSO卫星信号整毫秒时间恢复错误，还需要根据定位结果的伪距残差判断定位结果是否合理。当结果不合理时，要么直接放弃本地定位结果，要么依次修正MEO/IGSO卫星信号的整毫秒时间，直至定位结果通过伪距残差的校验。
发明内容
本发明的目的在于提供一种利用BDS系统GEO卫星的快速定位方法及系统，提出了在MEO/IGSO卫星信号完成位同步之后再恢复信号时间中整20毫秒时间的方法，可以将概略位置误差范围的要求降低20倍，不需要作伪距残差校验，就可以保证定位结果的正确性。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种利用BDS系统GEO卫星的快速定位方法，包括以下步骤：
S1、卫星接收机冷启动，并行接收所有的可视卫星；
S2、判断是否有至少四颗GEO卫星输出伪距测量值，如是则完成粗略定位，获取粗略位置p' r 以及粗略钟差dt' r ，进入步骤S3，否则返回步骤S1；
S3、判断是否有MEO/IGSO卫星完成位同步，如是则输出模糊的伪距测量值ρ a ，进入步骤S4，否则返回步骤S1；
S4、对于已完成位同步的MEO/IGSO卫星s k ，根据预先加注的星历按照接口控制文件中的标准方法计算其在当前时刻的粗略位置p' s ；根据步骤S2中得到的接收机粗略位置p' r 和步骤S4中得到的卫星的粗略位置p' s ，计算卫星与接收机之间粗略的几何距离r'，并结合步骤S2中得到的接收机粗略钟差dt' r ，计算得到卫星s k 粗略的伪距测量值ρ'；
S5、根据粗略的伪距测量值ρ'和模糊的伪距测量值ρ a 计算出真实的伪距测量值ρ；
S6、将得到真实的伪距测量值的MEO/IGSO卫星参与定位解算；
S7、判断定位结果的精度因子是否低于设定的门限值，如是则输出定位结果并完成首次定位，否则返回步骤S1。
进一步地，所述步骤S4中计算得到卫星s k 粗略的伪距测量值ρ'的具体公式为：
Figure 512069DEST_PATH_IMAGE004
；
其中，dt' r 为步骤S2中解算出的接收机粗略钟差，dt s 为卫星的钟差，p r 为接收机位置，p s 为当前时刻卫星位置，r'为计算卫星与接收机之间粗略的几何距离，c为光速，||p||表示三维向量p=[x,y,z]的几何范式，具体为：
Figure 437300DEST_PATH_IMAGE005
。
进一步地，所述步骤S5中根据粗略的伪距测量值ρ'和模糊的伪距测量值ρ a 计算出真实的伪距测量值ρ具体公式为：
Figure 723925DEST_PATH_IMAGE006
；
Figure 595541DEST_PATH_IMAGE007
；
其中，[x]为对x进行四舍五入取整，T b 为电文比特宽度，k为T b 的系数，通常称为伪距测量值中以T b 为单位的模糊度。
本发明还提供一种实现上述利用BDS系统GEO卫星的快速定位方法的系统，包括：
第一判断模块，用于判断是否有至少四颗GEO卫星输出伪距测量值，如是则完成粗略定位，获取粗略位置p' r 以及粗略钟差dt' r ；
第二判断模块，用于是否有MEO/IGSO卫星完成位同步，如是则输出模糊的伪距测量值ρ a ；
计算模块，用于计算得到卫星s k 粗略的伪距测量值ρ'，并结合模糊的伪距测量值ρa计算出真实的伪距测量值ρ；
定位解算模块，用于将得到真实的伪距测量值的MEO/IGSO卫星参与定位解算；
第三判断模块，用于判断定位结果的精度因子是否低于设定的门限值，如是则输出定位结果并完成首次定位。
与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明能够将首次定位时间由6s缩短至2s。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明的利用BDS系统GEO卫星的快速定位方法流程图。
图2是本发明的利用BDS系统GEO卫星的快速定位系统框架图。
具体实施方式
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同；本文中在申请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，不是旨在于限制本申请；本申请的说明书和权利要求书及上述附图说明中的术语“包括”和“具有”以及它们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。本申请的说明书和权利要求书或上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。
在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
目前BDS系统星座包括共5颗GEO卫星，在中国绝大多数区域内通常至少有4颗星GEO卫星是可见的。在冷启动的条件下，卫星导航接收机后可优先接收BDS的GEO卫星信号。在4颗GEO卫星完成帧同步后，即可使用预先加注的星历数据进行定位解算。由于GEO卫星可以在1s时间内完成帧同步，因此在1s左右的时间就可以进行首次定位解算。假设使用GEO卫星星座完成粗略定位后得到的粗略位置和粗略钟差分别为p' r 以及dt' r 。但是由于GEO卫星全都分布在赤道上空，此时定位解算的DOP值会很差，并且GEO卫星通常仰角较低，且与接收机之间相对动态较小，导致测距误差较大，因此粗略位置的三维误差以及粗略钟差可能达到毫秒量级。
为了提高定位结果的精度，本发明主要增加MEO/IGSO卫星参与定位解算。
结合图1所示，本实施例提供一种利用BDS系统GEO卫星的快速定位方法，包括以下步骤：
步骤S1、卫星接收机冷启动，并行接收所有的可视卫星；
步骤S2、判断是否有至少四颗GEO卫星输出伪距测量值，如是则完成粗略定位，获取粗略位置p' r 以及粗略钟差dt' r ，进入步骤S3，否则返回步骤S1；
步骤S3、判断是否有MEO/IGSO卫星完成位同步，如是则输出模糊的伪距测量值ρ a ，进入步骤S4，否则返回步骤S1，在此步骤中模糊的伪距测量值ρ a 的测算可以用现有技术来实现。
S4、对于已完成位同步的MEO/IGSO卫星s k ，根据预先加注的星历按照接口控制文件中的标准方法计算其在当前时刻的粗略位置p' s ；根据步骤S2中得到的接收机粗略位置p' r 和步骤S4中得到的卫星的粗略位置p' s ，计算卫星与接收机之间粗略的几何距离r'，并结合步骤S2中得到的接收机粗略钟差dt' r ，计算得到卫星s k 粗略的伪距测量值ρ'；
Figure 942209DEST_PATH_IMAGE009
；
其中，dt' r 为步骤S2中解算出的接收机粗略钟差，dt s 为卫星的钟差，p r 为接收机位置，p s 为当前时刻卫星位置，r'为计算卫星与接收机之间粗略的几何距离，c为光速，||p||表示三维向量p=[x,y,z]的几何范式，具体为：
Figure 354736DEST_PATH_IMAGE010
，
在本实施例中，
Figure 216292DEST_PATH_IMAGE011
表示三维向量p=[x,y,z]的几何范式。
步骤S5、根据粗略的伪距测量值ρ'和模糊的伪距测量值ρ a 计算出真实的伪距测量值ρ，具体为：
Figure 460191DEST_PATH_IMAGE012
；
Figure 649864DEST_PATH_IMAGE013
；
其中，[x]为对x进行四舍五入取整，本文中
Figure 362736DEST_PATH_IMAGE014
即为对
Figure 991164DEST_PATH_IMAGE015
进行四舍五入，T b 为电文比特宽度，k为T b 的系数，通常称为伪距测量值中以T b 为单位的模糊度。
步骤S6、将得到真实的伪距测量值的MEO/IGSO卫星参与定位解算，该定位解算算法可采用现有技术，此处不再赘述。
步骤S7、判断定位结果的精度因子是否低于设定的门限值，该门限值的设定可以根据实际需要进行选择，如是则输出定位结果并完成首次定位，首次定位的算法可采用现有技术，此处不再赘述，否则返回步骤S1。
结合图2所示，本发明还提供本一种利用BDS系统GEO卫星的快速定位系统，包括：
第一判断模块100，用于判断是否有至少四颗GEO卫星输出伪距测量值，如是则完成粗略定位，获取粗略位置p' r 以及粗略钟差dt' r 。
第二判断模块200，用于是否有MEO/IGSO卫星完成位同步，如是则输出模糊的伪距测量值ρ a 。
计算模块300，用于计算得到卫星s k 粗略的伪距测量值ρ'，具体是：对于已完成位同步的MEO/IGSO卫星s，根据预先加注的星历按照接口控制文件中的标准方法计算其在当前时刻的粗略位置p' s ；根据步骤S2中得到的接收机粗略位置p' r 和步骤S4中得到的卫星的粗略位置p' s ，计算卫星与接收机之间粗略的几何距离r'，并结合步骤S2中得到的接收机粗略钟差dt' r ，计算得到卫星s k 粗略的伪距测量值ρ'，然后将伪距测量值ρ'结合模糊的伪距测量值ρa计算出真实的伪距测量值ρ。
定位解算模块400，用于将得到真实的伪距测量值的MEO/IGSO卫星参与定位解算.
第三判断模块500，用于判断定位结果的精度因子是否低于设定的门限值，如是则输出定位结果并完成首次定位。
本发明利用BDS 系统GEO卫星能够快速实现帧同步的特点，首先使用4颗或以上GEO卫星进行定位解算，获取接收机的粗略位置和粗略钟差，使MEO卫星在位同步后即可获取完整的信号时间，并使用预先加注的星历参与定位解算，从而大幅减小接收机的首次定位时间。相比必须要完成帧同步后才能参与定位解算的传统方法，本发明可以将首次定位时间从6秒缩短到2秒。
显然，以上所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例，附图中给出了本申请的较佳实施例，但并不限制本申请的专利范围。本申请可以以许多不同的形式来实现，相反地，提供这些实施例的目的是使对本申请的公开内容的理解更加透彻全面。尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来而言，其依然可以对前述各具体实施方式所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等效替换。凡是利用本申请说明书及附图内容所做的等效结构，直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理在本申请专利保护范围之内。

Claims (4)

1.一种利用BDS系统GEO卫星的快速定位方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、卫星接收机冷启动，并行接收所有的可视卫星；
S2、判断是否有至少四颗GEO卫星输出伪距测量值，如是则完成粗略定位，获取粗略位置p' r 以及粗略钟差dt' r ，进入步骤S3，否则返回步骤S1；
S3、判断是否有MEO/IGSO卫星完成位同步，如是则输出模糊的伪距测量值ρ a ，进入步骤S4，否则返回步骤S1；
S4、对于已完成位同步的MEO/IGSO卫星s k ，根据预先加注的星历按照接口控制文件中的标准方法计算其在当前时刻的粗略位置p' s ；根据步骤S2中得到的接收机粗略位置p' r 和步骤S4中得到的卫星的粗略位置p' s ，计算卫星与接收机之间粗略的几何距离r'，并结合步骤S2中得到的接收机粗略钟差dt' r ，计算得到卫星s k 粗略的伪距测量值ρ'；
S5、根据粗略的伪距测量值ρ'和模糊的伪距测量值ρ a 计算出真实的伪距测量值ρ；
S6、将得到真实的伪距测量值的MEO/IGSO卫星参与定位解算；
S7、判断定位结果的精度因子是否低于设定的门限值，如是则输出定位结果并完成首次定位，否则返回步骤S1。
2.根据权利要求1所述的利用BDS系统GEO卫星的快速定位方法，其特征在于，所述步骤S4中计算得到卫星s k 粗略的伪距测量值ρ'的具体公式为：
Figure 562012DEST_PATH_IMAGE002
；
其中，dt' r 为步骤S2中解算出的接收机粗略钟差，dt s 为卫星的钟差，p r 为接收机位置，p s 为当前时刻卫星位置，r'为计算卫星与接收机之间粗略的几何距离，c为光速，||p||表示三维向量p=[x,y,z]的几何范式，具体为：
Figure 895517DEST_PATH_IMAGE003
。
3.根据权利要求1所述的利用BDS系统GEO卫星的快速定位方法，其特征在于，所述步骤S5中根据粗略的伪距测量值ρ'和模糊的伪距测量值ρ a 计算出真实的伪距测量值ρ具体公式为：
Figure 325362DEST_PATH_IMAGE004
；
Figure 566987DEST_PATH_IMAGE005
；
其中，[x]为对x进行四舍五入取整，T b 为电文比特宽度，k为T b 的系数，为伪距测量值中以T b 为单位的模糊度。
4.一种实现权利要求1-3任一项所述利用BDS系统GEO卫星的快速定位方法的系统，其特征在于，包括：
第一判断模块，用于判断是否有至少四颗GEO卫星输出伪距测量值，如是则完成粗略定位，获取粗略位置p' r 以及粗略钟差dt' r ；
第二判断模块，用于是否有MEO/IGSO卫星完成位同步，如是则输出模糊的伪距测量值ρ a ；
计算模块，用于计算得到卫星s k 粗略的伪距测量值ρ'，并结合模糊的伪距测量值ρa计算出真实的伪距测量值ρ；
定位解算模块，用于将得到真实的伪距测量值的MEO/IGSO卫星参与定位解算；
第三判断模块，用于判断定位结果的精度因子是否低于设定的门限值，如是则输出定位结果并完成首次定位。
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