CN112558117A - 一种无外部辅助重构卫星信号发射时间的快速热启动方法 - Google Patents

一种无外部辅助重构卫星信号发射时间的快速热启动方法 Download PDF

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CN112558117A CN202011375090.4A CN202011375090A CN112558117A CN 112558117 A CN112558117 A CN 112558117A CN 202011375090 A CN202011375090 A CN 202011375090A CN 112558117 A CN112558117 A CN 112558117A
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Abstract

本发明涉及一种无外部辅助重构卫星信号发射时间的快速热启动定位方法,包括下列步骤：接收机对北斗GEO信号优先进行捕获、跟踪、同步过程，获得首个完整子帧同步的GEO卫星信号的准确发射时间；将该发射时间与已存储的其他卫星星历参考时间比较，判断其星历信息是否有效；利用有效星历和卫星信号的准确发射时间计算卫星i概略位置，再结合上次存储的本地位置计算卫星i的伪距，进而获得卫星i粗略发射时间；将卫星i粗略发射时间分成20ms以上部分tint与20ms以下部分tcp，tint通过卫星i粗略发射时间适当取整获得，tcp通过卫星i信号位同步之后获得，进而重构精确地卫星信号发射时间，结合以接收机本地时间构建伪距方程组，完成定位解算。

Description

一种无外部辅助重构卫星信号发射时间的快速热启动方法
技术领域
本发明主要涉及卫星导航技术领域，具体指的是一种无外部辅助重构卫星信号发射时间的快速热启动方法。
背景技术
2020年6月，北斗全球星座部署完毕，系统建设圆满收官。相比美国的全球定位系统(Global Positioning System，GPS)，北斗卫星导航系统(BeiDou NavigationSatellite System，BDS)具有星座种类多、卫星分布更广、自主安全可控、亚太地区局部增强，星数更多，格网电离层精密建模等优势，因而北斗接收机正在交通、军事、农林渔牧等行业得到越来越广泛的应用，并逐步替代GPS接收机。首次定位时间(Time To First Fix,TTFF)是接收机的一个重要指标，通常采用热启动的方法缩短TTFT。然而，传统的热启动方法需要借助诸多外部已知信息，使用场景有限，通用性不强。
传统热启动方法一般借助以下几类已知信息：1、利用实时时钟(RTC)来重构发射时刻，且为消除20ms模糊度，RTC的误差不超过10ms，TTFF在2s～6s内；2、在使用RTC的同时，概略坐标(或上次定位坐标)与当前实际坐标的距离不能超过150km，TTFF在2s～6s内；3、A-GNSS辅助信息，为接收机热启动提供精确概略位置、时间、码相位延迟、多普勒频移等先验信息，TTFF在2s～6s内；4、无需上述已知信息，但由于帧同步的原因，TTFF在7s～17s内，时间较长。
采用RTC芯片设计的接收机需要配置外围电路及维持电源，硬件成本较高，且RTC存在时间误差超过10ms或失效的风险，适用性较差；某些应用场景，诸如接收机持有者乘坐或使用汽车、高铁动车、民用直升机、无人机时，2小时内的移动距离将超过150km，此时条件2将无法满足；A-GNSS技术依赖地面基站，通常只能应用于城市当中，范围极为有限。
可以看出，由于依赖较多的已知信息，传统的热启动方法存在失效风险，硬件成本高，使用场景受限等缺陷，必须针对性设计新的热启动方法。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种无外部辅助重构卫星信号发射时间的快速热启动方法，可以满足亚太地区几乎所有使用场景，并可以有效降低硬件成本。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案：一种无外部辅助重构卫星信号发射时间的快速热启动方法，其步骤包括：
接收机对北斗GEO信号优先进行捕获、跟踪、同步过程，获得首个完整子帧同步的GEO卫星信号的准确发射时间；
将该发射时间与已存储的其他卫星星历参考时间比较，判断其星历信息是否有效，若星历未超时，则进行热启动，否则，转入冷启动流程；
利用有效星历和卫星信号的准确发射时间计算卫星i概略位置，再结合上次存储的本地位置计算卫星i的伪距，进而获得卫星i粗略发射时间；
将卫星i粗略发射时间分成20ms以上部分tint与20ms以下部分tcp，tint通过卫星i粗略发射时间适当取整获得，tcp通过卫星i信号位同步之后获得，进而重构精确地卫星信号发射时间，结合以接收机本地时间构建伪距方程组，完成定位解算。
进一步，上述无外部辅助重构卫星信号发射时间的快速热启动方法，具体包括以下步骤：
步骤1：假设卫星导航接收机Flash存储器内的星历有效，并对已存储星历的卫星优先开展捕获、跟踪、同步过程；
步骤2：优先捕获一颗北斗GEO信号，成功捕获后，进行位同步与帧同步，得到周内秒内数SOW，然后计算该颗GEO卫星信号的准确发射时间SendTimeGEO，得到该GEO卫星确切位置(xGEO,yGEO,zGEO)；
步骤3：将存储的上次定位坐标(xl,yl,zl)视为当前实际坐标，计算该GEO卫星到卫星导航接收机的粗略距离，进而得到该GEO卫星信号的传播时间TravelTimeGEO；
步骤4：将步骤2中得到的发射时间与步骤3中得到的传播时间相加，计算粗略的本地接收时间ReceiveTime，并以接收机时钟为基准对接收时间进行计时，且DSP将此时间更新至FPGA完成时间授时；
步骤5：将步骤4中得到的粗略本地时间与存储的其他卫星的星历参考时间toe比较，重新判断其他卫星星历的有效性，若有效，则立刻进入热启动模式；否则，转入冷启动流程；
步骤6：若热启动有效，对某颗已达到比特同步，但未子帧同步的卫星，将SendTimeGEO当做其他星历有效卫星的粗略的发射时刻，结合已存储的有效星历信息，得到卫星i的概略位置
Figure BDA0002807000780000031
步骤7：步骤3中存储的本地位置有效，结合步骤6中计算出的卫星概略位置，估算卫星i到接收机的概略传播时间
Figure BDA0002807000780000032
步骤8：由步骤7得到的卫星i到接收机概略传播时间
Figure BDA0002807000780000042
和步骤4中得到的粗略本地接收时间ReceiveTime，可以计算出粗略的卫星i信号发射时刻
Figure BDA0002807000780000043
步骤9：当卫星i进入跟踪状态且位同步，说明本地测距码与接收信号的测距码已经对齐，即码相位已经找到。一个数据比特为20ms或2ms，则重构的卫星i信号发射时间SendTimei可以表示为20ms(或2ms)以内tcp和20ms(或2ms)以外tint两部分，通过位同步计算得到tcp；tint利用本地时间计算的粗略伪距值可以计算出20ms外整数部分tint。
步骤10：利用步骤9中获得的重构的信号发射时间SendTimei和步骤4中以接收机时钟为基准的接收时间ReceiveTime，重新计算该卫星i到接收机的伪距；
步骤11：利用步骤9中的SendTimei和保存的有效星历重新计算出该卫星i位置坐标，卫星位置的详细计算过程参考相关文献；
步骤12：依据步骤9、10获取的5颗或以上卫星的伪距和卫星坐标数据后就可以列出伪距方程组，进而解算出接收机的位置和钟差。
步骤13：利用步骤12中求出的时钟误差δtu，更新本地接收时间并完成对FPGA的授时更新；
进一步，所述步骤2：该颗GEO卫星信号的准确发射时间SendTimeGEO表示如下：
Figure BDA0002807000780000041
进一步，所述步骤3：由该GEO卫星信号的准确发射时间算出该卫星在ECEF坐标系下的坐标(xGEO,yGEO,zGEO)，结合接收机存储的上次本地定位结果，可以计算出该GEO卫星与接收机之间的伪距，进而得到该GEO卫星信号的传播时间TravelTimeGEO，具体表示如下：
Figure BDA0002807000780000051
TravelTimeGEO＝S/c
进一步，所述步骤4：以接收机时钟为基准更新的粗略本地接收时间ReceiveTim表示如下：
ReceiveTime＝SendTimeGEO+TravelTimeGEO+TIC
其中，TIC为本地接收机时钟更新周期。
进一步，所述步骤7：卫星i到接收机的概略传播时间
Figure BDA0002807000780000052
表示如下：
Figure BDA0002807000780000053
其中，
Figure BDA0002807000780000054
表示卫星i的粗略位置，(xl,yl,zl)表示本地粗略位置。
进一步，所述步骤8：粗略的卫星i信号发射时刻
Figure BDA0002807000780000055
表示如下：
Figure BDA0002807000780000056
进一步，所述步骤9：重构的卫星i信号发射时间SendTimei表示如下：
Figure BDA0002807000780000057
其中，
Figure BDA0002807000780000058
为卫星发射时间比特整周以下部分(20ms以内部分)，可以通过比特同步后的环路计数和码相位获得；tint为卫星发射时间的比特整周以上部分计数值(20ms以上部分)，对估计的粗略卫星i信号发射时刻进行合理的取整得到。
进一步，所述步骤10：利用己得到的卫星发射时刻和粗略接收时间，重新计算该卫星i到接收机的伪距，具体表示如下：
ρi＝c×(CurrentTime-SendTimei)
进一步，所述步骤12：4颗或以上卫星的伪距和卫星坐标后就列出伪距方程组公式如下：
Figure BDA0002807000780000061
其中，
Figure BDA0002807000780000062
表示卫星i的粗略位置，(xu,yu,zu)表示本地接收机实际位置。
使用本地实时时钟对接收机时间进行计时，利用接收机初始概略位置，进行伪距估计，重组卫星发射时间的比特整周以上部分，之后利用跟踪环路中的比特周期内PRN周期计数和码相位值组成比特整周以下部分，以此组装出完整的卫星发射时间，当恢复出4颗或4颗以上卫星发射时间时，可进行接收机位置定位。
本发明的优点及显著效果：
1.本发明采用优先捕获北斗GEO卫星快速重构卫星信号发射时间的方法，无需外部信息辅助实现对卫星发射时间的准确估计，不必等待完成子帧同步过程，直接进入定位解算环节，计算卫星在轨位置和伪距，通过最小二乘法解算接收机位置，完成快速定位。
2.本发明适用的使用场景范围大，估计重构的信号发射时刻精度高，从而提高热启动的成功率高。
附图说明
图1为本发明实施例的快速热启动方法工作流程图；
图2为本发明实施例的卫星信号发射时刻重构示意图。
具体实施方式
参见图1、图2，一种无外部辅助重构卫星信号发射时间的快速热启动方法含有下列步骤：
步骤1：假设卫星导航接收机Flash存储器内的星历有效，并对已存储星历的卫星优先开展捕获、跟踪、同步过程；
步骤2：优先捕获一颗北斗GEO信号，成功捕获后，进行位同步与帧同步，得到周内秒内数SOW，然后计算该颗GEO卫星信号的准确发射时间SendTimeGEO，得到该GEO卫星确切位置(xGEO,yGEO,zGEO)；
步骤3：将存储的上次定位坐标(xl,yl,zl)视为当前实际坐标，计算该GEO卫星到卫星导航接收机的粗略距离，进而得到该GEO卫星信号的传播时间TravelTimeGEO；
步骤4：将步骤2中得到的发射时间与步骤3中得到的传播时间相加，计算粗略的本地接收时间ReceiveTime，并以接收机时钟为基准对接收时间进行计时，且DSP将此时间更新至FPGA完成时间授时；
步骤5：将步骤4中得到的粗略本地时间与存储的其他卫星的星历参考时间toe比较，重新判断其他卫星星历的有效性，若有效，则立刻进入热启动模式；否则，转入冷启动流程；
步骤6：若热启动有效，对某颗已达到比特同步，但未子帧同步的卫星，将SendTimeGEO当做其他星历有效卫星的粗略的发射时刻，结合已存储的有效星历信息，得到卫星i的概略位置
Figure BDA0002807000780000071
步骤7：步骤3中存储的本地位置有效，结合步骤6中计算出的卫星概略位置，估算卫星i到接收机的概略传播时间
Figure BDA0002807000780000081
步骤8：由步骤7得到的卫星i到接收机概略传播时间
Figure BDA0002807000780000082
和步骤4中得到的粗略本地接收时间ReceiveTime，可以计算出粗略的卫星i信号发射时刻
Figure BDA0002807000780000084
步骤9：当卫星i进入跟踪状态且位同步，说明本地测距码与接收信号的测距码已经对齐，即码相位已经找到。一个数据比特为20ms或2ms，则重构的卫星i信号发射时间SendTimei可以表示为20ms(或2ms)以内tcp和20ms(或2ms)以外tint两部分，通过位同步计算得到tcp；tint利用本地时间计算的粗略伪距值可以计算出20ms外整数部分tint。
步骤10：利用步骤9中获得的重构的信号发射时间SendTimei和步骤4中以接收机时钟为基准的接收时间ReceiveTime，重新计算该卫星i到接收机的伪距；
步骤11：利用步骤9中的SendTimei和保存的有效星历重新计算出该卫星i位置坐标，卫星位置的详细计算过程参考相关文献；
步骤12：依据步骤9、10获取的5颗或以上卫星的伪距和卫星坐标数据后就可以列出伪距方程组，进而解算出接收机的位置和钟差。
步骤13：利用步骤12中求出的时钟误差δtu，更新本地接收时间并完成对FPGA的授时更新；
步骤2中：该颗GEO卫星信号的准确发射时间SendTimeGEO表示如下：
Figure BDA0002807000780000083
步骤3中：由该GEO卫星信号的准确发射时间算出该卫星在ECEF坐标系下的坐标(xGEO,yGEO,zGEO)，结合接收机存储的上次本地定位结果，可以计算出该GEO卫星与接收机之间的伪距，进而得到该GEO卫星信号的传播时间TravelTimeGEO，具体表示如下：
Figure BDA0002807000780000091
步骤4中：以接收机时钟为基准更新的粗略本地接收时间ReceiveTime表示如下：
ReceiveTime＝SendTimeGEO+TravelTimeGEO+TIC
其中，TIC为本地接收机时钟更新周期。
步骤7中：卫星i到接收机的概略传播时间
Figure BDA0002807000780000092
表示如下：
Figure BDA0002807000780000098
其中，
Figure BDA0002807000780000093
表示卫星i的粗略位置，(xl,yl,zl)表示本地粗略位置。
进一步，所述步骤8：粗略的卫星i信号发射时刻
Figure BDA0002807000780000094
表示如下：
Figure BDA0002807000780000095
进一步，所述步骤9：重构的卫星i信号发射时间SendTimei表示如下：
Figure BDA0002807000780000096
其中，
Figure BDA0002807000780000097
为卫星发射时间比特整周以下部分(20ms以内部分)，可以通过比特同步后的环路计数和码相位获得；tint为卫星发射时间的比特整周以上部分计数值(20ms以上部分)，对估计的粗略卫星i信号发射时刻进行合理的取整得到。
步骤10中：利用己得到的卫星发射时刻和粗略接收时间，重新计算该卫星i到接收机的伪距，具体表示如下：
ρi＝c×(CurrentTime-SendTimei)
步骤12中：4颗或以上卫星的伪距和卫星坐标后就列出伪距方程组公式如下：
Figure BDA0002807000780000101
其中，
Figure BDA0002807000780000102
表示卫星i的粗略位置，(xu,yu,zu)表示本地接收机实际位置。
下面对本发明做进一步详细的描述：
(1)对已存储星历的卫星优先开展捕获、跟踪、同步过程，记录首个子帧同步的GEO1卫星的发射时间SendTimeGEO；
(2)GEO卫星信号的传播时间约120ms，可近似视为接收时间，将GEO1卫星的发射时间SendTimeGEO与存储的星历参考时间toe比较，若时间差小于门限Td，星历未超时，则进行热启动，否则，转入冷启动流程；
(3)若热启动有效，利用之前GEO1卫星的发射时间SendTimeGEO与存储的星历，得到该GEO1的确切坐标xGEO1，yGEO1，zGEO1，将存储的上次定位坐标xl，yl，zl视为当前实际坐标，得到概略接收时间ReceiveTime；
(4)对某颗已达到比特同步，但未子帧同步的非GEO卫星，以SendTimeGEO作为其概略发射时间，得到其概略坐标
Figure BDA0002807000780000103
与概略传播时间
Figure BDA0002807000780000104
(5)重构卫星信号发射时间SendTimei，SendTimei由tint与tcp组成，tint为卫星发射时间的比特整周以上部分计数值(20ms以上部分)，用合理的取整方式就可以得到。tcp为卫星发射时间比特整周以下部分(20ms以内部分)，由比特同步后的环路计数和码相位计算得到。
利用已重构卫星信号发射时刻，重新计算该卫星i到接收机的伪距。此时的伪距计算是用以接收机时钟为基准的接收时间减去以卫星时钟为基准的信号发射时间，得到信号在传输过程中的传播时间，以此时间段乘以光速得到的卫星到接收机的伪距，构建伪距方程组，完成定位解算。

Claims (10)

1.一种无外部辅助重构卫星信号发射时间的快速热启动方法，其特征在于，包括以下步骤：
接收机对北斗GEO信号优先进行捕获、跟踪、同步过程，获得首个完整子帧同步的GEO卫星信号的准确发射时间；
将该发射时间与已存储的其他卫星星历参考时间比较，判断其星历信息是否有效，若星历未超时，则进行热启动，否则，转入冷启动流程；
利用有效星历和卫星信号的准确发射时间计算卫星i概略位置，再结合上次存储的本地位置计算卫星i的伪距，进而获得卫星i粗略发射时间；
将卫星i粗略发射时间分成20ms以上部分tint与20ms以下部分tcp，tint通过卫星i粗略发射时间适当取整获得，tcp通过卫星i信号位同步之后获得，进而重构精确地卫星信号发射时间，结合以接收机本地时间构建伪距方程组，完成定位解算。
2.根据权利要求1所述的一种无外部辅助重构卫星信号发射时间的快速热启动方法，其特征在于，该方法具体步骤为：
步骤1：假设卫星导航接收机Flash存储器内的星历有效，并对已存储星历的卫星优先开展捕获、跟踪、同步过程；
步骤2：优先捕获一颗北斗GEO信号，成功捕获后，进行位同步与帧同步，得到周内秒内数SOW，然后计算该颗GEO卫星信号的准确发射时间SendTimeGEO，得到该GEO卫星确切位置(xGEO,yGEO,zGEO)；
步骤3：将存储的上次定位坐标(xl,yl,zl)视为当前实际坐标，计算该GEO卫星到卫星导航接收机的粗略距离，进而得到该GEO卫星信号的传播时间TravelTimGeEO；
步骤4：将步骤2中得到的发射时间与步骤3中得到的传播时间相加，计算粗略的本地接收时间ReceiveTime，并以接收机时钟为基准对接收时间进行计时，且DSP将此时间更新至FPGA完成时间授时；
步骤5：将步骤4中得到的粗略本地时间与存储的其他卫星的星历参考时间toe比较，重新判断其他卫星星历的有效性，若有效，则立刻进入热启动模式；否则，转入冷启动流程；
步骤6：若热启动有效，对某颗已达到比特同步，但未子帧同步的卫星，将SendTimeGEO当做其他星历有效卫星的粗略的发射时刻，结合已存储的有效星历信息，得到卫星i的概略位置
Figure FDA0002807000770000021
步骤7：步骤3中存储的本地位置有效，结合步骤6中计算出的卫星概略位置，估算卫星i到接收机的概略传播时间
Figure FDA0002807000770000022
步骤8：由步骤7得到的卫星i到接收机概略传播时间
Figure FDA0002807000770000023
和步骤4中得到的粗略本地接收时间ReceiveTime，可以计算出粗略的卫星i信号发射时刻
Figure FDA0002807000770000024
步骤9：当卫星i进入跟踪状态且位同步，说明本地测距码与接收信号的测距码已经对齐，即码相位已经找到；一个数据比特为20ms或2ms，则重构的卫星i信号发射时间SendTimei可以表示为20ms或2ms以内tcp和20ms或2ms以外tint两部分，通过位同步计算得到tcp；tint利用本地时间计算的粗略伪距值可以计算出20ms外整数部分tint；
步骤10：利用步骤9中获得的重构的信号发射时间SendTimei和步骤4中以接收机时钟为基准的接收时间ReceiveTime，重新计算该卫星i到接收机的伪距；
步骤11：利用步骤9中的SendTimei和保存的有效星历重新计算出该卫星i位置坐标，卫星位置的详细计算过程参考相关文献；
步骤12：依据步骤9、10获取的5颗或以上卫星的伪距和卫星坐标数据后就可以列出伪距方程组，进而解算出接收机的位置和钟差；
步骤13：利用步骤12中求出的时钟误差δtu，更新本地接收时间并完成对FPGA的授时更新。
3.根据权利要求2所述的一种无外部辅助重构卫星信号发射时间的快速热启动方法，其特征在于：所述步骤2中该颗GEO卫星信号的准确发射时间SendTimeGEO表示如下：
Figure FDA0002807000770000025
式中，SOW为周内秒计数，FraID为子帧号，w为当前子帧中已经收到的完整字数，b为当前字中已经收到的完整比特数，ca为当前比特中已经收到的C码整周数，code_l为C码整周长度，B1频点为2046，B3频点为10230，CP为当前C码相位测量值。
4.根据权利要求2所述的一种无外部辅助重构卫星信号发射时间的快速热启动方法，其特征在于：所述步骤3中由该GEO卫星信号的准确发射时间算出该卫星在ECEF坐标系下的坐标(xGEO,yGEO,zGEO)，结合接收机存储的上次本地定位结果，可以计算出该GEO卫星与接收机之间的伪距，进而得到该GEO卫星信号的传播时间TravelTimeGEO，具体表示如下：
Figure FDA0002807000770000031
5.根据权利要求2所述的一种无外部辅助重构卫星信号发射时间的快速热启动方法，其特征在于：所述步骤4中以接收机时钟为基准更新的粗略本地接收时间ReceiveTime表示如下：
ReceiveTime＝SendTimeGEO+TravelTimeGEO+TIC
其中，TIC为本地接收机时钟更新周期。
6.根据权利要求2所述的一种无外部辅助重构卫星信号发射时间的快速热启动方法，其特征在于：所述步骤7中卫星i到接收机的概略传播时间
Figure FDA0002807000770000032
表示如下：
Figure FDA0002807000770000033
其中，
Figure FDA0002807000770000034
表示卫星i的粗略位置，(xl,yl,zl)表示本地粗略位置。
7.根据权利要求2所述的一种无外部辅助重构卫星信号发射时间的快速热启动方法，其特征在于：所述步骤8中粗略的卫星i信号发射时刻
Figure FDA0002807000770000035
表示如下：
Figure FDA0002807000770000041
8.根据权利要求2所述的一种无外部辅助重构卫星信号发射时间的快速热启动方法，其特征在于：所述步骤9中重构的卫星i信号发射时间SendTimei表示如下：
Figure FDA0002807000770000042
其中，
Figure FDA0002807000770000043
为卫星发射时间比特整周以下部分，可以通过比特同步后的环路计数和码相位获得；tint为卫星发射时间的比特整周以上部分计数值，对估计的粗略卫星i信号发射时刻进行合理的取整得到。
9.根据权利要求2所述的一种无外部辅助重构卫星信号发射时间的快速热启动方法，其特征在于：所述步骤10中利用己得到的卫星发射时刻和粗略接收时间，重新计算该卫星i到接收机的伪距，具体表示如下：
ρi＝c×(CurrentTime-SendTimei)。
10.根据权利要求2所述的一种无外部辅助重构卫星信号发射时间的快速热启动方法，其特征在于：所述步骤12中4颗或以上卫星的伪距和卫星坐标后就列出伪距方程组公式如下：
Figure FDA0002807000770000044
其中，
Figure FDA0002807000770000051
表示卫星i的粗略位置，(xu,yu,zu)表示本地接收机实际位置。
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