CN113109850A - 一种gnss卫星导航免定位快速粗略频差估计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种GNSS卫星导航免定位快速粗略频差估计方法，先选定GNSS中参与频差估计的若干卫星，所有卫星的载波多普勒都存在一个共同频差值；再计算所有选定卫星相对地表静止接收机的运动速度最大值vmax；然后选取其中一颗卫星作为基准星；接着计算每颗卫星与基准星的载波多普勒的差值；再次根据所有卫星类型与其对应的vmax，判断各颗卫星与基准星的载波多普勒差值是否符合预设范围，如果差值超出预设范围则终止频差估计流程，否则根据所有卫星的载波多普勒计算粗略频差值，该粗略频差值为所有卫星的共同频差值。本发明在对卫星信号进行频率搜索时，缩小了频率搜索范围，提高了信号捕获效率和速度。

Description

一种GNSS卫星导航免定位快速粗略频差估计方法
技术领域
本发明属于卫星接收机设备技术领域，具体涉及一种GNSS(Global NavigationSatellite System，全球导航卫星系统)卫星导航免定位快速粗略频差估计方法。
背景技术
为了能让接收机在启动后成功的进行导航定位，接收机首先要捕获卫星信号。卫星信号捕获的目的是为了获取所有可见卫星信号的载波多普勒频移和码相位的粗略估计值。
为了估算某个卫星信号的载波多普勒频移和码相位这两个参数值，接收机的信号捕获过程一般是通过对该卫星信号的载波多普勒频移和码相位这二维进行扫描式搜索来完成的。以北斗B1频点为例，卫星发射的载波信号的中心频率为1561.098MHz，但是由于卫星与用户接收机在两者连线方向上的相对运动所引起的多普勒效应、接收机晶体振荡频率漂移和卫星时钟频漂等因素，接收机实际接收到的卫星载波信号的中心频率一般不再等于信号被发射时的标称频率，这就需要接收机在载波频率维度内对信号进行搜索。接收机实际接收到的载波频率与标称频率之差称之为频差。
在信号捕获领域，经常用不定值来表示信号参数值的搜索范围大小，并用不定区间来制定搜索范围，而信号参数的真实值有很高的概率位于这一不定区间之内。对一个信号进行二维搜索的不定区间大小，基本上决定了完成对该信号的搜索所需要的时间。接收机对卫星信号的频率和码相位掌握得越准确，也就是说相应的二维搜索范围越小，那么信号捕获也就完成得越快。
当频差较大时，大部分卫星载波多普勒处于搜素范围以内，可以成功捕获，小部分卫星载波多普勒可能超出搜索算法的边界，导致捕获失败，此时就需要及时校准频率，以达到成功捕获所有可见星的目的。现有常规方法是在定位解算完成以后进行校频，但是等待定位解算的时间太长(冷启动定位一般不低于30s)。如果能在定位前快速计算出频差，在定位解算之前完成校频，就能缩小信号多普勒搜索范围，加快后续卫星捕获速度，并且增加首次定位时的卫星数量，从而提升定位精度等性能指标。
发明内容
本发明的目的在于避免现有技术中的不足而提供一种GNSS卫星导航免定位快速粗略频差估计方法，利用多颗卫星载波多普勒都存在一个共同的频差的特性，估计出所有卫星载波多普勒粗略值，缩小搜索范围，减小捕获时间，解决了静止场景下，用户接收机启动后，载波频率搜索范围大的问题。
本发明的目的通过以下技术方案实现：提供一种GNSS卫星导航免定位快速粗略频差估计方法，包括以下步骤：
S100、选定GNSS中参与频差估计的若干卫星，所有卫星的载波多普勒都存在一个共同频差值；
S200、计算所有选定卫星相对地表静止接收机的运动速度最大值vmax；
S300、选取其中一颗卫星作为基准星；
S400、计算每颗卫星与基准星的载波多普勒的差值；
S500、根据所有卫星类型与其对应的vmax，判断各颗卫星与基准星的载波多普勒差值是否符合预设范围，如果差值超出预设范围则终止频差估计流程，否则进入步骤S600；
S600、根据所有卫星的载波多普勒计算粗略频差值，所述粗略频差值为所有卫星的共同频差值。
作为进一步的改进，步骤S200中vmax的表达式为：
Figure BDA0003066578340000031
式中，|v0|max为卫星的最大速度，αmin为卫星速度矢量和位置矢量的最小夹角，hmin表示卫星绕地球运行最小轨道半径，rmax表示地球长半轴，el为地球表面用户仰角。
作为进一步的改进，所述步骤S500中预设范围的值为被测卫星和基准卫星的最大速度之和。
作为进一步的改进，所述步骤S600具体表现为：接收机收到的卫星信号多普勒观测值，是由一个共同频差值和各颗卫星各自的多普勒频移组成，根据此特性将所有卫星的多普勒观测值求和，假设有N颗卫星，则得到N倍共同频差值和N颗卫星的多普勒频移总和，对其求平均之后得到一个粗略的频差值，设定每颗卫星多普勒观测值fi＝fi'+fd，其中，fi'表示卫星真实多普勒频移值，fd表示共同频差值，则粗略频差值Δf的表达式如下：
Figure BDA0003066578340000032
式中，由于在接收机初次启动时，共同频差值远远大于卫星多普勒频移，即
Figure BDA0003066578340000033
则
Figure BDA0003066578340000034
相较于fd可忽略不计，最后得到Δf≈fd。
作为进一步的改进，所述步骤S1001中选定的若干卫星为BDS星座中的三种类型卫星：GEO卫星、IGSO卫星、MEO卫星。
作为进一步的改进，设定GEO卫星为基准星，则每颗不同类型卫星与基准星的载波多普勒的差值应满足如下条件，才可进入步骤S600：
ΔvGEO≤|vGEO|max+|vGEO|max
ΔvIGSO≤|vIGSO|max+|vGEO|max
ΔvMEO≤|vMEO|max+|vGEO|max
式中，ΔvGEO表示GEO卫星与基准星的载波多普勒的差值，ΔvIGSO表示IGSO卫星与基准星的载波多普勒的差值，ΔvMEO表示MEO卫星与基准星的载波多普勒的差值，|vGEO|max表示GEO卫星相对地表静止接收机的运动速度最大值，|vIGSO|max表示IGSO卫星相对地表静止接收机的运动速度最大值，|vMEO|max表示MEO卫星相对地表静止接收机的运动速度最大值。
本发明提供的一种GNSS卫星导航免定位快速粗略频差估计方法，首先，选定GNSS中参与频差估计的若干卫星，所有卫星的载波多普勒都存在一个共同频差值；其次，计算所有选定卫星相对地表静止接收机的运动速度最大值vmax；然后，选取其中一颗卫星作为基准星；接着，计算每颗卫星与基准星的载波多普勒的差值；再次，根据所有卫星类型与其对应的vmax，判断各颗卫星与基准星的载波多普勒差值是否符合预设范围，如果差值超出预设范围则终止频差估计流程，否则根据所有卫星的载波多普勒计算粗略频差值，所述粗略频差值为所有卫星的共同频差值。通过上述过程，在对卫星信号进行频率搜索时，缩小了频率搜索范围，避免在大范围内进行不必要的搜索，提高了信号捕获效率和速度。
附图说明
利用附图对本发明作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本发明的任何限制，对于本领域的普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据以下附图获得其它的附图。
图1是一种GNSS卫星导航免定位快速粗略频差估计方法的流程图。
图2是卫星轨道相对地球运行几何示意图。
图3是卫星随时间的数量变化图。
图4是本发明计算频差与真实频差随时间变化的比较图。
图5是计算频差与真实频差之差随时间变化的效果图。
具体实施方式
为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述，需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
如图1所示，本发明实施例提供了一种GNSS卫星导航免定位快速粗略频差估计方法，包括以下步骤：
S100、选定GNSS中参与频差估计的若干卫星，所有卫星的载波多普勒都存在一个共同频差值；
S200、计算所有选定卫星相对地表静止接收机的运动速度最大值vmax；
S300、选取其中一颗卫星作为基准星；
S400、计算每颗卫星与基准星的载波多普勒的差值；
S500、根据所有卫星类型与其对应的vmax，判断各颗卫星与基准星的载波多普勒差值是否符合预设范围，如果差值超出预设范围则终止频差估计流程，否则进入步骤S600；
S600、根据所有卫星的载波多普勒计算粗略频差值，所述粗略频差值为所有卫星的共同频差值。
作为进一步优选的实施方式，步骤S400具体表现为：计算卫星i的载波多普勒fi与基准星载波多普勒(假设基准星为卫星1)的差值Δvi：
Δvi＝fi-f1
式中，i取大于1的正整数。
为进一步阐述上述GNSS卫星导航免定位快速粗略频差估计方法，本发明选定的参与频差估计的若干卫星优选为BDS(BeiDou Navigation Satellite System，北斗卫星导航系统)星座中的三种类型卫星：GEO(Geostationary Orbit，地球同步轨道)卫星、IGSO(Inclined GeoSynchronous Orbit，倾斜地球同步轨道)卫星、MEO(Medium orbit earthsatellite，中轨道地球卫星)。这三种类型卫星，其速度动态有较大差异，其轨道数据可以通过北斗卫星导航系统空间信号ICD(Interface Control Document接口控制文件)进行确定。但需要注意的是，卫星实际运行时的轨道与ICD定义的理想轨道有所差异，主要是因为卫星在各种摄动因素影响下，会偏离轨道，需要通过轨道机动的方式纠正，尤其是GEO卫星轨道机动更为频繁。考虑这些因素，采集BDS中某一时间段的电文数据，对其轨道信息进行统计分析。
根据采集的电文数据进行分析，统计得到各种类型卫星的运动参数如表1所示。
表1卫星运动状态范围
Figure BDA0003066578340000061
对卫星速度投影的分析方法，画出卫星轨道相对地球运行的几何示意图，具体参见图2。如图2所示，其中O为地心，S为卫星，箭头方向为运动方向，r为地球半径，h为卫星运行轨道半径，el为地球表面用户仰角，α为卫星速度矢量和位置矢量的夹角，γ为卫星速度矢量和用户视线矢量的夹角，设卫星速度为v0，根据图2的几何关系可知，卫星在用户视线矢量方向上的速度投影值v为
Figure BDA0003066578340000071
针对上述公式，需要说明的是：
1)卫星速度v0。卫星速度v0时刻变化着，在近地点时最快，在远地点时最慢(开普勒第二定律)；
2)夹角α。随着卫星绕地球运动速度方向的变化而变化；
3)卫星运行轨道半径h。卫星绕地球做椭圆运动，地球是椭圆的一个焦点(开普勒第一定律)，所以h是时刻变化的；
4)地球半径r。地球本身接近于一个基准椭球体，所以r的最大值为长半轴，最小值为短半轴。
鉴于此，根据余弦函数特征，可知当
Figure BDA0003066578340000072
即当
Figure BDA0003066578340000073
可以获得|v|max的表达式如下：
Figure BDA0003066578340000074
式中，|v0|max为卫星的最大速度，αmin为卫星速度矢量和位置矢量的最小夹角，hmin表示卫星绕地球运行最小轨道半径，rmax表示地球长半轴，el为地球表面用户仰角。
以俯仰角el取5°，rmax取6378137m，可得各卫星相对地表静止接收机的运动速度最大值，GEO、IGSO、MEO卫星分别为83m/s、456m/s、724m/s。
考虑有误差的情况，同时兼顾一定的小范围接收机动态，所以在BDS中，结合以上计算结果，将GEO、IGSO、MEO的|v|max分别约定为100m/s、500m/s、800m/s。
进一步地，本发明选择GEO卫星为基准星，在此情况下，不同类型卫星差值Δvi应满足：
ΔvGEO≤|vGEO|max+|vGEO|max
ΔvIGSO≤|vIGSO|max+|vGEO|max
ΔvMEO≤|vMEO|max+|vGEO|max
式中，ΔvGEO表示GEO卫星与基准星的载波多普勒的差值，ΔvIGSO表示IGSO卫星与基准星的载波多普勒的差值，ΔvMEO表示MEO卫星与基准星的载波多普勒的差值，|vGEO|max表示GEO卫星相对地表静止接收机的运动速度最大值，|vIGSO|max表示IGSO卫星相对地表静止接收机的运动速度最大值，|vMEO|max表示MEO卫星相对地表静止接收机的运动速度最大值。
结合表1可知，GEO卫星与基准星的差值不大于200m/s，IGSO卫星与基准星的差值不大于600m/s，MEO卫星与基准星的差值不大于900m/s。如果差值超出上述范围则终止频差估计流程，否则进如步骤S600。
优选地，本发明所述步骤S600具体表现为：接收机收到的卫星信号多普勒观测值，是由一个共同频差值和各颗卫星各自的多普勒频移组成，根据此特性将所有卫星的多普勒观测值求和，假设有N颗卫星，则得到N倍共同频差值和N颗卫星的多普勒频移总和，对其求平均之后得到一个粗略的频差值，设定每颗卫星多普勒观测值fi＝fi'+fd，其中，fi'表示卫星真实多普勒频移值，fd表示共同频差值，则粗略频差值Δf的表达式如下：
Figure BDA0003066578340000091
式中，由于在接收机初次启动时，共同频差值远远大于卫星多普勒频移，即
Figure BDA0003066578340000092
则
Figure BDA0003066578340000093
相较于fd可忽略不计，最后得到Δf≈fd。
为验证本发明的技术效果，通过以下实验进行验证：
通过GNSS导航卫星信号模拟源，模拟产生接收机静止场景下BDS-B1I频点和GPS(Global Positioning System，全球定位系统)-L1频点的卫星信号。使用自研接收机进行测试，测试时长约8分钟，记录每个历元所有卫星载波多普勒值与接收机定位解算结果。比较本发明方法计算得到的频差值与定位解算得到的频差值(即本发明步骤S100中所述的共同频差值具体根据步骤S200-S600这些步骤计算得到的，实例验证中的共同频差值通过最小二乘解算得到)。
图3为卫星随时间的数量变化图。图3中横坐标表示周内秒，单位为s，纵坐标表示卫星数量，单位为颗，从图可知，卫星数量发生了4次变化，在周内秒543637～543642时间段，卫星数为11颗，在周内秒543643～543648时间段，卫星数为12颗，在周内秒543649～543664时间段，卫星数为16颗，从周内秒543665到数据末尾，卫星数为26颗。在一开始大约30s内，参与定位的卫星组合发生了3次变化，在后续几分钟内，参与定位的卫星组合保持稳定。
同时，图4中横坐标表示周内秒，单位为s，纵坐标表示频差，单位为m/s，实线表示真实频差(真实频差通过接收机采用最小二乘定位解算得到)，点划线表示本发明方法计算得到的频差；图5显示了真实频差与计算频差的差值，横坐标表示周内秒，单位为s，纵坐标表示真实频差与计算频差的差值，单位为m/s。由图3-图5可知，计算频差的四次跳变与卫星组合的四次变化时刻相对应，在卫星组合稳定后，真实频差与计算频差的差值在±5m/s以内。
综上，只要在接收机开机时能满足本方法的最小条件，即捕获卫星至少两颗，就可以将频差修正到误差在理论值范围内，这一理论值在GPS卫星导航系统中是800m/s以内，北斗卫星导航系统根据卫星类型不同，可以100m/s、500m/s、800m/s以内，完全满足接收机1000m/s常规指标设计。
本发明提供的一种GNSS卫星导航免定位快速粗略频差估计方法，首先，选定GNSS中参与频差估计的若干卫星，所有卫星的载波多普勒都存在一个共同频差值；其次，计算所有选定卫星相对地表静止接收机的运动速度最大值vmax；然后，选取其中一颗卫星作为基准星；接着，计算每颗卫星与基准星的载波多普勒的差值；再次，根据所有卫星类型与其对应的vmax，判断各颗卫星与基准星的载波多普勒差值是否符合预设范围，如果差值超出预设范围则终止频差估计流程，否则根据所有卫星的载波多普勒计算粗略频差值，所述粗略频差值为所有卫星的共同频差值。通过上述过程，利用多颗卫星载波多普勒都存在一个共同频差值的特性，估计出所有卫星载波多普勒粗略值，在对卫星信号进行频率搜索时，缩小了频率搜索范围，避免在大范围内进行不必要的搜索，提高了信号捕获效率和速度。
上面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，不能理解为对本发明保护范围的限制。
总之，本发明虽然列举了上述优选实施方式，但是应该说明，虽然本领域的技术人员可以进行各种变化和改型，除非这样的变化和改型偏离了本发明的范围，否则都应该包括在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种GNSS卫星导航免定位快速粗略频差估计方法，其特征在于，包括以下步骤：
S100、选定GNSS中参与频差估计的若干卫星，所有卫星的载波多普勒都存在一个共同频差值；
S200、计算所有选定卫星相对地表静止接收机的运动速度最大值vmax；
S300、选取其中一颗卫星作为基准星；
S400、计算每颗卫星与基准星的载波多普勒的差值；
S500、根据所有卫星类型与其对应的vmax，判断各颗卫星与基准星的载波多普勒差值是否符合预设范围，如果差值超出预设范围则终止频差估计流程，否则进入步骤S600；
S600、根据所有卫星的载波多普勒计算粗略频差值，所述粗略频差值为所有卫星的共同频差值。
2.根据权利要求1所述的GNSS卫星导航免定位快速粗略频差估计方法，其特征在于，步骤S200中vmax的表达式为：
Figure FDA0003066578330000011
式中，|v0|max为卫星的最大速度，αmin为卫星速度矢量和位置矢量的最小夹角，hmin表示卫星绕地球运行最小轨道半径，rmax表示地球长半轴，el为地球表面用户仰角。
3.根据权利要求2所述的GNSS卫星导航免定位快速粗略频差估计方法，其特征在于，所述步骤S500中预设范围的值为被测卫星和基准卫星的最大速度之和。
4.根据权利要求3所述的GNSS卫星导航免定位快速粗略频差估计方法，其特征在于，所述步骤S600具体表现为：接收机收到的卫星信号多普勒观测值，是由一个共同频差值和各颗卫星各自的多普勒频移组成，根据此特性将所有卫星的多普勒观测值求和，假设有N颗卫星，则得到N倍共同频差值和N颗卫星的多普勒频移总和，对其求平均之后得到一个粗略的频差值，设定每颗卫星多普勒观测值fi＝fi'+fd，其中，fi'表示卫星真实多普勒频移值，fd表示共同频差值，则粗略频差值Δf的表达式如下：
Figure FDA0003066578330000021
式中，由于在接收机初次启动时，共同频差值远远大于卫星多普勒频移，即
Figure FDA0003066578330000022
则
Figure FDA0003066578330000023
相较于fd可忽略不计，最后得到Δf≈fd。
5.根据权利要求4所述的GNSS卫星导航免定位快速粗略频差估计方法，其特征在于，所述步骤S1001中选定的若干卫星为BDS星座中的三种类型卫星：GEO卫星、IGSO卫星、MEO卫星。
6.根据权利要求5所述的GNSS卫星导航免定位快速粗略频差估计方法，其特征在于，设定GEO卫星为基准星，则每颗不同类型卫星与基准星的载波多普勒的差值应满足如下条件，才可进入步骤S600：
ΔvGEO≤|vGEO|max+|vGEO|max
ΔvIGSO≤|vIGSO|max+|vGEO|max
ΔvMEO≤|vMEO|max+|vGEO|max
式中，ΔvGEO表示GEO卫星与基准星的载波多普勒的差值，ΔvIGSO表示IGSO卫星与基准星的载波多普勒的差值，ΔvMEO表示MEO卫星与基准星的载波多普勒的差值，|vGEO|max表示GEO卫星相对地表静止接收机的运动速度最大值，|vIGSO|max表示IGSO卫星相对地表静止接收机的运动速度最大值，|vMEO|max表示MEO卫星相对地表静止接收机的运动速度最大值。
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CN113671547A (zh) * 2021-08-25 2021-11-19 重庆天箭惯性科技股份有限公司 一种改进的高动态捕获方法、装置、设备及存储介质
CN113671547B (zh) * 2021-08-25 2023-11-21 重庆天箭惯性科技股份有限公司 一种改进的高动态捕获方法、装置、设备及存储介质

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