CN113253321B - 一种适用于接收机时间误差为秒级的agps定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于接收机时间误差为秒级的AGPS定位方法，包括：若所有卫星满足AGPS定位条件，计算每颗卫星在概略时间修正的第一伪距值，以概略时间为起始时刻，获取离当前时间最接近的时刻作为基准时刻，基于基准时刻对每颗卫星的位置和第一伪距值进行修正，得到修正后的卫星位置和第二伪距值，基于每颗卫星的修正后的卫星位置和第二伪距值，对接收机进行AGPS解算，得到解算结果。本发明利用外部辅助信息和毫秒内时间，解算出完整的信号时间，以完成定位解算，解决了在接收机无法获得信号完整时间的情况下，使用传统方式不能完成定位解算的问题，也加快了接收机完成首次定位的速度。

Description

一种适用于接收机时间误差为秒级的AGPS定位方法

技术领域

本发明涉及卫星导航接收机技术领域，特别涉及一种适用于接收机时间误差为秒级的AGPS定位方法。

背景技术

导航接收机(以下简称接收机)定位解算所需要的信息包括信号发射时间、卫星位置和速度、伪距测量值、多普勒测量值。当接收机无外部授时，且信号层面仅能获取毫秒内时间，无法获得完整信号时间时，使用传统的包含4个状态变量的定位算法在这种情况下不能准确的实现定位解算。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种适用于接收机时间误差为秒级的AGPS定位方法，能使接收机在帧同步与位同步之前实现准确定位，极大的提高了接收机的TTFF(首次定位时间)性能。

根据本发明的第一方面，提供了一种适用于接收机时间误差为秒级的AGPS定位方法，包括以下步骤：

若接收机的所有卫星满足AGPS定位条件，则计算每颗卫星在概略时间修正的第一伪距值；

以所述概略时间为起始时刻，计算每颗卫星在星历新鲜度时间范围内的若干时刻的星地距离与对应所述第一伪距值之间的差值，计算所述若干时刻中每一时刻的所有卫星的差值之和，并获取全部差值之和的最小值对应的时刻作为基准时刻；

基于所述基准时刻对每颗卫星的位置和第一伪距值进行修正，得到修正后的卫星位置和第二伪距值；

基于每颗卫星的所述修正后的卫星位置和所述第二伪距值，对所述接收机进行AGPS解算，得到接收机的解算结果。

根据本发明的实施例，至少具有如下技术效果：

针对接收机无外部授时，且信号层面仅能获取毫秒内时间，无法获得完整信号时间的场景下，使用传统方式不能完成定位解算的问题。本发明第一方面提供的方法利用外部辅助信息(概略位置、星历、概略时间)和毫秒内时间，解算出完整的信号时间，以完成定位解算，解决了在接收机无法获得信号完整时间的情况下，使用传统方式不能完成定位解算的问题；加快了接收机完成首次定位的速度。

根据本发明的第二方面，还提供了一种控制装置，包括：存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如本发明第一方面所述的适用于接收机时间误差为秒级的AGPS定位方法。

根据本发明的第三方面，还提供了一种接收机，包括如本发明第二方面所述的控制装置。

根据本发明的第四方面，一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机可执行指令，所述计算机可执行指令用于使计算机执行如本发明第一方面所述的适用于接收机时间误差为秒级的AGPS定位方法。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为本发明实施例提供的一种适用于接收机时间误差为秒级的AGPS定位方法的流程示意图；

图2为本发明实施例提供的一种适用于接收机时间误差为秒级的AGPS定位方法的逻辑示意图；

图3为本发明实施例提供的实验数据图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在介绍本发明实施之前，先介绍本发明的发明构思：

申请人发现目前存在的问题是：当接收机无外部授时，且信号层面仅能获取毫秒内时间，无法获得完整信号时间时，使用传统的包含4个状态变量的定位算法在这种情况下不能准确的实现定位解算。

大多数接收机在关机时，都会存储他们的位置，以便在上电后，能够利用最后的位置及其他数据来确定所需参数，帮助捕获各种GNSS卫星的码和载波相位。这些辅助数据不仅能增加接收机的灵敏度，还能减少定位所需的时间。

如果外界能将接收机在信号捕获与定位计算过程中所需的接收机位置、时间、可见卫星序列、各颗可见卫星的时钟校正参数、星历、相对码相位延迟量、多普勒频移以及各种误差校正(比如电离层延迟校正)等数据信息提供给接收机，那么根据这些辅助信息，接收机不但可以计算出缩小了的信号捕获三维搜索范围，而且可以免除从接收到的卫星信号中实时的解调出星历参数的必要，从而加快信号捕获速度和获得一个良好的TTFF(首次定位时间)性能。同时，缩小了信号搜索范围可以使接收机有充裕的时间来对弱信号进行长时间的积分，并且由外界提供的卫星导航电文数据比特还可以被用来实现对长时间(长于20ms)相干积分所需的数据剥离，从而提高接收机的信号捕获与跟踪灵敏度。例如：假设接收机从辅助信息中估算出某个卫星信号的多普勒频移，从中能将频带搜索数目减小至没有辅助时的10倍，那么不考虑其他因素，接收机信号捕获就可以多花10倍的时间驻留在每一个搜索单元上，相应的信号捕获灵敏度就可以大约增加10dB。

在接收机时间误差到达秒级的情况下，本发明提供了一种非传统的包含5个状态变量的AGPS定位算法，它能使接收机在帧同步与位同步之前实现准确定位，极大的提高了接收机的TTFF性能。

第一实施例；

参照图1，本发明的一个实施例，提供了一种适用于接收机时间误差为秒级的AGPS定位方法，包括以下步骤：

步骤S101、若接收机的所有卫星满足AGPS定位条件，则计算每颗卫星在概略时间修正的第一伪距值。

在方法实施例中，只有接收机的所有卫星满足AGPS定位条件之后，才能进行下一步的处理。作为一种优选的实施方式，设定AGPS定位条件如下所示：A、卫星载噪比高于36dB；B、卫星数量判断，单频不少于5颗，双频不少于6颗，三频不少于7颗；C、连续稳定历元个数≥10。其中36dB是通过实测经验得出，相较于35dB及以下数据，选择36dB的实测效果最佳。接收机实现能够进行定位解算的基本条件是4颗星，对于本发明方案，4颗卫星数量太少，得到的定位结果较差，若增加卫星的数量，则起到的定位效果更优，但也增加了耗时，本发明方案的目的是使首次定位又准又快，权衡卫星数量和首次定位时间这两个参量，所以定下了B条件。设定C条件是为了确保收星稳定。

计算每颗卫星在概略时间修正的第一伪距值

其中，ρ⁽ⁱ⁾表示卫星i的测量伪距，I表示电离层延迟修正值，T表示对流层延迟修正，S表示地球自转修正值，δt^(s)表示卫星钟差。

步骤S102、以概略时间为起始时刻，计算每颗卫星在星历新鲜度时间范围内的若干时刻的星地距离与对应第一伪距值之间的差值，计算若干时刻中每一时刻的所有卫星的差值之和，并获取全部差值之和的最小值对应的时刻作为基准时刻。

作为一种可选的实施方式，假设概略时间为t₀，在星历新鲜度≤30min的情况下，以60s为间隔，计算(t₀+n*60)时刻的星地距离D⁽ⁱ⁾(t₀+n*60)(其中n＝1,2,...30)，并求得星地距离和第一伪距值之间的差值，将某时刻的所有卫星此差值求和：

其中，m表示卫星数量。找到30个时刻中，d(n)最小值对应的n，得到离当前时间最接近的时刻t_now作为基准时间：t_now＝t₀+n*60。

步骤S103、基于基准时刻对每颗卫星的位置和第一伪距值进行修正，得到修正后的卫星位置和第二伪距值。

作为一种可选的实施方式，步骤S103包括：

步骤S1031、计算每颗卫星在基准时刻的星地距离与第一伪距值之间的差值。计算t_now时刻，所有卫星的星地距离、修正的伪距，求得两者差值：

d⁽ⁱ⁾(t_now)＝ρ⁽ⁱ⁾(t_now)-D⁽ⁱ⁾(t_now)

步骤S1032、获取差值最小值对应的卫星作为基准卫星，并基于基准卫星对剩余卫星的位置和第一伪距值进行修正。

找到d⁽ⁱ⁾(t_now)最小值对应的卫星，假设为卫星1，以其为基准，修正其他卫星：

ρ⁽ⁱ⁾(t_now)＝(D⁽ⁱ⁾(t_now)+ρ⁽¹⁾(t_now)-D⁽¹⁾(t_now))_ms以上+(ρ⁽ⁱ⁾(t_now))_ms以下

步骤S104、基于每颗卫星的修正后的卫星位置和第二伪距值，对接收机进行AGPS解算，得到接收机的位置坐标、钟差值和绝对偏差值。

本实施例中，提供的AGPS定位算法的矩阵方程是:

其中，前四个状态变量(包括Δx、Δy、Δz三个位置坐标和接收机钟差值Δδt_u)与传统定位方程一致，本方案新增了第五个状态变量ΔδT_u。前三个状态变量与传统定位方程一致Δx、Δy、Δz分别表示接收机在x、y、z方向上的位移量，此为本领域的公知，此处不再细述。

分别表示r^(m)对x、y、z的表示偏导，第四个状态变量δt_u是以米为单位的接收机钟差。第五个状态变量δT_u是以秒为单位的接收机绝对的时间偏差，

为第m颗卫星的几何距离r^(m)对δT_u的偏导值，它代表由时间偏差δT_u所引入的几何距离计算误差。求解以上方程组的解，得到接收机的位置坐标、钟差值、绝对偏差值，并进行迭代运算。当迭代收敛到了所需要的精度，则可终止迭代运算，判定此时刻AGPS迭代成功，并将当前这一次的迭代计算后的值作为接收机此时刻的定位结果输出。

本方法实施例针对接收机无外部授时，且信号层面仅能获取毫秒内时间，无法获得完整信号时间的场景下，使用传统方式不能完成定位解算的问题。本发明第一方面提供的方法利用外部辅助信息(概略位置、星历、概略时间)和毫秒内时间，解算出完整的信号时间，以完成定位解算，解决了在接收机无法获得信号完整时间的情况下，使用传统方式不能完成定位解算的问题，也加快了接收机完成首次定位的速度。

第二实施例；

参照图2，为了便于本领域技术人员的理解，以下提供一组最佳实施例，本实施包括以下步骤：

第一步、AGPS定位条件判断：

A、卫星载噪比高于36dB；

B、卫星数量判断，单频不少于5颗，双频不少于6颗，三频不少于7颗；

C、连续稳定历元个数≥10；

当上述A至C三条条件同时满足时，进入下一步；

第二步、计算所有卫星修正的伪距值

其中，ρ⁽ⁱ⁾表示卫星i的测量伪距，I表示电离层延迟修正值、T表示对流层延迟修正、S表示地球自转修正值，δt^(s)表示卫星钟差。

第三步、信号时间的确定：

假设概略时间为t₀，在星历新鲜度≤30min的情况下，以60s为间隔，计算(t₀+n*60)时刻的星地距离D⁽ⁱ⁾(t₀+n*60)(其中n＝1,2,...30)，并求得星地距离和修正伪距的差值，将某时刻的所有卫星此差值求和：

其中，m表示卫星数量。找到30个时刻中，d(n)最小值对应的n，得到离当前时间最接近的时刻t_now＝t₀+n*60。

第四步、修正所有卫星时间：

计算t_now时刻，所有卫星的星地距离、修正的伪距，求得两者差值：

d⁽ⁱ⁾(t_now)＝ρ⁽ⁱ⁾(t_now)-D⁽ⁱ⁾(t_now)

找到d⁽ⁱ⁾(t_now)最小值对应的卫星，假设为卫星1，以其为基准，修正其他卫星：

ρ⁽ⁱ⁾(t_now)＝(D⁽ⁱ⁾(t_now)+ρ⁽¹⁾(t_now)-D⁽¹⁾(t_now))_ms以上+(ρ⁽ⁱ⁾(t_now))_ms以下

第五步、AGPS解算：

根据定位方程式：

其中，m表示卫星的临时编号，(x,y,z)表示接收机位置坐标，(x^(m),y^(m),z^(m))表示卫星m的位置坐标，等式左边第一项表示接收机到卫星m的几何距离，δt_u表示接收机钟差，ρ_c ^(m)表示校正后的伪距测量值，本方案中指第四步中的ρⁱ(t_now)。将上述非线性方程线性化：

其中：

是r^(m)对x的偏导，

由上式可知，

代表单位观测量矢量的x分量的反向。同样，

分别是r^(m)对y和z的偏导，是单位观测量矢量的y分量、z分量的反向。

与上述四状态变量定位算法的矩阵方程式相比，本方法实施例提供的AGPS定位算法的矩阵方程是：

其中，前四个状态变量与传统定位方程一致，新增第五个状态变量。前三个状态变量Δx、Δy、Δz分别表示接收机在x、y、z方向上的位移量；

分别表示r^(m)对x、y、z的偏导，第四个状态变量δt_u是以米为单位的接收机钟差，第五个状态变量δT_u是以秒为单位的接收机绝对的时间偏差，

为第m颗卫星的几何距离r^(m)对δT_u的偏导值，它代表由时间偏差δT_u所引入的几何距离计算误差。

第六步、判断定位结果可用性：

求解以上方程组的解，得到接收机的位置坐标、钟差值、绝对偏差值，并进行迭代运算。当迭代收敛到了所需要的精度，则可终止迭代运算，判定此时刻AGPS迭代成功，并将当前这一次的迭代计算后的值作为接收机此时刻的定位结果输出。迭代收敛精度的判断，是通过计算此次迭代得到的位移量的值是否已经小到预先设定的门限值，这里设门限值为0.01。

第七步、AGPS迭代成功且准确，则进行测速解算，否则重启AGPS。

第三实施例；

参照图3，为了验证本发明实施例的效果，提供一组实验结果，具体如下：

使用GNSS信号模拟源，设置用户场景为静态，仿真时长约10min。预先给接收机输入一组概略位置、概略时间和卫星星历，对比使用本文方法和使用传统定位方法的定位情况。用户位置基准为纬度40°N，经度116°E，高程312m。

在图3中，实线表示使用本发明方法的定位情况，圆圈线表示传统定位方法的情况。横坐标表示周内秒，单位为秒，纵坐标表示定位高程，单位为米。由图3可知，本发明方法的首次定位时间约在543600时刻，传统方法的首次定位时间约在543650时刻，两种方法相比，使用本发明方法将首次定位时间提升了约50s。在周内秒543600至543750时间段内，本发明方法的高程误差在2米以内，传统方法的高程误差最大达4米，本发明方法较传统方法，定位精度更优，速度更快。

本方法实施例与传统的定位算法相比，接收机首次定位时间缩短，达到快速定位的目的。本方法实施例解决了在接收机无法获得信号完整时间的情况下，使用传统方式不能完成定位解算的问题；加快了接收机完成首次定位的速度。

第四实施例；

本发明的一个实施例，还提供了一种控制装置，包括：存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现如本发明第一实施例或者第二实施例的AGPS定位方法。在本实施例控制装置的处理器执行计算机程序时实现如第一实施例或者第二实施例的AGPS定位方法，解决了在接收机无法获得信号完整时间的情况下，使用传统方式不能完成定位解算的问题，也加快了接收机完成首次定位的速度。

本实施例还提供了一种接收机，包括如上述的控制装置。

此外，本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机可执行指令，所述计算机可执行指令用于使计算机执行如第一实施例或者第二实施例的AGPS定位方法。例如，被其中的一个控制处理器执行，能够执行如步骤S101至步骤S104的AGPS定位方法。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.一种适用于接收机时间误差为秒级的AGPS定位方法，其特征在于，包括以下步骤：

若接收机的所有卫星满足AGPS定位条件，则计算每颗卫星在概略时间修正的第一伪距值；

以所述概略时间为起始时刻，计算每颗卫星在星历新鲜度时间范围内的若干时刻的星地距离与对应所述第一伪距值之间的差值，计算所述若干时刻中每一时刻的所有卫星的差值之和，并获取全部差值之和的最小值对应的时刻作为基准时刻；

基于所述基准时刻对每颗卫星的位置和第一伪距值进行修正，得到修正后的卫星位置和第二伪距值；其中，计算每颗卫星在所述基准时刻的星地距离与第一伪距值之间的差值：

d⁽ⁱ⁾(t_now)＝ρ⁽ⁱ⁾(t_now)-D⁽ⁱ⁾(t_now)

获取差值最小值对应的卫星作为基准卫星，并基于所述基准卫星对剩余卫星的位置和第一伪距值进行修正：

ρ⁽ⁱ⁾(t_now)＝(D⁽ⁱ⁾(t_now)+ρ⁽¹⁾(t_now)-D⁽¹⁾(t_now))_ms以上+(ρ⁽ⁱ⁾(t_now))_ms以下

其中，d⁽ⁱ⁾(t_now)表示第i颗卫星在所述基准时刻t_now的星地距离与第一伪距值之间的差值，ρ⁽ⁱ⁾(t_now)表示第i颗卫星在所述基准时刻t_now的第一伪距值，D⁽ⁱ⁾(t_now)表示第i颗卫星在所述基准时刻t_now的星地距离，ρ⁽¹⁾(t_now)表示基准卫星的第一伪距值，D⁽¹⁾(t_now)表示基准卫星的星地距离；

基于每颗卫星的所述修正后的卫星位置和所述第二伪距值，对所述接收机进行AGPS解算，得到接收机的位置坐标、钟差值和绝对偏差值；所述AGPS解算的矩阵方程包括：

其中，状态变量Δx、Δy、Δz分别表示接收机在x、y、z方向上的位移量；

分别表示第m颗卫星的几何距离r^(m)对x、y、z的偏导值；状态变量δt_u表示以米为单位的接收机钟差，状态变量δT_u表示以秒为单位的接收机绝对偏差值；

表示第m颗卫星的几何距离r^(m)对时间偏差δT_u的偏导值。

2.根据权利要求1所述的适用于接收机时间误差为秒级的AGPS定位方法，其特征在于，所述满足AGPS定位条件包括同时满足以下第一条件至第三条件：

第一条件：卫星载噪比高于36dB；

第二条件：单频卫星数量不少于5颗，双频卫星数量不少于6颗，三频卫星数量不少于7颗；

第三条件：连续稳定历元数量大于或等于10个。

3.根据权利要求1所述的适用于接收机时间误差为秒级的AGPS定位方法，其特征在于，还包括步骤：

若所述矩阵方程的迭代值小于预设的门限值，还进行接收机的测速解算。

4.根据权利要求3所述的适用于接收机时间误差为秒级的AGPS定位方法，其特征在于，所述门限值为0.01。

5.根据权利要求1所述的适用于接收机时间误差为秒级的AGPS定位方法，其特征在于，所述若干时刻中的相邻两个时刻之间的间隔为60秒。

6.一种控制装置，其特征在于，包括：存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1至5中任意一项所述的适用于接收机时间误差为秒级的AGPS定位方法。

7.一种接收机，其特征在于，包括如权利要求6所述的控制装置。

8.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有计算机可执行指令，所述计算机可执行指令用于使计算机执行如权利要求1至5中任意一项所述的适用于接收机时间误差为秒级的AGPS定位方法。

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