一种基于北斗地球同步卫星的快速定位方法

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一种基于北斗地球同步卫星的快速定位方法
申请号	CN201610131787.4	申请日	2016-03-09	公开(公告)号	CN105549054A	公开(公告)日	2016-05-04
申请人	成都华力创通科技有限公司;			发明人	苟娟;
摘要	本发明涉及卫星导航定位技术，目的是为了解决传统的GNSS接收机在热启动过程中，高精度时间获取难度大，断电一段时间后时间精度无法满足热启动要求的问题。本发明提供一种基于北斗地球同步卫星的快速定位方法，包括如下步骤：首先，对接收的中频数据进行卫星信号捕获，并对捕获到的卫星信号进行载波频率与相位的跟踪，获得定位所需的观测量；然后，根据跟踪结果对地球同步卫星信号进行位同步处理及帧同步处理，得到地球同步卫星信号的发送时刻后进一步获得接收机的当前导航系统时刻，并根据当前导航系统时间获得各个卫星的准确发送时刻；最后，根据卫星的星历、历书、电离层参数及UTC参数，通过定位结算模块进行快速定位。本发明适用于北斗导航定位。
权利要求	1.一种基于北斗地球同步卫星的快速定位方法，其特征在于，包括如下步骤：根据卫星的优先级关系、卫星伪码及频率指定捕获策略对接收的中频数据进行卫星信号捕获，并对捕获到的卫星信号进行载波频率与相位的跟踪，获得定位所需的观测量，所捕获的卫星信号至少包含4颗卫星，其中至少有一颗为地球同步卫星；根据跟踪结果对地球同步卫星信号进行位同步处理及帧同步处理，得到地球同步卫星信号的发送时刻后进一步获得接收机的当前导航系统时刻，并根据当前导航系统时间获得各个卫星的准确发送时刻；根据卫星导航系统的协议格式，解析得到卫星的星历、历书、电离层参数及UTC参数，并通过定位结算模块得到接收机的位置、速度及本地时间。 2.如权利要求1所述的一种基于北斗地球同步卫星的快速定位方法，其特征在于，所述捕获策略为快速傅里叶并行捕获策略，进行捕获时，捕获3颗地球同步卫星的卫星信号及3颗非地球同步卫星的卫星信号。 3.如权利要求2所述的一种基于北斗地球同步卫星的快速定位方法，其特征在于，所述接收机的当前导航系统时间Tr’根据公式Tr'＝Ts+D/C 计算获得，其中，Ts为地球同步卫星信号的发送时间，D为地球同步卫星到接收机的传输距离，C为光速。 4.如权利要求3所述的一种基于北斗地球同步卫星的快速定位方法，其特征在于，所述卫星到接收机的传输距离通过公式计算获得，其中，其中Sx、Sy、Sz为地球同步卫星在ECEF坐标下的位置，根据发送时间和地球同步卫星星历获得，Ux、Uy、Uz是接收机在ECEF坐标下的位置，根据接收机位置获得。 5.如权利要求4所述的一种基于北斗地球同步卫星的快速定位方法，其特征在于，所述卫星的准确发送时间Ts根据公式Ts＝mod(Ts′，1ms)+T1ms 计算获得，其中，mod表示求模操作，Ts′＝Tr′-D/C，T1ms指发送时间Ts的1ms内的部分，mod(Ts’,1ms)指Ts的1ms的整数倍部分。 6.如权利要求1至5任意一项所述的一种基于北斗地球同步卫星的快速定位方法，其特征在于，所述卫星星历、历书、电离层参数及UTC参数从接收机的Flash缓存中。
说明书全文	一种基于北斗地球同步卫星的快速定位方法技术领域 [0001] 本发明涉及卫星导航定位技术，特别涉及一种基于北斗地球同步卫星的定位方法。背景技术 [0002] 全球定位导航GNSS接收机已经普遍用于军事以及我们的日常生活中。作为衡量GNSS接收机性能的关键指标之一，首次定位时间(TTFF)的各种应用场景的提升，将会更好地适应各种需求。 [0003] GNSS接收机定位的几个必要因素为：跟上不少于4颗卫星，并且获得这些卫星的星历、发送时间和多普勒测量值。所以实现快速定位实际上就是实现不少于4颗卫星的快速捕获跟踪，并且快速获得这些卫星的测量信息。 [0004] 传统GNSS接收机热启动定义为：重启时能获得高精度的时间(一般误差不超过0.5ms)，有粗略的接收机位置信息(一般误差不超过150km)，至少4颗卫星星历没有过期。这种方案下接收机热启动的TTFF时间大约是1s，但是这种方案最大的难度在于高精度时间的获取。一般采用32K RTC独立供电来获取时间，但是由于晶振自身的特性，这种方案下断电约30分钟，时间精度就不能满足热启动要求，而且要求RTC一直不能断电，接收机的设计复杂度也更高。发明内容 [0005] 本发明的目的是为了解决传统的GNSS接收机在热启动过程中，高精度时间获取难度大，断电一段时间后时间精度无法满足热启动要求的问题。 [0006] 为达到上述目的，本发明提供一种基于北斗地球同步卫星的快速定位方法，包括如下步骤： [0007] 根据卫星的优先级关系、卫星伪码及频率指定捕获策略对接收的中频数据进行卫星信号捕获，并对捕获到的卫星信号进行载波频率与相位的跟踪，获得定位所需的观测量，所捕获的卫星信号至少包含4颗卫星，其中至少有一颗为地球同步卫星； [0008] 根据跟踪结果对地球同步卫星信号进行位同步处理及帧同步处理，得到地球同步卫星信号的发送时刻后进一步获得接收机的当前导航系统时刻，并根据当前导航系统时间获得各个卫星的准确发送时刻； [0009] 根据卫星导航系统的协议格式，解析得到卫星的星历、历书、电离层参数及UTC参数，并通过定位结算模块得到接收机的位置、速度及本地时间。 [0010] 一种优选的方案是，所述捕获策略为快速傅里叶并行捕获策略，进行捕获时，捕获3颗地球同步卫星的卫星信号及3颗非地球同步卫星的卫星信号。 [0011] 具体地，所述接收机的当前导航系统时间Tr’根据公式 [0012] Tr'＝Ts+D/C [0013] 计算获得，其中，Ts为地球同步卫星信号的发送时间，D为地球同步卫星到接收机的传输距离，C为光速。 [0014] 具体地，所述卫星到接收机的传输距离通过公式 [0015] [0016] 计算获得，其中，其中Sx、Sy、Sz为地球同步卫星在ECEF坐标下的位置，根据发送时间和地球同步卫星星历获得，Ux、Uy、Uz是接收机在ECEF坐标下的位置，根据接收机位置获得。 [0017] 具体地，所述卫星的准确发送时间Ts根据公式 [0018] Ts＝mod(Ts'，1ms)+T1ms [0019] 计算获得，其中，mod表示求模操作，Ts'＝Tr’-D/C，T1ms指发送时间Ts的1ms内的部分，mod(Ts’,1ms)指Ts的1ms的整数倍部分。T1ms来源于环路跟踪的结果，在不考虑跟踪误差的情况下，我们可以认为T1ms没有误差，这种情况下本发明的Ts的误差只来源于接收机的位置误差。 [0020] 一般地，所述卫星星历、历书、电离层参数及UTC参数从接收机的Flash缓存中。 [0021] 本发明的有益效果是：本发明提供快速定位方法，利用GEO卫星快速获得接收机当前导航系统时间，在实现定位过程中，不需要额外的单独供电的时间模块或者外部时间输入，系统相对简单，生产成本较低。时间精度高，不容易出现错误位同步与错误子帧同步的情况支持系统下电的时间长，原则上只要开机时可见并且星历不过期的卫星超过4颗都能实现快速定位，无外部辅助的情况下，最长可以到4小时。附图说明 [0022] 图1为本发明的基于北斗地球同步卫星的快速定位方法的原理示意图。具体实施方式 [0023] 以下结合附图对本发明的技术方案作进一步详细描述。 [0024] 本发明针对现有技术中，GNSS接收机在热启动过程中，高精度时间获取难度大，断电一段时间后时间精度无法满足热启动要求的问题，提供一种基于北斗地球同步卫星的快速定位方法如图1所示，该方法包括如下步骤：首先，根据卫星的优先级关系、卫星伪码及频率指定捕获策略对接收的中频数据进行卫星信号捕获，并对捕获到的卫星信号进行载波频率与相位的跟踪，获得定位所需的观测量，所捕获的卫星信号至少包含4颗卫星，其中至少有一颗为地球同步卫星；然后，根据跟踪结果对地球同步卫星信号进行位同步处理及帧同步处理，得到地球同步卫星信号的发送时刻后进一步获得接收机的当前导航系统时刻，并根据当前导航系统时间获得各个卫星的准确发送时刻；最后，根据卫星导航系统的协议格式，解析得到卫星的星历、历书、电离层参数及UTC参数，并通过定位结算模块得到接收机的位置、速度及本地时间。 [0025] 以下分别对本发明实现定位的各个过程做详细阐述。 [0026] 1、捕获 [0027] 由于北斗GEO卫星为地球同步卫星，位置和相对于接收机的多普勒频率都相对恒定，所以在已知接收机大致位置的情况下，可以知道这些GEO的可见性与频率。捕获时优先捕获可见的北斗GEO卫星，并且频率可以缩小到很小的范围。增加捕获的成功率，缩短捕获时间。由于定位至少需要4颗卫星，所以捕获通道的个数也会影响TTFF时间。以1个捕获为例来说明：原理上若可以参与定位的卫星全是北斗GEO卫星，则卫星的分布很差，DOP非常大，定位误差很大，一般不会作为接收机正常输出。所以还需要正常捕获其他MEO卫星。这里需要衡量捕获确定可见的GEO卫星的个数与其他未知可见性的非GEO卫星的个数与优先级。北斗II系统还存在一类IGSO卫星，这类卫星在亚太地区高概率可见。制定捕获策略时也可以考虑这一点。不同的接收机捕获方案可能不同。采用FFT并行捕获方案，强信号下单颗卫星的捕获时间约在100ms内。假设捕上3颗GEO卫星，捕获7次非GEO卫星，其中3次成功，则捕上6颗卫星耗时约1s。而且6星定位的DOP一般很小，能满足首次定位输出精度的要求。 [0028] 2、北斗II卫星的位同步 [0029] 北斗II系统特有的NH码，使得北斗卫星的位同步都很快，一般在20ms左右，GPS或其他系统的位同步可能需要几秒。 [0030] 3、北斗GEO卫星的子帧同步 [0031] 北斗GEO卫星的码率是其他非GEO卫星，GPS卫星的10倍。所以北斗MEO卫星与GPS卫星的子帧同步需要6s左右，而GEO卫星只需要0.6s。 [0032] 4、通过GEO卫星获得当前导航系统时间 [0033] 根据子帧同步信息与跟踪结果，可以得到卫星信号的发送时刻Ts。则接收机的当前导航系统时刻Tr’为： [0034] Tr'＝Ts+D/C (1) [0035] 其中，D为卫星到接收机的传输距离，C为光速， [0036] [0037] 其中，其中Sx、Sy、Sz为地球同步卫星在ECEF坐标下的位置，根据发送时间和地球同步卫星星历获得，Ux、Uy、Uz是接收机在ECEF坐标下的位置，根据接收机位置获得。 [0038] Tr’相比真实的当前导航系统时间Tr存在误差，该误差的最大的来源就是式(2)中接收机的位置。要使Tr’误差不超过0.5ms，则接收机位置误差不能超过150km。 [0039] 从上面分析可知，通过北斗GEO卫星获得当前导航系统时间最快需要约0.8s。 [0040] 5、通过当前导航系统时间获得各类卫星准确的发送时刻Ts。 [0041] 首先计算根据公式 [0042] Ts'＝Tr’-D/C (3) [0043] 计算非GEO卫星的初略发送时刻Ts'，D的获得方式同式(2)。 [0044] 跟据前5步，获得了非GEO卫星的初略发送时刻Ts'，并且该时刻的误差不超过0.5ms。从跟踪环路中，我们可以获得1ms内较为精确的时间T1ms，从而： [0045] Ts＝mod(Ts'，1ms)]＋.T1ms (4) [0046] 其中，Mod表示求摸操作,T1ms指发送时间Ts的1ms内的部分，mod(Ts’,1ms)指Ts的1ms的整数倍部分。T1ms来源于环路跟踪的结果，在不考虑跟踪误差的情况下，我们可以认为T1ms没有误差，这种情况下本发明的Ts的误差只来源于接收机的位置误差。该算法解决的是1ms以上的模糊问题。 [0047] 综上所述，本发明TTFF的主要耗时集中在步骤2～4，考虑到捕获通道资源等情况，利用本发明的接收机TTFF时间一般可达2s左右。