基于geo星座粗定位的北斗接收機快速定位方法
【技術領域】
[0001] 本發明設及北斗導航接收機研制領域，具體的說是一種提高北斗接收機首次定位 時間的方法，其可運用于各類北斗導航接收終端的具體研發中。
【背景技術】
[0002] 首次定位時間（TimetoFirstFix,TTFF)是導航接收機的重要性能指標，提高導 航接收機首次定位時間對于提高設備體驗具有重要作用。
[0003] 影響首次定位時間的因素包括衛星星歷獲取時間和觀測偽距獲取時間。通過接收 機存儲廣播星歷、擴充式星歷或者接收機端自主生成擴充式星歷等方法可W縮短衛星星歷 的獲取時間。衛星偽距通過本地時間和衛星信號發射時間獲得，衛星信號發射時間一般由 兩部分構筑，一部分是通過導航電文完成帖同步、位同步（統稱電文同步）確定的整毫秒W 上時間，另一部分是通過偽碼相位測量獲得的毫秒W內的時間。在傳統的導航接收機定位 中，接收機通過依次完成碼相位測量、電文同步獲取衛星信號發射時間，結合接收機時鐘生 成偽距實現后續定位解算。因此在星歷信息已知條件下，制約首次定位時間的主要因素為 衛星完整觀測偽距的獲取時間。
[0004] 輔助GNSS技術可W再完成碼相位測量后即可進行快速定化縮短首次定位時間。 上述方法對用戶概略位置均有所約束，即只有在接收機的概略位置估計誤差不超過150km 時，才能快速恢復出衛星毫秒整數時間，在概率位置未知的情況下捜索計算量會急劇增加。
[0005] 中國北斗衛星導航系統炬eiDou^vigationSatelliteSystem,抓巧于2012年 12月正式提供區域服務。相比于GI^S系統，北斗系統采用混合星座設計，截止至今在軌工 作衛星包括5顆地球靜止軌道佑E0)衛星、4顆中圓地球軌道（ME0)衛星和5顆傾斜地球 同步軌道（IGS0)衛星。GE0衛星采取5(K)bps的電文速率，一帖電文持續時間僅為0. 6s，而 ME0/IGS0衛星采取50bps的電文速率，一帖電文持續時間為6s。因此，在信號捕獲后，相比 于ME0/IGS0衛星，GE0衛星能夠快速的完成電文帖同步，獲取完整的信號發射時間。所消 耗帖時間僅約為ME0/IGS0完成帖同步時間的十分之一。
【發明內容】
[0006] 本發明提出一種基于GE0星座粗定位的北斗接收機快速定位方法。北斗導航系統 中有5顆GE0衛星，滿足傳統定位解算中衛星數至少4顆的需求。在接收機概略位置完全 未知的情況下，首先使用已獲取完整信號發射時刻的GE0衛星進行粗定位，然后根據粗定 位獲得的概率位置對非GE0衛星發射時刻毫秒整數時間進行偽距恢復，最后利用所有可見 衛星進行精確定位。
[0007] 為解決上述技術問題，本發明提出的技術方案是：
[0008] -種基于GE0星座粗定位的北斗接收機快速定位方法，其特征在于包括W下步 驟：
[0009] 步驟S1，判斷GE0衛星是否完成帖同步，獲取衛星發射時刻；
[0010] 步驟S2,衛星根據GEO衛星信號發射時刻和各類衛星傳輸時延對本地時間進行粗 略校正，該里粗略校正使用單顆GE0衛星進行粗校正或者使用多顆衛星進行粗校正；
[0011] 步驟S3,使用已經獲取了完整偽距的GE0星座進行粗定位，粗定位方法直接使用 最小二乘、嶺估計或者多普勒輔助的嶺估計；
[0012] 步驟S4,在概略用戶位置獲取后，結合非GE0衛星的毫秒W下偽距對其進行完整 偽距恢復；在接收完成帖同步和僅完成碼相位測量的偽距觀測量可W分別寫為如下形式：
[0013]
【主權項】
1. 一種基于GEO星座粗定位的北斗接收機快速定位方法，其特征在于包括以下步驟： 步驟S1，判斷GEO衛星是否完成幀同步，獲取衛星發射時刻； 步驟S2,衛星根據GEO衛星信號發射時刻和各類衛星傳輸時延對本地時間進行粗略校 正，這里粗略校正使用單顆GEO衛星進行粗校正或者使用多顆衛星進行粗校正； 步驟S3,使用已經獲取了完整偽距的GEO星座進行粗定位，粗定位方法直接使用最小 二乘、嶺估計或者多普勒輔助的嶺估計； 步驟S4,在概略用戶位置獲取后，結合非GEO衛星的毫秒以下偽距對其進行完整偽距 恢復；在接收完成幀同步和僅完成碼相位測量的偽距觀測量可以分別寫為如下形式：
上式為衛星i的完整偽距和衛星j僅完成碼相位測量的偽距表示；其中，P i為經過偽 距改正的衛星i到用戶的偽距，bu為用戶鐘差產生的等效距離誤差；pf"為毫米以下的小 數偽距值，％表示毫米偽距模糊數，c表示光速，r JP 1^.分別表示用戶到衛星i和衛星j的 空間距離； 選擇第i顆衛星作為參考衛星進行偽距星間單差并通過取整操作可以得到衛星j的偽 距毫秒數的計算公式為：
步驟S5,非GEO衛星完整偽距恢復后，即可利用混合星座所有捕獲到的衛星直接進行 最小二乘定位； 步驟S6,根據定位后的偽距殘差判斷偽距恢復是否合理；由于使用GEO星座進行粗定 位獲取用戶概略位置，如果概略位置偏差較大會導致非GEO衛星的偽距恢復錯誤，因此需 要對快速定位結果進行檢驗；偽距恢復后利用最小二乘迭代可以估計出用戶位置同時可以 計算出各衛星的偽距殘差值，殘差值和殘差矢量的RMS值計算如下；式中?表示估計獲得的 用戶位置與衛星i的空間距離；
由于偽距恢復針對整毫秒恢復，如果偽距恢復出現錯誤時定位后會出現較大的偽距殘 差，利用定位后的偽距殘差值的均方根是否超限判斷快速定位方法是否成功，殘差門限值 根據測量精度或/和誤差修正精度設置。
2. 根據權利要求1所述的基于GEO星座粗定位的北斗接收機快速定位方法，其特征在 于，所述步驟S3中采用嶺估計進行粗定位，具體方法如下： 偽距定位時觀測方程表示為 Δ p = ΗΔ X+ ε 其中Λ ρ為偽距值的偏移，Λ X為相對于線性化點的用戶位置和鐘差的偏移，ε是服 從正態分布的誤差向量，均值為〇,方差為σ 2I; 使用嶺估計計算得到的△ X估值的數學表達式為
其中Ai為矩陣H tH的特征值。
3.根據權利要求1所述的基于GEO星座粗定位的北斗接收機快速定位方法，其特征在 于，所述步驟S3中采用多普勒輔助嶺估計進行粗定位，具體方法如下： 用戶觀測衛星的偽距觀測方程和多普勒觀測方程寫為如下公式：
其中，P i為第i顆衛星偽距觀測值，A 乃，為第i顆衛星ECEF坐標系下位置， 氕二匕水心廣為用戶此即坐標系下位置^表示接收機鐘差^:^^^^為第土顆衛 星ECEF坐標系下速度，元為用戶速度，?表示接收機時鐘變化率，ε ^和 分布表示偽距和偽距變化率觀測噪聲；設P i,P Α,。為瓦.〇、元.〇、Iv 對應偽距和偽距變化 率；方程在A,。、瓦,。、V 4線性化可得
其中η和m分別表示偽距觀和偽距變化率觀測值個數； 使用多普勒輔助粗定位時，線性化方程表示為
嶺估計計算得到的△ X估值的數學表達式為
4.根據權利要求1所述的基于GEO星座粗定位的北斗接收機快速定位方法，其特征在 于，步驟S4中，在概略用戶位置獲取后，結合非GEO衛星的毫秒以下偽距對其進行完整偽距 恢復的具體方法為： 在接收機中衛星i的偽距表示為
其中，< 為信號發射時間，f為本地時間，C為光速，<￥表示整數信號發射時刻的毫秒 整數部分，if〃表示信號發射時刻的毫秒小數部分，^:#，;)表示？:時刻的衛星i與f時刻 用戶的空間距離，< 為接收機本地鐘差，ε (to表示修正誤差，Ni表示偽距整毫秒數，Pfa 表示毫秒以下偽距； 當通過偽碼相位測量獲取值后，即可獲得毫秒以下偽距值
其中mod為取模操作；因此對完成幀同步和僅完成碼相 位測量的偽距觀測量分別寫為如下形式：
【專利摘要】針對傳統GNSS信號發射時間的整毫秒恢復算法，在接收機概略位置未知時存在計算量劇增而無法應用的問題，本發明利用北斗系統混合星座中GEO衛星電文速率高的這一特點，提供了一種基于GEO星座粗定位的北斗接收機快速定位方法。在接收機概略位置完全未知的情況下，首先使用已獲取完整信號發射時刻的GEO衛星進行粗定位，然后根據粗定位獲得的概率位置對非GEO衛星發射時刻毫秒整數時間進行恢復，最后利用所有可見衛星進行精確定位。本發明能夠在北斗系統僅完成GEO星座幀同步的情況下，對完成捕獲的非GEO衛星進行毫秒恢復，減小衛星星歷已知條件下的接收機首次定位時間。
【IPC分類】G01S19-25
【公開號】CN104865587
【申請號】CN201510328521
【發明人】吳鵬, 靖守讓, 劉文祥, 蘇映雪, 孫廣富, 黃龍, 劉增軍, 龔航, 黃仰博
【申請人】中國人民解放軍國防科學技術大學
【公開日】2015年8月26日
【申請日】2015年6月15日