[發明專利]基于GEO星座粗定位的北斗接收機快速定位方法

有效

• 申請號: 201510328521.4
• 申請日: 2015-06-15
• 公開（公告）號: CN104865587B
• 公開（公告）日: 2017-05-17
• 發明（設計）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（專利權）人: 中國人民解放軍國防科學技術大學
• 主分類號: G01S19/25
• 分類號: G01S19/25
• 代理公司: 北京中濟緯天專利代理有限公司11429
• 代理人: 胡偉華

技術領域

本發明涉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

首次定位時間(Time to First Fix,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。

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以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幀同步、位同步(統稱電文同步)確定的整毫秒以上時間，另一部分是通過偽碼相位測量獲得的毫秒以內的時間。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。

輔助GNSS技術可以再完成碼相位測量后即可進行快速定位，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搜索計算量會急劇增加。

中國北斗衛星導航系統(BeiDou Navigation Satellite System,BDS)于2012年12月正式提供區域服務。相比于GPS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(GEO)衛星、4顆中圓地球軌道(MEO)衛星和5顆傾斜地球同步軌道(IGSO)衛星。GEO衛星采取500bps的電文速率，一幀電文持續時間僅為0.6s，而MEO/IGSO衛星采取50bps的電文速率，一幀電文持續時間為6s。因此，在信號捕獲后，相比于MEO/IGSO衛星，GEO衛星能夠快速的完成電文幀同步，獲取完整的信號發射時間。所消耗幀時間僅約為MEO/IGSO完成幀同步時間的十分之一。

發明內容

本發明提出一種基于GEO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GEO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偽距恢復，最后利用所有可見衛星進行精確定位。

為解決上述技術問題，本發明提出的技術方案是：

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，ρ_i為經過偽距改正的衛星i到用戶的偽距，b_u為用戶鐘差產生的等效距離誤差。為毫米以下的小數偽距值，N_j表示毫米偽距模糊數，c表示光速，r_i和r_j分別表示用戶到衛星i和衛星j的空間距離，1e3為常數1000。

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。