专利名称：一种卫星导航定位方法及接收机的制作方法
技术领域：
本发明涉及星基导航技术领域，尤其涉及一种卫星导航定位的方法及接收机。
背景技术：
星基导航定位系统尤其涉及地面接收机系统基于移动通信辅助模式下的定位，该 系统主要包括GPS(Global Positioning Systems，全球定位系统)、伽利略系统以及中国正 在组网的北斗定位系统。移动通信系统定位功能对人们的生活非常重要，在美国联邦通信委员会的推动 下，蜂窝网定位技术正在迅速发展。目前该委员会的第一阶段目标已经实现，正在全世界 许多地方迅速推广，进一步提高精度是第二阶段的主要目标。最近出现的AGPS(Assisted GPS,辅助全球卫星定位系统)技术是一种以GPS技术为基础，结合了网络基站信息和GPS 信息对移动台进行定位的技术，该技术在满足第二阶段目标的研究上产生了明显的进步。采用该技术对接收机进行定位时，网络将GPS卫星信息如星历表传送给接收机， 接收机利用这些信息可以快速的搜索到有效的GPS卫星，接收机直接从卫星广播中提取导 航数据和时间信息后，可以由网络实体或接收机完成计算接收机位置的工作。然而，由于卫星发射信号的强度受建筑物的影响会大大衰减，在信号强度较弱的 地方如室内无法直接从卫星广播中提取导航数据和时间信息，进而也就无法对接收机进行 定位。
发明内容
本发明实施例提供一种卫星导航定位的方法及接收机，能够当卫星发射信号强度 较弱时对接收机进行定位。为了解决上述技术问题，本发明实施例的技术方案如下一种卫星导航定位的方法，包括在预设的卫星发射信号时间误差范围内的不同时刻，获得至少五颗卫星的位置信 息及各所述卫星到接收机的伪距；根据所述位置信息和所述伪距，求解所述不同时刻的接收机时钟与全球定位系统 GPS时间的时钟偏差及所述接收机的位置；求解所述不同时刻的各卫星的残差并进行比较，其中最小残差对应的接收机的位 置即为接收机的定位位置，其中，所述残差为所述接收机到卫星的真实距离与伪距的差。进一步，通过接收到的各卫星的辅助信息获得所述至少五颗卫星的位置信息，所 述辅助信息包括卫星号，星历的基准时间、半长轴的平方根、偏心率、倾角、升交点经度在每星期历 元上、近地点幅角、平均近点角、倾角的变化率、升交点经度的变化率、对平均运动的校正 值、对纬度幅角余弦的校正值、对纬度幅角正弦的校正值、对轨道半径余弦的校正值、对轨 道半径正弦的校正值、对倾角余弦的校正值、对倾角正弦的校正值、卫星时钟修正参数、卫
4星时钟修正参数、卫星时钟修正参数、卫星时钟修正参数、卫星的群延迟差、卫星的健康状 况、获得辅助信息时的GPS时间。进一步，所述获得各卫星到接收机的伪距包括根据预先获得的所述各卫星发射的信号到达参考服务器的传输时间，确定所述各 卫星发射的信号到达所述接收机的传输时间；根据所述各卫星发射的信号到达所述接收机的传输时间及光速确定所述各卫星 到所述接收机的伪距。进一步，所述求解所述不同时刻的接收机时钟与全球定位系统GPS时间的时钟偏 差及所述接收机的位置，包括根据所述各所述卫星到接收机的伪距与各所述卫星到所述接收机的真实距离的 关系，获得伪距方程组；对所述伪距方程组中的接收机的位置和时钟偏差围绕接收机的位置近似值和时 钟偏差预测值进行级数展开；在所述进行级数展开后的方程组中消除非线性项；根据消除非线性项后的方程组和已知的所述至少五颗卫星的位置信息及所述各 所述卫星到接收机的伪距，求解所述接收机的位置近似值和时钟偏差预测值；利用求解出的所述位置近似值和时钟偏差预测值对所述伪距方程组进行迭代运 算，直至迭代运算后获得的位置近似值与上一次迭代运算后获得的位置近似值的差值小于 门限值，则根据迭代运算获得的位置近似值和时钟偏差预测值确定接收机时钟与GPS时间 的时钟偏差及所述接收机的位置。进一步，所述门限值为IX 10_5。进一步，所述预设的卫星发射时间误差范围内的不同时刻具体为，所述预设的卫 星发射时间误差范围内的每一毫秒。一种接收机，包括获取模块，用于在预设的卫星发射信号时间误差范围内的不同时刻，获得至少五 颗卫星的位置信息及各所述卫星到接收机的伪距；求解模块，用于根据所述位置信息和所述伪距，求解所述不同时刻的接收机时钟 与全球定位系统GPS时间的时钟偏差及所述接收机的位置；确定模块，用于求解所述不同时刻的各卫星的残差并进行比较，其中最小残差对 应的接收机的位置即为接收机的定位位置，其中，所述残差为所述接收机到卫星的真实距 离与伪距的差。进一步，所述获取模块通过接收到的各卫星的辅助信息获得所述至少五颗卫星的 位置信息，所述辅助信息包括卫星号，星历的基准时间、半长轴的平方根、偏心率、倾角、升交点经度在每星期历 元上、近地点幅角、平均近点角、倾角的变化率、升交点经度的变化率、对平均运动的校正 值、对纬度幅角余弦的校正值、对纬度幅角正弦的校正值、对轨道半径余弦的校正值、对轨 道半径正弦的校正值、对倾角余弦的校正值、对倾角正弦的校正值、卫星时钟修正参数、卫 星时钟修正参数、卫星时钟修正参数、卫星时钟修正参数、卫星的群延迟差、卫星的健康状 况、获得辅助信息时的GPS时间。
进一步，所述获取模块通过伪距获取单元获得各卫星到接收机的伪距，所述伪距 获取单元包括时间获取子单元，用于根据预先获得的所述各卫星发射的信号到达参考服务器的 传输时间，确定所述各卫星发射的信号到达所述接收机的传输时间；伪距获取子单元，用于根据所述各卫星发射的信号到达所述接收机的传输时间及 光速确定所述各卫星到所述接收机的伪距。进一步，所述求解模块包括方程组获取单元，用于根据所述各所述卫星到接收机的伪距与各所述卫星到所述 接收机的真实距离的关系，获得伪距方程组；第一求解单元，用于对所述伪距方程组中的接收机的位置和时钟偏差围绕接收机 的位置近似值和时钟偏差预测值进行级数展开；近似单元，用于在所述进行级数展开后的方程组中消除非线性项；第二求解单元，用于根据消除非线性项后的方程组和已知的所述至少五颗卫星的 位置信息及所述各所述卫星到接收机的伪距，求解所述接收机的位置近似值和时钟偏差预 测值；迭代处理单元，用于利用求解出的所述位置近似值和时钟偏差预测值对所述伪距 方程组进行迭代运算，直至迭代运算后获得的位置近似值与上一次迭代运算后获得的位置 近似值的差值小于门限值，则根据迭代运算获得的位置近似值和时钟偏差预测值确定接收 机时钟与GPS时间的时钟偏差及所述接收机的位置。现有技术中由于在弱信号环境中，接收机无法接收全部导航数据使得接收机的位 置无法确定，而本发明实施例实现了在室内等信号强度较弱的环境中，通过依靠卫星的位 置信息及卫星发射信号的相关时间，最终确定了较为精确的接收机位置，实现了对接收机 的定位。
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用 的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于 本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其 他的附图。图1是本发明实施例一种卫星导航定位的方法流程图；图2是本发明实施例一种获得卫星位置的方法流程图；图3是本发明实施例一种获得卫星到接收机伪距的方法流程图；图4是本发明实施例一种求解接收机位置的方法流程图；图5是本发明实施例一种对接收机定位的方法流程图；图6是本发明实施例一种接收机的结构示意图；图7是本发明实施例一种伪距获取单元的结构示意图；图8是本发明实施例一种求解模块的结构示意图。
具体实施例方式为了使本领域技术人员能进一步了解本发明的特征及技术内容，请参阅以下有关 本发明的详细说明与附图，附图仅提供参考与说明，并非用来限制本发明。下面结合附图和实施例，对本发明的技术方案进行描述。参照图1，为本发明实施例一种卫星导航定位的方法流程图。该方法可以包括步骤101，在预设的卫星发射信号时间误差范围内的不同时刻，获得至少五颗卫星 的位置信息及各所述卫星到接收机的伪距。其中，卫星发射信号的时间误差范围可以根据具体情况进行评估设定，比如6S， 该误差范围内的不同时刻也可根据卫星的运行速度等参量进行设定，如果误差范围设定为 6S，对应的该误差范围内的不同时刻可以缩小到1ms，也就是说在该6S内的每一毫秒都获 取至少五颗卫星的位置信息及各所述卫星到接收机的伪距，用于后续接收机位置的计算， 那么每一毫秒就会对应一个接收机位置计算结果，通过最终的比较可以确定最精确的接收 机位置也即接收机的定位位置。具体的获取过程请参照后续实施例的描述。步骤102，根据所述位置信息和所述伪距，求解所述不同时刻的接收机时钟与GPS 时间的时钟偏差及所述接收机的位置。根据上一步骤中获得的卫星的位置信息和卫星到接收机的伪距，以及伪距与卫星 到接收机真实距离之间的关系，可以进一步求解出时钟偏差及所述接收机的位置，该求解 过程中为了方便运算，可以采用多种近似方法或其它处理方法，请参见后续实施例。由于上 一步骤中获得了不同时刻的卫星位置信息和伪距，在本步骤中获得的时钟偏差和接收机的 位置也有多个值，均对应不同的时刻，然后转入下一步骤以确定最精确的接收机位置也即 接收机的定位位置。步骤103，求解所述不同时刻的各卫星的残差并进行比较，其中最小残差对应的接 收机的位置即为接收机的定位位置。其中，所述残差为所述接收机到卫星的真实距离与伪距的差。通过上一步骤的求解，在得到多个接收机的位置后，通过计算卫星到接收机的真 实距离与对应伪距的差可以获得多个残差值，通过比较残差来确定接收机的定位位置。现有技术中由于在弱信号环境中，接收机无法接收全部导航数据使得接收机的位 置无法确定，而本发明实施例实现了在室内等信号强度较弱的环境中，通过依靠卫星的位 置信息及卫星发射信号的相关时间，最终确定了较为精确的接收机位置，实现了对接收机 的定位。下面通过具体的实施例分别对上述步骤进行详细说明。参照图2，为本发明实施例一种获得卫星位置的方法流程图。该方法可以包括步骤201，接收机向参考服务器发送提取卫星信息的请求。其中，参考服务器的有效覆盖范围是方圆120公里，在每一个有效的范围内设置 一个参考服务器即可，不必过分密集，但也不能过少。所在接收机及参考服务器所处环境的 卫星信号的强度不能低于_165dbm，一般在这种条件下才能捕获得到至少5颗卫星的信号， 才能够满足定位的要求。
步骤202，接收参考服务器发送的用于确定卫星位置的辅助信息。该辅助信息中可以包含参考服务器接收请求后提取卫星信息的GPS时刻，其中还 可以包含信号的延时时间，该延时时间也就确定了卫星发射信号的时间误差，如6S。该辅助信息中除了包含上述时间信息，还包括了当前时刻在当前区域内的各种参 数，包括卫星号，星历的基准时间t。e，半长轴的平方根^ ,偏心率E，倾角、(在t。e时)，升 交点经度Qci在每星期历元上，近地点幅角ω (在t。e时)，平均近点角Mtl (在t。e时)，倾角 的变化率iodt，升交点经度的变化率Ω ‘，对平均运动的校正值，对纬度幅角余弦的校正 值Cw。，对纬度幅角正弦的校正值Cws，对轨道半径余弦的校正值(；。，对轨道半径正弦的校正 值C ，对倾角余弦的校正值Cie,对倾角正弦的校正值Cis，卫星时钟修正参数af^，卫星时钟 修正参数，卫星时钟修正参数af2，卫星时钟修正参数t。。，卫星的群延迟差tgd，卫星的健 康状况，卫星的位置(在用户请求时刻的ECEF坐标)等。步骤203，确定当前GPS时刻至少五颗卫星的位置信息。根据各卫星的星历及当前的GPS时刻即可确定当前时刻各卫星的位置，该确定过 程为现有技术，此处不再赘述。该位置可以直接用于后续接收机位置的计算。本实施例中，通过向参考服务器发送请求来获取各卫星的信息进而确定各卫星的 位置信息，为后续在室内等信号强度较弱的环境中接收机位置的计算提供了依据，具体的 即为后续伪距方程组的计算提供了已知量。参照图3，为本发明实施例一种获得卫星到接收机伪距的方法流程图。其中，伪距就是由卫星发射的测距码信号到达GPS接收机的传播时间乘以光速所 得出的量测距离，由于卫星时钟、接收机时钟的误差以及无线电信号经过电离层和对流层 中的延迟，实际测出的距离与卫星到接收机的几何距离有一定差值，因此一般称量测出的 距离为伪距。该方法可以包括步骤301，根据预先获得的所述各卫星发射的信号到达参考服务器的传输时间，确 定所述各卫星发射的信号到达所述接收机的传输时间。以4颗卫星为例，根据各卫星和参考服务器的位置可以得到各卫星发射信号到达 参考服务器的传输时间，该时间为已知量，将这四颗卫星对应的传输时间记为tr_timel =Aa, tr_time2 = Bb, tr_time3 = Ce, tr_time4 = Dd 其中，A，B, C, D 代表各颗卫星传输 时间的毫秒部分；a，b，c，d代表卫星传输时间的毫秒内部分。假设各卫星发射信号到接收机的伪距传输时间分别为tr_timel' =A' a' , tr_ time2' =B' b' , tr_time3' =C' c' , tr_time4' =D' d' ；A'，B'，C'，D'，分别 代表伪距时间的毫秒部分，a'，b' ,c'，d'分别代表伪距时间的毫秒内部分。则各卫星发射信号到接收机的伪距传输时间的求解过程如下1.以第1颗卫星的传输时间为基准Aa-Bb =、Aa-Cc = t2Aa-Dd = t32.以第一颗星为基准，即A' a'为正确的伪距对应时间A' a' -B' b' = t/A' a' -C' c' = t2'
A' a' -D' d' = t3'由于参考服务器的有效覆盖范围是方圆120公里，在每一个有效的范围内设置一 个参考服务器，在此范围之内利用辅助信息进行后续卫星伪距的求解才具有有效性。把范 围限制在120公里的目的是为了区分1毫秒时间的模糊度，从而比较可靠的得到各颗卫星 的伪距。由于每个接收机到所属范围内的参考服务器距离均不超过120公里，根据信号的 传输速度(光速)可推知、和、'、t2和t2'以及、和、'应该相差在0.5毫秒以内。故可以如下计算卫星到达用户接收机的伪距已知量Aa，Bb，Ce，Dd，A'a' , b' , c' , d'，其中 a' , b' , c' , d'为得到的 C/A码相位值代表的毫秒内时间数值。A' a' -trb'计算得到的最接近的整数，即为B'，以毫秒为单位A' a' -t2-c'计算得到的最接近的整数，即为C'，以毫秒为单位A' a' -t3-d'计算得到的最接近的整数，即为D'，以毫秒为单位由此所确定的A' a' ,B' b' , C' c' ,D' d'，即可以作为当前4颗卫星的伪 距传输的时间。步骤302，根据所述各卫星发射的信号到达所述接收机的传输时间及光速确定所 述各卫星到所述接收机的伪距。根据确定出的伪距传输时间A' a' ,B' b'，C' c'，D' d'，分别再乘以光速 就得到了当前4颗卫星到接收机的伪距。本实施例中，通过获得伪距传输时间进而确定各卫星到接收机的伪距，为后续在 室内等信号强度较弱的环境中接收机位置的计算提供了依据，具体的即为后续伪距方程组 的计算提供了已知量。通过上述实施例中确定的各卫星位置和各卫星到接收机的伪距，可以根据伪距和 真实距离之间的关系式求解不同时刻的接收机时钟与GPS时间的时钟偏差及接收机的位 置，因为不同时刻对应的求解过程均类似，下面以其中某一时刻的求解过程为例进行说明。参照图4，为本发明实施例一种求解接收机位置的方法流程图。该方法可以包括步骤401，根据所述各所述卫星到接收机的伪距与各所述卫星到所述接收机的真 实距离的关系，获得伪距方程组。由于接收机时钟与GPS时间具有时钟偏差，所以卫星到接收机的伪距和卫星到接 收机的真实距离具有一定的差值，该差值即上述时钟偏差与信号传输速度即光速的乘积， 则由此获得的伪距方程组即为
权利要求
1.一种卫星导航定位的方法，其特征在于，包括在预设的卫星发射信号时间误差范围内的不同时刻，获得至少五颗卫星的位置信息及 各所述卫星到接收机的伪距；根据所述位置信息和所述伪距，求解所述不同时刻的接收机时钟与全球定位系统GPS 时间的时钟偏差及所述接收机的位置；求解所述不同时刻的各卫星的残差并进行比较，其中最小残差对应的接收机的位置即 为接收机的定位位置，其中，所述残差为所述接收机到卫星的真实距离与伪距的差。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过接收到的各卫星的辅助信息获得所 述至少五颗卫星的位置信息，所述辅助信息包括卫星号，星历的基准时间、半长轴的平方根、偏心率、倾角、升交点经度在每星期历元 上、近地点幅角、平均近点角、倾角的变化率、升交点经度的变化率、对平均运动的校正值、 对纬度幅角余弦的校正值、对纬度幅角正弦的校正值、对轨道半径余弦的校正值、对轨道半 径正弦的校正值、对倾角余弦的校正值、对倾角正弦的校正值、卫星时钟修正参数、卫星时 钟修正参数、卫星时钟修正参数、卫星时钟修正参数、卫星的群延迟差、卫星的健康状况、获 得辅助信息时的GPS时间。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述获得各卫星到接收机的伪距包括根据预先获得的所述各卫星发射的信号到达参考服务器的传输时间，确定所述各卫星发射的信号到达所述接收机的传输时间；根据所述各卫星发射的信号到达所述接收机的传输时间及光速确定所述各卫星到所 述接收机的伪距。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述求解所述不同时刻的接收机时钟与 全球定位系统GPS时间的时钟偏差及所述接收机的位置，包括根据所述各所述卫星到接收机的伪距与各所述卫星到所述接收机的真实距离的关系， 获得伪距方程组；对所述伪距方程组中的接收机的位置和时钟偏差围绕接收机的位置近似值和时钟偏 差预测值进行级数展开；在所述进行级数展开后的方程组中消除非线性项；根据消除非线性项后的方程组和已知的所述至少五颗卫星的位置信息及所述各所述 卫星到接收机的伪距，求解所述接收机的位置近似值和时钟偏差预测值；利用求解出的所述位置近似值和时钟偏差预测值对所述伪距方程组进行迭代运算，直 至迭代运算后获得的位置近似值与上一次迭代运算后获得的位置近似值的差值小于门限 值，则根据迭代运算获得的位置近似值和时钟偏差预测值确定接收机时钟与GPS时间的时 钟偏差及所述接收机的位置。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述门限值为1X10—5。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预设的卫星发射时间误差范围内的 不同时刻具体为，所述预设的卫星发射时间误差范围内的每一毫秒。
7.一种接收机，其特征在于，包括获取模块，用于在预设的卫星发射信号时间误差范围内的不同时刻，获得至少五颗卫 星的位置信息及各所述卫星到接收机的伪距；求解模块，用于根据所述位置信息和所述伪距，求解所述不同时刻的接收机时钟与全 球定位系统GPS时间的时钟偏差及所述接收机的位置；确定模块，用于求解所述不同时刻的各卫星的残差并进行比较，其中最小残差对应的 接收机的位置即为接收机的定位位置，其中，所述残差为所述接收机到卫星的真实距离与 伪距的差。
8.根据权利要求7所述的接收机，其特征在于，所述获取模块通过接收到的各卫星的 辅助信息获得所述至少五颗卫星的位置信息，所述辅助信息包括卫星号，星历的基准时间、半长轴的平方根、偏心率、倾角、升交点经度在每星期历元 上、近地点幅角、平均近点角、倾角的变化率、升交点经度的变化率、对平均运动的校正值、 对纬度幅角余弦的校正值、对纬度幅角正弦的校正值、对轨道半径余弦的校正值、对轨道半 径正弦的校正值、对倾角余弦的校正值、对倾角正弦的校正值、卫星时钟修正参数、卫星时 钟修正参数、卫星时钟修正参数、卫星时钟修正参数、卫星的群延迟差、卫星的健康状况、获 得辅助信息时的GPS时间。
9.根据权利要求7所述的接收机，其特征在于，所述获取模块通过伪距获取单元获得 各卫星到接收机的伪距，所述伪距获取单元包括时间获取子单元，用于根据预先获得的所述各卫星发射的信号到达参考服务器的传输 时间，确定所述各卫星发射的信号到达所述接收机的传输时间；伪距获取子单元，用于根据所述各卫星发射的信号到达所述接收机的传输时间及光速 确定所述各卫星到所述接收机的伪距。
10.根据权利要求7所述的接收机，其特征在于，所述求解模块包括方程组获取单元，用于根据所述各所述卫星到接收机的伪距与各所述卫星到所述接收 机的真实距离的关系，获得伪距方程组；第一求解单元，用于对所述伪距方程组中的接收机的位置和时钟偏差围绕接收机的位 置近似值和时钟偏差预测值进行级数展开；近似单元，用于在所述进行级数展开后的方程组中消除非线性项；第二求解单元，用于根据消除非线性项后的方程组和已知的所述至少五颗卫星的位 置信息及所述各所述卫星到接收机的伪距，求解所述接收机的位置近似值和时钟偏差预测 值；迭代处理单元，用于利用求解出的所述位置近似值和时钟偏差预测值对所述伪距方程 组进行迭代运算，直至迭代运算后获得的位置近似值与上一次迭代运算后获得的位置近似 值的差值小于门限值，则根据迭代运算获得的位置近似值和时钟偏差预测值确定接收机时 钟与GPS时间的时钟偏差及所述接收机的位置。
全文摘要
本发明实施例提供一种卫星导航定位的方法及接收机。所述卫星导航定位的方法，包括在预设的卫星发射信号时间误差范围内的不同时刻，获得至少五颗卫星的位置信息及各所述卫星到接收机的伪距；根据所述位置信息和所述伪距，求解所述不同时刻的接收机时钟与全球定位系统GPS时间的时钟偏差及所述接收机的位置；求解所述不同时刻的各卫星的残差并进行比较，其中最小残差对应的接收机的位置即为接收机的定位位置，其中，所述残差为所述接收机到卫星的真实距离与伪距的差。本发明实施例实现了在室内等信号强度较弱的环境中，通过依靠卫星的位置信息及卫星发射信号的相关时间，最终确定了较为精确的接收机位置，实现了对接收机的定位。
文档编号G01S5/14GK102004237SQ200910194748
公开日2011年4月6日 申请日期2009年8月28日 优先权日2009年8月28日
发明者余超, 朱秋芳, 杨诗明, 贾广沂, 陈红芳 申请人:上海伽利略导航有限公司