基于geo星座粗定位的北斗接收机快速定位方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及北斗导航接收机研制领域，具体的说是一种提高北斗接收机首次定位 时间的方法，其可运用于各类北斗导航接收终端的具体研发中。
【背景技术】
[0002] 首次定位时间（TimetoFirstFix,TTFF)是导航接收机的重要性能指标，提高导 航接收机首次定位时间对于提高设备体验具有重要作用。
[0003] 影响首次定位时间的因素包括卫星星历获取时间和观测伪距获取时间。通过接收 机存储广播星历、扩充式星历或者接收机端自主生成扩充式星历等方法可W缩短卫星星历 的获取时间。卫星伪距通过本地时间和卫星信号发射时间获得，卫星信号发射时间一般由 两部分构筑，一部分是通过导航电文完成帖同步、位同步（统称电文同步）确定的整毫秒W 上时间，另一部分是通过伪码相位测量获得的毫秒W内的时间。在传统的导航接收机定位 中，接收机通过依次完成码相位测量、电文同步获取卫星信号发射时间，结合接收机时钟生 成伪距实现后续定位解算。因此在星历信息已知条件下，制约首次定位时间的主要因素为 卫星完整观测伪距的获取时间。
[0004] 辅助GNSS技术可W再完成码相位测量后即可进行快速定化缩短首次定位时间。 上述方法对用户概略位置均有所约束，即只有在接收机的概略位置估计误差不超过150km 时，才能快速恢复出卫星毫秒整数时间，在概率位置未知的情况下捜索计算量会急剧增加。
[0005] 中国北斗卫星导航系统炬eiDou^vigationSatelliteSystem,抓巧于2012年 12月正式提供区域服务。相比于GI^S系统，北斗系统采用混合星座设计，截止至今在轨工 作卫星包括5颗地球静止轨道佑E0)卫星、4颗中圆地球轨道（ME0)卫星和5颗倾斜地球 同步轨道（IGS0)卫星。GE0卫星采取5(K)bps的电文速率，一帖电文持续时间仅为0. 6s，而 ME0/IGS0卫星采取50bps的电文速率，一帖电文持续时间为6s。因此，在信号捕获后，相比 于ME0/IGS0卫星，GE0卫星能够快速的完成电文帖同步，获取完整的信号发射时间。所消 耗帖时间仅约为ME0/IGS0完成帖同步时间的十分之一。
【发明内容】
[0006] 本发明提出一种基于GE0星座粗定位的北斗接收机快速定位方法。北斗导航系统 中有5颗GE0卫星，满足传统定位解算中卫星数至少4颗的需求。在接收机概略位置完全 未知的情况下，首先使用已获取完整信号发射时刻的GE0卫星进行粗定位，然后根据粗定 位获得的概率位置对非GE0卫星发射时刻毫秒整数时间进行伪距恢复，最后利用所有可见 卫星进行精确定位。
[0007] 为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案是：
[0008] -种基于GE0星座粗定位的北斗接收机快速定位方法，其特征在于包括W下步 骤：
[0009] 步骤S1，判断GE0卫星是否完成帖同步，获取卫星发射时刻；
[0010] 步骤S2,卫星根据GEO卫星信号发射时刻和各类卫星传输时延对本地时间进行粗 略校正，该里粗略校正使用单颗GE0卫星进行粗校正或者使用多颗卫星进行粗校正；
[0011] 步骤S3,使用已经获取了完整伪距的GE0星座进行粗定位，粗定位方法直接使用 最小二乘、岭估计或者多普勒辅助的岭估计；
[0012] 步骤S4,在概略用户位置获取后，结合非GE0卫星的毫秒W下伪距对其进行完整 伪距恢复；在接收完成帖同步和仅完成码相位测量的伪距观测量可W分别写为如下形式：
[0013]
【主权项】
1. 一种基于GEO星座粗定位的北斗接收机快速定位方法，其特征在于包括以下步骤： 步骤S1，判断GEO卫星是否完成帧同步，获取卫星发射时刻； 步骤S2,卫星根据GEO卫星信号发射时刻和各类卫星传输时延对本地时间进行粗略校 正，这里粗略校正使用单颗GEO卫星进行粗校正或者使用多颗卫星进行粗校正； 步骤S3,使用已经获取了完整伪距的GEO星座进行粗定位，粗定位方法直接使用最小 二乘、岭估计或者多普勒辅助的岭估计； 步骤S4,在概略用户位置获取后，结合非GEO卫星的毫秒以下伪距对其进行完整伪距 恢复；在接收完成帧同步和仅完成码相位测量的伪距观测量可以分别写为如下形式：
上式为卫星i的完整伪距和卫星j仅完成码相位测量的伪距表示；其中，P i为经过伪 距改正的卫星i到用户的伪距，bu为用户钟差产生的等效距离误差；pf"为毫米以下的小 数伪距值，％表示毫米伪距模糊数，c表示光速，r JP 1^.分别表示用户到卫星i和卫星j的 空间距离； 选择第i颗卫星作为参考卫星进行伪距星间单差并通过取整操作可以得到卫星j的伪 距毫秒数的计算公式为：
步骤S5,非GEO卫星完整伪距恢复后，即可利用混合星座所有捕获到的卫星直接进行 最小二乘定位； 步骤S6,根据定位后的伪距残差判断伪距恢复是否合理；由于使用GEO星座进行粗定 位获取用户概略位置，如果概略位置偏差较大会导致非GEO卫星的伪距恢复错误，因此需 要对快速定位结果进行检验；伪距恢复后利用最小二乘迭代可以估计出用户位置同时可以 计算出各卫星的伪距残差值，残差值和残差矢量的RMS值计算如下；式中?表示估计获得的 用户位置与卫星i的空间距离；
由于伪距恢复针对整毫秒恢复，如果伪距恢复出现错误时定位后会出现较大的伪距残 差，利用定位后的伪距残差值的均方根是否超限判断快速定位方法是否成功，残差门限值 根据测量精度或/和误差修正精度设置。
2. 根据权利要求1所述的基于GEO星座粗定位的北斗接收机快速定位方法，其特征在 于，所述步骤S3中采用岭估计进行粗定位，具体方法如下： 伪距定位时观测方程表示为 Δ p = ΗΔ X+ ε 其中Λ ρ为伪距值的偏移，Λ X为相对于线性化点的用户位置和钟差的偏移，ε是服 从正态分布的误差向量，均值为〇,方差为σ 2I; 使用岭估计计算得到的△ X估值的数学表达式为
其中Ai为矩阵H tH的特征值。
3.根据权利要求1所述的基于GEO星座粗定位的北斗接收机快速定位方法，其特征在 于，所述步骤S3中采用多普勒辅助岭估计进行粗定位，具体方法如下： 用户观测卫星的伪距观测方程和多普勒观测方程写为如下公式：
其中，P i为第i颗卫星伪距观测值，A 乃，为第i颗卫星ECEF坐标系下位置， 氕二匕水心广为用户此即坐标系下位置^表示接收机钟差^:^^^^为第土颗卫 星ECEF坐标系下速度，元为用户速度，?表示接收机时钟变化率，ε ^和 分布表示伪距和伪距变化率观测噪声；设P i,P Α,。为瓦.〇、元.〇、Iv 对应伪距和伪距变化 率；方程在A,。、瓦,。、V 4线性化可得
其中η和m分别表示伪距观和伪距变化率观测值个数； 使用多普勒辅助粗定位时，线性化方程表示为
岭估计计算得到的△ X估值的数学表达式为
4.根据权利要求1所述的基于GEO星座粗定位的北斗接收机快速定位方法，其特征在 于，步骤S4中，在概略用户位置获取后，结合非GEO卫星的毫秒以下伪距对其进行完整伪距 恢复的具体方法为： 在接收机中卫星i的伪距表示为
其中，< 为信号发射时间，f为本地时间，C为光速，<￥表示整数信号发射时刻的毫秒 整数部分，if〃表示信号发射时刻的毫秒小数部分，^:#，;)表示？:时刻的卫星i与f时刻 用户的空间距离，< 为接收机本地钟差，ε (to表示修正误差，Ni表示伪距整毫秒数，Pfa 表示毫秒以下伪距； 当通过伪码相位测量获取值后，即可获得毫秒以下伪距值
其中mod为取模操作；因此对完成帧同步和仅完成码相 位测量的伪距观测量分别写为如下形式：
【专利摘要】针对传统GNSS信号发射时间的整毫秒恢复算法，在接收机概略位置未知时存在计算量剧增而无法应用的问题，本发明利用北斗系统混合星座中GEO卫星电文速率高的这一特点，提供了一种基于GEO星座粗定位的北斗接收机快速定位方法。在接收机概略位置完全未知的情况下，首先使用已获取完整信号发射时刻的GEO卫星进行粗定位，然后根据粗定位获得的概率位置对非GEO卫星发射时刻毫秒整数时间进行恢复，最后利用所有可见卫星进行精确定位。本发明能够在北斗系统仅完成GEO星座帧同步的情况下，对完成捕获的非GEO卫星进行毫秒恢复，减小卫星星历已知条件下的接收机首次定位时间。
【IPC分类】G01S19-25
【公开号】CN104865587
【申请号】CN201510328521
【发明人】吴鹏, 靖守让, 刘文祥, 苏映雪, 孙广富, 黄龙, 刘增军, 龚航, 黄仰博
【申请人】中国人民解放军国防科学技术大学
【公开日】2015年8月26日
【申请日】2015年6月15日