基于星间距离压缩的模糊搜索gps接收机粗时定位方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及卫星导航接收机研制领域，具体的说是一种在用户位置未知条件下的 接收机免时定位方法，其可运用于各类导航接收终端的具体研发中。
【背景技术】
[0002] 免时定位技术可以在完成帧同步获得完整伪距之前实现快速定位，能够缩短首次 定位时间并颗用于弱信号、遮挡等长时间难以实现帧同步的恶劣条件下。1995年，Peterson 等首次提出了五状态方程，提出了粗时间这个术语。在假设先验位置偏差和粗时误差足够 小保持残差小于0.5毫秒，通过构造模1毫秒的残差的方式研究粗时定位问题。Van Diggelen对免时定位方法进行了详细描述，并解决了由共有偏差引起的翻转问题。但是免 时方法对用户概略位置和概略时间均有所约束，即只有在接收机的概略位置误差和概略时 间引起的伪距误差不超过150km时，否则将会导致毫秒整数恢复错误，从而导致定位结果出 错。。
【发明内容】
[0003] 针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种基于星间距离压缩的模糊搜索GPS 接收机粗时定位方法。本发明基于模糊搜索的方法用于获取用户概略位置，并根据星间距 离和最大伪距差值关系压缩搜索空间。对地面用户而言，卫星到用户之间的空间传输时延 范围约为67~86毫秒，在实现帧同步仅获得部分伪距的前提下，伪距整数模糊值是有限的。 因此，在忽略粗略时间引起位置计算误差的前提下，可以采用模糊搜索的方法计算用户概 略位置，并根据伪距残差选择最合理候选组合和用户位置。
[0004 ]为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
[0005] -种基于星间距离压缩的模糊搜索GPS接收机粗时定位方法，具体包括以下步骤：
[0006] 步骤S1，根据星间距离计算用户观测卫星伪距最大差值；
[0008] 其中，Re为用户到地心地固坐标系下坐标原点（0，0，0)的距离，可取值为6378千 米，Lu为卫星i和卫星j的星间距离，分别为卫星i和j到坐标原点距离并假设RPR 1; 示地面用户观测卫星i和j之间的最大伪距差值。
[0009] -般而言，粗时定位中的粗时表示时间数秒的本地时间精度。由于的不准确以 及粗时计算卫星位置误差引起伪距误差，因此在计算伪距最大差值时增加固定值以确保获 得的伪距最大差值的正确性。如下公式所示，其中「，1表示向上取整操作。本发明中设置常数 d为0.5毫秒。
[0011] 步骤S2，为减小搜索空间，选择3颗卫星结合高程假设估计用户概略位置，3颗卫星 的选取准则如下文所述。
[0012] 信号捕获后能获得亚毫秒伪距，信号位同步后能够获得亚20毫秒伪距，在这两种 情况下的选星方法分别为：
[0013] 1)亚20毫秒伪距情况
[0014]在位同步后能够获得亚20毫秒伪距，伪距模糊周期为20毫秒，同时对地表用户而言， 观测GPS卫星的空间延迟范围一般在67~86毫秒，范围约为20毫秒以内。因此假设Μ个亚20毫秒
伪距由小到大排列为[ρ?二《，…，。则整数模糊形式必然 其中k为整数。否则，伪距差值会超出20毫秒约束。由于仅选择3颗卫星进行粗定位，因此在 亚20毫秒情况下，搜索空间较小，选星是主要考虑几何构型。
[0015]在所有可视卫星中选择3颗卫星组成子集，所有可能的组合形成新的选星集合A. 则在亚20毫秒条件下可以采用最小GD0P准则，如公式(3)。计算GD0P时使用的用户位置可以 采用所有可见卫星在地面上的投影。
[0017] 其中，Θ,为集合A中元素，6〇〇?01表示采用采用卫星组合合高程辅助时计算的 ⑶0Ρ值。
[0018] 2)亚毫秒伪距情况
[0019] 在亚毫秒伪距情况下，即使选取3颗卫星进行粗定位，模糊组合数也较大。忽略亚 毫秒部分，假设3颗卫星之间的最大伪距差值由小到大排列为[x，y，z]。那么此种情况下的， 伪距整数搜索空间可以直接由下式计算。
[0021]兼顾星座构型，在亚毫秒伪距情况下，粗定位3颗卫星的选星准则描述如下。λ用于 约束GD0P值上限。本发明中取值为3。
[0024] 步骤S3,结合步骤1计算结果遍历3颗卫星所有可能的整毫秒伪距组合，使用最小 二乘方法估计用户位置，并计算所有候选结果相对应的卫星伪距残差
[0025] 当假设卫星整毫秒伪距后，结合小数伪距，可以重构伪距信息，结合高程辅助假 设，可以按照传统高程辅助方法进行最小二乘定位。高程辅助定位时，可以看作在原点位置 存在一颗卫星，在伪距观测方程中存在一个高程的伪观测量。由于仅用于粗定位，可以假设 高程为〇米。线性化的观测方程如下所示。
[0027] 其中，P 为卫星i到用户的单位视线矢量， 获二?〃，乂,表示用户位置，A A表示给定高程与估计高程预测差值。
[0028] 最小二乘估算用户位置后，伪距的伪距残差可以根据如下公式计算：
[0030] 其中秀表示卫星i的位置，5表示估算的用户位置，p/ku为卫星i的小数伪距，L1>ms 为以米为单位的伪距模糊值，Stu表示接收机钟差。
[0031] 步骤S4,假设步骤3中遍历获得N组整毫秒组合以及N个定位结果以及伪距残余信 息，本步骤根据定位残余信息，采用伪距残余平方和的平方根最小准则选择最合理的概略 位置和毫秒伪距整数模糊组合；
[0032] 步骤S5，在选择最合理概略位置后，可以通过选择参考卫星的方法避免由未知的 共有偏差引起的翻转问题，同时计算得到所有卫星的相对伪距值。
[0033] 步骤S6,在恢复了所有卫星的相对伪距后，仍可能因为本地时间的绝对偏差引起 卫星位置计算误差而增大用户位置估计误差。因此使用包含本地时间绝对偏差的五状态的 免时算法估算用户位置并根据定位后残余检验最终定位结果的合理性，由于估算未知状态 量为五维，因此当可用卫星数大于等于6颗且当残差较小（即小于设定门限值)时，认为定位 结果合理。
[0034] 五状态在传统四状态的用户三维位置、接收机公用偏差的基础上增加本地绝对时 间偏差STU状态。表示为[X y z Stu STU]T线性化观测方程为。
[0036] 铲表示卫星i的速度。
[0037] 本发明的有益效果是：
[0038] 本发明能够在接收机概略未知的情况下实现粗时定位，拓展粗时定位方法的应用 范围，减小卫星星历已知条件下的接收机首次定位时间。
【附图说明】
[0039] 图1图解星间距离与最大伪距差值之间的关系
[0040] 图2图解搜索定位方法原理流程图
[0041]图3图解算例时刻星空图
[0042]图4图解算例亚毫米粗定位时的伪距残差
【具体实施方式】
[0043]以下将结合具体实施例和说明书附图对本发明做进一步详细说明。
[0044]下面结合附图对基于星间距离压缩的模糊搜索GPS接收机粗时定位方法进行详