基于gdop和uere的多模gnss选星方法
【专利摘要】本发明涉及基于GDOP和UERE的多模GNSS选星方法。方法首先提取卫星信息，剔除不健康的卫星，计算出所有剩余卫星的仰角和方位角。然后通过UERE关于卫星仰角的简化计算模型计算用户等效误差UERE。根据UERE和观测矩阵构建定位精度评估函数，通过遍历截止高度角，确定使定位评估误差极小值的截止高度角为最终截止高度角。然后剔除仰角小于截止高度角的卫星，并将剩余卫星按仰角进行分区。最后根据选星数在低仰角区、中仰角区和高仰角区内选星。本发明兼顾空间分布和UERE的对定位精度的影响，在确保定位精度和稳定性的前提下极大减少计算量，成功实现多模GNSS接收机快速选星。
【专利说明】
基于GDOP和UERE的多模GNSS选星方法
技术领域
[0001 ] 本发明涉及一种基于可变截止高度角并兼顾⑶0P和UERE的多模GNSS选星方法。
【背景技术】
[0002] 随着全球导航卫星系统(GNSS)的建设，用户可见星数量将更大幅度地增加，同一 历元可见星数可达到40颗左右。现运行的GPS，GLONASS，Galileo和K)S四大导航系统均可进 行多系统导航的集成，这将使得定位精度、完好性、可用性等导航性能都有较大的改善。若 接收机跟踪所有卫星将带来繁重的运算量，严重影响导航定位解算的实时性，特别是对高 动态用户而言，明显增加了终端的计算负担、硬件设计复杂度和成本。此外，接受的观测数 据若包含较大的误差将严重影响定位精度。因此，多星座组合导航系统迫切需要合理的选 星方法。
[0003] 目前选星方法主要基于⑶0P最小原则来选择最优星座分布，但都是基于观测量误 差独立同分布的。
[0004] 例如公开号为CN103954980A的中国专利申请"一种多模GNSS接收机的选星方法"， 披露了 一种选星方法，包括:根据可见星星历获取各个可见星位置，进而求可见星仰角和方 位角，并且剔除仰角小于高度截止角的可见星;然后对剩余的可见星按仰角和方位角进行 分区：按仰角分为高、中、低三个仰角区，按方位角分为A、B、C、D、E、F六个区域;接着在区域 中进行选星;最后对各个所选可见星，获取GNSS接收机的GD0P值，若GD0P值小于GD0P门限则 确定定位可见星，若GD0P值大于GD0P门限则再次在上述区域内（排除已经被选到的可见星） 进行选星，直至根据所选可见星获取的GNSS接收机的⑶0P值小于⑶0P门限值。
[0005] 上述方案只考虑了卫星空间几何分布对定位精度的影响，而忽略了影响用户测距 精度(URA)、多路径、信号接收功率等因素。在多星座组合导航时，不同导航系统的卫星观测 量精度存在较大差异，特别是BDS，由GE0、ME0、IGS0三种轨道类型的卫星组成混合导航星 座，不同轨道类型卫星的观测量精度也存在明显差异。同时随着可见卫星数目的增多，传统 最佳GD0P选星方法运算量急剧增加，不能满足实时选星的精度要求。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的是提供基于⑶0P和UERE的多模GNSS选星方法，用以解决现有技术基 于GD0P的方法无法满足精度要求的问题。
[0007] 为实现上述目的，本发明的方案包括：
[0008] 基于⑶0P和UERE的多模GNSS选星方法，包括以下步骤：
[0009] 步骤A:根据卫星导航电文和接收机位置计算待选卫星的仰角和方位角；
[0010] 步骤B:计算用户等效误差UERE，UERE是与卫星相关联的各种误差源对伪距测量影 响的统计和；
[0011] 步骤C:构建定位精度评估函数，遍历截止高度角，确定使定位评估误差极小值的 截止高度角为最终截止高度角ELth;
[0012]步骤D:剔除仰角小于截止高度角的待选卫星，并将剩余卫星按仰角进行分区； [0013] 步骤E:在各分区内选星。
[0014]进一步的，步骤A中，根据卫星导航电文中卫星健康状态信息，剔除不健康的卫星， 将剩余的n颗可见卫星为待选卫星;并且根据导航电文计算出所有剩余卫星的位置，依据接 收机位置计算出它们的仰角和方位角。
中，表示用户测距精度;<,/，表示热噪声引起的测距误差;EU为可见卫星i的仰角；
[0015]进一步的，步骤B中，根据UERE关于卫星仰角的简化计算模型，计算用户等效误差 UERE：
[0016] 式
[0018] 表示电离层延迟引起的测距误差;Re为地球半径，EU为可见卫星i的仰角，lu 是电离层电子密度最大时的高度，Bo为接收机所处的炜度。
[0019] 进一步的，步骤C中，由UERE和观测矩阵构建定位精度评估函数：
[0021]式中UERE=[U1 U2…un]T，Ui为UERE关于卫星仰角的简化计算模型计算的第i卫 星的等效测距误差；
[0023]通过遍历截止高度角，确定使定位评估误差极小值的截止高度角为最终截止高度 角 ELth。
[0024]进一步的，步骤D中，对大于等于截止高度角的所有待选卫星按：截止高度角~ 30°、30°~70°、70°~90°，将卫星依次划分低仰角区、中仰角区和高仰角区。
[0025]进一步的，步骤E中，把低仰角区内和高仰角区所有卫星作为所选可见卫星，并计 数为m颗;若m大于等于要选星数k，则剔除高仰角区的仰角最小的m-k颗卫星，剩余的k颗卫 星为最终选星结果;若m小于要选星数k，则将低仰角区的卫星纳为选星组，并按方位角进行 排序，计算出前后两颗卫星的方位角之差，选择出方位角差值最大的两颗卫星，求两者方位 角平均值，并在中仰角区寻找与该平均值最相近的卫星纳给选星组，重复上述步骤，在中仰 角区选出k-m颗卫星，则低、中、高仰角区内所选择的k颗卫星为最终选星结果。
[0026]本发明的方法，由于兼顾卫星空间几何分布和观测量误差，与只考虑卫星几何分 布的传统选星算法相比，提高了定位精度和稳定性。本发明的方法不仅适用于多模卫星导 航系统，同时也适用于单模卫星导航系统，选星效果优，运算复杂度低，便于硬件实现。 [0027]在分区选星的规则上，根据选星数剔除中仰角区域的UERE较大的卫星，最终实现 选星，在选星效果上接近最优，计算量上却远远小于传统最优roop和wpdop选星算法。
【附图说明】
[0028] 图1是基于⑶0P和UERE的多模GNSS选星方法流程图；
[0029]图2是武汉地区BDS、GPS、GLONASS多星座系统一天内可见卫星数量变化图；
[0030] 图3是武汉地区某一时刻的BDS、GPS、GLONASS卫星分布图；
[0031]图4是定位精度与基于最优GD0P选星计算出的精度在一天内对比图。
【具体实施方式】
[0032]下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。
[0033]如图1所示的选星方法，具体步骤如下：
[0034]步骤一：提取卫星信息。
[0035]根据卫星导航电文中卫星健康状态信息，剔除不健康的卫星，剩余卫星计数为n 颗;根据导航电文计算出这n颗卫星的位置，并依据接收机位置计算出它们的仰角和方位 角。
[0036] 步骤二:计算用户等效误差UERE。
[0037] UERE-般认为是与卫星相关联的各种误差源对伪距测量影响的统计和。UERE的一 般表达式如下： 「00381
[0039] 式中，<_表示用户测距精度;〇^表示热噪声引起的测距误差;表示电离层 延迟引起的测距误差;表示对流层延迟引起的测距误差；^&^表示多径效应引起的测 距误差。
[0040] URA包含了导航系统空间段和控制段的所有误差，但不包括用户设备或者信号传 输引入的误差。由于URA是短时间内的预测值，并不能保证测距精度。但是它可以用来避免 选择已知具有较大伪距误差的卫星来进行定位。当前在轨卫星的平均URE大约是1.5m。因 此，URA可以假设为均值为1.36m，标准差为0.6 lm的随机正态分布。热噪声可以看作载噪 比C/N0的函数：
[0042] 其中F1和F2代表鉴相器因子，d代表码片相关间隔，Bn代表码环噪声带宽，T代表预 检积分时间，Xc代表每一码片的波长。
[0043] 与卫星仰角密切相关，三个误差因素都随着仰角的增大而降低， 其中电离层延迟是伪距误差中最大的误差项，单频用户的电离层延迟关于仰角的估计模 型：
[0045] Re为地球半径，ELi为可见卫星i的仰角，lu是电离层电子密度最大时的高度，B〇为 接收机所处的炜度。对流层延迟和多路径误差均可用模型计算，则UERE关于卫星仰角的简 化计算模型如下：
[0046]
[0047] 步骤三:确定截止高度角ELth。
[0048]第一步:构建定位精度评估函数 [0049] GNSS伪距定位的线性误差方程为：
[0050] A p = Hc〇mb A X+e(5)
[0051 ] 式中Ap=[APl Ap2…Apn]T为测量伪距与由卫星坐标和测站概略坐标计算 出的伪距之差；AX=[Ax Ay Az -cAti _cAt2 _cAt3 _cAt4]T为参数向量，包括3个 位置分量和各系统对应的接收机钟差;e为伪距测量误差矢量。则A X的最小二乘估计：
[0052] (6)
[0053]由最小二乘估计值得位置误差矢量为：
[0054]
[0055]则空间定位误差：
[0057]由于未知不可测，但UERE可以通过(4)式进行估计，故以UERE代替e，可预测位置误 差。由此，定位精度评估函数可设计如下：
[0058] m = = wty m, ]1 (9)
[0059] 式中UERE= [ui U2…un]T，Ui为由（4)式计算的第i卫星的等效测距误差。贝lj定位 评估误差：
[0061]第二步:遍历截止高度角，确定使定位评估误差极小值的截止高度角为最终截止 尚度角ELth。
[0062]观测矩阵、UERE都与卫星仰角密切相关，因此可将定位精度评估函数m作为以卫星 仰角为自变量的函数，则定位评估误差Em也是关于卫星仰角的函数。设置不同截止高度角 必然会引起定位评估误差的变化，故可以通过遍历不同截止高度角，使定位评估误差达到 极小值，则此时对应的截止高度角为最终截止高度角。按卫星仰角进行排序，从小到大逐个 将卫星仰角设置为截止高度角，顾及GD0P值，本发明选取截止高度角范围为[0°，30° ]。剔除 仰角小于此时截止高度角的卫星，并计算GD0P值，若GD0P大于6,则停止遍历，并以该区域内 定位评估误差极小值对应的截止高度角为最终截止高度角EL th。
[0063]步骤四：剔除仰角小于截止高度角ELth的卫星，并将剩余卫星按仰角进行分区。 [0064] 则对大于ELth的所有卫星按卫星仰角进行分区：ELth~30°、30°~70°、70°~90°， 分别称为低仰角区、中仰角区和高仰角区。
[0065]步骤五:在低仰角区、中仰角区和高仰角区内选星，根据选星数剔除中仰角区域 的UERE较大的卫星，最终实现选星：
[0066]把低仰角区内和高仰角区所有卫星作为所选可见卫星，并计数为m颗；
[0067]若m大于等于要选星数k，则剔除高仰角区的仰角最小的m-k颗卫星，剩余的k颗卫 星为最终选星结果；
[0068]若m小于要选星数k，则将低仰角区的卫星纳为选星组，并按方位角进行排序，计算 出前后两颗卫星的方位角之差。选择出方位角差值最大的两颗卫星，求两者方位角平均值， 并在中仰角区寻找与该平均值最相近的卫星纳给选星组。重复上述步骤，在中仰角区选出 k-m颗卫星。则低、中、高仰角区内所选择的k颗卫星为最终选星结果。
[0069]以上实施例中，实际上是可见卫星数量n大于接收机要选择的卫星数量k时的处理 过程。在步骤一中，还可以进行异常处理，即判断若可见卫星数量n少于等于接收机要选择 的卫星数量k，则直接利用所有可见星进行定位解算即可。
[0070] 作为其他实施方式，如果对要求较低，也可以不进行剔除不健康卫星的操作，直接 以可见卫星为n颗待选卫星。
[0071] 另外，以上实施例中，UERE与用户测距精度、热噪声、电离层延迟、对流程延迟、多 径效应等误差有关，并且构造了具体的表达式，进而构建定位精度评估函数，最终目的是获 得截止高度角EL th;该截止高度角ELth体现了本发明的方法兼顾卫星空间几何分布和观测 量误差的特点。需要指出的是，以上实施例给出的是一种具体例子，本领域技术人员可以在 本发明的构思基础上进行调整，比如选择更多的误差项来构造 UERE，亦或选择其中部分误 差项来构造 UERE;再比如还可以根据需要构造不同的计算模型；还比如可以构造不同的精 度评估函数，通过其他方式得到最终截止高度角。
[0072] 再者，在各分区内选星时，也可以按照不同于以上实施例的方式进行选星，比如
【背景技术】中的选星方式。
[0073] 图2、图3、图4是将本发明的方法应用到武汉地区（114.2927°E，30.3056°N)BDS、 GPS、GLONASS多星座系统的具体实例。
[0074] 如图2所示，实际观测武汉地区（114.2927°E，30.3056°N)BDS、GPS、GL0NASS多星座 系统在2016年1月2日一天内可见卫星数量变化图。
[0075] 如图3所示，实际观测武汉地区（lMJgSTUO.SOSeDBDSWPSWLONASS多星座 系统在2016年1月2日4时25分30秒的卫星分布图。极坐标图半径代表卫星高度角，极坐标角 度代表卫星方位角。
[0076] 此时可见卫星数量共35颗，现从35颗全部可见卫星中选择10颗解算用卫星。根据 以上实施例的方法：
[0077]第一步:根据卫星导航电文中卫星健康状态信息，剔除不健康的卫星。该实例中无 不健康卫星，故剩余卫星计数为35颗。根据导航电文计算出这35颗卫星的位置，并依据接收 机位置计算出它们的仰角和方位角。
[0078]第二步:根据(4)式计算每颗星的计算用户等效误差UERE。
[0079]第三步:把卫星仰角小于30°的卫星按卫星仰角进行排序，从小到大逐个将卫星仰 角设置为截止高度角。剔除仰角小于此时截止高度角的卫星，计算则定位评估误差和GD0P 值，若⑶0P大于6,则停止遍历。实例中小于30°的卫星有以下14颗卫星，通过分别设置截止 高度角为卫星对应的仰角可得定位评估误差em和GD0P值：
[0081] 该区域内定位评估误差极小值对应的截止高度角R03卫星的仰角25.3°，故最终截 止高度角为25.3°。
[0082] 第四步：剔除仰角小于截止高度角25.3°的卫星G30，C10，G02，R01，C05，R11，G18， R24，C07如图3中灰色标注区域内。按照本发明的划分规则将剩余卫星按仰角进行分区： 尺03,0)8，1?18,0)4,605为低仰角区，1?12,629,624,621，0)2,0)1，(：14，1?02,613,0)3,0)9， C06，G20为中仰角区，G15为高仰角区。
[0083]第五步:把低仰角区内和高仰角区所有卫星作为所选可见卫星，计数共6颗。小于 要选星数10颗，则将低仰角区的卫星纳为选星组(G05，C04，C08，R03，R18)，并按方位角进行 排序，计算出前后两颗卫星的方位角之差。选择出方位角差值最大的两颗卫星(R18，G05)， 求两者方位角平均值18.15°，并在中仰角区寻找与该平均值最相近的卫星G20(12.5°)纳给 选星组(620,605,0)4,0)8，1?03，1?18)。重复上述步骤，在中仰角区选出4颗卫星（620，(：14， 0)1，0)2)。则低、中、高仰角区内所选择的1^颗卫星为最终选星结果(0)1，0)2,0)4,0)8，(：14， G05，G15，G20，R03，R18)。
[0084] 至此，从35颗全部可见卫星中选择10颗解算用卫星（C01，C02，C04，C08，C14，G05， 615,620，如3，1?18)，在如图3中用五角星女标记在极坐标中。
[0085] 如图4所示，实际观测武汉地区（114 ? 2927° E，30 ? 3056° N)北斗、GPS、GL0NASS多星 座系统在2016年1月2日一天内三维定位精度变化图，包括本发明的选星方法和最优GD0P的 选星方法计算结果。
[0086] 以上给出了本发明涉及的【具体实施方式】，但本发明不局限于所描述的实施方式。 在本发明给出的思路下，采用对本领域技术人员而言容易想到的方式对上述实施例中的技 术手段进行变换、替换、修改，并且起到的作用与本发明中的相应技术手段基本相同、实现 的发明目的也基本相同，这样形成的技术方案是对上述实施例进行微调形成的，这种技术 方案仍落入本发明的保护范围内。
【主权项】
1. 基于⑶OP和UERE的多模GNSS选星方法，其特征在于，包括以下步骤： 步骤A:根据卫星导航电文和接收机位置计算待选卫星的仰角和方位角； 步骤B:计算用户等效误差UERE，UERE是与卫星相关联的各种误差源对伪距测量影响的 统计和； 步骤C:构建定位精度评估函数，遍历截止高度角，确定使定位评估误差极小值的截止 高度角为最终截止高度角ELth; 步骤D:剔除仰角小于截止高度角的待选卫星，并将剩余卫星按仰角进行分区； 步骤E:在各分区内选星。2. 根据权利要求1所述的基于⑶0P和UERE的多模GNSS选星方法，其特征在于，步骤A中， 根据卫星导航电文中卫星健康状态信息，剔除不健康的卫星，将剩余的n颗可见卫星为待选 卫星;并且根据导航电文计算出所有剩余卫星的位置，依据接收机位置计算出它们的仰角 和方位角。3. 根据权利要求1所述的基于⑶0P和UERE的多模GNSS选星方法，其特征在于，步骤B中， 根据UERE关于卫星仰角的简化计算模型，计算用户等效误差UERE:式中，表示用户测距精度；表示热噪声引起的测距误差;EU为可见卫星i的仰 角;为：表示电离层延迟引起的测距误差;Re为地球半径，^是电离层电子密度最大时的高 度，B〇为接收机所处的炜度。4. 根据权利要求3所述的基于⑶0P和UERE的多模GNSS选星方法，其特征在于，步骤C中， 由UERE和观测矩阵构建定位精度评估函数： mh mh mt. mj\ 式中UERE=[ui U2…un]T，Ui为所述UERE关于卫星仰角的简化计算模型计算的第i卫 星的等效测距误差；通过遍历截止高度角，确定使定位评估误差极小值的截止高度角为最终截止高度角 ELth 〇5. 根据权利要求1或2或3或4所述的基于GD0P和UERE的多模GNSS选星方法，其特征在 于，步骤D中，对大于等于截止高度角的所有待选卫星按:截止高度角~30°、30°~70°、70° ~90°，将卫星依次划分低仰角区、中仰角区和高仰角区。6. 根据权利要求5所述的基于⑶0P和UERE的多模GNSS选星方法，其特征在于，步骤E中， 把低仰角区内和高仰角区所有卫星作为所选可见卫星，并计数为m颗;若m大于等于要选星 数k，则剔除高仰角区的仰角最小的m-k颗卫星，剩余的k颗卫星为最终选星结果;若m小于要 选星数k，则将低仰角区的卫星纳为选星组，并按方位角进行排序，计算出前后两颗卫星的 方位角之差，选择出方位角差值最大的两颗卫星，求两者方位角平均值，并在中仰角区寻找 与该平均值最相近的卫星纳给选星组，重复上述步骤，在中仰角区选出k-m颗卫星，则低、 中、高仰角区内所选择的k颗卫星为最终选星结果。
【文档编号】G01S19/28GK106054216SQ201610350058
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年5月24日
【发明人】吴江飞, 栗广才, 刘卫华, 赵才新
【申请人】中国人民解放军信息工程大学