基于加权受力平衡的多模GNSS选星方法及系统与流程

本发明涉及基于加权受力平衡的多模gnss选星方法及系统。

背景技术

随着全球卫星导航定位系统迅猛发展，在进行导航定位时可见性数目会急剧增多。传统的基于遍历法寻求具有最小gdop值组合的gnss选星方法需要进行大量的矩阵运算，占据了大量的计算资源，影响导航定位的实时性。后续的改进优化方法依然存在着选星组合较多、运算量过大的问题，而基于变权矢量和的gnss选星算法根据受力平衡思想减少了大量的矩阵运算，具有实时性、准确性、鲁棒性等优点。

现有的多系统选星算法主要有以下两种：一是申请公布号为cn102540214a的中国专利申请文件中公开了一种基于导航卫星系统信号源的平滑选星方法，首先将可见卫星按仰角分区，然后进行组合选取最优gdop值组合的卫星组合，之后将选取的卫星组合作为后续历元的选星组合首选项。虽然这种方法减少了部分矩阵运算，但是在初次定位过程中依然存在着用时过长的缺点，而且没有考虑用户测距误差项对定位结果的影响。二是申请公布号为cn106707308a的中国专利申请文件中公开了一种基于非标称对流层误差的多星座gbas选星算法和装置，该方法不仅考虑了可视卫星的空间位置，也考虑了uere误差项，然而其计算方法过于复杂，且未考虑多系统定位时的不同的卫星导航定位系统存在的系统性误差。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种基于加权受力平衡的多模gnss选星方法，用以解决现有的选星方法过程比较复杂的问题。本发明同时提供一种基于加权受力平衡的多模gnss选星系统。

为实现上述目的，本发明包括以下技术方案。

一种基于加权受力平衡的多模gnss选星方法，包括以下步骤：

(1)配置导航定位所需卫星数目和卫星高度角阈值；

(2)根据导航电文确定可见卫星并计算可见卫星的高度角和方位角；

(3)求取各个可见卫星对应的受力情况；

(4)将可见卫星根据高度角和方位角划分为不同的区域；

(5)根据确定的导航定位所需不同区域的卫星数目进行组合，根据求取的可见卫星的受力情况求取对应可见卫星组合的受力的合力，其中，合力最小的卫星组合为导航定位求解所需卫星组合。

本方案提供的基于加权受力平衡的多模gnss选星方法，根据可视卫星所属系统、空间位置确定可视卫星在站心坐标系的受力状况，根据可视卫星的高度角、方位角进行分组，然后分析各组卫星的受力状况，选取最接近受力平衡状态的一组卫星作为导航定位解算卫星。利用加权受力平衡方法来选取解算卫星组合，可以得到高时效、高精度的定位结果。该方法可以实现在多系统定位下快速确定解算卫星，实时性、精确性、鲁棒性较好。而且，减少了传统选星算法中大量的矩阵运算，占据了较少的计算资源，同时减少了可选卫星组合的数目，提高了选星算法的实时性。另外，该方法不仅考虑了卫星的空间位置分布，同时考虑了不同卫星系统本身的系统误差，也考虑了由于卫星空间位置分布的不同引起的测距误差。

进一步地，所述可见卫星的高度角和方位角的计算过程包括：

1)求解得到可见卫星在ecef坐标系下的坐标(xs，ys，zs)及接收机在ecef坐标系下的坐标(xc，yc，zc)，并求解得到接收机位置对应的大地经纬度(b，l)，则求解得到可见卫星在站心坐标系下的坐标：

2)将步骤1)中的可见卫星在站心坐标系下的坐标单位化后得到：

3)求解得到可见卫星的高度角elev与方位角azi：

进一步地，可见卫星对应的受力情况求解过程包括：

如果可见卫星属于gps系统或者bds系统，且高度角为elev，则对应的受力矢量为：

如果可见卫星属于glonass系统，且高度角为elev，则对应的受力矢量为：

进一步地，设定定位系统三系统六星定位系统，所述三系统为bds、gps和glonass，则将站心坐标系单位球面依高度角和方位角划分为7个区域：

高仰角区域a：70°＜elev≤90°，0°＜azi＜360°；

中仰角区域b：30°＜elev≤70°，0°＜azi≤180°；

中仰角区域c：30°＜elev≤70°，180°＜azi＜360°；

低仰角区域d：5°＜elev≤30°，0°＜azi≤90°；

低仰角区域e：5°＜elev≤30°，90°＜azi≤180°；

低仰角区域f：5°＜elev≤30°，180°＜azi≤270°；

低仰角区域g：5°＜elev≤30°，270。＜azi＜360°。

进一步地，所述步骤(5)中，在六星组合定位时，可见卫星组合为：高仰角区域a有一颗，中仰角区域b和中仰角区域c各有一颗，低仰角区域d、低仰角区域e、低仰角区域f和低仰角区域g各有一颗；

在6个区域分别选取一颗可见卫星进行组合，求解如下：

x＝∑vx

y＝∑vy

z＝∑vz

n＝x+y+z

选取n最小的一组作为导航定位解算卫星组合。

一种基于加权受力平衡的多模gnss选星系统，包括一种控制模块，所述控制模块包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器在执行所述计算机程序时实现的步骤包括：

(1)配置导航定位所需卫星数目和卫星高度角阈值；

(2)根据导航电文确定可见卫星并计算可见卫星的高度角和方位角；

(3)求取各个可见卫星对应的受力情况；

(4)将可见卫星根据高度角和方位角划分为不同的区域；

(5)根据确定的导航定位所需不同区域的卫星数目进行组合，根据求取的可见卫星的受力情况求取对应可见卫星组合的受力的合力，其中，合力最小的卫星组合为导航定位求解所需卫星组合。

进一步地，所述可见卫星的高度角和方位角的计算过程包括：

1)求解得到可见卫星在ecef坐标系下的坐标(xs，ys，zs)及接收机在ecef坐标系下的坐标(xc，yc，zc)，并求解得到接收机位置对应的大地经纬度(b，l)，则求解得到可见卫星在站心坐标系下的坐标：

2)将步骤1)中的可见卫星在站心坐标系下的坐标单位化后得到：

3)求解得到可见卫星的高度角elev与方位角azi：

进一步地，可见卫星对应的受力情况求解过程包括：

如果可见卫星属于gps系统或者bds系统，且高度角为elev，则对应的受力矢量为：

如果可见卫星属于glonass系统，且高度角为elev，则对应的受力矢量为：

进一步地，设定定位系统三系统六星定位系统，所述三系统为bds、gps和glonass，则将站心坐标系单位球面依高度角和方位角划分为7个区域：

高仰角区域a：70°＜elev≤90°，0°＜azi＜360°；

中仰角区域b：30°＜elev≤70°，0°＜azi≤180°；

中仰角区域c：30°＜elev≤70°，180°＜azi＜360°；

低仰角区域d：5°＜elev≤30°，0°＜azi≤90°；

低仰角区域e：5°＜elev≤30°，90°＜azi≤180°；

低仰角区域f：5°＜elev≤30°，180°＜azi≤270°；

低仰角区域g：5°＜elev≤30°，270°＜azi＜360°。

进一步地，所述步骤(5)中，在六星组合定位时，可见卫星组合为：高仰角区域a有一颗，中仰角区域b和中仰角区域c各有一颗，低仰角区域d、低仰角区域e、低仰角区域f和低仰角区域g各有一颗；

在6个区域分别选取一颗可见卫星进行组合，求解如下：

x＝∑vx

y＝∑vy

z＝∑vz

n＝x+y+z

选取n最小的一组作为导航定位解算卫星组合。

附图说明

图1是基于加权受力平衡的多模gnss选星方法的流程示意图。

具体实施方式

如图1所示，一种基于加权受力平衡的多模gnss选星方法，包括以下步骤：

(1)配置导航定位所需卫星数目和卫星高度角阈值；

(2)根据导航电文确定可见卫星并计算可见卫星的高度角和方位角；

(3)求取各个可见卫星对应的受力情况；

(4)将可见卫星根据高度角和方位角划分为不同的区域；

(5)根据确定的导航定位所需不同区域的卫星数目进行组合，根据求取的可见卫星的受力情况求取对应可见卫星组合的受力的合力，其中，合力最小的卫星组合为导航定位求解所需卫星组合。

基于上述基本技术方案，给出各步骤的具体实现过程，当然，本发明并不局限于此。

(1)配置导航定位所需卫星数目和卫星高度角阈值等基本参数。其中，高度角阈值根据经验值一般取5°，部分观测条件恶劣的地区取10°。三系统导航定位在顾及钟差项的前提下至少需要6颗星才能进行导航定位。约定北斗卫星导航系统(bds)、美国全球定位系统(gps)、俄罗斯格洛纳斯卫星导航系统(glonass)系统定位精度权重为1：1：0.67。

约定观测值的权值p按照依赖于高度角elev的随机模型公式进行计算，计算公式为：p＝(sin(elev))²。

(2)根据导航电文确定可见卫星并计算可见卫星的高度角和方位角，包括以下步骤：

1)求解得到可见卫星在ecef坐标系下的坐标(xs，ys，zs)及接收机在ecef坐标系下的坐标(xc，yc，zc)，并求解得到接收机位置对应的大地经纬度(b，l)，则求解得到可见卫星在站心坐标系下的坐标：

2)将步骤1)中的可见卫星在站心坐标系下的坐标单位化后得到：

3)求解得到可见卫星的高度角elev与方位角azi：

(3)求取各个可见卫星对应的受力情况。可见卫星对应的受力情况求解过程包括：

如果可见卫星属于gps系统或者bds系统，且高度角为elev，则对应的受力矢量为：

如果可见卫星属于glonass系统，且高度角为elev，则对应的受力矢量为：

(4)将可见卫星根据高度角和方位角划分为不同的区域。

设定定位系统为三系统六星定位系统，这三个系统分别为bds、gps和glonass。那么，以三系统六星定位系统为例，将站心坐标系单位球面依高度角和方位角划分为7个区域：

高仰角区域a：70°＜elev≤90°，0°＜azi＜360°；

中仰角区域b：30°＜elev≤70°，0°＜azi≤180°；

中仰角区域c：30°＜elev≤70°，180°＜azi＜360°；

低仰角区域d：5°＜elev≤30°，0°＜azi≤90°；

低仰角区域e：5°＜elev≤30°，90°＜azi≤180°；

低仰角区域f：5°＜elev≤30°，180°＜azi≤270°；

低仰角区域g：5°＜elev≤30°，270°＜azi＜360°。

(5)根据确定的导航定位所需不同区域的卫星数目进行组合，根据求取的可见卫星的受力情况求取对应可见卫星组合的受力的合力，其中，合力最小的卫星组合为导航定位求解所需卫星组合。

在6星组合定位时，较小的gdop的可见卫星组合应为：高仰角区域a有一颗，中仰角区域b和中仰角区域c各有一颗，低仰角区域d、低仰角区域e、低仰角区域f和低仰角区域g各有一颗。

在6个区域分别选取一颗可见卫星进行组合，求解如下：

x＝∑vx

y＝∑vy

z＝∑vz

n＝x+y+z

选取n最小的一组作为导航定位解算卫星组合。

以上给出了具体的实施方式，但本发明不局限于所描述的实施方式。本发明的基本思路在于上述基本方案，对本领域普通技术人员而言，根据本发明的教导，设计出各种变形的模型、公式、参数并不需要花费创造性劳动。在不脱离本发明的原理和精神的情况下对实施方式进行的变化、修改、替换和变型仍落入本发明的保护范围内。

该基于加权受力平衡的多模gnss选星方法还可以作为一个软件程序，加载在基于加权受力平衡的多模gnss选星系统的控制模块中的存储器中，并可在控制模块中的处理器上运行。