一种卫星定位导航接收机快速热起动方法技术

本发明专利技术公开了一种基于卫星星座局部不变性的快速热启动方法。该方法利用先验性信息，在开机后迅速确定当前的视野范围内可用的卫星，并指示接收机的捕获单元捕获。接收机捕获卫星信号实现比特同步后，提取比特尺度内的时间信息。接着，通过计算卫星信号的传播延时，获得较为精确的本地时间。进一步求解定位方程，计算出一组伪距残差值，在此基础上求解卫星在单位比特时间内径向距离改变量，将它们投影到卫星的残余空间，获得另一组伪距残差向量。利用前后两个残差向量的线性关系，求得接收机时间的模糊度，从而计算出精确的卫星信号发射时间，获得正确定位结果。该方法对本地时间的精度要求不高，适用面广，为接收机快速热启动提供了新思路。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于全球卫星定位与导航领域，涉及定位导航接收机的快速定位技术。具 体的来说，它是一种基于卫星空间位置局部不变性的快速热起动方法。
技术介绍
接收机的首次定位时间是衡量接收机性能的一个重要指标。根据不同的场景，可 以将接收机的首次定位时间分为：冷启动，温启动，热启动，重补四类。 接收机实现定位需要两个必要条件，一是卫星信号的发射时间，二是接收机接收 到信号时的本地的时间。卫星信号的发射时间需要通过提取电文中的时间信息来确定。该 时间信息是通过不同尺度的时间计数量组装而成的。获得精确的卫星信号发射时间需要 接收机对卫星信号实现帧同步。对于GPS LlCA信号而言，实现帧同步需要的时间为6s~ 12s。新体制信号GPS LlC则需要18s~36s。卫星信号的发射时间的精度很高，可到达纳 秒级别。而接收机的本地时间精度一般较差，精度在秒级别。 接收机进行位置计算的过程是根据卫星信号的发射时间ts以及卫星的星历信息， 确定卫星j的位置Sj Uj，yj，zj和速度信;i结合接收机的本地时间t"v，确定 卫星与接收机的伪距P _j = (trav_ts) · c,其中c为光速。 另一方面，伪距P ,与用户位置U(xu，yu，zu)，接收机的钟差δ tu，以及多径传播时 延误差ε p ]存在这下面的关系： 只要获得了至少4个如（1)的方程，采用最小二乘法，便可以求解出用户的位置信 息了。 热启动是指接收机有不太精确的本地时间（2s内误差），有效的卫星星历信息，本 地概略位置（上一次用户定位位置），明确当前的用户可用的卫星号的情形下，设备断电重 启进行首次定位的时间。 现有的热起动方案中，大部分需等待电文帧同步来获得卫星信号的发射时间这显 然会使得首次定位时间变长；有一些只需要比特同步（〇.2s)的方案，但方案中需要本地时 钟具有较高的精准度（IOms内误差），并且还加以一套失效监测机制来确保这个精准度。这 种方案对本地时钟要求较高，而且监测机制较为复杂。
技术实现思路
本专利技术提出了一种基于卫星星座的局部不变性的快速热启动方法，它能够克服现 有热启动方案的不足。 该方法首先在接收机上电后，根据本地时间对存储的星历信息进行判断，确定出 星历有效的卫星，并利用接收机的概略位置计算出当前的情况下接收机的视野范围内的卫 星，获得它们的卫星号，并指示接收机的捕获单元捕获视野范围内的卫星。当接收机捕获卫 星成功并实现电文的比特同步后，提取出一比特数据位的时间信息（对于GPS L1C，这一时 间范围是l〇ms，GPS L1CA，这一时间范围是20ms)。然后，再计算卫星信号的传播延时，获得 本地时间的粗估值，并在此基础上估算卫星信号的发射时间，并根据卫星的星历参数计算 出卫星在信号发射时刻的位置与速度信息，由此获得定位解算的非线性方程组。由于估算 出的卫星信号的发射时间存在若干比特时间的模糊度，故通过最小二乘法求解定位方程组 时，获得的伪距残差会很大。这时，再求解出卫星相对于接收机的径向速度，并计算出一个 比特时间内径向速度的累积量，也叫做径向距离改变量，将它们投影到卫星的残余空间后 获得一组残差向量。利用两个残差向量的对应分量之间的线性比例关系，可以求得比特时 间的整数模糊度。进而获得精确的卫星信号发射时间，从而修正定位误差，获得正确定位结 果。 为了实现快速热起动，本专利技术要进行如下的几个步骤。 步骤一：读取先验信息。 当接收机的CUP上电后，需要从存储单元中读取接收机上一次正常定位后的位置 信息，卫星的星历信息。 步骤二：确定当前可见的卫星。 接收机获取的本地时间（时间不确定度为ls，可以认为是本地时间的粗估计值） 与卫星星历的星历时间的差值绝对值在2小时的有效范围内，可以认为此时的星历有效； 接着，计算出具有有效星历的卫星的大致位置，结合本地的概略位置（一般是加载上一次 定位结果）估算卫星的仰角，去除仰角过低的卫星，选择当前接收机视野范围内可用的卫 星，获得它们的卫星号。 步骤三：指示捕获单元捕获视野范围内的卫星。 根据步骤二中获得当前接收机视野范围内可用的卫星后，需要向接收机的捕获单 元发出命令，指示接收机单元去捕获这些视野范围内的卫星。 步骤四：提取卫星的小尺度的时间信息。 当接收机捕获某一颗卫星的信号并实现对卫星信号的比特同步后，可以确定比特 时间尺度范围内的精确的时间信息t fra。。 步骤五：估算卫星信号的传播延时。 根据粗略计算的卫星j的位置Sj (Xj，yj，z j)，结合本地的概略位置U (xu，yu，zu)，可 以求得卫星与接收机之间的距离:L除以光速(3，获得卫星信号的传播延时'^。 步骤六：获得较为精确的本地时间。 根据本地时间tlTCal，结合步骤5中计算出的信号传播的延时时间tdelay，步骤四中 提取卫星小尺度时间信息t f_，可以获得较为精确的本地时间trav^tiniate，它们具有关系： trcv-estimate tl〇Cal+tdelay+tfrac 0 步骤七：计算卫星信号发射时间的估计值。 利用步骤五中计算的卫星信号的传播延时,结合tsat ^stinatf3 = trcv 求得 卫星信号发射的时间的估计值tsatestiniate。这个估计值与真实的卫星信号发射时间存在若干 比特时间的不确定度。即：tsat = tsat_estinatf；+n · tlblt，其中η的取值为整数。 步骤八：获得定位解算方程，求解获得残差向量。 根据定位组 其中用户位置U(xu，yu，zu)，dt u为本地时钟与卫星时间的钟差。 通常采用牛顿迭代法的思想求解这一组方程组，每一次线性迭代过程中有： Ab = G. ΛΧ+ ε p。（其中G表示的是接收机至卫星的观测矩阵，ε p表示的是测 量的随机噪声矢量） 通过最小二乘法求解每一次迭代的修正向量ΛX = (GtG) 1GtΛb，用来修正定位结 果和钟差，I I λχ| I逐渐趋于〇,从而获得定位结果，同时获得了最后一次迭代时的残差向 量 b = Λ P-GAX = (I-G(GtG) 1Gt) Λ p。 步骤九：计算伪距值在一比特时间内的改变量。 利用步骤七中计算的卫星信号发射时间，以及卫星星历信息，计算出卫星的速度 信息，将它们投影到接收机与卫星连线的方向：获得第j颗卫星的径向速度乘以一比特的时间，获得第j颗卫星与接收机的伪距在一比特时间内的径向 改变量。对其他的已经比特同步上的卫星采取类似的方法，可以获得了所有可用卫星对应 的伪距在一比特时间内的变化值。 步骤十：计算伪距变化值在残余空间上的投影值。 根据步骤八中的最小二乘法，将一比特时间内的伪距变化量匕,,通过投影变换投 影到残余空间，由此获得对应的残差&_。 步骤十一：计算接收机时间的整数倍模糊度。 利用良""与之间的线性关系：可以通过求解两组向量中对应分量之间 的比值来获得接收机时间的整数倍模糊度k，为了获得根据稳定的k，需要用到两组向量中 所有的分量，可以通'可以求解k值。 步骤十二：定位结果修正。 根据步骤十一中确定的时间的整数倍模糊度k，根据公式： (其中：Δ p ?为tlbltXk ms时间内的伪距残余变量） 将一比特时间的整数倍模糊度引起的伪本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于卫星星座局部不变性的快速热启动方法，其特征在于，包括以下十二个步骤： 步骤A：读取先验信息，确定当前可见的卫星； 步骤B：指示捕获单元捕获视野范围内的卫星； 步骤C：获得较为精确的本地时间； 步骤D：获得定位解算方程，求解获得残差向量； 步骤E：计算伪距值在一比特时间内的改变量； 步骤F：计算伪距变化值在残余空间上的投影值； 步骤G：计算接收机时间的整数倍模糊度； 步骤H：定位结果修正。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：谭思远，朱柏承，张晓迪，
申请(专利权)人：北京大学，
类型：发明
国别省市：北京;11