一种北斗卫星导航系统快速选星方法技术方案

本发明专利技术公开了一种北斗卫星导航系统快速选星方法，属于卫星导航技术领域。该方法从北斗卫星导航系统的所有可见卫星中选择6颗用于定位解算的卫星，利用北斗卫星导航系统的空间几何分布，分别在低仰角区、中仰角区和高仰角区内选星，同时利用四星和多于四颗卫星的GDOP优化公式，采用等价GDOP进行几何精度因子计算，在增加少量内存空间的基础上，避免了传统GDOP计算公式中的矩阵求逆运算，极大降低了接收机信息解算过程中的运算量，且满足用户对卫星定位精确性、实时性和鲁棒性的要求。该方法同时考虑了卫星空间几何分布等特殊情形，考虑各种复杂情况对选星结果的影响，能够成功实现北斗导航系统快速选星，工程应用前景广阔。

A fast star selection method for Beidou satellite navigation system

The invention discloses a fast star picking method for a Beidou satellite navigation system, belonging to the field of satellite navigation technology. The 6 methods for positioning computation from all visible satellite satellite Beidou satellite navigation system, by using the space distribution of the Beidou satellite navigation system, satellite selection in the low elevation, middle elevation area and high elevation area respectively, at the same time using the GDOP optimization formula of four and more than four satellites, the the equivalent GDOP calculate GDOP, based on adding a small amount of memory space, to avoid the traditional GDOP calculation formula of matrix inversion, which greatly reduces the information receiver solution computation process, and meet the requirement of accuracy, real-time and robustness of satellite positioning. The method takes into account the special situation of satellite space geometry distribution, and considers the influence of various complex situations on the star selection results. It can successfully realize the star selection of the Beidou navigation system, and has broad prospects for engineering applications.

【技术实现步骤摘要】
一种北斗卫星导航系统快速选星方法
本专利技术涉及一种北斗卫星导航系统优选方法，属于卫星导航
，具体涉及一种北斗卫星导航系统快速选星方法。
技术介绍
全球卫星导航系统已经成为了国家非常重要的信息基础设施，在某些重要领域如依赖国外卫星导航系统，一旦出现紧急情况或重大利益冲突，整个国家的国防军事以及社会经济安全都将受到威胁，这对国家利益的影响将是惨重的。因此，北斗卫星导航系统应运而生。它的诞生，使得我国在一些特殊的场合不再受制于国外卫星系统，无论在军事战略还是日常生活中都对我国具有非常重大的意义。北斗卫星导航系统是我国自主研制的，目前已经可为亚洲和太平洋地区提供无源定位、授时、导航服务。预计在未来二十年内，北斗卫星导航系统将逐渐成长为覆盖全球的卫星导航系统。可以预见的到，关系到国防军事方面将最先普及北斗导航应用，随着北斗导航系统逐渐完善和成熟，再普及到各类民用方面，最终成为普及度非常高的成熟的全球卫星定位导航系统，并拉动北斗产业的蓬勃发展。为了能够正确接收并解调北斗导航卫星信号，研制北斗用户终端，就必须掌握如扩频测距码、导航电文格式、导航电文参数及算法等接口的相关参数，进而进行定位和导航，而这些内容构成了北斗空间信号接口控制（ICD）文件。2012年12月，北斗ICD文件正式公布，使得相关的接口特征和参数公开化，降低了北斗终端的开发成本及难度，北斗终端的研发的方向性更加明确，研制的思路步骤也更加清晰。依靠强大的市场需求及政府部门的支持，国内外对北斗导航系统感兴趣的厂商均可对北斗客户终端进行相关产品的开发，这标志着北斗导航系统的客户终端将向通用化、开放化、高速和网络化方向发展。北斗导航接收机将会成为北斗产业中应用面最广、生产量最大的技术产品，它的性能高低将直接影响到北斗卫星导航系统的普及度。然而对于大多数厂商来说，北斗导航包含5颗GEO地球同步静止轨道卫星，以及IGSO和MEO卫星，在中国的某些地区，某一时刻可能跟踪到14颗及以上北斗卫星，对于运算处理能力有限的小型和单模接收机来说，无疑制约着接收机实时性定位解算性能。此外，北斗导航系统中，定位解算中提取的伪距信息存在卫星轨道误差、卫星钟差、电离层、对流层延迟、多路径效应、接收机钟差、观测误差、接收机天线相位中心误差等测量误差，GDOP(GeometricDilutionofPrecision)为衡量接收机定位误差的重要参量，GDOP越小，测量误差转化成的定位误差越小，卫星导航
中，经常将GDOP作为衡量选星结果的参考标准，即在单星座或者多星座导航系统中，选择后的卫星组合，GDOP越小，则证明选星结果最优。对比文件1：已授权专利技术专利：一种用于双星座卫星定位系统的选星方法，专利号：200610165466.2，公开了一种用于双星座卫星定位系统的选星方法，主要通过双星座导航系统中的卫星仰角优选n组四星组合，然后进行5星选择，最后选取GDOP值最小的一组作为最后的选星结果，并重复步骤A-G，得到最终优选结果，其中GDOP计算公式为：GDOP=trace((GTG)-1)(1)其中GDOP是几何精度因子，trace()代表矩阵对角线元素的和，即求迹运算，G代表观测矩阵，与对比专利技术专利的A矩阵一样。但对比文件1中采用的是传统的GDOP计算多项式，涉及到观测矩阵G的矩阵相乘和矩阵求逆运算，运算复杂度相对较大，而选星的目的是降低系统的计算复杂度，因此提出一种适用于北斗卫星导航系统的快速选星方法尤为重要。对比文件2：专利技术专利：基于GDOP和UERE的多模GNSS选星方法，专利号：201610350058.8，公开了一种基于GDOP和UERE的多模GNSS选星方法，该方法结合GDOP和UERE，进行卫星仰角的简化计算模型计算用户等效误差UERE，通过定位评估函数和遍历截止高度角就那些卫星组合确定，同时在低仰角区、中仰角区和高仰角区选星，但该方法所采用的GDOP计算公式仍然为传统的计算方法，即公式（1），计算用户等效误差UERE时最终还是需要以GDOP作为基准，因此对比文件2的计算复杂度相对较大。综上所述，有必要提出一种北斗卫星导航系统快速选星方法，保证GDOP精度的前提下，避免传统GDOP运算过程中的矩阵求逆运算，通过北斗卫星导航系统快速选星，降低参与接收机定位解算的卫星数量，降低系统整体运算复杂度，提高接收机实时性定位解算性能，成为了卫星导航领域亟待解决的技术问题。
技术实现思路
（一）要解决的技术问题为了解决现有技术存在的上述问题，本专利技术提出了一种北斗卫星导航系统快速选星方法。该方法从北斗卫星导航系统的所有可见卫星中选择6颗用于定位解算的卫星，利用北斗卫星导航系统的空间几何分布，分别在低仰角区、中仰角区和高仰角区内选星，同时利用四星GDOP优化公式和多于四颗卫星的GDOP优化公式，采用等价GDOP进行几何精度因子计算，在增加少量内存空间的基础上，避免了传统GDOP计算公式中的矩阵求逆运算，极大降低了接收机信息解算过程中的运算量，且保证了定位精度，成功实现北斗导航系统快速选星。（二）技术方案本专利技术提出的北斗卫星导航系统快速选星方法，具体分为如下步骤：步骤S1：提取北斗卫星导航电文，获取北斗导航卫星星历和伪距观测量；用户接收机根据北斗ICD文档和北斗卫星导航电文，计算出北斗导航卫星星历的开普勒轨道参数和北斗卫星在CGCS2000坐标系下的位置、速度信息，并通过本地时间和北斗卫星信号的发射时间构建北斗卫星伪距观测量。步骤S2：根据接收机当前位置计算北斗卫星导航系统中所有可见卫星的仰角和方位角；采用扩展卡尔曼滤波方法计算出上一时刻tk-1的接收机本地位置，并根据步骤S1中计算出的当前北斗卫星导航系统中所有可见卫星的空间位置，获取当前北斗卫星导航系统中tk时刻所有可见卫星的仰角和方位角信息。步骤S3：将可见卫星划分为高仰角区、中仰角区和低仰角区；将北斗卫星导航系统卫星中的仰角在65°到90°之间的卫星定义为高仰角区卫星，30°到64.9°之间的卫星定义为中仰角区卫星，5°到29.9°之间的卫星定义为低仰角区卫星。步骤S4：北斗卫星导航系统下选择6颗卫星参与接收机定位解算；遮蔽角设置为5°，当北斗卫星导航系统中相对于接收机的可见卫星仰角小于遮蔽角（5°）时，则此类卫星不参与接收机定位解算，并被剔除掉。步骤S5：高仰角区选择第一颗卫星，低仰角区选择第二颗卫星，中仰角区选择第三颗卫星；第四颗卫星采用如下GDOP计算多项式从剩余可见卫星中进行遍历；(2)其中，Eij=ei1ej1+ei2ej2+ei3ej3+1,1≤i≤j≤4,ei1,ei2,ei3,ej1,ej2,ej3是观测矩阵G中的方向余弦向量，且满足：，且a、b、c分别定义如下：(3)(4)(5)其中，高仰角区中仰角最高的北斗卫星作为第一颗接收机定位解算用卫星，低仰角区中仰角最低的北斗卫星作为第二颗接收机定位解算用卫星，中仰角区中仰角最低的北斗卫星作为第三颗接收机定位解算用卫星。同时，针对一些特殊情况进行特殊处理：低仰角区无可见卫星时，第二颗北斗卫星从中仰角区中选择仰角最小的卫星作为第二颗接收机定位解算用卫星，中仰角区中选择与第二颗北斗卫星方位角差别最大的卫星作为第三颗接收机定位解算用卫星；中仰角区中无可见卫星时，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种北斗卫星导航系统快速选星方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：步骤S1：提取北斗卫星导航电文，获取北斗导航卫星星历和伪距观测量；步骤S2：根据接收机当前位置计算北斗卫星导航系统中所有可见卫星的仰角和方位角；步骤S3：将可见卫星划分为高仰角区、中仰角区和低仰角区；步骤S4：北斗卫星导航系统下选择6颗卫星参与接收机定位解算；步骤S5：高仰角区选择第一颗卫星，低仰角区选择第二颗卫星，中仰角区选择第三颗卫星；第四颗卫星采用如下GDOP计算多项式从剩余可见卫星中进行遍历；

【技术特征摘要】
1.一种北斗卫星导航系统快速选星方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：步骤S1：提取北斗卫星导航电文，获取北斗导航卫星星历和伪距观测量；步骤S2：根据接收机当前位置计算北斗卫星导航系统中所有可见卫星的仰角和方位角；步骤S3：将可见卫星划分为高仰角区、中仰角区和低仰角区；步骤S4：北斗卫星导航系统下选择6颗卫星参与接收机定位解算；步骤S5：高仰角区选择第一颗卫星，低仰角区选择第二颗卫星，中仰角区选择第三颗卫星；第四颗卫星采用如下GDOP计算多项式从剩余可见卫星中进行遍历；GDOP=20+b+ca+b+c]]>(1)其中，Eij=ei1ej1+ei2ej2+ei3ej3+1,1≤i≤j≤4,ei1,ei2,ei3,ej1,ej2,ej3是观测矩阵G中的方向余弦向量，且满足：ei12+ei22+ei32=1]]>，且a,b,c分别定义如下：a=E12E34+E13E24−E14E232−4E12E34E13E24]]>(2)b=16−4E122+E132+E142+E232+E242+E342]]>(3)c=2E12E13E23+E14E24+E34E13E14+E23E24]]>(4)步骤S6：采用如下神经网络GDOP计算多项式选择北斗卫星导航系统中的第五颗和第六颗卫星：GDOP=Am13−Bm1m2+m3Cm4]]>(5)其中，A=0.6，B=-1.2，C=3，系数A、B、C是采用离散型Hopfield神经网络算法拟合递推而来，且m1、m2、m3、m4满足如下方程式：M=GTG(6)m1=trace(M)(7)m2=trace(M2)(8)m3=trace(M3)(9)m4=det(M)(10)其中，G代表观测矩阵，GT代表观测矩阵的转置矩阵，trace()代表矩阵求迹运算，det()代表矩阵行列式运算；步骤S7：针对接收机异常情况进行特殊处理。2.根据权利要求1所述的一种北斗卫星导航系统快速选星方法，其特征在于：所述步骤S1中，用户接收机根据北斗ICD文档和北斗卫星导航电文，计算出北斗导航卫星星历的开普勒轨道参数和北斗卫星在CGCS2000坐标系下的位置、速度信息，并通过本地时间和北斗卫星信号的发射时间构建北斗卫星伪距观测量。3.根据权利要求1所述的一种北斗卫星导航系统快速选星方法，其特征在于：所述步骤S2中，采用扩展卡尔曼滤波方法计算出上一时刻tk-1的接收机本地位置，并根据步骤S1中计算出的当前北斗卫星导航系统中所有可见卫...

【专利技术属性】
技术研发人员：丁子涵，孟林，
申请(专利权)人：天津博创金成技术开发有限公司，
类型：发明
国别省市：天津,12