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基于多模GNSS接收機的可見衛星快速選擇方法.pdf

摘要
申請專利號:

CN201410158310.6

申請日:

2014.04.18

公開號:

CN103954982A

公開日:

2014.07.30

當前法律狀態:

駁回

有效性:

無權

法律詳情: 發明專利申請公布后的駁回IPC(主分類):G01S 19/28申請公布日:20140730|||實質審查的生效IPC(主分類):G01S 19/28申請日:20140418|||公開
IPC分類號: G01S19/28(2010.01)I 主分類號: G01S19/28
申請人: 中國人民解放軍國防科學技術大學
發明人: 何曉峰; 唐康華; 李濤; 胡小平; 羅兵; 練軍想; 吳文啟; 王安成; 范晨; 馮春妮
地址: 410073 湖南省長沙市硯瓦池正街47號中國人民解放軍國防科學技術大學三院
優先權:
專利代理機構: 湖南兆弘專利事務所 43008 代理人: 周長清
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法律狀態
申請(專利)號:

CN201410158310.6

授權公告號:

||||||

法律狀態公告日:

2017.09.26|||2014.08.27|||2014.07.30

法律狀態類型:

發明專利申請公布后的駁回|||實質審查的生效|||公開

摘要

本發明公開了一種基于多模GNSS接收機的可用衛星快速選擇方法,其步驟為:(1)計算當前多模GNSS接收機接收到所有可見衛星的仰角,剔除衛星仰角小于10度的衛星,得到可用的可見衛星集合S;(2)根據衛星的衛星位置和接收機概略位置信息,計算系數矩陣和權系數矩陣;(3)計算可見衛星集合S對應的GDOP值;(4)計算每顆可見衛星對GDOP的貢獻值△Gi,并按照貢獻值△Gi從大到小排列構成集合SG;(5)當多模GNSS接收機需要選擇N顆可見衛星進行導航定位時,選擇集合SG中前面N顆衛星,所對應的可見衛星子集即為選擇的可用衛星星座。本發明具有操作簡便快速、實現簡單、精度高、適用范圍廣等優點。

權利要求書

權利要求書
1.  一種基于多模GNSS接收機的可用衛星快速選擇方法,其特征在于,步驟為:
(1)計算當前多模GNSS接收機接收到所有可見衛星的仰角,剔除衛星仰角小于10度的衛星,得到可用的可見衛星集合S;
(2)針對上述步驟(1)得到的可見衛星集合S,根據衛星的衛星位置和接收機概略位置信息,計算系數矩陣和權系數矩陣;
(3)計算可見衛星集合S對應的GDOP值;
(4)計算每顆可見衛星對GDOP的貢獻值△Gi,并按照貢獻值△Gi從大到小排列構成集合SG;
(5)當多模GNSS接收機需要選擇N顆可見衛星進行導航定位時,N大于1,選擇集合SG中前面N顆衛星,即為GDOP最小的N顆可見衛星組合,所對應的可見衛星子集即為選擇的可用衛星星座。

2.  根據權利要求1所述的基于多模GNSS接收機的可用衛星快速選擇方法,其特征在于,所述步驟(1)中得到的可見衛星集合S為:
S={si|elvsi>100,1≤i≤M}
其中,si為第i顆可見衛星,elvsi為si衛星相對于接收機的仰角,M為可見衛星數目;
所述步驟(2)的具體流程為:
(2.1)可見衛星位置和接收機概略位置均為ECEF坐標系的矢量,第j顆可見衛星的位置為Xj=[xjyjzj]和接收機概略位置為X0=[x0y0z0],則系數矩陣A計算公式為:

其中,為接收機至衛星j觀測向量的方向余弦,的具體計算公式為:
exj=x0-xj(x0-xj)2+(y0-yj)2+(z0-zj)2]]>
eyj=y0-yj(x0-xj)2+(y0-yj)2+(z0-zj)2]]>
ezj=z0-zj(x0-xj)2+(y0-yj)2+(z0-zj)2]]>
(2.2)權系數矩陣Q為:
Q=(ATA)-1。

3.  根據權利要求2所述的基于多模GNSS接收機的可用衛星快速選擇方法,其特征在于,所述步驟(3)中,根據權系數矩陣Q計算GDOP值的公式為:
GDOP=trace(Q)=trace((ATA)-1)]]>
其中,trace(Q)表示矩陣Q的跡,即為矩陣Q對角線元素之和。

4.  根據權利要求3所述的基于多模GNSS接收機的可用衛星快速選擇方法,其特征在于,所述步驟(4)的具體流程為:
(4.1)計算每顆可見衛星對GDOP的貢獻值△Gi:
ΔGi=GDOPM-1i-GDOPM]]>
其中,GDOPM為采用M顆可見衛星觀測值計算得到的GDOP值,為采用M-1顆且不包含第i顆可見衛星計算得到的GDOP值;
(4.2)對M顆衛星的△Gi值,按照從大到小的順序排列構成集合SG:
SG={si|△Gi≥△Gi-1,1≤i≤M}。

5.  根據權利要求4所述的基于多模GNSS接收機的可用衛星快速選擇方法,其特征在于,所述步驟(5)中,所選可見衛星集合為
SN={si|△Gi≥△Gi-1,(M-N+1)≤i≤M}
SN即為GDOP最小的N顆可見衛星組合,所對應的可見衛星子集即為選擇的可用衛星星座。

說明書

說明書基于多模GNSS接收機的可見衛星快速選擇方法
技術領域
本發明主要涉及到衛星導航領域,特指一種基于多模GNSS接收機的可見衛星快速選擇方法。
背景技術
隨著全球衛星導航系統GNSS(Global Navigation Satellite System)產業的蓬勃發展,各國對于GNSS日益重視。目前GNSS主要包括GPS、GLONASS、歐盟正在建設中的Galileo和中國的北斗衛星導航系統BDS(BeiDou Navigation Satellite System,也稱為Compass)。GNSS產業的發展集中體現在包括海陸空天的各行各業都大規模采用GNSS接收機進行導航定位應用。
美國正在實施GPS現代化計劃;俄羅斯為了恢復和提高GLONASS的導航定位能力正在進行技術革新和增加在軌衛星;我國的北斗衛星導航系統已開始為亞太地區提供導航定位服務;歐盟正穩步推進Galileo的建設。理論和實踐表明,采用多模GNSS聯合定位的性能在精度、可靠性、完好性等方面均優于采用單一GNSS系統定位的性能。從早期的GPS/GLONASS 雙模接收機至現在的BDS/GPS/GLONASS三模接收機,到不遠將來的BD/GPS/GLONASS/Galileo四模接收機,多模GNSS聯合定位是現代衛星接收機的發展應用趨勢。相對于單一GNSS定位而言,由于多模GNSS定位中可用衛星數目多且各GNSS系統體制、星座設計不同等因素的影響,可用衛星的選擇方法(簡稱為選星方法)顯得尤為重要。因此,選星已成為多模GNSS接收機聯合定位的關鍵技術之一,是實現不同GNSS系統共同定位的粘合劑。
隨著當前用戶可以使用的導航衛星數目越來越多,多模GNSS的選星技術越來越受到國內外學者的關注,特別是BD/GPS聯合定位的選星算法成為研究熱點和重點。早期的GPS接收機由于受到硬件資源的限制,僅有4~6個信號接收通道,而在開闊環境中GPS一般可正常接收8~10顆衛星信號;因此,該技術中存在選星的問題。
隨著微處理器與大規模集成電路的性能不斷得到提高,包含幾十甚至上百個信號跟蹤通道的GPS接收機已成為現實,接收所有的可見衛星信號進行導航定位已不成為問題,因此對于單一GNSS選星技術的需求并不迫切,但針對GPS/GLONASS雙模定位的選星方法研究較多。國內外學者主要是基于幾何精度因子(Geometric Dilution of Precision,GDOP)最優的理論推導開展GPS/GLONASS選星算法研究。由于接收機對GPS和GLONASS衛星的觀測誤差不同,普遍采用加權GDOP的改進選星算法。衛星高度角很大程度上決定了觀測誤差大小, 因而許多研究者在改進選星算法的基礎上綜合考慮了衛星高度角對選星的影響。對于加權GDOP的權值確定,主要基于兩種思路:一是綜合利用經驗公式和誤差模型對于觀測誤差進行預測估計得到每顆衛星的權值;二是通過引入包括系統差異的隨機模型來確定每顆/每類衛星的權值。
迄今為止,多模GNSS接收機可見衛星選擇方法主要是采用經驗法或近似方法設計選星方法,沒有嚴格的數學理論推導依據,存在精度不高、計算復雜等不足,難以完全適用于多模GNSS接收機定位的需求。
發明內容
本發明要解決的技術問題就在于:針對現有技術存在的技術問題,本發明提供一種操作簡便快速、實現簡單、精度高、適用范圍廣的基于多模GNSS接收機的可見衛星快速選擇方法。
為解決上述技術問題,本發明采用以下技術方案:
一種基于多模GNSS接收機的可用衛星快速選擇方法,其步驟為:
(1)計算當前多模GNSS接收機接收到所有可見衛星的仰角,剔除衛星仰角小于10度的衛星,得到可用的可見衛星集合S;
(2)針對上述步驟(1)得到的可見衛星集合S,根據衛星的衛星位置和接收機概略位置信息,計算系數矩陣和權系數矩陣;
(3)計算可見衛星集合S對應的GDOP值;
(4)計算每顆可見衛星對GDOP的貢獻值△Gi,并按照貢獻值△Gi從大到小排列構成集合SG;
(5)當多模GNSS接收機需要選擇N顆可見衛星進行導航定位時,N大于1,選擇集合SG中前面N顆衛星,即為GDOP最小的N顆可見衛星組合,所對應的可見衛星子集即為選擇的可用衛星星座。
作為本發明的進一步改進:所述步驟(1)中得到的可見衛星集合S為:
S={si|elvsi>100,1≤i≤M}
其中,si為第i顆可見衛星,elvsi為si衛星相對于接收機的仰角,M為可見衛星數目;
所述步驟(2)的具體流程為:
(2.1)可見衛星位置和接收機概略位置均為ECEF坐標系的矢量,第j顆可見衛星的位置為Xj=[xjyjzj]和接收機概略位置為X0=[x0y0z0],則系數矩陣A計算公式為:

其中,為接收機至衛星j觀測向量的方向余弦,的具體計算公式為:
exj=x0-xj(x0-xj)2+(y0-yj)2+(z0-zj)2]]>
eyj=y0-yj(x0-xj)2+(y0-yj)2+(z0-zj)2]]>
ezj=z0-zj(x0-xj)2+(y0-yj)2+(z0-zj)2]]>
(2.2)權系數矩陣Q為:
Q=(ATA)-1。
作為本發明的進一步改進:所述步驟(3)中,根據權系數矩陣Q計算GDOP值的公式為:
GDOP=trace(Q)=trace((ATA)-1)]]>
其中,trace(Q)表示矩陣Q的跡,即為矩陣Q對角線元素之和。
作為本發明的進一步改進:所述步驟(4)的具體流程為:
(4.1)計算每顆可見衛星對GDOP的貢獻值△Gi:
ΔGi=GDOPM-1i-GDOPM]]>
其中,GDOPM為采用M顆可見衛星觀測值計算得到的GDOP值,為采用M-1顆且不包含第i顆可見衛星計算得到的GDOP值;
(4.2)對M顆衛星的△Gi值,按照從大到小的順序排列構成集合SG:
SG={si|△Gi≥△Gi-1,1≤i≤M}。
作為本發明的進一步改進:所述步驟(5)中,所選可見衛星集合為
SN={si|△Gi≥△Gi-1,(M-N+1)≤i≤M}
SN即為GDOP最小的N顆可見衛星組合,所對應的可見衛星子集即為選擇的可用衛星星座。
與現有技術相比,本發明的優點在于:
1、本發明的基于多模GNSS接收機的可用衛星快速選擇方法,具有計算簡單、精度高和 應用領域廣的優點,可廣泛應用于提高海陸空天用多模GNSS導航接收機的定位精度和選星速度。
2、本發明的基于多模GNSS接收機的可用衛星快速選擇方法,以每顆衛星對GDOP的貢獻值大小為準則,適用于GPS/BDS等多模GNSS接收機,該方法同樣適用于單系統GNSS接收機可見衛星的選擇,從而拓展了該方法的適用領域。
附圖說明
圖1是本發明方法的流程示意圖。
具體實施方式
以下將結合說明書附圖和具體實施例對本發明做進一步詳細說明。
如圖1所示,本發明的基于多模GNSS接收機的可見衛星快速選擇方法,為:首先,通過剔除仰角小于10度的可見衛星,得到可用的可見衛星集合;然后,針對上述得到的可見衛星集合,根據衛星的衛星位置和接收機概略位置信息,計算系數矩陣和權系數矩陣,從而計算得到GDOP值;接著,計算每顆可見衛星對GDOP值的貢獻值,并按照貢獻值從大到小排列構成;最后,選擇對GDOP值貢獻值大的若干顆衛星,即為GDOP最小的可見衛星組合,所對應的可見衛星子集即為選擇的可用衛星星座。
在具體的應用實例中,本發明的具體流程為:
1.計算多模GNSS接收機接收到的所有可見衛星的仰角,剔除衛星仰角小于10度的衛星,得到可用的可見衛星集合S為:
S={si|elvsi≥100,1≤i≤M}   (1)其中,si為第i顆可見衛星,elvsi為si衛星相對于接收機的仰角,M為可見衛星數目。對于BDS/GPS雙模接收機而言,目前M不大于26,BDS/GPS/GLONASS三模接收機的M不大于40,未來BDS/GPS/GLONASS/Galileo四模接收機的M不大于52。
2.對上述步驟1得到的可見衛星集合S,根據衛星的衛星位置和接收機概略位置信息,計算系數矩陣和權系數矩陣。具體步驟如下:
2.1、可見衛星位置和接收機概略位置均為ECEF坐標系的矢量,第j顆可見衛星的位置為Xj=[xjyjzj]和接收機概略位置為X0=[x0y0z0],則系數矩陣A計算公式為:

其中,為接收機至衛星j觀測向量的方向余弦,的具體計算公式為:
exj=x0-xj(x0-xj)2+(y0-yj)2+(z0-zj)2---(3)]]>
eyj=y0-yj(x0-xj)2+(y0-yj)2+(z0-zj)2---(4)]]>
ezj=z0-zj(x0-xj)2+(y0-yj)2+(z0-zj)2---(5)]]>
2.2、權系數矩陣Q為:
Q=(ATA)-1(6)
3.根據上述步驟2得到的權系數矩陣Q,計算GDOP值的公式為:
GDOP=trace(Q)=trace((ATA)-1)---(7)]]>
其中,trace(Q)表示矩陣Q的跡,即為矩陣Q對角線元素之和。
4.計算每顆可見衛星對GDOP的貢獻值△Gi,并按照△Gi從大到小排列構成集合SG。具體步驟如下:
4.1、計算每顆可見衛星對GDOP的貢獻值△Gi
ΔGi=GDOPM-1i-GDOPM---(8)]]>
其中,GDOPM為采用M顆可見衛星觀測值計算得到的GDOP值,為采用(M-1)顆且不包含第i顆可見衛星計算得到的GDOP值。
根據計算GDOP的單調性,則必然△Gi>0,而且△Gi越大,表明第i顆衛星對GDOPM的貢獻越大,因而將△Gi的值作為第i顆衛星貢獻重要性的衡量指標。
4.2、對M顆衛星的△Gi值,按照從大到小的順序排列構成集合SG
SG={si|△Gi≥△Gi-1,1≤i≤M}   (9)
5.需要選擇N(N≤M)顆可見衛星進行導航定位,則選擇可見衛星集合SG中前面N顆衛星,即所選可見衛星集合為
SN={si|△Gi≥△Gi-1,(M-N+1)≤i≤M}   (10)
SN即為GDOP最小的N顆可見衛星組合,所對應的可見衛星子集即為選擇的可用衛星 星座。
以上僅是本發明的優選實施方式,本發明的保護范圍并不僅局限于上述實施例,凡屬于本發明思路下的技術方案均屬于本發明的保護范圍。應當指出,對于本技術領域的普通技術人員來說,在不脫離本發明原理前提下的若干改進和潤飾,應視為本發明的保護范圍。

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基于 GNSS 接收機 可見 衛星 快速 選擇 方法
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