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一種基于正交變換的GNSS可見衛星星座選擇方法.pdf

摘要
申請專利號:

CN201410158295.5

申請日:

2014.04.18

公開號:

CN103954981A

公開日:

2014.07.30

當前法律狀態:

授權

有效性:

有權

法律詳情: 授權|||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; 李濤; 唐康華; 胡小平; 練軍想; 潘獻飛; 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:

CN201410158295.5

授權公告號:

||||||

法律狀態公告日:

2017.09.05|||2014.08.27|||2014.07.30

法律狀態類型:

授權|||實質審查的生效|||公開

摘要

本發明公開了一種基于正交變換的GNSS可用衛星星座的選擇方法,其步驟為:(1)計算當前接收機接收到的所有可見GNSS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;(2)選擇可見衛星集合中的任意一個子集,子集包括N顆衛星,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;同時根據權系數,計算得到權矩陣;(3)采用正交變換將權陣變換為單位矩陣,并計算變換后的系數矩陣;(4)基于變換后的系數矩陣,計算可見衛星子集對應的GDOP值;(5)計算所有包括N顆衛星的可見衛星子集對應的GDOP值,選擇GDOP最小值,所對應的可見衛星子集為選擇的可用衛星星座。本發明具有實現簡單、處理速度快、精度高、適用范圍廣等優點。

權利要求書

權利要求書
1.  一種基于正交變換的GNSS可用衛星星座的選擇方法,其特征在于,其步驟為:
(1)計算當前接收機接收到的所有可見GNSS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;
(2)選擇步驟(1)中得到的可見衛星集合中的任意一個子集,子集包括N顆衛星,其中N≥4,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;同時根據權系數,計算得到權矩陣;
(3)采用正交變換將權陣變換為單位矩陣,并計算變換后的系數矩陣;
(4)基于變換后的系數矩陣,計算可見衛星子集對應的GDOP值;
(5)計算所有包括N顆衛星的可見衛星子集對應的GDOP值,選擇其中GDOP最小值,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所述的基于正交變換的GNSS可用衛星星座的選擇方法,其特征在于,在所述步驟(1)中,得到的可用的可見衛星集合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)選擇可見衛星集合中的任意一個子集Rk為:
Rk={si|si∈S,1≤i≤N}
其中,N≤M;
(2.2)可見衛星位置和接收機概略位置均為ECEF坐標系的矢量,第i顆可見衛星的位置為Xi=[xiyizi]和接收機概略位置為X0=[x0y0z0],則系數矩陣A為:

其中,為接收機至衛星i觀測向量的方向余弦,N為該時刻接收機接收到衛星的數目;的具體計算公式為:
exi=x0-xi(x0-xi)2+(y0-yi)2+(z0-zi)2]]>
eyi=y0-yi(x0-xi)2+(y0-yi)2+(z0-zi)2]]>
ezi=z0-zi(x0-xi)2+(y0-yi)2+(z0-zi)2]]>
(2.3)根據對不同衛星觀測的誤差,計算得到權矩陣P為:
P-1=diag(σ12...σm2)]]>
其中,為對應于衛星i的偽距測量方差。

3.  根據權利要求2所述的基于正交變換的GNSS可用衛星星座的選擇方法,其特征在于,在所述步驟(3)中,采用正交變換將權陣變換為單位矩陣,并計算變換后的系數矩陣;利用正交變換的思想,權矩陣P可以寫為:P=BTB。

4.  根據權利要求3所述的基于正交變換的GNSS可用衛星星座的選擇方法,其特征在于,所述步驟(4)的具體流程為:
(4.1)衛星定位過程得到的位置方差陣為:
Q=(ATPA)-1
由于將P矩陣通過正交變換,則上式寫為:
Q=((BA)T(BA))-1
于是變換后的系數矩陣A′計算為:
A′=BA
(4.2)根據上式得到GDOP計算式為:
GDOP=trace((A′TA)-1)]]>
其中,trace(Q)表示矩陣Q的跡。

5.  根據權利要求4所述的基于正交變換的GNSS可用衛星星座的選擇方法,其特征在于,所述步驟(5)的具體流程為:
(5.1)所有包括N顆衛星的可見衛星子集對應的GDOP值集合為:
U={GDOPi|1≤iM!(M-N)!N!}]]>
其中,M!為M的階乘;
(5.2)U集合中GDOP的最小值為所要求的GDOP值,即:
GDOPmin=min{U}
GDOPmin對應的可見衛星星座即為所要選擇的衛星星座。

說明書

說明書一種基于正交變換的GNSS可見衛星星座選擇方法
技術領域
本發明主要涉及到衛星導航領域,特指一種基于正交變換的GNSS可用衛星星座的選擇方法,其主要適用于各種衛星導航系統,例如GPS、GLONASS、北斗衛星導航系統、歐洲的Galileo等衛星導航系統。
背景技術
自20世紀70年代開始,美國和前蘇聯分別開始建立GPS(Global Positioning System)和GLONASS(GLObal NAvigation Satellites System)衛星導航系統,并于上世紀90年代投入使用。目前,全球衛星導航系統GNSS(Global Navigation Satellite System)主要是指美國的GPS、俄羅斯的GLONASS、歐盟的Galileo和中國正在建設的北斗衛星導航系統BDS (BeiDou Navigation Satellite System,也稱為Compass)。我國在建立北斗試驗衛星定位系統的基礎上,正在積極建設北斗衛星導航系統BDS,目前一期工程已進入運行階段,為中國及周邊區域的用戶提供導航定位服務。
在利用GNSS進行定位或組合導航應用時,首先必須確定可見衛星星座。由于可見衛星星座的選擇直接決定了接收機導航定位解算中采用的信息源,對于定位精度、計算量、快速性等性能指標具有非常重要的作用。可見衛星星座的選擇(簡稱為選星)技術已成為GNSS接收機定位即相關應用的關鍵技術之一。目前,國內外學者主要是基于幾何精度衰減因子(Geometric Dilution of Precision,GDOP)最優理論設計GNSS選星方法。當接收機對不同衛星的觀測噪聲特性相同時,該類方法是適合的,GPS定位就是典型的示例。實際中,由于不同GNSS系統(例如GPS、GLONASS、BDS)衛星軌道高度不同、信號頻率不同等原因,造成接收機對不同GNSS衛星的觀測誤差不同,一般采用加權GDOP的改進選星方法,這類思路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。
迄今為止,考慮觀測誤差特性的非等權GDOP理論和方法研究鮮見公開的報道,對于包含不同軌道衛星的GNSS以及多GNSS聯合定位的可見衛星星座選擇方法亟需完善和深入研究。總而言之,現有基于等權GDOP理論的GNSS可見衛星星座選擇方法沒有充分考慮觀測誤差特性不同的前提條件,存在精度不高、計算復雜等不足,難以完全適用于BDS以及多GNSS聯合定位的需求。
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,本發明提供一種實現簡單、處理速度快、精度高、適用范圍廣的基于正交變換的GNSS可見衛星星座選擇方法。
為解決上述技術問題,本發明采用以下技術方案:
一種基于正交變換的GNSS可用衛星星座的選擇方法,其步驟為:
(1)計算當前接收機接收到的所有可見GNSS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;
(2)選擇步驟(1)中得到的可見衛星集合中的任意一個子集,子集包括N顆衛星,其中N≥4,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;同時根據權系數,計算得到權矩陣;
(3)采用正交變換將權陣變換為單位矩陣,并計算變換后的系數矩陣;
(4)基于變換后的系數矩陣,計算可見衛星子集對應的GDOP值;
(5)計算所有包括N顆衛星的可見衛星子集對應的GDOP值,選擇其中GDOP最小值,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:在所述步驟(1)中,得到的可用的可見衛星集合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)選擇可見衛星集合中的任意一個子集Rk為:
Rk={si|si∈S,1≤i≤N}
其中,N≤M;
(2.2)可見衛星位置和接收機概略位置均為ECEF坐標系的矢量,第i顆可見衛星的位置為Xi=[xiyizi]和接收機概略位置為X0=[x0y0z0],則系數矩陣A為:

其中,為接收機至衛星i觀測向量的方向余弦,N為該時刻接收機接收到衛星的數目;的具體計算公式為:
exi=x0-xi(x0-xi)2+(y0-yi)2+(z0-zi)2]]>
eyi=y0-yi(x0-xi)2+(y0-yi)2+(z0-zi)2]]>
ezi=z0-zi(x0-xi)2+(y0-yi)2+(z0-zi)2]]>
(2.3)根據對不同衛星觀測的誤差,計算得到權矩陣P為:
P-1=diag(σ12...σm2)]]>
其中,為對應于衛星i的偽距測量方差。
作為本發明的進一步改進:在所述步驟(3)中,采用正交變換將權陣變換為單位矩陣,并計算變換后的系數矩陣;利用正交變換的思想,權矩陣P可以寫為:P=BTB。
作為本發明的進一步改進:所述步驟(4)的具體流程為:
(4.1)衛星定位過程得到的位置方差陣為:
Q=(ATPA)-1
由于將P矩陣通過正交變換,則上式寫為:
Q=((BA)T(BA))-1
于是變換后的系數矩陣A′計算為:
A′=BA
(4.2)根據上式得到GDOP計算式為:
GDOP=trace((A′TA)-1)]]>
其中,trace(Q)表示矩陣Q的跡。
作為本發明的進一步改進:所述步驟(5)的具體流程為:
(5.1)所有包括N顆衛星的可見衛星子集對應的GDOP值集合為:
U={GDOPi|1≤iM!(M-N)!N!}]]>
其中,M!為M的階乘;
(5.2)U集合中GDOP的最小值為所要求的GDOP值,即:
GDOPmin=min{U}
GDOPmin對應的可見衛星星座即為所要選擇的衛星星座。
與現有技術相比,本發明的優點在于:
1、本發明的基于正交變換的GNSS可用衛星星座選擇方法,具有計算簡單、精度高和應用領域廣的優點,可廣泛應用于提高無人飛行器、室外機器人和地面車輛等用GNSS導航接收機的定位精度。
2、本發明的基于正交變換的GNSS可用衛星星座選擇方法,以GNSS對不同衛星進行非等權觀測條件下的GDOP理論下界為準則,采用正交變換的方法,為一種適用于北斗衛星導航系統及多模GNSS的可用衛星星座選擇方法,從而拓展了方法的適用領域,同時提高了定位精度。
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,本發明的基于正交變換的GNSS可用衛星星座選擇方法,為:首先,計算當前接收機接收到的所有可見GNSS衛星的仰角,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,選擇包含N顆衛星的可見衛星星座,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;同時根據權系數,計算得到權矩陣;接著,采用正交變換將權矩陣變換為單位矩陣,并計算變換后的系數矩陣;接下來,基于變換后的系數矩陣,計算可見衛星子集對應的GDOP值;最后,計算所有包括N顆衛星的可見衛星子集對應的GDOP值,選擇其中GDOP最小值,所對應的可見衛星子集即為選擇的可用衛星星座。
在具體應用實例中,本發明的具體流程為:
1.計算當前接收機接收到的所有可見GNSS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衛星相對于接收機所在地點的仰角,M為可見衛星數目。對于北斗衛星導航接收機而言,目前M不大于14,對于GPS接收機而言,M一般不大于12,而對于多模GNSS接收機而言,例如GPS/BD雙模接收機的M不大于26。
2.選擇可見衛星集合中的任意一個子集,子集包括N(N≥4)顆衛星,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,同時根據權系數,計算得到權矩陣。
2.1、選擇可見衛星集合中的任意一個子集Rk為:
Rk={si|si∈S,1≤i≤N}  (2)
其中,N≤M,對于單系統衛星導航接收機而言,一般N的取值范圍為8至10;對于多模GNSS接收機而言,一般N的取值范圍為12至18。
2.2、可見衛星位置和接收機概略位置均為ECEF坐標系的矢量,第i顆可見衛星的位置為Xi=[xiyizi]和接收機概略位置為X0=[x0y0z0],則系數矩陣A為:

其中,為接收機至衛星i觀測向量的方向余弦,N為該時刻接收機接收到衛星的數目;的具體計算公式為:
exi=x0-xi(x0-xi)2+(y0-yi)2+(z0-zi)2---(4)]]>
eyi=y0-yi(x0-xi)2+(y0-yi)2+(z0-zi)2---(5)]]>
ezi=z0-zi(x0-xi)2+(y0-yi)2+(z0-zi)2---(6)]]>
2.3、根據對不同衛星觀測的誤差,計算得到權矩陣P為:
P-1=diag(σ12...σm2)---(7)]]>
其中,為對應于衛星i的偽距測量方差。
3.采用正交變換將權陣變換為單位矩陣,并計算變換后的系數矩陣。
利用正交變換的思想,權矩陣P可以寫為:
P=BTB  (8)
由于P為對角矩陣,所以B陣一定存在。
4.基于變換后的系數矩陣,計算可見衛星子集對應的GDOP值。
4.1、衛星定位過程得到的位置方差陣為:
Q=(ATPA)-1  (9)
由于將P矩陣通過正交變換寫成了式(8)的形式,則式(9)為:
Q=((BA)T(BA))-1  (10)
于是變換后的系數矩陣A′計算為:
A′=BA  (11)
4.2、根據式(10)得到GDOP計算式為:
GDOP=trace((A′TA)-1)---(12)]]>
其中,trace(Q)表示矩陣Q的跡。
5.計算所有包括N顆衛星的可見衛星子集對應的GDOP值,選擇其中GDOP最小值, 所對應的可見衛星子集即為選擇的可用衛星星座。
5.1、所有包括N顆衛星的可見衛星子集對應的GDOP值集合為:
U={GDOPi|1≤iM!(M-N)!N!}---(13)]]>
其中,M!為M的階乘。
5.2、U集合中GDOP的最小值為所要求的GDOP值,即:
GDOPmin=min{U}  (14)
GDOPmin對應的可見衛星星座即為所要選擇的衛星星座。
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。

關 鍵 詞:
一種 基于 正交 變換 GNSS 可見 衛星 星座 選擇 方法
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