專利名稱：Gps接收機(jī)及其定位方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及 -種GPS接收機(jī)及其定位方法，特別涉及一種能夠快 速定位的GPS接收機(jī)及其定位方法。
背景技術(shù)：
隨著汽車及電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和人們生活需求的提高，GPS (全球衛(wèi)星定位)系統(tǒng)得到了廣泛的應(yīng)用，越來越多的人開始購買和 使用GPS接收機(jī)。GPS在車載導(dǎo)航、移動消費(fèi)電子等領(lǐng)域有了迅速發(fā)展。
本領(lǐng)域技術(shù)人員知道，GPS系統(tǒng)包括三大部分GPS衛(wèi)星星座、 地面主控站和GPS接收機(jī)(用戶設(shè)備部分)。
其中，GPS衛(wèi)星星座由21顆工作衛(wèi)星和3顆在軌備用衛(wèi)星組成， 記作(21+3) GPS星座，24顆衛(wèi)星均勻分布在6個軌道平面內(nèi)，能夠 保證在地球的任一地點(diǎn)向GPS接收機(jī)使用者提供4顆以上可視衛(wèi)星； 地面主控站用于對GPS衛(wèi)星星座中的衛(wèi)星進(jìn)行監(jiān)測、控制，并向每顆 衛(wèi)星注入更新的導(dǎo)航電文；然后GPS衛(wèi)星向GPS接收機(jī)發(fā)送包含其導(dǎo) 航電文的GPS信號；GPS接收機(jī)用于根據(jù)GPS信號確定該接收機(jī)的位 置。
GPS衛(wèi)星的導(dǎo)航電文中包含兩類信息衛(wèi)星的星歷參數(shù)和衛(wèi)星的 歷書參數(shù)。
GPS星歷參數(shù)是對衛(wèi)星軌道狀態(tài)短期(4小時)擬合而得到的一 組參數(shù)，由各地面主控站將星歷參數(shù)定期的注入至各在軌GPS衛(wèi)星中， 然后由各衛(wèi)星再下發(fā)至接收機(jī)。由于星歷參數(shù)是短期擬合的結(jié)果，其 有效期一般為2小時，因此在其有效期之內(nèi)，通過星歷計(jì)算得到的衛(wèi) 星的位置和速度信息的誤差一般都在數(shù)米之內(nèi)(<10m)，能滿足大多數(shù) 普通導(dǎo)航服務(wù)的要求。由于星歷參數(shù)是短期擬合的結(jié)果，隨著星歷失效時間的增大，通過其外推得到的衛(wèi)星位置和速度信息的誤差也會急 劇擴(kuò)大，也就必然導(dǎo)致了接收機(jī)導(dǎo)航精度的急劇惡化，因此，-'般在 星歷失效4小時之后，不宜再使用該衛(wèi)星的失效星歷信息。
GPS歷書參數(shù)是對衛(wèi)星軌道狀態(tài)長期(2周)擬合而得到的一組 參數(shù)，由各地面主控站將歷書參數(shù)定期的注入至在軌GPS衛(wèi)星中，再 由各衛(wèi)星以廣播的方式下發(fā)至接收機(jī)，由于歷書參數(shù)是長期擬合的結(jié) 構(gòu)，因此其能很好的描述衛(wèi)星軌道的長期統(tǒng)計(jì)特性，而從短期來看， 由于影響衛(wèi)星軌道信息的因素較多，因此歷書參數(shù)尚無法替代星歷參 數(shù)在導(dǎo)航服務(wù)中的作用。
其中，GPS星歷包括如下參數(shù)星歷表參考時刻toe、參考吋刻的 平近點(diǎn)角M0、平均角速度的變化An、偏心率e、半長軸的平方根^、 參考時刻的升交點(diǎn)赤經(jīng)QO、升交點(diǎn)赤經(jīng)變化率'Q、參考時刻的軌道傾 角i0、軌道傾角變化率i、近地點(diǎn)幅角co、緯度幅角的余弦調(diào)和改正項(xiàng) 的振幅Cuc、緯度幅角的正弦調(diào)和改正項(xiàng)的振幅Cus、軌道半徑的余弦 調(diào)和改正項(xiàng)的振幅Crc、軌道半徑的正弦調(diào)和改正項(xiàng)的振幅Crs、軌道 傾角的佘弦調(diào)和改正項(xiàng)的振幅Cic、軌道傾角的正弦調(diào)、改正項(xiàng)的振幅 Cis和衛(wèi)星鐘差修正參數(shù)af0、 afl和af2共19個。
GPS歷書包括如下參數(shù)歷書表參考時刻toa、參考時刻的平近點(diǎn) 角M0、偏心率e、半長軸的平方根^、參考時刻的升交點(diǎn)赤經(jīng)Q0、 升交點(diǎn)赤經(jīng)變化率'Q、參考時刻的軌道傾角i0、近地點(diǎn)幅角co和衛(wèi)星 鐘差修正參數(shù)af0、 afl共10個。
本領(lǐng)域技術(shù)人員知道，GPS接收機(jī)定位的一般過程如下，捕獲、 跟蹤4顆(或者多于4顆)GPS衛(wèi)星，解調(diào)GPS Navigation message (導(dǎo) 航電文)，從中提取星歷等信息，計(jì)算GPS衛(wèi)星位置和偽距信息，最 終計(jì)算得到GPS接收機(jī)的位置信息。圖1所示為現(xiàn)有技術(shù)的GPS接收 機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖，其中包括
接收裝置，用于接收來自多個衛(wèi)星的導(dǎo)航電文；
解調(diào)裝置，用于解調(diào)所述導(dǎo)航電文，并提取出相應(yīng)的星歷和歷書
信息；
星歷存儲裝置，用于存儲解調(diào)出的星歷；
7歷書存儲裝置，用于存儲解調(diào)出的歷書；
本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解，星歷存儲裝置和歷書存儲裝置可以合 為一個存儲裝置，分為不同的存儲區(qū)分別進(jìn)行存儲(如圖所示)；
實(shí)時時鐘，用于記錄當(dāng)前時間，以轉(zhuǎn)換為GPS時間；
衛(wèi)星位置計(jì)算裝置，用于在所述GPS接收機(jī)上電時，讀取存儲裝 置中的星歷和歷書信息，并根據(jù)當(dāng)前GPS時間計(jì)算出多個衛(wèi)星的粗略 位置；以及利用存儲裝置中更新后的星歷計(jì)算出衛(wèi)星的精確位置；
捕獲跟蹤裝置，用于根據(jù)計(jì)算出的多個衛(wèi)星的粗略位置捕獲和跟 蹤可見的衛(wèi)星；
接收機(jī)位置計(jì)算裝置，用于根據(jù)衛(wèi)星的精確位置計(jì)算所述接收機(jī) 的位置。
圖2所示為現(xiàn)有技術(shù)的GPS接收機(jī)的工作流程。 首先，GPS接收機(jī)上電；
然后，執(zhí)行歩驟100-101，衛(wèi)星位置計(jì)算裝置從存儲裝置中讀取星 歷和歷書信息，并根據(jù)有效的星歷或歷書信息計(jì)算出衛(wèi)星的粗略位置；
具體地說(圖中未示出)，衛(wèi)星位置計(jì)算裝置根據(jù)實(shí)時時鐘中記錄 的當(dāng)前GPS時間判斷所述星歷和歷書信息的有效性，
若衛(wèi)星星歷信息有效，則根據(jù)讀取得到的星歷信息計(jì)算當(dāng)前的衛(wèi) 星位置信息，包括星座分布、衛(wèi)星速度、可見性、多普勒頻移、仰角 等；若星歷信息無效，歷書信息仍然有效，則利用歷書信息更新當(dāng)前 的衛(wèi)星信息，包括星座分布、衛(wèi)星速度、可見性、多普勒頻移、仰角 等；若星歷信息和歷書信息均己失效則按照無任何先驗(yàn)知識的定位方 法進(jìn)行工作；
其中，當(dāng)前GPS時間的具體計(jì)算方法為，根據(jù)GPS時鐘同步信息 (存在備份區(qū))，將當(dāng)前的實(shí)時時鐘信息(RTC)轉(zhuǎn)換成粗略的GPS時 間，在轉(zhuǎn)換當(dāng)中，采用1999年8月21/22日作為時鐘轉(zhuǎn)換的參考起始 點(diǎn)，轉(zhuǎn)換公式如下
f(;/',、' = * 24 ++ zo脫朋/w) x 60 + min] x 60 + sec+ /eop sec
其中，dow (day of week)是指當(dāng)前時間為周內(nèi)天數(shù)，hour/min/sec 8分別為當(dāng)前待轉(zhuǎn)換時間的時、分、秒信息，zonemim是指當(dāng)前時鐘的時 區(qū)信息，leapsec是指當(dāng)前UTC時間和GPS時間的秒差，即閏秒信息。
這與現(xiàn)有技術(shù)的計(jì)算方法并無區(qū)別。其中，公知的，衛(wèi)星多普勒頻移
和仰角的計(jì)算公式如下
t/c仰，/" = —— vx —— vx) x (rcv'r _ /iy —— px) +
(/ ' — v少—，",—v力x (w' — p少一 's"v — p_y) +
(/x'vr — 、'2 _ ,s'v _ "vz) x (rcvr — pz — yv — pz)
/ cfo tan "' / vrave/e"—丄l)
e/ = " sinC"' — _ /^Qt/ / t/,',s' tan ce)
其中，rcvr—px / rcvr—py / rcvr_pz為接收機(jī)在ECEF (地心地固坐 標(biāo)系)坐標(biāo)系中的粗略位置，這里使用備份區(qū)中的歷史位置來替代； rcvr—vx / rcvr—vy / rcvr一vz為接收機(jī)在ECEF坐標(biāo)系中的速度值，由于 系統(tǒng)尚未定位，因此可以假設(shè)該接收機(jī)的速度為0;
sv—px / sv_py / sv—pz為衛(wèi)星在ECEF坐標(biāo)系中的位置信息；sv—vx / sv—vy / sv—vz為衛(wèi)星在ECEF坐標(biāo)系中的速度值；sv—neh—head為以接 收機(jī)為坐標(biāo)原點(diǎn)的N-E-H (北東天坐標(biāo)系)坐標(biāo)系統(tǒng)中head (向上分 量)方向的分量；distance為接收機(jī)與衛(wèi)星之間的距離；wave 1 en—11為 GPSL1信號(GPS衛(wèi)星發(fā)送的擴(kuò)頻L頻帶載波的一種)的波長；由于 計(jì)算衛(wèi)星可見性和衛(wèi)星多普勒頻移時有關(guān)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換和衛(wèi)星位置速度計(jì) 算不是本發(fā)明的重點(diǎn)，因此這里不再一一贅述。
接下來，執(zhí)行步驟102，根據(jù)衛(wèi)星的可見性，捕獲跟蹤裝置通過 捕獲通道捕獲衛(wèi)星并通過跟蹤通道跟蹤GPS衛(wèi)星；
然后，執(zhí)行步驟103，接收裝置通過跟蹤通道接收多個衛(wèi)星的導(dǎo) 航電文，并通過解調(diào)裝置對接收到的各個衛(wèi)星的導(dǎo)航電文進(jìn)行解調(diào)， 從而提取出相應(yīng)衛(wèi)星的星歷和歷書信息；
然后執(zhí)行歩驟104，將提取出的星歷和歷書信息更新存儲在存儲 裝置中；
同時，衛(wèi)星位置計(jì)算裝置讀取存儲裝置中的星歷，并判斷其有效 性，并根據(jù)有效的星歷進(jìn)行精確的衛(wèi)星位置計(jì)算，然后接收機(jī)位置計(jì) 算裝置根據(jù)該精確的衛(wèi)星位置計(jì)算接收機(jī)的位置，即步驟105-108:本 領(lǐng)域技術(shù)人員可知，為了精確定位，需要收集到4顆及以上的衛(wèi)星的有效星歷進(jìn)行計(jì)算。
如上可知，由于現(xiàn)有技術(shù)中必須利用有效的星歷進(jìn)行GPS定位計(jì) 算，因此在無法收集到有效的星歷情況下，則還需要大量的時間等待 有效的星歷，從而大大增加了定位的時間。

發(fā)明內(nèi)容
為了實(shí)現(xiàn)GPS接收機(jī)能夠不依賴于有效的星歷而快速定位，本發(fā)
明提供了一種GPS接收機(jī)，包括
接收裝置，用于接收來自多個跟蹤到的衛(wèi)星的導(dǎo)航電文； 解調(diào)裝置，用于解調(diào)所述導(dǎo)航電文，并提取出各衛(wèi)星相應(yīng)的星歷
和歷書信息；
歷書修正參數(shù)計(jì)算裝置，用于根據(jù)解調(diào)出的各衛(wèi)星有效的星歷和 歷書信息分別計(jì)算出對應(yīng)衛(wèi)星的歷書修正參數(shù)；
存儲裝置，用于存儲及更新解調(diào)出的星歷和歷書信息以及歷書修 正參數(shù)；
實(shí)時時鐘，用于記錄當(dāng)前時間，以轉(zhuǎn)換為GPS時間； 衛(wèi)星位置計(jì)算裝置，用于在所述GPS接收機(jī)上電時，讀取存儲裝 置中的星歷和歷書信息，并根據(jù)當(dāng)前GPS時間，利用讀取出的星歷和 歷書信息計(jì)算出多個衛(wèi)星的粗略位置；以及利用存儲裝置中更新后的 有效的星歷和歷書信息以及歷書修正參數(shù)計(jì)算出衛(wèi)星的精確位置；
捕獲跟蹤裝置，用于根據(jù)計(jì)算出的多個衛(wèi)星的粗略位置捕獲和跟 蹤可見的衛(wèi)星；
接收機(jī)位置計(jì)算裝置，用于根據(jù)衛(wèi)星的精確位置計(jì)算所述接收機(jī) 的位置；
所述衛(wèi)星位置計(jì)算裝置，判斷存儲裝置中更新后的星歷是否有效， 如果有效，則利用星歷進(jìn)行衛(wèi)星精確位置計(jì)算；
如果星歷無效，則判斷歷書及歷書修正參數(shù)是否有效，若均有效， 則利用歷書及相應(yīng)的歷書修正參數(shù)進(jìn)行衛(wèi)星精確位置計(jì)算；若歷書及 歷書修正參數(shù)其中之--"無效，貝U重復(fù)上述操作；其巾，
所述歷書修正參數(shù)計(jì)算裝置，
利用有效的星歷計(jì)算出多個采樣時間點(diǎn)ti對應(yīng)的各衛(wèi)星位置坐標(biāo) x、 y、 z和鐘差T的數(shù)值組，以及利用有效的歷書計(jì)算出相同時間點(diǎn)ti 對應(yīng)的各衛(wèi)星位置坐標(biāo)x、 y、 z和鐘差T的數(shù)值組；
然后對應(yīng)各時間點(diǎn)ti計(jì)算由星歷確定的所述衛(wèi)星位置坐標(biāo)x、 y、 z和鐘差T的值以及由歷書確定的所述衛(wèi)星位置坐標(biāo)x、 y、 z和鐘差T 的值之間的差值組Ax (ti)、 Ay (ti)、 Az (ti)禾卩AT (ti)，然后分別對 所述差值組Ax (ti)、 Ay (ti)、 Az (ti)禾「J AT (ti)進(jìn)行基于最小二乘 法的多項(xiàng)式擬合，分別求出相應(yīng)衛(wèi)星的位置坐標(biāo)x、 y、 z和鐘差T的 歷書修正參數(shù)，然后更新存儲裝置中的歷書修正參數(shù)；
其中，
所述最小二乘法多項(xiàng)式擬合的計(jì)算公式為，
川
^…》;'
/=()
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〃]
》".Ax(/,) —/=o 一
,,2…》;
》;'》;'+'…lX'
其中"。，"'……""為所述x坐標(biāo)的歷書修正參數(shù)，n為多項(xiàng)式最高階 數(shù)，m-l為采樣點(diǎn)個數(shù)，依次類推到所述坐標(biāo)y、 z及所述鐘差T的各 歷書修正參數(shù)；
其中，
所述采樣點(diǎn)個數(shù)為12個，并且，U。為4小時，H為20分鐘。
其中，所述衛(wèi)星位置計(jì)算裝置利用有效的歷書及相應(yīng)的歷書修正 參數(shù)進(jìn)行精確衛(wèi)星位置計(jì)算的操作為
首先利用有效的歷書計(jì)算當(dāng)前時刻t的衛(wèi)星位置坐標(biāo)x、 y 、 z 和鐘差T的值，設(shè)為x'、 y'、 z'及T'，
然后利用有效的歷書修正參數(shù)分別計(jì)算所述時刻t的所述衛(wèi)星位 置坐標(biāo)x、 y、 z和鐘差T的修正量Ax，、 Ay，、 Az， 、 AT'，其中計(jì)算 公式如下
+ /. <formula>formula see original document page 12</formula>
其中t為當(dāng)前GPS時間，ak， ，bk， ck， dk為所述衛(wèi)星位置坐標(biāo)x、 y、 z和鐘差T對應(yīng)的歷書修正參數(shù)，n為歷書修正參數(shù)的階數(shù)；
然后，修正t時刻的所述衛(wèi)星位置坐標(biāo)x、 y、 z和鐘差T的值分 另ij為x' + Ax，、 y， + Ay，、 z， + Az' 、 T， + AT，。
本發(fā)明進(jìn)一步提供了一種GPS接收機(jī)定位方法，包括
捕獲和跟蹤衛(wèi)星；
讀取接收機(jī)中所存儲的星歷和/或歷書、歷書修正參數(shù)； 判斷星歷是否有效，若星歷有效，則利用星歷進(jìn)行精確衛(wèi)星位置
計(jì)算；
若星歷無效，則判斷歷書及對應(yīng)衛(wèi)星的歷書修正參數(shù)是否有效；
若均有效，則利用有效的歷書修正參數(shù)和歷書進(jìn)行衛(wèi)星的精確位 置計(jì)算，然后利用所述衛(wèi)星的精確位置計(jì)算接收機(jī)位置；
若歷書及對應(yīng)衛(wèi)星的歷書修正參數(shù)有其一無效，則返回到上述的 讀取步驟；
其中，
所述利用有效的歷書修正參數(shù)和歷書進(jìn)行衛(wèi)星的精確位置計(jì)算的 步驟為
首先，利用有效的歷書計(jì)算當(dāng)前時刻t的衛(wèi)星位置坐標(biāo)x、 y、 z 和鐘差T的值，設(shè)為x'、 y'、 z'和鐘差T';
然后，利用有效的歷書修正參數(shù)分別計(jì)算t時刻的所述衛(wèi)星位置 坐標(biāo)x、 y、 z和鐘差T的修正量Ax、 Ay、 Az、 AT，其中計(jì)算公式 如下<formula>formula see original document page 12</formula>
其中，t為當(dāng)前GPS時間，ak、 bk、 ck、 dk為所述衛(wèi)星位置坐標(biāo)x、 y、z和鐘差T對應(yīng)的t時刻的歷書修正參數(shù)，n為歷書修正參數(shù)的階數(shù)；
然后，修正t時刻的衛(wèi)星位置坐標(biāo)x'、 y'、 z'和鐘差T'分別為x、 y、 z、 T，修正后的所述衛(wèi)星位置坐標(biāo)x、 y、 z和鐘差T的值分別為x' + Ax 、 y' + Ay、 z,+Az、 T， + AT;本發(fā)明進(jìn)一歩還提供了一種在GPS接收機(jī)中生成歷書修正參數(shù)的
方法，其特征在于，包括
利用有效的星歷計(jì)算多個采樣點(diǎn)ti對應(yīng)的各衛(wèi)星的位置坐標(biāo)x、y、
Z和鐘差T的數(shù)值組；
利用有效的歷書確定相同采樣點(diǎn)ti對應(yīng)的相應(yīng)衛(wèi)星的衛(wèi)星位置坐
標(biāo)x、 y、 z和鐘差T的數(shù)值組；
對應(yīng)各時間點(diǎn)ti計(jì)算利用有效的星歷確定的衛(wèi)星位置坐標(biāo)x 、 y 、 z和鐘差T的數(shù)值組和利用有效的歷書確定的相應(yīng)的衛(wèi)星位置坐標(biāo)x、 y、 z和鐘差T的數(shù)值組之間的差值組Ax (ti)、 Ay (ti)、 Az (ti)、 AT (ti);
對所述差值組Ax (ti)、 Ay (ti)、 Az (ti)、 AT (ti)分別進(jìn)行基于 最小二乘法的多項(xiàng)式擬合，從而分別求解出相應(yīng)衛(wèi)星的位置坐標(biāo)x、 y、 z和鐘差T的歷書修正參數(shù)；
其中，
所述最小二乘法多項(xiàng)式擬合的計(jì)算公式為
<formula>formula see original document page 13</formula>
其中"。，"' ""為所述坐標(biāo)x的歷書修正參數(shù)，n為多項(xiàng)式最高階
數(shù)，m-l為采樣點(diǎn)個數(shù)，依次類推到所述坐標(biāo)y、 z及鐘差T的歷書修 正參數(shù)；
其中，m為12個，并且，L' - ^為4小時，〔-1'為20分鐘。 本發(fā)明從GPS衛(wèi)星的軌道特征、星歷參數(shù)和歷書參數(shù)出發(fā)，從中 推導(dǎo)出基于歷書的衛(wèi)星歷書修正參數(shù)，并將該修正參數(shù)應(yīng)用至GPS接 收機(jī)捕獲、跟蹤、定位和導(dǎo)航當(dāng)中，縮減了 GPS接收機(jī)定位所需時間。


圖1為現(xiàn)有技術(shù)的GPS接收機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為現(xiàn)有技術(shù)的GPS接收機(jī)的工作流程； 圖3為本發(fā)明的GPS接收機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖4為本發(fā)明的GPS接收機(jī)的定位流程； 圖5為本發(fā)明的歷書修正參數(shù)更新流程；
圖6為本發(fā)明的GPS接收機(jī)的歷書修正參數(shù)生成流程。
具體實(shí)施例方式
下面參照附圖詳細(xì)描述本發(fā)明的GP S接收機(jī)的結(jié)構(gòu)及其中使用的方法。
如圖3所示為本發(fā)明的GPS接收機(jī)系統(tǒng)，其中與現(xiàn)有技術(shù)相同的
部分不再贅述。其中包括
接收裝置，用于接收來自多個衛(wèi)星的導(dǎo)航電文；
解調(diào)裝置，用于解調(diào)所述導(dǎo)航電文，并提取出相應(yīng)的星歷和歷書
信息；
星歷存儲裝置，用于存儲解調(diào)出的星歷信息； 歷書存儲裝置，用于存儲解調(diào)出的歷書信息；
歷書修正參數(shù)計(jì)算裝置，用于根據(jù)解調(diào)出的各衛(wèi)星的有效的星歷
和歷書信息分別計(jì)算出對應(yīng)衛(wèi)星的歷書修正參數(shù)；
歷書修正參數(shù)存儲裝置，用于存儲計(jì)算出的歷書修正參數(shù)； 本領(lǐng)域技術(shù)人員可知，所述星歷存儲裝置、歷書存儲裝置和歷書
修正參數(shù)存儲裝置可以合并成一個存儲裝置，為了直觀地理解本發(fā)明，
圖3中使用三個裝置進(jìn)行表示。
實(shí)時時鐘，用于記錄當(dāng)前時間，以轉(zhuǎn)換為GPS時間； 衛(wèi)星位置計(jì)算裝置，用于在所述GPS接收機(jī)上電時，恢復(fù)并讀取
存儲裝置中的星歷和歷書信息，并根據(jù)當(dāng)前GPS時間計(jì)算出多個衛(wèi)星
的粗略位置；以及利用存儲裝置中更新后的星歷和/或歷書信息、歷書
修正參數(shù)計(jì)算出衛(wèi)星的精確位置；
捕獲跟蹤裝置，用于根據(jù)計(jì)算出的多個衛(wèi)星的粗略位置捕獲和跟
蹤可見的衛(wèi)星；
接收機(jī)位置計(jì)算裝置，用于根據(jù)衛(wèi)星的精確位置計(jì)算所述接收機(jī)
14的位置。
需要注意的是，本發(fā)明的GPS接收機(jī)中增加了用于計(jì)算基于歷書 的歷書修正參數(shù)的計(jì)算裝置，并且在定位時利用該參數(shù)進(jìn)行接收機(jī)位 置計(jì)算，不僅提高了系統(tǒng)捕獲、跟蹤的效率，而且將系統(tǒng)的首次定位 時間從30秒以上縮減至15秒左右。
圖4所示為歷書修正參數(shù)的生成方法，其中具體的推導(dǎo)過程為
首先，計(jì)算在t時刻星歷對應(yīng)的各衛(wèi)星的位置坐標(biāo)(x、 y、 z坐標(biāo) 軸)和衛(wèi)星鐘差t的值，設(shè)為x力),凡(o,z力)，t;(,);
然后，計(jì)算在同一 t時刻歷書對應(yīng)的相應(yīng)衛(wèi)星的位置坐標(biāo)和衛(wèi)星
鐘差的值，設(shè)為x'(OjW,z W，r'(,)
則可以計(jì)算出在t時刻，由星歷和歷書分別對應(yīng)的各衛(wèi)星位置坐
標(biāo)和衛(wèi)星鐘差(衛(wèi)星的星載時鐘與GPS時鐘的差)差值，即基于歷書
的衛(wèi)星位置坐標(biāo)和衛(wèi)星鐘差的修正量，為 Ax(/) = xc(/〕-x'0)，
Ay(O"c(d(O' △r(/) = r',(,)_r'(,)
可以認(rèn)為Ar(o， aw), a『G)是時間t的高階多項(xiàng)式函數(shù)，計(jì)算公 式如下，
"o ， "o ， "o ， Ar(,)二Z々、
其中ak ("。'……"")，bk ( 6。 A……6" ) ， ck( & ， c'……c"), 4 ( J。,《……叭) 為各衛(wèi)星的位置坐標(biāo)和鐘差的歷書修正參數(shù)，n為多項(xiàng)式最高階數(shù)。
為了求得歷書修正參數(shù)"。，"'……""，……《'，《，"1……《， e。，ei…… ，可以對其進(jìn)行基于最小二乘法的多項(xiàng)式擬合，如圖4所示， 可以在多個時間采樣點(diǎn)ti，分別使用星歷和歷書計(jì)算出衛(wèi)星的位置坐標(biāo) 和鐘差的數(shù)值組，通過對這兩組數(shù)值的多項(xiàng)式擬合，從而求出歷書修 正參數(shù)的公式。本領(lǐng)域技術(shù)人員可知，n越大則歷書修正參數(shù)越精確， 且參與擬合的數(shù)據(jù)點(diǎn)越多，其擬合得到的衛(wèi)星歷書修正參數(shù)的精度也就越高，參與擬合的數(shù)據(jù)時間跨度越長，其擬合得到的衛(wèi)星歷書修正 參數(shù)的有效期也就越長。
為了方便說明，以其中^^為例假設(shè)共有m-l (i=0-m)個采樣
點(diǎn)，要求其最小二乘法擬合，即求取歷書修正參數(shù)"'""'……""，使得下
式最小，即
min(￡(t"A.,,A:Ax(/,))2)，
通過求取以—F矩陣可以解出a(""'……
<formula>formula see original document page 16</formula>
這樣，可以按照上述方法依次求出A少^的6。A……~， & 的
Q，A……、以及Ar(/)的《'《……《，從而以此類推到所有衛(wèi)星。
最優(yōu)地，以t(^toe-2小時，每個時間間隔為20分鐘，可以采樣12 個點(diǎn)，這樣可以涵蓋4小時內(nèi)的衛(wèi)星信息。
本領(lǐng)域技術(shù)人員可知，這樣使得該歷書修正參數(shù)能夠在外延到6 小時內(nèi)準(zhǔn)確使用，并可外推到8小時，即設(shè)定距離上次更新的修正參 數(shù)表的時間8小時之后為失效。
更優(yōu)地，歷書修正參數(shù)計(jì)算裝置還包括時間判定裝置(圖中未示 出)，用于判定所解調(diào)出來的星歷和歷書是否均有效，若是，則在歷書 修正參數(shù)無效時，利用有效的星歷和歷書求解出相應(yīng)衛(wèi)星的歷書修正 參數(shù)；
下面參照圖5詳細(xì)描述本發(fā)明的GPS接收機(jī)通過其中的歷書修正 參數(shù)計(jì)算裝置更新歷書修正參數(shù)的流程，其中與現(xiàn)有技術(shù)相同的部分， 即利用存儲裝置中的星歷和歷書進(jìn)行衛(wèi)星位置計(jì)算等步驟不再贅述。 其步驟如下
首先進(jìn)入步驟200，根據(jù)衛(wèi)星的可見性，捕獲跟蹤裝置捕獲和跟 蹤GPS衛(wèi)星；然后，步驟201，接收裝置接收多個衛(wèi)星的導(dǎo)航電文；然后，解 調(diào)裝置從導(dǎo)航電文中提取出星歷和歷書信息；
然后，步驟202，歷書修正參數(shù)計(jì)算裝置判斷各存儲裝置中星歷、 歷書及對應(yīng)的歷書修正參數(shù)的有效性；若星歷、歷書均有效且歷書修 正參數(shù)無效，則；進(jìn)入步驟203;若不是上述情況，則返回步驟201;
步驟203，根據(jù)解調(diào)出的有效的星歷和歷書信息分別計(jì)算出對應(yīng) 的歷書修正參數(shù)，并將其更新存儲在存儲裝置中。
進(jìn)一歩地，如圖6所示為本發(fā)明的GPS接收機(jī)的定位流程，其中 與現(xiàn)有技術(shù)相同的流程不再贅述。
首先，步驟300,根據(jù)衛(wèi)星的可見性捕獲和跟蹤衛(wèi)星；
然后，步驟301，從存儲區(qū)中讀取星歷、歷書及歷書修正參數(shù)， 判斷此時的星歷是否有效；若星歷有效，則進(jìn)入步驟302，通過衛(wèi)星星 歷精確求解衛(wèi)星的位置，這和一般的GPS定位計(jì)算并無區(qū)別；若星歷 無效，則進(jìn)入步驟303;
步驟303，判斷歷書和歷書修正參數(shù)是否有效，若均有效，則進(jìn) 入步驟304-305，利用歷書和歷書修正參數(shù)進(jìn)行精確衛(wèi)星位置計(jì)算，然 后進(jìn)行接收機(jī)位置計(jì)算；若有一個無效，則返回到步驟301，等待有效 的衛(wèi)星信息后進(jìn)行定位計(jì)算。
具體地，其中利用歷書和歷書修正參數(shù)進(jìn)行定位計(jì)算的具體步驟
如下
首先，利用歷書參數(shù)計(jì)算當(dāng)前時刻t的衛(wèi)星位置坐標(biāo)x、 y、 ， z 和鐘差T的值x，、 y'、 z，、 T，，然后，利用各衛(wèi)星的歷書修正參數(shù)分 別計(jì)算各衛(wèi)星的衛(wèi)星位置坐標(biāo)x, y, z和鐘差T的修正量Ax'(t), Ay'(t), Az'(t),AT'(t)，其中計(jì)算公式如下
Ax'(,) = ^>/， A ^>/，崎)=^>/， Ar',力《，
A=0 /:=0 A=0 4=0
其中t為當(dāng)前GPS時間，ak、 bk、 ck、 dk為衛(wèi)星位置坐標(biāo)x、 y、 z、 鐘差T對應(yīng)的歷書修正參數(shù)，n為歷書修正參數(shù)的階數(shù)；
根據(jù)各參數(shù)修正量，修正t時刻的衛(wèi)星位置坐標(biāo)x、 y、 z、鐘差T 的值分別修正為x， + Ax，、 y' + Ay，、z' + Az，、T， + AT';然后，將修正后的衛(wèi)星位置坐標(biāo)x、 y、 z、鐘差T的值代入至接 收機(jī)位置計(jì)算的方程中，計(jì)算接收機(jī)的位置。
綜上所述，本發(fā)明關(guān)鍵在于結(jié)合了星歷參數(shù)的精確性和歷書參數(shù) 的長期穩(wěn)定性，在系統(tǒng)中引入了基于衛(wèi)星歷書的歷書修正參數(shù)，這樣 就使得在缺乏有效的衛(wèi)星星歷參數(shù)時，依靠歷書和相關(guān)的歷書修正參 數(shù)來確定滿足--定精度范圍的衛(wèi)星位置信息。
雖然前述的說明書和附圖代表了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，但是可以 理解各種添加、修改和替代方案并不背離本發(fā)明的思想和范圍，如所 帶的權(quán)利要求中所限定的。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解本發(fā)明可以在形 狀、結(jié)構(gòu)、排布、修改、比例、原料、元件和部件上進(jìn)行修改后也可 以使用，在本發(fā)明的實(shí)施過程中，在不背離本發(fā)明的原理的情況下， 特別適用于特定環(huán)境和工作要求?，F(xiàn)在公開的實(shí)施例因此在所有考慮 中被認(rèn)為描述性的而不是限制性的，本發(fā)明的范圍由附加的權(quán)利要求 和合法的等效物所表示，但不局限于之前的說明書中。
權(quán)利要求
1、一種GPS接收機(jī)，其特征在于，包括接收裝置，用于接收來自多個跟蹤到的衛(wèi)星的導(dǎo)航電文；解調(diào)裝置，用于解調(diào)所述導(dǎo)航電文，并提取出各衛(wèi)星相應(yīng)的星歷和歷書信息；歷書修正參數(shù)計(jì)算裝置，用于根據(jù)解調(diào)出的各衛(wèi)星有效的星歷和歷書信息分別計(jì)算出對應(yīng)衛(wèi)星的歷書修正參數(shù)；存儲裝置，用于存儲及更新解調(diào)出的星歷和歷書信息以及歷書修正參數(shù)；實(shí)時時鐘，用于記錄當(dāng)前時間，以轉(zhuǎn)換為GPS時間；衛(wèi)星位置計(jì)算裝置，用于在所述GPS接收機(jī)上電時，讀取存儲裝置中的星歷和歷書信息，并根據(jù)當(dāng)前GPS時間，利用讀取出的星歷和歷書信息計(jì)算出多個衛(wèi)星的粗略位置；以及利用存儲裝置中更新后的有效的星歷和歷書信息以及歷書修正參數(shù)計(jì)算出衛(wèi)星的精確位置；捕獲跟蹤裝置，用于根據(jù)計(jì)算出的多個衛(wèi)星的粗略位置捕獲和跟蹤可見的衛(wèi)星；接收機(jī)位置計(jì)算裝置，用于根據(jù)衛(wèi)星的精確位置計(jì)算所述接收機(jī)的位置。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的GPS接收機(jī)，其特征在于 所述衛(wèi)星位置計(jì)算裝置，判斷存儲裝置中更新后的星歷是否有效，如果有效，則利用星歷進(jìn)行衛(wèi)星精確位置計(jì)算；如果星歷無效，則判斷歷書及歷書修正參數(shù)是否有效，若均有效， 則利用歷書及相應(yīng)的歷書修正參數(shù)進(jìn)行衛(wèi)星精確位置計(jì)算；若歷書及 歷書修正參數(shù)其中之--無效，則重復(fù)上述操作。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的GPS接收機(jī)，其特征在于所述歷書修正參數(shù)計(jì)算裝置，利用有效的星歷計(jì)算出多個采樣時間點(diǎn)ti對應(yīng)的各衛(wèi)星位置坐標(biāo) x、 y、 z和鐘差T的數(shù)值組，以及利用有效的歷書計(jì)算出相同時間點(diǎn)ti 對應(yīng)的各衛(wèi)星位置坐標(biāo)x.、 y、 z和鐘差T的數(shù)值組；然后對應(yīng)各時間點(diǎn)ti計(jì)算由星歷確定的所述衛(wèi)星位置坐標(biāo)x、 y、 z和鐘差T的值以及由歷書確定的所述衛(wèi)星位置坐標(biāo)x、 y、 z和鐘差T 的值之間的差值組Ax (ti)、 Ay (ti)、 Az (ti)和AT (ti)，然后分別對 所述差值組Ax (ti)、 Ay (ti)、 Az (ti)和AT (ti)進(jìn)行基于最小二乘 法的多項(xiàng)式擬合，分別求出相應(yīng)衛(wèi)星的位置坐標(biāo)x、 y、 z和鐘差T的 歷書修正參數(shù)，然后更新存儲裝置中的歷書修正參數(shù)。
4、根據(jù)權(quán)利要求3所述的GPS接收機(jī)，其特征在于 所述最小二乘法多項(xiàng)式擬合的計(jì)算公式為，<formula>formula see original document page 3</formula>其中"。，"'……""為所述x坐標(biāo)的歷書修正參數(shù)，n為多項(xiàng)式最高階 數(shù)，m-l為采樣點(diǎn)個數(shù)，依次類推到所述坐標(biāo)y、 z及所述鐘差T的各 歷書修正參數(shù)。
5、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的GPS接收機(jī)，其特征在于 所述采樣點(diǎn)個數(shù)為12個，并且，LJ。為4小時，^-仏為20分鐘。
6、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的GPS接收機(jī)，其特征在于，所述衛(wèi)星 位置計(jì)算裝置利用有效的歷書及相應(yīng)的歷書修正參數(shù)進(jìn)行精確衛(wèi)星位 置計(jì)算的操作為首先利用有效的歷書計(jì)算當(dāng)前時刻t的衛(wèi)星位置坐標(biāo)x、 y 、 z 和鐘差T的值，設(shè)為x'、 y'、 z'及T'，然后利用有效的歷書修正參數(shù)分別計(jì)算所述時刻t的所述衛(wèi)星位 置坐標(biāo)x、 y、 z和鐘差T的修正量Ax'、 Ay'、 Az' 、 AT'，其中計(jì)算 公式如下A=0 "0 "0其中t為當(dāng)前GPS時間，ak， ，bk， ck， dk為所述衛(wèi)星位置坐標(biāo)x、 y、 z和鐘差T對應(yīng)的歷書修正參數(shù)，n為歷書修正參數(shù)的階數(shù)；然后，修正t時刻的所述衛(wèi)星位置坐標(biāo)x、 y、 z和鐘差T的值分 別為x， + Ax，、 y， + Ay，、 z， + Az， 、 T， + AT，。
7、 一種GPS接收機(jī)定位方法，其特征在于，包括捕獲和跟蹤衛(wèi)星；讀取接收機(jī)中所存儲的星歷和/或歷書、歷書修正參數(shù)； 判斷星歷是否有效，若星歷有效，則利用星歷進(jìn)行精確衛(wèi)星位置計(jì)算；若星歷無效，則判斷歷書及對應(yīng)衛(wèi)星的歷書修正參數(shù)是否有效； 若均有效，則利用有效的歷書修正參數(shù)和歷書進(jìn)行衛(wèi)星的精確位置計(jì)算，然后利用所述衛(wèi)星的精確位置計(jì)算接收機(jī)位置；若歷書及對應(yīng)衛(wèi)星的歷書修正參數(shù)有其一無效，則返回到上述的讀取歩驟。
8、根據(jù)權(quán)利要求7所述的GPS接收機(jī)定位方法，其特征在于， 所述利用有效的歷書修正參數(shù)和歷書進(jìn)行衛(wèi)星的精確位置計(jì)算的 步驟為首先，利用有效的歷書計(jì)算當(dāng)前時刻t的衛(wèi)星位置坐標(biāo)x、 y、 z 和鐘差T的值，設(shè)為x'、 y'、 z，和鐘差T';然后，利用有效的歷書修正參數(shù)分別計(jì)算t時刻的所述衛(wèi)星位置 坐標(biāo)x、 y、 z和鐘差T的修正量Ax、 Ay、 Az、 AT，其中計(jì)算公式 如下,=t"/ ， AX,) = ￡ V* ， MO = !>/ ' Ar(,) = '"0 "0 A=0 "0其中，t為當(dāng)前GPS時間，ak、 bk、 ck、 dk為所述衛(wèi)星位置坐標(biāo)x、 y、z和鐘差T對應(yīng)的t時刻的歷書修正參數(shù)，n為歷書修正參數(shù)的階數(shù)；然后，修正t時刻的衛(wèi)星位置坐標(biāo)x'、 y'、 z'和鐘差T'分別為x、 y、 z、 T，修正后的所述衛(wèi)星位置坐標(biāo)x、 y、 z和鐘差T的值分別為x'+ Ax 、 y' + Ay、 z，+ Az、 T' + AT。
9、 一種在GPS接收機(jī)中生成歷書修正參數(shù)的方法，其特征在于，包括利用有效的星歷計(jì)算多個采樣點(diǎn)ti對應(yīng)的各衛(wèi)星的位置坐標(biāo)x、y、 z和鐘差T的數(shù)值組；利用有效的歷書確定相同采樣點(diǎn)ti對應(yīng)的相應(yīng)衛(wèi)星的衛(wèi)星位置坐 標(biāo)x、 y、 z和鐘差T的數(shù)值組；對應(yīng)各時間點(diǎn)ti計(jì)算利用有效的星歷確定的衛(wèi)星位置坐標(biāo)x、 y、 z和鐘差T的數(shù)值組和利用有效的歷書確定的相應(yīng)的衛(wèi)星位置坐標(biāo)x、 y、 z和鐘差T的數(shù)值組之間的差值組Ax (ti)、 Ay (ti)、 Az (ti)、 AT (ti);對所述差值組Ax (ti)、 Ay (ti)、 Az (ti)、 AT (ti)分別進(jìn)行基于 最小二乘法的多項(xiàng)式擬合，從而分別求解出相應(yīng)衛(wèi)星的位置坐標(biāo)x、 y、 z和鐘差T的歷:| '〕修正參數(shù)。
10、 根據(jù)權(quán)利要求9所述的在GPS接收機(jī)中生成歷書修正參數(shù)的 方法，其特征在于所述最小二乘法多項(xiàng)式擬合的計(jì)算公式為<formula>formula see original document page 5</formula>其中"。，"' ""為所述坐標(biāo)x的歷書修正參數(shù)，n為多項(xiàng)式最高階數(shù)，m-l為采樣點(diǎn)個數(shù)，依次類推到所述坐標(biāo)y、 z及鐘差T的歷書修正參數(shù)。
11、根據(jù)權(quán)利要求9所述的在GPS接收機(jī)中生成歷書修正參數(shù)的 方法，其特征在于其中，m為12個，并且，U。為4小時，H'為20分鐘。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種GPS接收機(jī)，包括接收裝置；解調(diào)裝置；歷書修正參數(shù)計(jì)算裝置，用于根據(jù)解調(diào)出的有效的星歷和歷書信息分別計(jì)算出對應(yīng)的歷書修正參數(shù)；存儲裝置，用于存儲及更新解調(diào)出的星歷和歷書信息以及歷書修正參數(shù)；實(shí)時時鐘，用于記錄當(dāng)前時間，以轉(zhuǎn)換為GPS時間；衛(wèi)星位置計(jì)算裝置，用于在所述GPS接收機(jī)上電時，恢復(fù)存儲裝置中的星歷和歷書信息，并根據(jù)當(dāng)前GPS時間計(jì)算出多個衛(wèi)星的粗略位置；以及利用存儲裝置中更新后的星歷和歷書信息以及歷書修正參數(shù)計(jì)算出衛(wèi)星的精確位置；捕獲跟蹤裝置；接收機(jī)位置計(jì)算裝置，用于根據(jù)衛(wèi)星的精確位置計(jì)算所述接收機(jī)的位置。本發(fā)明的GPS接收機(jī)能夠在缺乏有效的星歷的情況下還能夠精確計(jì)算GPS接收機(jī)的位置。
文檔編號G01S5/02GK101592723SQ200810108638
公開日2009年12月2日 申請日期2008年5月30日 優(yōu)先權(quán)日2008年5月30日
發(fā)明者余曉光, 鄒景華, 黃海權(quán) 申請人:凹凸電子(武漢)有限公司