基于星間距離壓縮的模糊搜索gps接收機(jī)粗時(shí)定位方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)研制領(lǐng)域，具體的說是一種在用戶位置未知條件下的 接收機(jī)免時(shí)定位方法，其可運(yùn)用于各類導(dǎo)航接收終端的具體研發(fā)中。
【背景技術(shù)】
[0002] 免時(shí)定位技術(shù)可以在完成幀同步獲得完整偽距之前實(shí)現(xiàn)快速定位，能夠縮短首次 定位時(shí)間并顆用于弱信號(hào)、遮擋等長時(shí)間難以實(shí)現(xiàn)幀同步的惡劣條件下。1995年，Peterson 等首次提出了五狀態(tài)方程，提出了粗時(shí)間這個(gè)術(shù)語。在假設(shè)先驗(yàn)位置偏差和粗時(shí)誤差足夠 小保持殘差小于0.5毫秒，通過構(gòu)造模1毫秒的殘差的方式研究粗時(shí)定位問題。Van Diggelen對免時(shí)定位方法進(jìn)行了詳細(xì)描述，并解決了由共有偏差引起的翻轉(zhuǎn)問題。但是免 時(shí)方法對用戶概略位置和概略時(shí)間均有所約束，即只有在接收機(jī)的概略位置誤差和概略時(shí) 間引起的偽距誤差不超過150km時(shí)，否則將會(huì)導(dǎo)致毫秒整數(shù)恢復(fù)錯(cuò)誤，從而導(dǎo)致定位結(jié)果出 錯(cuò)。。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明提供一種基于星間距離壓縮的模糊搜索GPS 接收機(jī)粗時(shí)定位方法。本發(fā)明基于模糊搜索的方法用于獲取用戶概略位置，并根據(jù)星間距 離和最大偽距差值關(guān)系壓縮搜索空間。對地面用戶而言，衛(wèi)星到用戶之間的空間傳輸時(shí)延 范圍約為67~86毫秒，在實(shí)現(xiàn)幀同步僅獲得部分偽距的前提下，偽距整數(shù)模糊值是有限的。 因此，在忽略粗略時(shí)間引起位置計(jì)算誤差的前提下，可以采用模糊搜索的方法計(jì)算用戶概 略位置，并根據(jù)偽距殘差選擇最合理候選組合和用戶位置。
[0004 ]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：
[0005] -種基于星間距離壓縮的模糊搜索GPS接收機(jī)粗時(shí)定位方法，具體包括以下步驟：
[0006] 步驟S1，根據(jù)星間距離計(jì)算用戶觀測衛(wèi)星偽距最大差值；
[0008] 其中，Re為用戶到地心地固坐標(biāo)系下坐標(biāo)原點(diǎn)（0，0，0)的距離，可取值為6378千 米，Lu為衛(wèi)星i和衛(wèi)星j的星間距離，分別為衛(wèi)星i和j到坐標(biāo)原點(diǎn)距離并假設(shè)RPR 1; 示地面用戶觀測衛(wèi)星i和j之間的最大偽距差值。
[0009] -般而言，粗時(shí)定位中的粗時(shí)表示時(shí)間數(shù)秒的本地時(shí)間精度。由于的不準(zhǔn)確以 及粗時(shí)計(jì)算衛(wèi)星位置誤差引起偽距誤差，因此在計(jì)算偽距最大差值時(shí)增加固定值以確保獲 得的偽距最大差值的正確性。如下公式所示，其中「，1表示向上取整操作。本發(fā)明中設(shè)置常數(shù) d為0.5毫秒。
[0011] 步驟S2，為減小搜索空間，選擇3顆衛(wèi)星結(jié)合高程假設(shè)估計(jì)用戶概略位置，3顆衛(wèi)星 的選取準(zhǔn)則如下文所述。
[0012] 信號(hào)捕獲后能獲得亞毫秒偽距，信號(hào)位同步后能夠獲得亞20毫秒偽距，在這兩種 情況下的選星方法分別為：
[0013] 1)亞20毫秒偽距情況
[0014]在位同步后能夠獲得亞20毫秒偽距，偽距模糊周期為20毫秒，同時(shí)對地表用戶而言， 觀測GPS衛(wèi)星的空間延遲范圍一般在67~86毫秒，范圍約為20毫秒以內(nèi)。因此假設(shè)Μ個(gè)亞20毫秒
偽距由小到大排列為[ρ?二《，…，。則整數(shù)模糊形式必然 其中k為整數(shù)。否則，偽距差值會(huì)超出20毫秒約束。由于僅選擇3顆衛(wèi)星進(jìn)行粗定位，因此在 亞20毫秒情況下，搜索空間較小，選星是主要考慮幾何構(gòu)型。
[0015]在所有可視衛(wèi)星中選擇3顆衛(wèi)星組成子集，所有可能的組合形成新的選星集合A. 則在亞20毫秒條件下可以采用最小GD0P準(zhǔn)則，如公式(3)。計(jì)算GD0P時(shí)使用的用戶位置可以 采用所有可見衛(wèi)星在地面上的投影。
[0017] 其中，Θ,為集合A中元素，6〇〇?01表示采用采用衛(wèi)星組合合高程輔助時(shí)計(jì)算的 ⑶0Ρ值。
[0018] 2)亞毫秒偽距情況
[0019] 在亞毫秒偽距情況下，即使選取3顆衛(wèi)星進(jìn)行粗定位，模糊組合數(shù)也較大。忽略亞 毫秒部分，假設(shè)3顆衛(wèi)星之間的最大偽距差值由小到大排列為[x，y，z]。那么此種情況下的， 偽距整數(shù)搜索空間可以直接由下式計(jì)算。
[0021]兼顧星座構(gòu)型，在亞毫秒偽距情況下，粗定位3顆衛(wèi)星的選星準(zhǔn)則描述如下。λ用于 約束GD0P值上限。本發(fā)明中取值為3。
[0024] 步驟S3,結(jié)合步驟1計(jì)算結(jié)果遍歷3顆衛(wèi)星所有可能的整毫秒偽距組合，使用最小 二乘方法估計(jì)用戶位置，并計(jì)算所有候選結(jié)果相對應(yīng)的衛(wèi)星偽距殘差
[0025] 當(dāng)假設(shè)衛(wèi)星整毫秒偽距后，結(jié)合小數(shù)偽距，可以重構(gòu)偽距信息，結(jié)合高程輔助假 設(shè)，可以按照傳統(tǒng)高程輔助方法進(jìn)行最小二乘定位。高程輔助定位時(shí)，可以看作在原點(diǎn)位置 存在一顆衛(wèi)星，在偽距觀測方程中存在一個(gè)高程的偽觀測量。由于僅用于粗定位，可以假設(shè) 高程為〇米。線性化的觀測方程如下所示。

[0027] 其中，P 為衛(wèi)星i到用戶的單位視線矢量， 獲二?〃，乂,表示用戶位置，A A表示給定高程與估計(jì)高程預(yù)測差值。
[0028] 最小二乘估算用戶位置后，偽距的偽距殘差可以根據(jù)如下公式計(jì)算：
[0030] 其中秀表示衛(wèi)星i的位置，5表示估算的用戶位置，p/ku為衛(wèi)星i的小數(shù)偽距，L1>ms 為以米為單位的偽距模糊值，Stu表示接收機(jī)鐘差。
[0031] 步驟S4,假設(shè)步驟3中遍歷獲得N組整毫秒組合以及N個(gè)定位結(jié)果以及偽距殘余信 息，本步驟根據(jù)定位殘余信息，采用偽距殘余平方和的平方根最小準(zhǔn)則選擇最合理的概略 位置和毫秒偽距整數(shù)模糊組合；
[0032] 步驟S5，在選擇最合理概略位置后，可以通過選擇參考衛(wèi)星的方法避免由未知的 共有偏差引起的翻轉(zhuǎn)問題，同時(shí)計(jì)算得到所有衛(wèi)星的相對偽距值。
[0033] 步驟S6,在恢復(fù)了所有衛(wèi)星的相對偽距后，仍可能因?yàn)楸镜貢r(shí)間的絕對偏差引起 衛(wèi)星位置計(jì)算誤差而增大用戶位置估計(jì)誤差。因此使用包含本地時(shí)間絕對偏差的五狀態(tài)的 免時(shí)算法估算用戶位置并根據(jù)定位后殘余檢驗(yàn)最終定位結(jié)果的合理性，由于估算未知狀態(tài) 量為五維，因此當(dāng)可用衛(wèi)星數(shù)大于等于6顆且當(dāng)殘差較?。葱∮谠O(shè)定門限值)時(shí)，認(rèn)為定位 結(jié)果合理。
[0034] 五狀態(tài)在傳統(tǒng)四狀態(tài)的用戶三維位置、接收機(jī)公用偏差的基礎(chǔ)上增加本地絕對時(shí) 間偏差STU狀態(tài)。表示為[X y z Stu STU]T線性化觀測方程為。
[0036] 鏟表示衛(wèi)星i的速度。
[0037] 本發(fā)明的有益效果是：
[0038] 本發(fā)明能夠在接收機(jī)概略未知的情況下實(shí)現(xiàn)粗時(shí)定位，拓展粗時(shí)定位方法的應(yīng)用 范圍，減小衛(wèi)星星歷已知條件下的接收機(jī)首次定位時(shí)間。
【附圖說明】
[0039] 圖1圖解星間距離與最大偽距差值之間的關(guān)系
[0040] 圖2圖解搜索定位方法原理流程圖
[0041]圖3圖解算例時(shí)刻星空圖
[0042]圖4圖解算例亞毫米粗定位時(shí)的偽距殘差
【具體實(shí)施方式】
[0043]以下將結(jié)合具體實(shí)施例和說明書附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0044]下面結(jié)合附圖對基于星間距離壓縮的模糊搜索GPS接收機(jī)粗時(shí)定位方法進(jìn)行詳