基于非同时接收的定位方法
【专利摘要】本发明公开了一种非同时接收的定位方法，能够解决非连续导航信号接收下的定位问题，提高卫星导航在城市峡谷、快速切换等复杂环境下的可用性。采用细化码相位的方式恢复信号发射时刻毫秒小数部分，采用迭代最小二乘法恢复信号发射时刻毫秒整数部分，然后再合成信号发射时刻，继而计算伪距和卫星位置；通过对所述伪距线性化构建观测向量，采用接收机位置和可从外部获取的接收机运动姿态构建接收机的状态向量，在每一观测时刻k，利用卡尔曼滤波的方法解算状态向量的估计值，即为当前时刻k的定位结果；不同观测时刻k采用不同的伪距获得观测向量，重复本步骤四，以完成定位。
【专利说明】基于非同时接收的定位方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及卫星导航信号定位关键技术，尤其涉及一种基于非同时接收条件下的 定位方案，实现非同时接收导航信号下的导航定位。
【背景技术】
[0002] 随着卫星导航技术的发展，导航接收机的应用范围越来越广，在城市高楼间、树荫 下、峡谷中、快速切换等复杂环境下导航定位需求越来越多。然而导航接收机受环境影响较 大，当用户在这些复杂环境下时，卫星导航信号将会被遮挡或干扰，这将导致终端所接收的 卫星导航信号呈现非连续的特性。对于常用的定位算法，导航接收机需同时观察到4颗或 4颗以上的卫星才能完成定位。但在上述等复杂环境下，可见卫星数将不足4颗，从而无法 完成定位，这是卫星导航接收机所遇到的突出问题。
[0003] 为了解决上述问题，A-GPS(Assisted-GPS)定位技术应运而生。该技术结合了移 动网络基站信息和GPS信息对移动终端进行定位，它除了传统的GPS系统构成外，还有一个 辅助服务器。A-GPS接收机最大特点是通过无线通信网络等方式，获取卫星星历等辅助数 据，辅助接收机接收信号并完成定位解算。与传统的GPS接收机首次定位需要几分钟相比， A-GPS的首次定位时间最快仅需几秒钟，同时A-GPS也彻底解决了普通GPS设备在室内无法 获取定位信息的缺陷。
[0004] 3)GPS0ne是一种基于无线辅助全球定位系统的混合定位技术。在终端能够接收 到GPS卫星信号时采用GPS定位方式，当终端在室内或者接收卫星信号不好的环境时采用 CDMA基站接收的辅助GPS卫星信号实现辅助定位。GPSOne移动定位技术具有盲区少，适应 面宽，成本低的特点，它不但可以在室外等平常的环境下实现高精度的定位，而且还克服 了 GPS在室内、地下停车场等环境下，无法定位或定位不准的弊端，提高了定位精度和定位 成功率。
[0005] 4)然而，A-GPS、GPSOne定位方法也存在如下一些缺点：
[0006] >由于室内墙壁的遮挡，阻碍了手机的GPS模块接收卫星信号，所以即使有无线 网络信号，但如果所接收的导航信号不连续，则依然无法完成定位；
[0007] > A-GPS等定位实现必须通过多次网络传输，这对运营商来说是大量的占用了空 中资源；
[0008] >比一般手机在耗电量有一定的额外负担，缩短了手机的待机时间；
[0009] >将产生大量的无线网络流量，生成大量的资费等。
【发明内容】
[0010] 有鉴于此，本发明提供了一种基于非同时接收的定位方法，能够解决非连续导航 信号接收下的定位问题，提高卫星导航在城市峡谷等复杂环境下的可用性。
[0011] 为了解决上述技术问题，本发明提供的非同时接收的定位方法，包括：
[0012] 步骤一、对接收的卫星导航中频信号做并行搜索捕获，获得粗略的码相位；之后通 过细化码相位，获取精细的码相位，进而得到信号发射时刻毫秒小数部分；
[0013] 步骤二、在已知的接收机粗略位置约束下，以接收机粗略位置作为初始值，利用迭 代最小二乘法恢复信号发射时刻毫秒整数部分；
[0014] 步骤三、利用所述信号发射时刻毫秒小数部分和信号发射时刻毫秒整数部分，恢 复信号发射时刻，并计算伪距；同时利用预先获取的星历结合恢复的信号发射时刻，计算卫 星位置；
[0015] 步骤四、通过对所述伪距线性化构建观测向量y(k)，采用接收机位置和可从外部 获取的接收机运动姿态构建接收机的状态向量X (k)，利用接收机位置和卫星位置构建系统 观测方程中的系统观测矩阵H(k);其中，状态向量x(k)中所述接收机位置的初始值采用所 述接收机粗略位置；
[0016] 基于上述构建，在每一观测时刻k，利用卡尔曼滤波的方法解算状态向量的估计值 ·*(0,即为当前时刻k的定位结果；不同观测时刻k采用不同的伪距获得观测向量y(k)，重 复本步骤四，以完成定位。
[0017] 优选地，步骤一中，所述获取精细的码相位的具体步骤包括：
[0018] 利用并行搜索算法进行捕获，得到码相位和多普勒频率的粗略估计值；
[0019] 利用二次曲线拟合的方法，将多普勒频率进行细化，得到细化到几十Hz的多普勒 频率；用细化后的多普勒频率产生本地载波，对所述接收的卫星导航中频信号进行去载波 处理；
[0020] 在码相位的粗略估计值的附近范围内以比并行搜索捕获所采用的码相位搜索步 长dl更小的码相位搜索步长d2提取码相位，利用提取的码相位重建本地码，将重建的本地 码与去载波处理后的卫星导航中频信号做相关，得到若干个相关值；
[0021] 从得到的相关值中选取最大的3个相关值结合对应的码相位做二次曲线拟合，找 到拟合曲线的峰值，即为精细的码相位。
[0022] 优选地，步骤四中，所述接收机运动姿态包括多普勒频移、接收机速度和/或接收 机加速度。
[0023] 优选地，所述步骤四具体为：
[0024] ①建立接收机的系统状态转移方程为：
[0025] x(k) = Ax (k~l)+w (k~l)
[0026] 其中，x = [xm xJT为接收机的状态向量，xm = [x y z vx vy vz]T为运动状态向 量，1、7、2、￥1、￥7、￥2分别为接收机三个方向的位置分量和速度分量^。=[5 15 11?]1'为 误差状态向量，S1、δ ^分别为由接收机钟差引起的距离误差δ 1和由接收机频漂引起的 速度误差δ lf ;w(k_l)为系统噪声；
[0027] 系统转移矩阵A为：
[0028]
【权利要求】
1. 一种非同时接收的定位方法，其特征在于，包括： 步骤一、对接收的卫星导航中频信号做并行搜索捕获，获得粗略的码相位；之后通过细 化码相位，获取精细的码相位，进而得到信号发射时刻毫秒小数部分； 步骤二、在已知的接收机粗略位置约束下，以接收机粗略位置作为初始值，利用迭代最 小二乘法恢复信号发射时刻毫秒整数部分； 步骤三、利用所述信号发射时刻毫秒小数部分和信号发射时刻毫秒整数部分，恢复信 号发射时刻，并计算伪距；同时利用预先获取的星历结合恢复的信号发射时刻，计算卫星位 置； 步骤四、通过对所述伪距线性化构建观测向量y (k)，采用接收机位置和可从外部获取 的接收机运动姿态构建接收机的状态向量X (k)，利用接收机位置和卫星位置构建系统观测 方程中的系统观测矩阵H(k);其中，状态向量x(k)中所述接收机位置的初始值采用所述接 收机粗略位置； 基于上述构建，在每一观测时刻k，利用卡尔曼滤波的方法解算状态向量的估计值 ，即为当前时刻k的定位结果；不同观测时刻k采用不同的伪距获得观测向量y (k)，重 复本步骤四，以完成定位。
2. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤一中，所述获取精细的码相位的具体步 骤包括： 利用并行搜索算法进行捕获，得到码相位和多普勒频率的粗略估计值； 利用二次曲线拟合的方法，将多普勒频率进行细化，得到细化到几十Hz的多普勒频 率；用细化后的多普勒频率产生本地载波，对所述接收的卫星导航中频信号进行去载波处 理； 在码相位的粗略估计值的附近范围内、以比并行搜索捕获所采用的码相位搜索步长dl 更小的码相位搜索步长d2提取码相位，利用提取的码相位重建本地码，将重建的本地码与 去载波处理后的卫星导航中频信号做相关，得到若干个相关值； 从得到的相关值中选取最大的3个相关值结合对应的码相位做二次曲线拟合，找到拟 合曲线的峰值，即为精细的码相位。
3. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤四中，所述接收机运动姿态包括多普勒 频移、接收机速度和/或接收机加速度。
4. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤四具体为： ①建立接收机的系统状态转移方程为： X (k) = Ax (k-1) +w (k-1) 其中，x= [xm xJTS接收机的状态向量，xm= [x y z vx vy vz]T为运动状态向量，x、 y、z、VX、Vy、VZ分别为接收机三个方向的位置分量和速度分量；x。= [ δ 1 δ lf]T为误差状 态向量，δ 1、δ込分别为由接收机钟差引起的距离误差δ 1和由接收机频漂引起的速度误 差δ lf ;w(k_l)为系统噪声； 系统转移矩阵A为：
利用w(k-l)得到系统误差矩阵Q为：
上式中，T为接收机测量过程的采样周期，\为接收机X方向的加速度扰动功率谱密 度，Sy为接收机y方向的加速度扰动功率谱密度，Sz为接收机z方向的加速度扰动功率谱 密度，S t为接收机钟差引起的距离噪声的功率谱密度，Sf表示接收机频漂引起的速度噪声 的功率谱密度； ②建立系统观测方程： y (k) = [y! (k)…yn (k) ]T = H (k) X (k)+v (k) 其中，n为同一时刻出现的可视导航卫星个数，y(k) = [yi(k)，···djk)]1为对所述伪 距进行线性化得到的观测量； 系统观测矩阵H(k)== [exp(k) eyp(k) ezp(k) 0 0 0 1 T]， eAk)={^{k)-xAk))l ri{k)，气。⑷=(-明n⑷)/巧⑷，e，P{ k)=^{k)-=si{k))lr，{ k)，
x (k)、y (k)、z (k)和 xsi (k)、ysi (k)、 zsi(k)分别表示接收机和第i颗可视导航卫星于观测时刻k在地心坐标系下的坐标； 无、歹、f是状态预测值对幻中的接收机三方向位置分量，无⑷=▲ (U)，4*_1)为观测时刻 k_l计算得到的状态估计值； V(k)为观测噪声向量，观测噪声的协方差矩阵
是第i颗可视导 航卫星的观测误差方差； ③滤波过程为： 步骤（1)、设置接收机状态向量的初始估计值和状态均方误差的初始估计值P(〇); 其中，.v(0)取所述接收机粗略位置，采用当前观测时刻获得的伪距，通过线性化得到观测向 量 y (〇);令 k = 1 ; 步骤（2)、根据系统状态方程x(k) = Ax(k-1)+W(k-1)和封〃-1)，得到状态预测值 5(〃)=沿(〃-1),并且计算先验估计的状态均方误差阵巧λ·)=/^(λ-?μτ+β和系统观测矩阵 H(k)； 步骤（3)、计算滤波增益⑷#㈨p㈨户⑷AT㈨+ .ff㈨广以及后验估计的状态均 方误差阵P⑷= (，-紐⑷严⑷； 步骤⑷、计算状态向量的估计值-吵)=-咐戸⑷)； 每个观测时刻k，利用步骤一至步骤三，通过获取伪距和卫星位置，然后重复步骤（2) 至（4)，完成卡尔曼滤波在每个观测时刻的定位解算。
【文档编号】G01S19/26GK104297761SQ201410458897
【公开日】2015年1月21日 申请日期:2014年9月10日 优先权日:2014年9月10日
【发明者】徐颖, 何智力, 袁洪, 刘杨斌, 曾茂书, 欧阳光洲 申请人:中国科学院光电研究院