一种基于类平衡构型和正三角法的GPS/BDS/GLONASS三星座快速选星方法与流程

本发明涉及卫星导航定位领域，尤其涉及一种基于类平衡构型和正三角法的gps/bds/glonass三星座快速选星方法。

背景技术：

近年来，四个较成熟的全球卫星导航系统都有快速的发展，这让多系统融合定位的精度不断提高。当处于良好的观测环境中，可接收到的卫星数目可能会超过50个。更多的卫星数目为用户定位提供了更多选择，同时也大大增加了卫星接收机的计算量，对于低功率的接收机，对所有可见星进行实时解算难以实现。采用适当的选星策略，在可见星中快速选取适当数目的卫星，在保证适当定位精度的同时，减少卫星数目，从而减少计算量，提高接收机的定位的实时性。

影响接收机解算定位精度的因素集中在测量信号的精度和所测卫星的空间几何分布。几何精度因子(gdop)能够反映所选卫星组合的拓扑结构对于用户等效距离误差的放大程度，是衡量定位精度的一个很重要的系数，它代表gps测距误差造成的接收机与空间卫星间的距离矢量放大因子，实际表征参与定位解的从接收机至空间卫星的单位矢量所勾勒的形体体积与gdop成反比。在测量信号精度不变的情况下，gdop越小，得到的误差越小。

根据各类研究成果，已有多个涉及多gnss选星方法的专利。如专利1“一种基于选星模板的多卫星导航系统选星方法”(蔡昌盛，张永林.cn107656294a[p].2018.)，根据可见卫星数目确定选星数目，并以高低高度角卫星分布成比例及在方位上对称分布为原则，从而建立几何结构接近最优的选星模板。旋转选星模板，得到与模板最为接近的实际卫星组合，即为选星结果。专利2“一种基于最优gdop和牛顿恒等式的双星座快速选星方法”(孟凡琛，朱柏承cn103499822a[p].2014.)，根据可见星高度角划分为高、中、低三个仰角区，求取三个仰角区中与最佳几何分布最接近的四颗卫星，并利用牛顿恒等式，从剩余可见星中遍历求取第五与第六颗卫星。

然而现有的多gnss选星方法存在问题与不足：专利1中提出的选星方法，首先需要构造严苛的模板模型，然后再去旋转卫星模板形成所选的卫星组合。实际的卫星空间分布复杂多变，所以该方法所得到的卫星组合与所设计的选星模板的情况会相差比较远，实际卫星组合的gdop值与最优gdop值会存在比较大的误差。专利2提出的选星方法，是建立在对于gdop值求解公式的优化的基础上，减少计算量，从而更加快速得到最佳的gdop值的卫星组合的方法，但是该方法归根结底还是遍历求解的方法，所以在多系统情况下，还是会产生非常巨大的计算量，因此难以实现定位的实时性。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种选星策略，可以在省略遍历求解卫星组合gdop值的同时，简化选星的模板构型要求，从多变的实际情况中快速选取更加准确的结果，从而将本方法可以更好的移植于低功率的卫星接收机，满足其实时性要求。

技术实现要素：

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是遍历求解的方法在多系统情况下，会产生非常巨大的计算量，因此难以实现定位的实时性。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于类平衡构型和正三角法的gps/bds/glonass三星座快速选星方法，所述方法包括以下步骤：

步骤1、根据待选卫星的俯仰角选取所述俯仰角最大的两颗卫星h1和h2；

步骤2、根据正三角法选取六颗低俯仰角卫星l1、l2、l3、l4、l5、l6；

步骤3、通过计算gdop值确定最终选择的卫星组合。

进一步地，所述步骤1还包括：

步骤1.1、根据接收机位置和所述接收机接收到的多gnss星历数据，获取所述待选卫星的位置；

步骤1.2、计算所述待选卫星的俯仰角和方位角；

步骤1.3、根据所述俯仰角对所述待选卫星进行排序，选取所述俯仰角最大的两颗卫星h1和h2。

进一步地，在所述步骤1.3之前，从所述待选卫星中剔除所述俯仰角小于设定遮蔽角的卫星。

进一步地，所述设定遮蔽角为10度。

进一步地，所述步骤2还包括：

步骤2.1、将所述步骤1中剩余的所述待选卫星，根据所述俯仰角的大小分为高仰角组h组和低仰角组l组；

步骤2.2、在所述低仰角组l组中，用所述正三角法选取三颗所述低俯仰角卫星l1、l2、l3；

步骤2.3、对所述步骤2.2中所述低仰角组l组未被选中的卫星再次使用所述正三角法，选取三颗所述低俯仰角卫星l4、l5、l6。

进一步地，所述正三角法为：

计算所述低仰角组l组中每颗卫星的代价函数，记为j1,j2,…jn；

比较所述每颗卫星的所述代价函数，得到最大值jk，即

jk＝max(j1,j2,…,jn)；

剔除第k颗卫星；

对剩下的所述卫星再重复上述计算过程，直到剩余三颗卫星；

其中：

将卫星i的所述代价函数记录为ji，n为所述低仰角组l组中的卫星总数。

进一步地，所述步骤3还包括：

步骤3.1、计算所述h1、h2卫星和所述l1、l2、l3、l4、l5、l6卫星所组成的几何构型的所述gdop值；

步骤3.2、判断所述gdop值是否大于设定阈值；若所述gdop值不大于设定阈值，则所述h1、h2、l1、l2、l3、l4、l5、l6为最终选择卫星；

步骤3.3、若所述gdop值大于所述设定阈值，则用所述高仰角组h组中的最高俯仰角卫星替换所述h2，再次计算所述gdop值，直到所述gdop值不大于所述设定阈值，得到的所述h1、h2、l1、l2、l3、l4、l5、l6为所述最终选择的卫星组合。

进一步地，所述h1、h2的所述俯仰角为90度；所述l1、l2、l3及l4、l5、l6的所述俯仰角为0度。

进一步地，所述设定阈值为4。

进一步地，所述高仰角组h组中的所述待选卫星的所述俯仰角范围在60度至90度之间。

与现有技术相比，本发明具有以下改进之处及有益结果：

1、本发明通过理论验证得到了针对gps/bds/glonass三系统选取8颗星的类平衡模型；

2、本发明提出正三角法用于低仰角卫星的选取，能够实现低仰角卫星的快速、准确选取，大大减少定位计算量，减轻选星算法对于硬件的要求；

3、本发明提出的选星策略可以在省略遍历求解卫星组合gdop值的同时，简化选星的模板构型要求，从多变的实际情况中快速选取更加准确的结果，从而将本方法可以更好的移植于低功率的卫星接收机，满足其实时性要求。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是本发明的一个较佳实施例的技术流程图；

图2是8颗星的平衡构型；

图3是8颗星的类型构型；

图4是正三角法选星的原理图；

图5是2019年4月3日上午8：00～8：30gps/bds/glonass三系统可见星数目总数变化图；

图6是图5时间段内某时刻所有可见星、目前广泛应用的拟最优选星方法所选卫星和本专利提出的选星方法所选卫星的天顶图；

图7是图5时间段内三种方法所选卫星的gdop值比较图。

具体实施方式

以下参考说明书附图介绍本发明的一个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。

对于gps/bds/glonass三系统，由于三维位置和三个系统的钟差量六个状态变量，因此采用最小二乘法计算位置时，最少选取6颗卫星可以完成定位，但是基于接收机自体完整性监控，需要设置多余观测值完成对于故障卫星的检测和识别，因此最少需要选取8颗卫星才能满足定位要求，本发明即针对8颗卫星的几何构型进行选取。

对于指定数目的卫星集合，为了得到更小的gdop，构造了30％的卫星位于顶点，其余70％均匀位于水平面构成的“平衡构型”。图2为8颗星的平衡构型。在该构型中，2颗星位于顶点，其仰角为90度。而其余6颗星构成正六边形位于底面，俯仰角为0度，方位角位于均匀分布。

但在实际选星中，选取底面卫星时，正六边形的要求过于苛刻，因此，在本发明中，使用两个正三角形去选取6颗位于底面的卫星。经过推导验证，底面为任意两个正三角形，与底面为正六边形的平衡构型法的gdop相同。在本发明中，将这类构型命名为类平衡构型。图3为8颗卫星的类平衡构型。由本专利提出的类平衡构型可以得到，卫星总数为8颗时，高仰角卫星应为2颗，低仰角卫星为6颗。

如图1所示，为一种基于类平衡构型和正三角法的gps/bds/glonass三星座快速选星方法。

该方法包括以下步骤：

步骤1、根据待选卫星的俯仰角选取俯仰角最大的两颗卫星h1和h2；

步骤2、根据正三角法选取六颗低俯仰角卫星l1、l2、l3、l4、l5、l6；

步骤3、通过计算gdop值确定最终选择的卫星组合。

其中，步骤1还包括：

步骤1.1、根据接收机位置和接收机接收到的多gnss星历数据，获取待选卫星的位置；

步骤1.2、计算待选卫星的俯仰角和方位角；

步骤1.3、根据俯仰角对待选卫星进行排序，选取俯仰角最大的两颗卫星h1和h2。

其中，步骤2还包括：

步骤2.1、将步骤1中剩余的待选卫星，根据俯仰角的大小分为高仰角组h组和低仰角组l组；

步骤2.2、在低仰角组l组中，用正三角法选取三颗低俯仰角卫星l1、l2、l3；

步骤2.3、对步骤2.2中低仰角组l组未被选中的卫星再次使用正三角法，选取三颗低俯仰角卫星l4、l5、l6。

其中，步骤3还包括：

步骤3.1、计算h1、h2卫星和l1、l2、l3、l4、l5、l6卫星所组成的几何构型的gdop值；

步骤3.2、判断gdop值是否大于设定阈值；若gdop值不大于设定阈值，则h1、h2、l1、l2、l3、l4、l5、l6为最终选择卫星；

步骤3.3、若gdop值大于设定阈值，则用高仰角组h组中的最高俯仰角卫星替换h2，再次计算gdop值，直到gdop值不大于设定阈值，得到的h1、h2、l1、l2、l3、l4、l5、l6为最终选择的卫星组合。

其中，在步骤1.1中，根据多gnss星历数据，首先要剔除不健康的卫星，剩余的可见卫星为待选卫星。

其中，在步骤1.3之前，从待选卫星中也要剔除俯仰角小于设定遮蔽角的卫星。

其中，设定遮蔽角为10度。

其中，在步骤2.1中，将步骤1中剩余的待选卫星进行均分，得到高仰角组h组和低仰角组l组两组卫星。

其中，高仰角组h组中的待选卫星的俯仰角范围在60度至90度之间。

其中，h1、h2的俯仰角为90度；l1、l2、l3及l4、l5、l6的俯仰角为0度。

其中，步骤3.2中的设定阈值为4。

实验证明设定阈值为4时，一般计算gdop值的次数不超过3次。

在选出8颗卫星之后，使用得到的8颗卫星h1、h2、l1、l2、l3、l4、l5、l6来解算用户的位置。

如图4所示，为正三角形法选星的原理图，正三角法为：

计算低仰角组l组中每颗卫星的代价函数，记为j1,j2,…jn；

比较每颗卫星的代价函数，得到最大值jk，即

jk＝max(j1,j2,…,jn)；

剔除第k颗卫星；

对剩下的卫星再重复上述计算过程，直到剩余三颗卫星；

其中：

将卫星i的代价函数记录为ji，n为低仰角组l组中的卫星总数。

代价函数的定义为：

任意两颗卫星i，j之间相对于用户的视线方向夹角为θij，则θij∈(0,π)，

在时得到最小值，故定义代价函数

如图5所示，为2019年4月3日上午8：00～8：30gps/bds/glonass三系统可见星数目总数变化图。

如图6所示，为图5时间段内某时刻所有可见星、目前广泛应用的拟最优选星方法所选卫星和本专利提出的选星方法所选卫星的天顶图。

如图7所示，为图5时间段内三种方法所选卫星的gdop值比较图。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。