专利名称：实现卫星导航接收装置高灵敏度和快速首次定位的方法
技术领域：
本发明涉及全球导航卫星系统，更具体地涉及一种实现卫星导航接收装置高灵敏 度和快速首次定位的方法。
背景技术：
全球导航卫星系统(GNSS)近几年已经被广泛用在移动装置的定位和导航领域。 目前，GNSS包含美国的全球定位系统(GPS)、俄罗斯的格洛纳斯卫星导航系统(GL0NASS)、 中国的北斗卫星导航系统(COMPASS)、及欧盟的伽利略卫星定位系统(GALILEO)，可用卫星 数目达到100颗以上。在GNSS系统中对卫星导航接收装置进行定位的基本原理是，首先测 量出已知位置的导航卫星与卫星导航接收装置之间的距离，然后综合多颗导航卫星的数据 来获取卫星导航接收装置的具体位置。在目前的GNSS系统中，卫星导航接收装置根据来自 至少四颗导航卫星的导航电文来确定其自身的具体位置(如图1所示)。随着GNSS应用范围的不断扩展，对卫星导航接收装置的灵敏度要求也越来越高， 高灵敏度的接收性能可以令卫星导航接收装置在室内或者其他卫星信号较弱的场景下仍 然能够实现定位和跟踪，从而大大拓展了 GNSS的使用范围。对于GNSS系统中大多数卫星导航接收装置而言，灵敏度指标包括多个场景下的 指标，分别为跟踪灵敏度、捕获灵敏度、以及初始启动灵敏度。目前，例如在GPS系统中，已 经可以实现跟踪灵敏度在-160dBm以下的卫星导航接收装置，同时，初始启动的灵敏度和 捕获灵敏度也分别可以达到_142dBm和-148dBm以下。卫星导航接收装置首先需要完成对来自导航卫星的卫星信号的捕获，完成捕获所 需要的最低信号强度为捕获灵敏度；在捕获之后能够维持对卫星信号跟踪所需要的最低信 号强度为跟踪灵敏度。为了实现定位，卫星导航接收装置还需要解调导航卫星发送的导航 电文，相应的，解调导航电文所需要的最低信号强度为电文解码灵敏度。在以上定义中，跟 踪灵敏度最高，捕获灵敏度次之，电文解码灵敏度最差。卫星导航接收装置的首次定位时间(TTFF)是指在该装置从系统启动到完成第一 次成功的定位计算所花费的时间。卫星导航接收装置的首次定位时间与该装置的诸上述灵 敏度有密切关系。高灵敏度(High Sensitivity)和快速首次定位能力(fast TTFF)是对目前和将 来的全球导航卫星系统的共同要求。但目前的GNSS系统中的导航电文的设计直接导致现 有的卫星导航接收装置在高灵敏度和快速定位方面的能力受到制约。这可以说是目前的全 球导航卫星系统的导航电文的先天不足。在现有的全球导航卫星系统中，所有导航卫星播 发的导航电文有效期(或更新间隔)都较短，通常只有几个小时(<=4小时)，也就是说， 在这段时间之内，相同的导航电文被重复播发，超过这段时间导航电文内容将会被更新，然 后再被重复播发。在先前接收到的卫星星历的有效期内，卫星导航接收装置不需要接收到新的卫星 星历即可进行定位计算，因而首次定位时间得以缩短。但如果先前接收到的卫星星历已失效，该装置的首次定位计算只能在成功接收卫星星历之后才可以进行，因而首次定位时间 将取决于卫星星历接收所花费的时间。而卫星星历接收成功与否，以及所花费的时间又取 决于卫星导航接收装置接收到的卫星信号的强度。所以，导航电文有效期与首次定位时间 和导航接收装置的灵敏度有着直接关系。为了克服现有卫星导航系统导航电文有效期太短这样的制约，额外的地面或者空 间辅助系统被广泛采用。但无一例外，额外开发和维护费用昂贵，并且仍然有局限。综上所述，需要提供一种简单可行，并且能够从根本上方便实现卫星导航接收装 置高灵敏度和快速首次定位的方法显得非常必要。
发明内容
鉴于以上所述的一个或多个问题，本发明提供了一种新颖的实现卫星导 航接收装 置高灵敏度和快速首次定位的方法。根据本发明实施例的实现卫星导航接收装置高灵敏度和快速首次定位的方法，包 括全球导航卫星系统所包含的地面控制中心创建更新间隔为24小时的导航电文并上传 至全球导航卫星系统所包含的每颗导航卫星；全球导航卫星系统所包含的每颗导航卫星向 地面重复播发更新间隔为24小时的导航电文；以及在更新间隔为24小时的导航电文的每 个更新间隔内，全球导航卫星系统所包含的每个卫星导航接收装置利用接收到的更新间隔 为24小时的导航电文和全球导航卫星系统中对于其可见的导航卫星与其之间的观测距离 来确定其当前位置。其中，更新间隔为24小时的导航电文至少包括以下内容参考时刻、卫星时钟改 正参数、卫星星历、电离层信息、系统时间参数、地球指向参数以及卫星历书。具体地，卫星 星历至少包括以下内容以笛卡尔坐标系来描述导航卫星在参考时刻所处位置的位置参 数、以笛卡尔坐标系来描述导航卫星在参考时刻的运行速度的速度参数、以及太阳光压参 数(1或多个)；系统时间参数用于将全球导航卫星系统时间与世界协调时相关联以及将全 球导航卫星系统时间与其他全球导航卫星系统时间相关联；地球指向参数用于提供地心固 定坐标系与地心惯性坐标系之间的转换参数；卫星时钟改正参数至少包括以下内容参考 时刻卫星钟偏差、卫星钟漂移、以及卫星钟漂移率。其中，可以通过地心固定坐标系中的笛卡尔坐标方式或地心惯性坐标系中的笛卡 尔坐标方式来描述导航卫星在参考时刻所处的位置和运行速度。卫星导航接收装置可以直 接从全球导航卫星系统中的一个或多个导航卫星接收更新间隔为24小时的导航电文，也 可以通过有线或无线方式从地面辅助系统获取更新间隔为24小时的导航电文。在本发明中，卫星导航接收装置在导航电文的每个更新间隔内只需要下载一次导 航电文，就可以在剩余时间(即使在极弱信号条件下)使用所下载的导航电文来确定导航 卫星的位置，并帮助对卫星信号的跟踪。相对于使用现有导航电文的全球导航卫星系统，本 发明大大提高了卫星导航接收装置的灵敏度和快速定位能力。
从下面结合附图对本发明的具体实施方式
的描述中可以更好地理解本发明，其 中
图1示出了 GNSS系统中的卫星导航接收装置同时接收来自四颗导航卫星的导航 电文的情景的示意图；图2示出了 GPS系统的组成结构的逻辑框图；图3示出了卫星导航接收装置完成首次定位的过程的逻辑视图；图4示出了 AGPS系统的组成结构的逻辑框图；
图5示出了 GPS系统使用的导航电文的一个基本单位的结构示意图；图6示出了根据本发明实施例的导航电文的一个基本单位的结构示意图。
具体实施例方式下面将详细描述本发明各个方面的特征和示例性实施例。下面的描述涵盖了许多 具体细节，以便提供对本发明的全面理解。但是，对于本领域技术人员来说显而易见的是， 本发明可以在不需要这些具体细节中的一些细节的情况下实施。下面对实施例的描述仅仅 是为了通过示出本发明的示例来提供对本发明更清楚的理解。本发明绝不限于下面所提出 的任何具体配置和算法，而是在不脱离本发明的精神的前提下覆盖了相关元素、部件和算 法的任何修改、替换和改进。下面以GPS系统为例，详细说明根据本发明实施例的实现卫星导航接收装置高灵 敏度和快速首次定位的方法。本领域技术人员应该理解的是，诸如COMPASS系统、GL0NASS 系统和GALILEO系统之类的其他GNSS系统的工作原理与GPS系统的工作原理相类似，所以 下文中结合GPS系统所作的说明同样适用于这些GNSS系统。首先，给出随后将要用到的GPS系统中的一些常用术语的说明卫星星历的更新间隔(即，卫星星历的两次内容更新之间的时间间隔)，在该段时 间内，卫星星历所包含的参数不变，只需接收一次便可用于该时段内的每次启动定位计算。 此外，因为导航电文的内容不变，这样就极有利于来帮助导航信号的跟踪。在GPS系统中， 卫星星历的更新间隔一般为2小时。卫星星历的有效期，在该段时间内，根据卫星星历所包含的参数而计算得到的卫 星轨道和星载时钟精度满足导航定位要求。卫星星历的有效期也可以称为卫星星历的使用 寿命。在GPS系统中，卫星星历的有效期一般为2-4小时。也就是说，利用2小时前接收到 的卫星星历计算得出的卫星轨道和星载时钟通常精度应该有保障，但不能用来帮助导航信 号的跟踪，因为新播发的星历内容已经发生了变化。卫星星历的重复间隔，在该段时间内，包含同样内容的卫星星历被反复播发。在 GPS系统中，卫星星历的重复间隔为30秒。图2示出了 GPS系统的组成结构的逻辑框图。如图2所示，GPS系统包括空间部 分202、地面控制部分204、以及用户设备部分206。空间部分202由均勻分布在倾角约为55°的6个轨道面上(每个轨道面4颗)的 24颗导航卫星组成。导航卫星的分布使得任何时间在地球上的任何地方都可观测到4颗以 上导航卫星。在GPS系统中，用户设备部分所有的导航定位信息都是依据导航卫星发送的 卫星星历计算得到的。卫星星历实际上是描述导航卫星的运动轨道的一系列参数。地面控制部分(也称为地面控制中心)204由1个主控制站、5个监测站、以及3个 地面控制站组成。监测站均装配有精密的原子钟和能够连续测量所有可见的导航卫星的接收机。监测站将取得的卫星观测数据(包括电离层和气象数据)经过初步处理后传送到主 控制站。主控制站从各监测站收集跟踪数据，计算出导航卫星的轨道和时钟参数，然后将结 果送到3个地面控制站。地面控制站在每颗导航卫星运行至其上空时，把这些导航数据及 主控制站指令注入到导航卫星。这种注入对每颗导航卫星每天一次，并在导航卫星离开地 面控制站作用范围之前进行最后的注入。
用户设备部分206即卫星导航接收装置。其主要功能是捕获按一定卫星截止角选 择的待测导航卫星的导航信号，并跟踪这些导航卫星的运行。当卫星导航接收装置捕获到 跟踪的导航卫星的导航信号后，就可测量出其接收天线至该导航卫星的伪距离和距离的变 化率，进而解调出该导航卫星的轨道参数等数据。根据这些数据，卫星导航接收装置可按定 位解算方法进行定位计算，计算出用户所在地理位置的经纬度、高度、速度、时间等信息。具 体地说，卫星导航接收装置根据所选择的待测导航卫星的导航信号所携带的导航电文和其 与这些导航卫星之间的观测距离来确定用户(即，卫星导航接收装置)的具体位置信息。根据卫星导航接收装置自身时间的精确度以及卫星导航接收装置先前在上电时 收集的卫星星历的可用性，卫星导航接收装置可能经历冷启动、暖启动或热启动过程(大 多数情况下是暖启动)。当暖启动时，卫星导航接收装置通常不具有可用的有效卫星星历， 而只是粗略地知道其自身时间。在周围环境比较空旷的情况下，卫星导航接收装置通常需 要花费数百毫秒的时间来捕获导航信号。而在例如处于城市峡谷地带或室内等信号较弱的 环境中的情况下，卫星导航接收装置在捕获导航信号之前，可能需要花费更长的时间(例 如，数十秒)来完成时间、频率、和信号强度域的三维搜索。一旦捕获到导航信号，卫星导航 接收装置立即开始对导航信号进行追踪，并在接入导航信号后立即开始进行与导航卫星之 间的比特同步。图3示出了卫星导航接收装置完成首次定位的过程的逻辑视图。由于信号强度和 算法效率的不同，这个过程可能需要花费数百毫秒到数秒的时间。卫星导航接收装置在处 于空旷环境的情况下，需要花费大约18秒的时间来下载完整的卫星星历，而在处于信号较 弱的环境的情况下则需要花费数分钟的时间来下载完整的卫星星历或者根本无法完成对 于完整的卫星星历的下载。卫星导航接收装置完成对来自3 4颗导航卫星的卫星星历的 下载后，可以立即确定出其所处的具体位置。在处于弱信号环境的情况下，信号获取和卫星 星历下载都需要花费较长时间，从而使得导航卫星接收装置需要花费相当长的时间来实现 首次定位；而在处于空旷环境的情况下，导航卫星接收装置快速实现首次定位的主要障碍 则在于卫星星历下载的时间耗费(通常18秒左右)。辅助GPS系统(AGPS)是一种用于改善GPS系统快速首次定位能力的技术。图4 示出了 AGPS系统的组成结构的逻辑框图。如图4所示，在AGPS系统中，广域参考网(Wide Area Reference Network，简称WARN) 402接收来自导航卫星的导航电文，并提供给服务移 动定位中心(Serving Mobile Location Center，简称 SMLC) 404 ;SMLC 504 对导航电文进 行处理，并且在接收到来自卫星导航接收装置的请求时通过移动交换中心(MSC)406和无 线网络控制器(RNC)408将从导航电文中获取的卫星星历提供给卫星导航接收装置。也就 是说，AGPS系统为卫星导航接收装置提供了一个处于地面上的卫星星历来源，从而节省了 卫星导航接收装置从导航卫星下载卫星星历的时间，进而显著缩短了卫星导航接收装置实 现首次定位的时间。由于当前使用的卫星星历的使用寿命仅为2 4个小时，所以当卫星导航接收装置无法从导航卫星直接下载卫星星历但具有与AGPS系统之间的移动通信网络 连接时，SMLC需要基于来自每个卫星导航接收装置的请求，每2个小时向卫星导航接收装 置发送一次卫星星历。另外，AGPS系统还可以向卫星导航接收装置提供诸如精确时间，可 见的导航卫星的列表、每颗导航卫星的多普勒频率、编码相位、特定时间的位置等有助于加 快卫星导航接收装置获取导航信号的信息。卫星星历扩展(EE)也是一种用于改善GPS系统的快速定位能力的技术。具体地， EE技术基于由卫星导航接收装置或AGPS中的WARN下载的卫星星历，通过卫星定轨和时钟 拟合等技术另外生成一种有效期达数天的卫星星历来取代由导航卫星广播的卫星星历，从 而使得卫星导航接收装置在一段时间内可以利用EE技术所生成的有效期 达数天的卫星星 历来实现首次定位而无需从导航卫星下载。利用AGPS和EE技术，卫星导航接收装置完成首次定位所需的时间可以从数十秒 缩短到数秒甚至缩短到1秒以内。在周围环境比较空旷的情况下，GPS卫星导航接收装置接收到的导航卫星信号强 度一般介于_130dBm至-125. 5dBm之间。然而，在一些极端情况下，例如在处于城市峡谷、 树叶遮蔽、或室内等信号较弱的环境下，由于信号反射、阻碍、穿透等原因，最终到达卫星导 航接收装置的接收天线的导航信号会被衰减_30dB或者更多。在这种环境下，具有一般追 踪能力的卫星导航接收装置将无法工作，所以需要一种具有更高灵敏度的卫星导航接收装 置。当导航信号的信号强度下降到一定程度时，卫星导航接收装置将很难追踪导航信 号和下载卫星星历。首先，设计用于一般信号强度的信号追踪参数不再能够用来获取进行 信号检测或维持信号追踪所需的足够增益。其次，误比特率(BER)随着信号强度的衰减急 剧变差，从而使得即使维持了信号追踪也无法对导航电文成功解码。卫星导航接收装置的灵敏度主要取决于两个方面一是卫星导航接收装置前端整 个信号通路的增益和噪声性能，二是基带部分的算法性能。在基带信号处理中，为了获得足 以进行信号检测的信噪比(SNR)的处理增益，需要进行联合的相干和非相干累积。然而，非 相干累积受到方脉冲成形衰减(SL)的影响。等式(1)给出了联合相干和非相干累积的处 理增益的近似。对于固定的总累积周期T1,增加相干周期Tc比增加非相干周期能够更有效 地得到更高的处理增益。然而，在不知道导航比特的情况下，相干累积被限制在1比特周期 内，即由于GPS系统的数据率为50bps所以相干累积被限制在20ms内。为了将灵敏度改善 到-160dBm，需要在多个比特上进行相干累积。所以，需要利用有效的导航比特和比特边界 来进行数据去除。因此，如果先前收集的导航比特依然有效，则可以使用这些导航比特，或 者可以使用包括卫星星历和历书在内的来自AGPS的新的导航电文来倒转导航比特。
(1)虽然AGPS和EE技术可以改善卫星导航接收装置的灵敏度和首次定位能力，但是 它们也存在一些局限性。在AGPS技术中，由于卫星导航接收装置需要通过移动交换中心和无线网络控制 器等移动通信网络中的通信设备来从服务移动定位中心接收卫星星历，所以当处于既没有 被移动网络所覆盖、也无法直接从导航卫星下载卫星星历的区域(例如森林、峡谷等)时，卫星导航接收装置也无法从AGPS系统获取卫星星历。因此，AGPS系统功能的实现受到卫 星导航接收装置所在的移动通信网络的连通性的限制。同时，建立和维护AGPS系统也需要 耗费大量的资金和精力。另外，EE技术不能提供用于加快卫星导航接收装置获取导航信号的辅助信息，也 不能提高卫星导航接收装置对导航信号的跟踪灵敏度。EE技术可以在服务器上实现，也可 以在卫星导航接收装置自身设备上实现。当EE技术在服务器上实现(例如在AGPS系统中 实现)时，卫星导航接收装置需要通过例如有线或无线通信网络从服务器上获取服务器通 过EE技术生成的有效期达数天的卫星星历，因此EE技术的实现受到卫星导航接收装置所 在通信网络的连通性的限制，并且服务器的建立和维护也需要耗费大量的资金和经历。此 外，对于EE技术在卫星导航接收装置自身设备上实现的情况下，受到本地地球指向参数的 有效性、本地下载的卫星星历的数量和/或质量等的限制。另外，AGPS和EE技术只有在某些先决条件(诸如，网络连通性和数据可用性)下 有用。换句话说，如果诸如网络连通性和数据可用性等的先决条件不能被满足(这种情况 在日常生活中经常发生)，也无法利用AGPS和EE技术来实现卫星导航接收装置的快速定位 和高敏感度。GPS、AGPS以及EE技术的先天缺陷的主要原因在于现有导航电文的设计。图5示 出了 GPS系统使用的导航电文的一个基本单位的结构示意图。如图5所示，导航电文的基 本单位是长1500比特的主�。渌俾适�50比特/秒，750秒钟传送完毕一个主帧。其中， 一个主帧包括5个子�。�1、2、3子帧每30秒钟重复一次，内容每2小时更新一次，内容有 效期为4小时，包括卫星星历的信息，为对导航接收装置进行定位所必需。第4、5子帧则提 供卫星历书的信息，内容一般每6天更新一次，其内容仅在导航卫星注入新的导航数据后 才得以更新。在弱信号环境下，单独的卫星导航接收装置很难追踪如此频繁的星历更新。在过 去两个小时内正常工作，并不意味着卫星导航接收装置可以在接下来的两个小时内正常工 作，如果不能按时下载星历的话。两小时前接收到的导航电文不能在接下来的两个小时中 被用作改善卫星导航接收装置的追踪灵敏度的辅助数据。对于正常信号条件下的启动，如 果第1子帧的开头部分被丢失，则卫星导航接收装置必需等待30秒才能获取下一个第1子 �。韵略赝暾奈佬切抢�。4小时前的成功启动并不会有助于缩短下一次启动时的首次定 位时间(TTFF)，因为需要再次花时间下载卫星星历。在某种程度上说，以上所述的各种技术 的所有努力都只是试图通过克服现有卫星星历的有限使用寿命(2-4小时)较短的缺陷来 改善卫星导航接收装置的灵敏度和快速定位能力。卫星星历的使用寿命越长，越不需要上 述的各种辅助技术。为了实现卫星导航接收装置的高灵敏度和快速首次定位，本发明试图提出一种内 容更新速度尽可能低、内容重复率尽可能高、星历内容尽可能短、而星历寿命尽可能长的导 航电文。在GPS系统中，现有导航电文主要包括卫星星历、卫星时钟改正参数、电离层信息 (由Klobuchar电离层改正模型表示)、协调世界时(UTC)参数、以及全部卫星的概略星历 (艮P，记载有关所有导航卫星的概略轨道的信息的卫星历书)等信息。其中，电离层信息、 UTC参数(用于将GPS系统时间与协调世界时相关联)、以及全部卫星的概略星历等通常仅需要以6天的时间间隔进行更新即可；并且由于导航卫星采用了精确度在士1X10_12 士 1X10—13的原子钟，所以在不引入显著误差的情况下可以每隔12小时或者以更长的时间 间隔对卫星时钟改正参数进行更新。然而，由于GPS系统中的卫星星历(下文中称为GPS 星历)是以频繁变化的开普勒轨道参数和轨道摄动修正量来描述导航卫星的运行轨道的， 所以导航电文需要频繁更新，导致卫星导航接收装置在每次进行冷启动或暖启动时都需要 重新下载导航电文。根据本发明实施例提出了这样的一种导航电文，其可以包括以下内容卫星时钟 改正参数、卫星星历、电离层信息、系统时间参数、地球指向参数以及卫星历书。其中，卫星 时钟改正参数、电离层信息、以及卫星历书与现有的GPS导航电文中的类似。系统时间参数 用于将GPS系统时间与世界协调时相关联以及将GPS系统时间与其他GNSS系统时间相关 联。地球指向参数用于提供地心固定坐标系与地心惯性坐标系之间的转换参数。卫星星历 至少包括以笛卡尔坐标系来描述导航卫星在参考时刻所处位置的位置参数、以笛卡尔坐标 系来描述导航卫星在参考时刻的运行速度的速度参数、以及太阳光压参数(例如，2个太阳 光压参数)。表1给出了根据本发明实施例的导航电文的内容列表。表 1 根据本发明实施例的导航电文的更新间隔和有效期均为24小时。根据本发明实 施例的导航电文在卫星时钟改正参数、电离层信息、以及卫星历书方面相对于目前GPS采 用的导航电文没有变化，而卫星星历仅包括7-8个参数(目前GPS卫星星历至少包括12个 参数，其中6个开普勒参数，6个谐波系数)，系统时间参数包括2个参数(目前GPS卫星星 历仅包括1个UTC参数)，地球指向数据则包括地球极移和(UT1-UTC)等信息。在对GPS系统实施本发明时，假设GPS系统采用的数据传输速率(50bps)和导航 电文每个子帧长度不变(300比特)的情况下，根据本发明实施例的导航电文的一个基本单位，通过数据压缩可望包括在4个子�。渲形佬切抢稣加�2个子帧的长度。卫星导航接 收装置一般只需要12秒即可完成卫星星历的下载。即使在丢失了第一个卫星星历子帧的 情况下，卫星导航接收装置也只需要24秒即可完成卫星星历的下载。图6示出了根据本发 明实施例的导航电文的一个基本单位的结构示意图。对于现有的GNSS系统(例如GPS和GL0NASS)，分布于全球的卫星地面跟踪站每天 连续采集对卫星的距离和方位等观测信息，然后汇总到一个数据处理中心，并用来计算精 确的卫星轨道。基于观测时段的精确卫星轨道，数据处理中心能够准确预报未来一段时间 内(数小时至几天)的卫星轨道。对于GPS，其地面数据处理中心将预报的卫星轨道分成多 个时段(每隔2-4小时)，并且将每个时段的卫星轨道通过拟合，用一套多普勒参数及多项 摄动参数来表示。而采用本发明提出的导航电文，GPS系统的地面控制中心在完成对观测 时段的卫星轨道的精确计算后，不需要直接预报未来一段时间的卫星轨道。取而代之的方 法是，选取观测时段最末端所确定的精确轨道点的信息，包括该时刻的卫星位置、速度、以 及所估算出的太阳光压参数，并将这些参数作为新的星历参数，再加上其他有关参数，一起 生成新的导航电文。在接收到导航卫星播发的卫星星历后，卫星导航接收装置首先计算在导航信号离 开导航卫星的卫星天线的瞬间导航卫星所处的位置和速度，以及星载时钟的误差；接着根 据卫星星历提供的导航卫星的卫星轨道在参考时刻的初始位置和速度信息(以及太阳光 压参数)，通过轨道数值积分的方法来计算其他时刻导航卫星的位置和速度。下面描述根据参考时刻的初始位置和速度信息以及光压参数，计算其他时刻导航 卫星的位置和速度的处理。具体地，假设在某一参考时刻、，导航卫星的位置如等式(2)所 示为A，速度如等式(3)所示为，加速度如等式(4)所示为t。可以根据导航卫星在该时刻 to的位置、速度以及加速度，从该时刻、到时刻t通过对速度的一重积分和对加速度的二 重积分，获取导航卫星在时间t的位置r(t)，如等式(5)所示。 其中等式(4)中前半部分表示地心引力引起的加速度，a(.)表示在时刻t的摄动 加速度，P0表示光压参数，GM表示地球引力常数。在空间运行的导航卫星，其在任意时刻t的加速度主要由其所处位置决定。施加 于卫星的外力主要包括地球引力，太阳和月球的引力，以及太阳光对导航卫星太阳板的辐 射压力(太阳光压)。前面3项可以根据卫星所处位置，通过已有的内置于卫星导航接收 装置里的模型数据库精确计算；而太阳光压的相关参数，则需要导航电文提供。通过这些 参数，可以精确计算出因太阳光对导航卫星太阳板的辐射所产生的加速度。对于从参考时 刻到时刻t的数值积分，需要选取特定积分时间步长，和特定阶数的龙格-库塔和亚旦斯等 积分器来实现。积分步长和积分器的阶数选取依赖对于计算精度和计算量的折中和权衡。 数值积分只能得到以积分步长为间隔的每个积分时间点的不连续的导航卫星的位置和速度，如果需要积分时段内任意时刻导航卫星的位置和速度，则要采用拉格朗日等方法进行 插值。轨道数值积分是在地心惯性坐标系(ECI)中进行，而卫星导航接收装置的定位计 算在地心固定坐标系(ECEF)中进行。如果卫星星历提供的初始位置和速度是处于ECEF坐 标系，则需要在数值积分前转换到ECI坐标系，而且通过数值积分的轨道还需要重新转换 到回ECEF坐标系。这两个过程正好相反，从ECEF到ECI转换可以通过如下公式表示的矩
阵Cecefeci来完成 其中，矩阵A，B，C，D分别描述地球极移，地球自转，章动和进动。由根据本发明实 施例的卫星星历提供的E0P (表1)可用来生成对地球极移和自转进行描述的A和B矩阵。在利用根据本发明实施例提供的导航电文的GPS系统中，地面控制中心创建导航 电文并上传至每颗导航卫星；每颗导航卫星向地面重复播发该导航电文；每个卫星导航接 收装置根据该导航电文以及其自身与对于其可见的导航卫星之间的观测距离来确定其当 前位置。本领域技术人员可以想到的是，卫星导航接收装置可以是一种实时系统，也可以 是一种利用接收到的导航电文对其自身的运行线路进行回放处理的设备。卫星导航接收装 置可以直接接收来自于导航卫星的更新间隔(或有效期)为24小时的导航电文，也可以从 其他地面辅助系统通过有线或无线数据传输方式或网络系统，甚至通过数据拷贝介质，间 接获取更新间隔(或有效期)为24小时的导航电文。另外，本领域技术人员应该明白，尽 管本发明以一种更新间隔(或有效期)为24小时的导航电文为例进行了说明，但是利用其 他更新间隔(或有效期)比现有系统中导航电文的更新间隔(或有效期)更长的导航电文 来实现卫星导航接收装置的高灵敏度和快速首次定位的方法也应该包括在本发明保护的 范围中。另外，本领域技术人员应该理解的是，尽管以上以GPS为例对本发明进行了说明， 但是以上提出的更新间隔(或有效期)为24小时的导航电文以及利用该导航电文实现卫 星导航接收装置的高灵敏度和快速定位的方法同样适用于诸如COMPASS系统、GL0NASS系 统和GALILEO系统之类的其他GNSS系统中。当使用根据本发明实施例的导航电文时，卫星导航接收装置在导航电文的每个更 新间隔(24小时)内只需要下载一次导航电文，就可以在剩余时间使用所下载的导航电文 来确定导航卫星的当前位置。在处于信号较弱的环境中的情况下，由于卫星导航接收装置 已经接收到了有效的导航电文，所以无需借助地面上的任何辅助系统来间接获取有效的导 航电文，所以单独的卫星导航接收装置的快速定位能力和高灵敏度相当于借助了 AGPS系 统的卫星导航接收装置。另外，利用根据本发明实施例的导航电文的卫星导航接收装置的 定位能力和灵敏度不会受到诸如移动通信网络的连通性和数据可用性等方面的限制。以上已经参考本发明的具体实施例来描述了本发明，但是本领域技术人员均了 解，可以对这些具体实施例进行各种修改、组合和变更，而不会脱离由所附权利要求或其等 同物限定的本发明的精神和范围。根据需要可以用硬件或软件来执行步骤。注意，在不脱离本发明范围的前提下，可 向本说明书中给出的流程图添加步骤、从中去除步骤或修改其中的步骤。一般来说，流程图只是用来指示用于实现功能的基本操作的一种可能的序列。本发明的实施例可利用编程的通用数字计算机、利用专用集成电路、可编程逻辑 器件、现场可编程门阵列、光的、化学的、生物的、量子的或纳米工程的系统、组件和机构来 实现。一般来说，本发明的功能可由本领域已知的任何手段来实现。可以使用分布式或联 网系统、组件和电路。数据的通信或传送可以是有线的、无线的或者通过任何其他手段。还将意识到，根据特定应用的需要，附图中示出的要素中的一个或多个可以按更 分离或更集成的方式来实现，或者甚至在某些情况下被去除或被停用。实现可存储在机 器可读介质中的程序或代码以允许计算机执行上述任何方法，也在本发明的精神和范围之 内。此外，附图中的任何信号箭头应当被认为仅是示例性的，而不是限制性的，除非另 有具体指示。当术语被预见为使分离或组合的能力不清楚时，组件或者步骤的组合也将被 认为是已经记载了。
1权利要求
一种实现卫星导航接收装置高灵敏度和快速首次定位的方法，包括全球导航卫星系统所包含的地面控制中心创建更新间隔为24小时的导航电文并上传至所述全球导航卫星系统所包含的每颗导航卫星；所述全球导航卫星系统所包含的每颗导航卫星向地面重复播发所述更新间隔为24小时的导航电文；以及在所述更新间隔为24小时的导航电文的每个更新间隔内，所述全球导航卫星系统所包含的每个卫星导航接收装置利用接收到的所述更新间隔为24小时的导航电文和所述全球导航卫星系统中对于其可见的导航卫星与其之间的观测距离来确定其当前位置。
2.根据权利要求1所述的实现卫星导航接收装置高灵敏度和快速首次定位的方法，其 特征在于，所述更新间隔为24小时的导航电文至少包括以下内容参考时刻，卫星时钟改 正参数、卫星星历、电离层信息、系统时间参数、地球指向参数以及卫星历书。
3.根据权利要求2所述的实现卫星导航接收装置高灵敏度和快速首次定位的方法， 其特征在于，所述卫星星历至少包括以下内容以笛卡尔坐标系来描述导航卫星在参考时 刻所处位置的位置参数、以笛卡尔坐标系来描述导航卫星在参考时刻的运行速度的速度参 数、以及太阳光压参数。
4.根据权利要求2所述的实现卫星导航接收装置高灵敏度和快速首次定位的方法，其 特征在于，所述系统时间参数用于将所述全球导航卫星系统时间与世界协调时相关联以及 将所述全球导航卫星系统时间与其他全球导航卫星系统时间相关联。
5.根据权利要求2所述的实现卫星导航接收装置高灵敏度和快速首次定位的方法， 其特征在于，所述地球指向参数用于提供地心固定坐标系与地心惯性坐标系之间的转换参 数。
6.根据权利要求2所述的实现卫星导航接收装置高灵敏度和快速首次定位的方法，其 特征在于，所述卫星时钟改正参数至少包括以下内容参考时刻卫星钟偏差、卫星钟漂移、 以及卫星钟漂移率。
7.根据权利要求3所述的实现卫星导航接收装置高灵敏度和快速首次定位的方法，其 特征在于，以地心固定坐标系中的笛卡尔坐标方式或地心惯性坐标系中的笛卡尔坐标方式 来描述导航卫星在参考时刻所处的位置和运行速度。
8.根据权利要求3所述的实现卫星导航接收装置高灵敏度和快速首次定位的方法，其 特征在于，所述卫星星历包括1或多个太阳光压参数。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的实现卫星导航接收装置高灵敏度和快速首次定 位的方法，其特征在于，所述卫星导航接收装置直接从所述全球导航卫星系统中的一个或 多个导航卫星接收所述更新间隔为24小时的导航电文，或者通过有线或无线方式从地面 辅助系统获取所述更新间隔为24小时的导航电文。
全文摘要
本发明提供了一种用于实现卫星导航接收装置高灵敏度和快速首次定位的方法。该方法包括全球导航卫星系统所包含的地面控制中心生成更新间隔为24小时的导航电文并上传至每颗导航卫星，由每颗导航卫星向卫星导航接收装置重复播发更新间隔为24小时的导航电文；在更新间隔为24小时的导航电文的每个更新间隔内，卫星导航接收装置只需要在强信号条件下接收到一次完整的星历，即便当前时刻卫星导航接收装置处于极弱信号条件下不能接收到卫星星历，也可以利用先前接收到的卫星星历和当前每颗可视的导航卫星至本卫星导航接收装置的观测距离来实现快速首次定位。本发明可以大大提高卫星导航接收装置的灵敏度和快速首次定位能力。
文档编号G01S19/42GK101858981SQ20101014984
公开日2010年10月13日 申请日期2010年4月8日 优先权日2009年4月10日
发明者张文涛, 维克托·林 申请人:马维尔国际贸易有限公司
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