本發(fā)明涉及一種多星座接收機(jī)冷啟動(dòng)可見(jiàn)星搜索方法，屬于衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

多星座組合定位是綜合運(yùn)用不同星座的衛(wèi)星幫助用戶實(shí)現(xiàn)定位，美國(guó)的gps、俄羅斯的glonass、歐盟的galieo、中國(guó)的北斗等，都可以提供有效的觀測(cè)信息。較之傳統(tǒng)的單星座定位，多星座組合定位多出成倍的觀測(cè)信息，這使得定位服務(wù)的可用性、可靠性和精度等性能能夠大幅提升。

在冷啟動(dòng)的過(guò)程中，接收機(jī)需要完成一個(gè)三維搜索過(guò)程，三維的不確定度分別是可見(jiàn)星、多普勒頻移和碼相位。對(duì)于某個(gè)衛(wèi)星的多普勒頻移和碼相位的二維搜索過(guò)程，分為兩種情況。一種是衛(wèi)星不可見(jiàn)，那么接受機(jī)就會(huì)搜索整個(gè)二維空間的所有待檢測(cè)點(diǎn)；另一種是衛(wèi)星可見(jiàn)，接收機(jī)在搜索二維空間的過(guò)程中將找到一個(gè)待檢測(cè)點(diǎn)達(dá)到有效峰值，并開(kāi)始跟蹤這顆可見(jiàn)星。已有大量文獻(xiàn)研究如何加快這個(gè)二維搜索過(guò)程，例如采用硬件并行、改進(jìn)算法等方式。而對(duì)于可見(jiàn)星這一維的不確定度的搜索，相關(guān)文獻(xiàn)較少。不論是快速的捕獲信號(hào)(二維搜索)，還是快速的確定可見(jiàn)星，都有利于減少冷啟動(dòng)耗時(shí)，并且這兩者緊密聯(lián)系、相互影響。

傳統(tǒng)的冷啟動(dòng)的定義是時(shí)間、用戶粗略位置、星歷、歷書(shū)皆未知，而如今一般情況下，時(shí)間與歷書(shū)往往是已知并可用的，但用戶粗略位置、星歷未知，這樣的啟動(dòng)條件仍然存在三維的不確定度，是一種新的冷啟動(dòng)條件。針對(duì)這種新的冷啟動(dòng)條件，需要提出一種新的多星座接收機(jī)冷啟動(dòng)可見(jiàn)星搜索算法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是：提供一種多星座接收機(jī)冷啟動(dòng)可見(jiàn)星搜索方法，克服了多星座接收機(jī)冷啟動(dòng)耗時(shí)過(guò)長(zhǎng)的問(wèn)題。

本發(fā)明為解決上述技術(shù)問(wèn)題采用以下技術(shù)方案：

一種多星座接收機(jī)冷啟動(dòng)可見(jiàn)星搜索方法，包括如下步驟：

步驟1，根據(jù)已知的衛(wèi)星分布，按照準(zhǔn)則構(gòu)建初始衛(wèi)星組并搜索初始衛(wèi)星組中的可見(jiàn)星；如果未搜索到，則按準(zhǔn)則構(gòu)建新的初始衛(wèi)星組，直至成功搜索到第一顆可見(jiàn)星；根據(jù)第一顆可見(jiàn)星剔除理論不可見(jiàn)星；

步驟2，根據(jù)步驟1搜索到的第一顆可見(jiàn)星，按照構(gòu)建邊緣衛(wèi)星組的方法構(gòu)建第一顆可見(jiàn)星的邊緣衛(wèi)星組，并且在邊緣衛(wèi)星組中搜索可見(jiàn)的邊緣衛(wèi)星，根據(jù)可見(jiàn)的邊緣衛(wèi)星剔除理論不可見(jiàn)星；

步驟3，根據(jù)可見(jiàn)的邊緣衛(wèi)星逐個(gè)進(jìn)行外延搜索，邊緣衛(wèi)星組中除可見(jiàn)的邊緣衛(wèi)星之外，剩余為不可見(jiàn)的邊緣衛(wèi)星，根據(jù)不可見(jiàn)的邊緣衛(wèi)星逐個(gè)進(jìn)行內(nèi)縮搜索，得到除第一顆可見(jiàn)星、第一顆可見(jiàn)星的邊緣衛(wèi)星組、步驟1剔除的理論不可見(jiàn)星、步驟2剔除的理論不可見(jiàn)星之外，所有剩余衛(wèi)星中的部分可見(jiàn)星；根據(jù)得到的部分可見(jiàn)星剔除理論不可見(jiàn)星；

步驟4，根據(jù)步驟1、步驟2、步驟3得到的可見(jiàn)星以及步驟1、步驟2、步驟3剔除的理論不可見(jiàn)星，在剩余的衛(wèi)星中搜索理論可見(jiàn)星，從而完成冷啟動(dòng)。

作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，步驟1所述準(zhǔn)則為：1)從以地心為體心的正六面體的八個(gè)頂點(diǎn)中，找到構(gòu)成正四面體的四個(gè)頂點(diǎn)，選擇四顆衛(wèi)星構(gòu)建初始衛(wèi)星組，這四顆衛(wèi)星在ecef中的空間向量分別與上述四個(gè)頂點(diǎn)對(duì)應(yīng)的空間向量的夾角最?。?)如果上述四顆衛(wèi)星中未搜索到可見(jiàn)星，則以八個(gè)頂點(diǎn)中余下的四個(gè)頂點(diǎn)構(gòu)建新的初始衛(wèi)星組，新的初始衛(wèi)星組的四顆衛(wèi)星在ecef中的空間向量分別與余下的四個(gè)頂點(diǎn)對(duì)應(yīng)的空間向量的夾角最??；3)如果新的初始衛(wèi)星組四顆衛(wèi)星中未搜索到可見(jiàn)星，則以正六面體的六個(gè)面心構(gòu)建新的初始衛(wèi)星組，新的初始衛(wèi)星組的六顆衛(wèi)星在ecef中的空間向量分別與六個(gè)面心對(duì)應(yīng)的空間向量的夾角最?。?)如果新的初始衛(wèi)星組六顆衛(wèi)星中未搜索到可見(jiàn)星，則以正六面體十二條棱的中點(diǎn)構(gòu)建新的初始衛(wèi)星組，新的初始衛(wèi)星組的十二顆衛(wèi)星在ecef中的空間向量分別與十二條棱的中點(diǎn)對(duì)應(yīng)的空間向量的夾角最?。簧鲜鏊臈l準(zhǔn)則存在先后次序，如果搜索到第一顆可見(jiàn)星，則結(jié)束構(gòu)建；上述四條準(zhǔn)則中用來(lái)找到初始衛(wèi)星組的空間向量共同旋轉(zhuǎn)相同的角度得到一系列新的空間向量，新的空間向量與原來(lái)的空間向量等效。

作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，步驟2所述構(gòu)建邊緣衛(wèi)星組的方法具體為：設(shè)定步驟1搜索到的第一顆可見(jiàn)星的星下點(diǎn)為位置p，計(jì)算除第一顆可見(jiàn)星之外的其余所有衛(wèi)星在p當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)系中接收衛(wèi)星信號(hào)的仰角，將其中最小的仰角作為開(kāi)區(qū)間的下限，并設(shè)定開(kāi)區(qū)間的上限，將在p當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)系中的實(shí)際仰角位于該開(kāi)區(qū)間內(nèi)的衛(wèi)星放入邊緣衛(wèi)星組，得到第一顆可見(jiàn)星的邊緣衛(wèi)星組。

作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，步驟3所述根據(jù)可見(jiàn)的邊緣衛(wèi)星逐個(gè)進(jìn)行外延搜索具體過(guò)程為：計(jì)算第一顆可見(jiàn)星到除第一顆可見(jiàn)星、第一顆可見(jiàn)星的邊緣衛(wèi)星組、步驟1剔除的理論不可見(jiàn)星、步驟2剔除的理論不可見(jiàn)星之外所有剩余衛(wèi)星的空間向量，記為di；設(shè)某個(gè)可見(jiàn)的邊緣衛(wèi)星對(duì)應(yīng)的空間向量為d3，根據(jù)所有剩余衛(wèi)星的空間向量di與d3的夾角構(gòu)建升序表，升序表中忽略|di|<|d3|的衛(wèi)星，對(duì)升序表從頭開(kāi)始外延搜索，如果搜索結(jié)果為當(dāng)前衛(wèi)星可見(jiàn)，則繼續(xù)搜索直至搜索結(jié)果為當(dāng)前衛(wèi)星不可見(jiàn)；對(duì)每個(gè)可見(jiàn)的邊緣衛(wèi)星進(jìn)行上述相同的操作。

作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，步驟3所述根據(jù)不可見(jiàn)的邊緣衛(wèi)星逐個(gè)進(jìn)行內(nèi)縮搜索具體過(guò)程為：計(jì)算第一顆可見(jiàn)星到除第一顆可見(jiàn)星、第一顆可見(jiàn)星的邊緣衛(wèi)星組、步驟1剔除的理論不可見(jiàn)星、步驟2剔除的理論不可見(jiàn)星之外所有剩余衛(wèi)星的空間向量，記為di；設(shè)某個(gè)不可見(jiàn)的邊緣衛(wèi)星對(duì)應(yīng)的空間向量為d4，根據(jù)所有剩余衛(wèi)星的空間向量di與d4的夾角構(gòu)建升序表，升序表中忽略|di|>|d4|的衛(wèi)星，對(duì)升序表從頭開(kāi)始內(nèi)縮搜索，如果搜索結(jié)果為當(dāng)前衛(wèi)星不可見(jiàn)，則繼續(xù)搜索直至搜索結(jié)果為當(dāng)前衛(wèi)星可見(jiàn)；對(duì)每個(gè)不可見(jiàn)的邊緣衛(wèi)星進(jìn)行上述相同的操作。

本發(fā)明采用以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下技術(shù)效果：

本發(fā)明多星座接收機(jī)冷啟動(dòng)可見(jiàn)星搜索方法，可用于降低冷啟動(dòng)耗時(shí)。與現(xiàn)有的冷啟動(dòng)可見(jiàn)星搜索算法相比，該方法不會(huì)因遮蔽情況而退化為全星搜索且保持高效，并基于新的冷啟動(dòng)條件，充分運(yùn)用先驗(yàn)信息，從而使接受機(jī)更快速、穩(wěn)定地完成冷啟動(dòng)。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明一種多星座接收機(jī)冷啟動(dòng)可見(jiàn)星搜索方法的整體流程圖。

圖2是本發(fā)明剔除理論不可見(jiàn)星原理圖。

圖3是本發(fā)明構(gòu)建邊緣衛(wèi)星組原理圖。

具體實(shí)施方式

下面詳細(xì)描述本發(fā)明的實(shí)施方式，所述實(shí)施方式的示例在附圖中示出。下面通過(guò)參考附圖描述的實(shí)施方式是示例性的，僅用于解釋本發(fā)明，而不能解釋為對(duì)本發(fā)明的限制。

本方法的整體流程圖如圖1所示，已知時(shí)間、歷書(shū)，求得衛(wèi)星分布，第一階段構(gòu)建初始衛(wèi)星組并搜索，第二階段構(gòu)建邊緣衛(wèi)星組并搜索，第三階段外延、內(nèi)縮搜索，第四階段搜索剩余衛(wèi)星，最終完成冷啟動(dòng)。需要完成以下工作：

1、剔除理論不可見(jiàn)衛(wèi)星

設(shè)某顆可見(jiàn)星為sv1，另一顆待檢驗(yàn)衛(wèi)星為sv2，已知兩者在ecef(地心地固坐標(biāo)系)中瞬時(shí)坐標(biāo)，選取過(guò)sv1、sv2和地心三點(diǎn)的截面，如圖2所示。

圖中r表示地球平均半徑，h1、h2分別表示sv1、sv2距地心瞬時(shí)高度，α表示接收衛(wèi)星信號(hào)最小仰角，β表示假設(shè)臨界情況時(shí)sv1與sv2的夾角，βreal表示實(shí)際夾角，θ1、θ2均為中間參數(shù)。β由下式(1)得出：

如果βreal>β，則判斷sv2理論已不可見(jiàn)。

2、初始衛(wèi)星組的構(gòu)建

初始衛(wèi)星組是根據(jù)一定準(zhǔn)則選取的一組衛(wèi)星，在冷啟動(dòng)的最初階段，用來(lái)找到第一顆可見(jiàn)星。初始衛(wèi)星組的構(gòu)造方法直接影響到捕獲第一顆可見(jiàn)星的速度，對(duì)于整個(gè)冷啟動(dòng)過(guò)程的耗時(shí)有著重要影響。

初始衛(wèi)星組的構(gòu)建方法基于以下前提：

(1)理想情況下，以地心為體心，大致構(gòu)成正四面體的四顆衛(wèi)星，更準(zhǔn)確地說(shuō)，是地心到衛(wèi)星連線之間的角度關(guān)系，與正四面體體心到頂點(diǎn)連線之間的角度關(guān)系相一致的四顆衛(wèi)星，其中必有一顆可見(jiàn)，并可以自然地推廣到正六面體、正八面體等；

(2)當(dāng)一顆衛(wèi)星不可見(jiàn)時(shí)，地心到此衛(wèi)星連線的方向表征了受遮蔽的情況，其他衛(wèi)星的空間向量(地心到衛(wèi)星連線)與該方向夾角越小，則受遮蔽的可能性就越大；

初始衛(wèi)星組的構(gòu)造方法如下：首先根據(jù)前提1找到四顆衛(wèi)星，它們?cè)趀cef中的空間向量分別與以下四個(gè)空間向量(1,1,1)、(1,-1,-1)、(-1,1,-1)、(-1,-1,1)的夾角最小，理想無(wú)遮蔽情況下，其中必有一顆可見(jiàn)。需要說(shuō)明的是，這組空間向量只是符合正四面體角度關(guān)系的一例，也完全可以選擇另一組空間向量，只要滿足角度關(guān)系即可，但是為表達(dá)得更加清晰、具體，選擇這一組空間向量作為案例分析。如果這四顆衛(wèi)星都不可見(jiàn)，說(shuō)明這四個(gè)方向受到遮蔽，根據(jù)前提2，之后選取的空間向量應(yīng)盡可能避之。并結(jié)合前提1，按照以下四個(gè)空間向量(-1,-1,-1)、(-1,1,1)、(1,-1,1)、(1,1,-1)，搜索新的四顆衛(wèi)星。如果仍都不可見(jiàn)，則按以下六個(gè)空間向量搜索(1,0,0)、(0,1,0)、(0,0,1)、(-1,0,0)、(0,-1,0)、(0,0,-1)。如果仍都不可見(jiàn)，則按以下十二個(gè)空間向量搜索(0,1,1)、(0,1,-1)、(0,-1,1)、(0,-1,-1)、(1,0,1)、(1,0,-1)、(-1,0,1)、(-1,0,-1)、(1,1,0)、(1,-1,0)、(-1,1,0)、(-1,-1,0)。以此類推，新的空間向量盡可能避開(kāi)舊的空間向量，并使用必要的數(shù)量以保證理想情況下必有一顆可見(jiàn)。在對(duì)這些衛(wèi)星搜索的過(guò)程中，一旦有某顆星可見(jiàn)，則退出第一階段，進(jìn)入第二階段。第一階段的設(shè)計(jì)使得接收機(jī)可以盡快地搜索到第一顆可見(jiàn)星。上述一系列空間向量只是便于表述的一例，由此例共同旋轉(zhuǎn)一定角度而產(chǎn)生的新的一系列空間向量是等效的。

3、邊緣衛(wèi)星組的構(gòu)建

邊緣衛(wèi)星組是一組根據(jù)第一顆可見(jiàn)星選取的一組衛(wèi)星，假設(shè)用戶正好處于其星下點(diǎn)，那么，用戶能夠搜索到的與第一顆衛(wèi)星方向夾角最大的或近似最大的一組(處于低仰角的一定范圍的)衛(wèi)星，稱之為邊緣衛(wèi)星組。其意義在于為第三階段確定可見(jiàn)星的最外圍輪廓做好準(zhǔn)備。

邊緣衛(wèi)星組的構(gòu)造方法如下：設(shè)第一顆可見(jiàn)星的星下點(diǎn)為位置p，選取在p當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)系中的仰角處于一個(gè)特殊范圍內(nèi)的衛(wèi)星，作為邊緣衛(wèi)星組。這個(gè)范圍的下限是接受衛(wèi)星信號(hào)的最小仰角，上限是在最小仰角基礎(chǔ)上加20度(僅作舉例，可適當(dāng)調(diào)整)。設(shè)仰角下限為α1，上限為α2，待檢驗(yàn)衛(wèi)星距地心高度為h，地球平均半徑為r，第一顆可見(jiàn)星為sv1，待檢驗(yàn)衛(wèi)星為sv2，βreal表示實(shí)際夾角，如何確定sv2是否屬于邊緣衛(wèi)星組，如圖3所示。

圖中β1、β2分別表示sv1與sv2的夾角上限與下限，由下式(2)得出：

如果β2<βreal<β1，則選取sv2進(jìn)入邊緣衛(wèi)星組。

4、外延、內(nèi)縮搜索

在獲得邊緣衛(wèi)星組搜索結(jié)果的基礎(chǔ)上，如果某顆邊緣衛(wèi)星可見(jiàn)，該衛(wèi)星將大幅地縮小剩余衛(wèi)星的范圍。為進(jìn)一步縮小剩余衛(wèi)星的范圍，則應(yīng)沿著第一顆可見(jiàn)星到該衛(wèi)星的連線方向，搜索更外圍的衛(wèi)星，直到搜索結(jié)果為不可見(jiàn)，這就是外延搜索；如果某顆邊緣衛(wèi)星不可見(jiàn)，該衛(wèi)星并不能縮小剩余衛(wèi)星的范圍，為找到其附近的可見(jiàn)星，則應(yīng)沿著該衛(wèi)星到第一顆可見(jiàn)星的連線方向，搜索更內(nèi)部的衛(wèi)星，直到搜索結(jié)果為可見(jiàn)，這就是內(nèi)縮搜索。為盡快縮小剩余衛(wèi)星范圍，顯然，應(yīng)先進(jìn)行外延搜索，再進(jìn)行內(nèi)縮搜索。

外延、內(nèi)縮搜索的具體實(shí)現(xiàn)如下：首先求得第一顆可見(jiàn)星到所有剩余的理論仍可見(jiàn)衛(wèi)星的空間向量，記為di。設(shè)某個(gè)可見(jiàn)的邊緣衛(wèi)星為sv3，對(duì)應(yīng)d3，其他衛(wèi)星按各自的di與d3的夾角排序構(gòu)建升序表(忽略|di|<|d3|的衛(wèi)星)，外延搜索這些衛(wèi)星直到搜索結(jié)果為不可見(jiàn)，然后取下一顆邊緣衛(wèi)星為參考，重復(fù)以上過(guò)程。之后，設(shè)某個(gè)不可見(jiàn)的邊緣衛(wèi)星為sv4，對(duì)應(yīng)d4，其他衛(wèi)星按各自的di與d4的夾角升序排序，并忽略|di|>|d4|的衛(wèi)星，內(nèi)縮搜索這些衛(wèi)星直到搜索結(jié)果為可見(jiàn)，然后取下一顆邊緣衛(wèi)星為參考，重復(fù)以上過(guò)程。

5、搜索剩余衛(wèi)星

搜索剩余衛(wèi)星，完成冷啟動(dòng)。

以上實(shí)施例僅為說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)思想，不能以此限定本發(fā)明的保護(hù)范圍，凡是按照本發(fā)明提出的技術(shù)思想，在技術(shù)方案基礎(chǔ)上所做的任何改動(dòng)，均落入本發(fā)明保護(hù)范圍之內(nèi)。