本發(fā)明屬于衛(wèi)星接收機(jī)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種衛(wèi)星接收機(jī)的冷啟動方法。

背景技術(shù)：

衛(wèi)星導(dǎo)航、定位系統(tǒng)在軍事民用等方面都有廣泛應(yīng)用。目前許多國家都在大力發(fā)展和建設(shè)各自的導(dǎo)航系統(tǒng)，如美國的GPS、俄羅斯的GLONASS、歐洲的伽利略、以及中國的北斗系統(tǒng)等。其中GPS系統(tǒng)是目前實際中使用最為廣泛的導(dǎo)航系統(tǒng)，經(jīng)過多年發(fā)展，GPS目前有在軌衛(wèi)星32顆，處于全面現(xiàn)代化階段但尚未完成，目標(biāo)構(gòu)型為36/6/1。六個軌道分別為A,B,C,D,E,F，其中軌道A中包括衛(wèi)星的PRN碼為07，24，30，31，軌道B中包括的衛(wèi)星PRN碼為04，12，16，26，25，28，軌道C中衛(wèi)星PRN碼為08，17，19，27，29，軌道D中衛(wèi)星PRN碼為01，02，06，11，21，軌道E中衛(wèi)星PRN碼為03，05，10，18，20，22，軌道F中衛(wèi)星PRN碼為09，13，14，15，23，32。

北斗系統(tǒng)是我國自行研制的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，目前主要覆蓋亞太地區(qū)。完整的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的空間星座由5顆GEO和30顆非地球靜止軌道(Non-GEO)衛(wèi)星組成。分布于赤道上空的地球靜止軌道的五顆衛(wèi)星均為GEO衛(wèi)星。非地球靜止軌道分為傾斜地球同步軌道(IGSO，Inclined Geosynchronous Orbit)衛(wèi)星和中圓地球軌道(MEO)衛(wèi)星。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)將在未來的幾年內(nèi)繼續(xù)增發(fā)衛(wèi)星，預(yù)計到2020年實現(xiàn)系統(tǒng)的全面建成。

衛(wèi)星接收機(jī)將衛(wèi)星天線捕獲到的信號降頻，AD轉(zhuǎn)換后再進(jìn)行采樣，得到RF前端數(shù)據(jù)，去除多普勒效應(yīng)之后再與偽隨機(jī)碼PRN碼進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，最終確定衛(wèi)星是否捕獲成功。戶外作業(yè)時，接收機(jī)通常需要通過冷啟動開始定位。冷啟動是在衛(wèi)星接收機(jī)清空了所有歷史信息的情況下啟動并嘗試定位、鎖定衛(wèi)星。目前常用的冷啟動采用類似于輪詢的方法，從所有的衛(wèi)星中鎖定信號，由于沒有先前的信息，冷啟動過程非常緩慢，戶外復(fù)雜的作業(yè)環(huán)境更是影響到定位效率，無法提供實時高效的導(dǎo)航數(shù)據(jù)和位置信息，大大影響了接收機(jī)時效性。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

發(fā)明目的：針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明公開了一種衛(wèi)星接收機(jī)快速冷啟動方法，該方法通過對衛(wèi)星軌道結(jié)構(gòu)和全天候多地導(dǎo)航數(shù)據(jù)的分析，對衛(wèi)星捕獲順序進(jìn)行優(yōu)化，使高頻可見衛(wèi)星能夠優(yōu)先進(jìn)行捕獲，進(jìn)而快速捕獲數(shù)顆可見衛(wèi)星，提高了接收機(jī)確定位置信息的速度。

技術(shù)方案：一種衛(wèi)星接收機(jī)快速冷啟動方法，包括如下步驟：

(1)對衛(wèi)星系統(tǒng)中的衛(wèi)星按所在軌道進(jìn)行分組；

設(shè)衛(wèi)星系統(tǒng)有n個軌道，則衛(wèi)星可以分為n組；第m組，即第m個軌道中的衛(wèi)星數(shù)為N_m，1≤m≤n；

(2)按照每個軌道內(nèi)衛(wèi)星可見的統(tǒng)計結(jié)果對衛(wèi)星分組進(jìn)行排序，得到軌道優(yōu)先順序；

(3)對每個衛(wèi)星分組內(nèi)的衛(wèi)星按照可見概率排序，得到衛(wèi)星優(yōu)先級；

衛(wèi)星的可見概率表示在任意時刻衛(wèi)星可以被捕獲到，即可見的概率，與全天候觀測中衛(wèi)星可見時長正相關(guān)。

(4)在同一衛(wèi)星分組內(nèi)，計算任意兩個衛(wèi)星的相關(guān)度；

(5)按照步驟(2)得到的軌道優(yōu)先順序，依次對每一個軌道的衛(wèi)星進(jìn)行捕獲；同一軌道內(nèi)的衛(wèi)星按照步驟(3)得到的衛(wèi)星優(yōu)先級進(jìn)行捕獲，當(dāng)捕獲到一個衛(wèi)星時，對捕獲到的衛(wèi)星進(jìn)行相關(guān)度優(yōu)選并結(jié)束本軌道衛(wèi)星的捕獲；

(6)對所有軌道捕獲完畢，輸出所有捕獲到的衛(wèi)星，冷啟動結(jié)束。

在對高頻可見衛(wèi)星進(jìn)行捕獲后，為了提高定位精度，進(jìn)一步對低頻可見衛(wèi)星進(jìn)行捕獲，步驟(5)還包括將每一個軌道中未進(jìn)行捕獲操作的衛(wèi)星追加至等待序列；步驟(6)中還包括對等待序列的捕獲。

具體地，步驟(6)中對等待序列的捕獲步驟如下：按照步驟(2)得到的軌道優(yōu)先順序，依次對等待序列中的衛(wèi)星進(jìn)行捕獲；同一軌道內(nèi)的衛(wèi)星按照步驟(3)得到的衛(wèi)星優(yōu)先級依次進(jìn)行捕獲。

具體地，步驟(5)中所述的相關(guān)度優(yōu)選步驟如下：

(51)、按照步驟(4)的計算結(jié)果查找同一衛(wèi)星分組內(nèi)與捕獲到的衛(wèi)星相關(guān)度最高且比此衛(wèi)星優(yōu)先級低的衛(wèi)星；

(52)、捕獲步驟(51)查找到的衛(wèi)星。

作為一種優(yōu)選，步驟(2)中所述衛(wèi)星可見的統(tǒng)計結(jié)果為衛(wèi)星可見數(shù)量的統(tǒng)計結(jié)果；

設(shè)軌道m(xù)中地面同時可見衛(wèi)星數(shù)X的分布律為：

$P\{X=X_m\}=p_{m,X_m}---\left(1\right)$

其中表示軌道m(xù)上地面同時可見X_m顆衛(wèi)星的概率，1≤m≤n, 0≤X_m≤N_m。

軌道m(xù)中地面同時可見衛(wèi)星數(shù)的數(shù)學(xué)期望E(X)|_m為：

$E\left(X\right){|}_m=\underset{n=0}{\overset{N_m}{\Σ}}n\·p_{m,n}---\left(2\right)$

對n個軌道的地面同時可見衛(wèi)星數(shù)的數(shù)學(xué)期望進(jìn)行排序，得到軌道優(yōu)先順序。

作為另一種優(yōu)選，步驟(2)中所述衛(wèi)星可見的統(tǒng)計結(jié)果為衛(wèi)星可見概率的統(tǒng)計結(jié)果，即根據(jù)各個軌道的衛(wèi)星可見概率進(jìn)行排序，得到軌道優(yōu)先順序；

軌道m(xù)的衛(wèi)星可見概率p_m按下式計算：

p_m＝E(X)|_m/N_m (3)

本發(fā)明公開的方法可用于GPS衛(wèi)星接收機(jī)或北斗導(dǎo)航衛(wèi)星接收機(jī)。

有益效果：與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明公開的衛(wèi)星接收機(jī)快速冷啟動方法具有以下優(yōu)點：1、本發(fā)明公開的方法充分利用了衛(wèi)星星座結(jié)構(gòu)和衛(wèi)星數(shù)據(jù)的統(tǒng)計結(jié)果，通過對高頻可見衛(wèi)星以及高頻可見衛(wèi)星對進(jìn)行優(yōu)先捕獲，使接收機(jī)在星歷數(shù)據(jù)丟失、衛(wèi)星參數(shù)變化、無位置信息的情況下可以快速捕獲衛(wèi)星，從而實現(xiàn)接收機(jī)的快速定位，極大地縮短了接收機(jī)的冷啟動耗時；2、對高頻可見衛(wèi)星進(jìn)行捕獲后再對低頻可見衛(wèi)星進(jìn)行捕獲，可以提高定位精度；3、本發(fā)明公開的方法不需要增加新的設(shè)備和器件，只需更新接收機(jī)軟件即可。

附圖說明

圖1為實施例一的衛(wèi)星接收機(jī)快速冷啟動方法流程圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和具體實施方式，進(jìn)一步闡明本發(fā)明。

實施例一：

本實施例為GPS衛(wèi)星接收機(jī)的冷啟動，所用衛(wèi)星數(shù)據(jù)是對中國和俄羅斯多地全天候的GPS衛(wèi)星數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、統(tǒng)計而得。如圖1所示，GPS衛(wèi)星接收機(jī)的快速冷啟動包括如下步驟：

步驟1、對衛(wèi)星系統(tǒng)中的衛(wèi)星按所在軌道進(jìn)行分組；

GPS衛(wèi)星共32顆，分布在六個軌道中，因此將32顆衛(wèi)星按軌道分為A,B,C,D,E,F六組；第k組，即第k個軌道中的衛(wèi)星數(shù)為N_k，k∈{A,B,C,D,E,F}；

步驟2、按照每個軌道內(nèi)衛(wèi)星可見的統(tǒng)計結(jié)果對衛(wèi)星分組進(jìn)行排序，得到軌 道優(yōu)先順序；

根據(jù)本實施例所采用的衛(wèi)星數(shù)據(jù)，由(2)式計算可得，單個軌道k的數(shù)學(xué)期望E(X)|_k從大到小順序依次為：

E(X)|_F>E(X)|_B>E(X)|_C>E(X)|_D>E(X)|_E>E(X)|_A；

因此本實施例的軌道優(yōu)先順序為：(F,B,C,D,E,A)。

步驟3、對每個軌道即每個衛(wèi)星分組內(nèi)的衛(wèi)星按照可見概率排序，得到衛(wèi)星優(yōu)先級；

本實施例根據(jù)衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)計算得到各軌道內(nèi)衛(wèi)星可見概率按從高到低排序為：

P_A＝[30,07,24,31]；

P_B＝[16,28,12,26,25,04]；

P_C＝[27,08,17,19,29]；

P_D＝[11,06,01,21,02]；

P_E＝[22,03,05,20,18,10]；

P_F＝[14,23,15,32,13,9]；

其中A,B,C,D,E,F為GPS衛(wèi)星軌道序號，序列內(nèi)數(shù)據(jù)為對應(yīng)衛(wèi)星的PRN碼，用于區(qū)別不同的衛(wèi)星，也可以用衛(wèi)星編號代替。

步驟4、在同一衛(wèi)星分組內(nèi)，計算任意兩個衛(wèi)星的相關(guān)度；

定義衛(wèi)星a和b的相關(guān)度為衛(wèi)星a可見時衛(wèi)星b可見的概率，即為a可見時b可見的條件概率P(b|a)，如式(4)計算。選用條件概率是由于本發(fā)明公開的方法中衛(wèi)星捕獲設(shè)定了順序，因此如果a、b同時可見，一定是先捕獲到a，再捕獲到b；如果a不可見，捕獲到了b，則不會根據(jù)相關(guān)度優(yōu)選對a進(jìn)行重復(fù)捕獲；

P(b|a)＝P(ab)/P(b) (4)

由式(4)可以計算同一軌道內(nèi)衛(wèi)星的相關(guān)度。在本實施例所采用的衛(wèi)星數(shù)據(jù)中，軌道F中的衛(wèi)星與PRN碼為23的衛(wèi)星同時可見的概率中，P(9|23)＝62.8％,P(14|23)＝4.2％,P(15|23)＝2.8％,P(32|23)＝11.4％,P(13|23)＝0％。由此可以得出，軌道F中衛(wèi)星23與衛(wèi)星09相關(guān)度最高且大于50％。類似地可以計算得到， 軌道F中衛(wèi)星15與衛(wèi)星13相關(guān)度最高，衛(wèi)星32與衛(wèi)星14相關(guān)度最高；軌道B衛(wèi)星中16與衛(wèi)星26相關(guān)度最高，衛(wèi)星12與25相關(guān)度最高；軌道E中衛(wèi)星05與衛(wèi)星20相關(guān)度最高，衛(wèi)星20與衛(wèi)星10相關(guān)度最高；軌道D中衛(wèi)星11與衛(wèi)星01相關(guān)度最高，衛(wèi)星06與衛(wèi)星02相關(guān)度最高；軌道C中衛(wèi)星27與衛(wèi)星08相關(guān)度最高，衛(wèi)星17與衛(wèi)星19相關(guān)度最高；軌道A中衛(wèi)星30與衛(wèi)星07相關(guān)度最高。

步驟5、按照步驟(2)得到的軌道優(yōu)先順序，依次對每一個軌道的衛(wèi)星進(jìn)行捕獲；同一軌道內(nèi)的衛(wèi)星按照步驟(3)得到的衛(wèi)星優(yōu)先級進(jìn)行捕獲，當(dāng)捕獲到一個衛(wèi)星時，對捕獲到的衛(wèi)星進(jìn)行相關(guān)度優(yōu)選并結(jié)束本軌道衛(wèi)星的捕獲；具體如下：

(1)初始化等待序列W為空序列；從衛(wèi)星可見概率最高的軌道F中開始搜索，接收機(jī)接收到天線信號之后，對軌道F中的衛(wèi)星按照可見概率從高到底順序進(jìn)行捕獲，即按序列P_F＝[14,23,15,32,13,9]中的PRN碼進(jìn)行衛(wèi)星捕獲；

(2)如果在序列P_F中發(fā)現(xiàn)可見衛(wèi)星，即捕獲到衛(wèi)星，則做一次相關(guān)度優(yōu)選；相關(guān)度優(yōu)選完成后，F(xiàn)軌道中沒有進(jìn)行過捕獲操作的衛(wèi)星PRN碼按衛(wèi)星優(yōu)先級追加至等待序列W尾部，衛(wèi)星優(yōu)先級高的衛(wèi)星PRN碼排序在前；

(3)對軌道B中的衛(wèi)星按P_B＝[16,28,12,26,25,04]的順序進(jìn)行捕獲，如果序列P_B中捕獲到衛(wèi)星，則做一次相關(guān)度優(yōu)選；相關(guān)度優(yōu)選完成后，B軌道中沒有進(jìn)行過捕獲操作的衛(wèi)星PRN碼按衛(wèi)星優(yōu)先級追加至等待序列W尾部，衛(wèi)星優(yōu)先級高的衛(wèi)星PRN碼排序在前；

(4)類似于上述步驟，依次對軌道C、D、E和A中的衛(wèi)星分布按照序列P_C、P_D、P_E和P_A中的衛(wèi)星PRN碼進(jìn)行衛(wèi)星捕獲，如果捕獲到衛(wèi)星，則做一次相關(guān)度優(yōu)選；相關(guān)度優(yōu)選完成后，該軌道中沒有進(jìn)行過捕獲操作的衛(wèi)星PRN碼按衛(wèi)星優(yōu)先級追加至等待序列W尾部，衛(wèi)星優(yōu)先級高的衛(wèi)星PRN碼排序在前。

步驟5中相關(guān)度優(yōu)選的具體步驟為：

(51)、根據(jù)步驟(4)的計算結(jié)果查找同一衛(wèi)星分組內(nèi)與捕獲到的衛(wèi)星相關(guān)度最高且比此衛(wèi)星優(yōu)先級低的衛(wèi)星；

(52)、對步驟(51)查找到的衛(wèi)星進(jìn)行捕獲操作。

如軌道F中，如果先捕獲到PRN碼為23的衛(wèi)星，由于衛(wèi)星23與衛(wèi)星9相關(guān)度最高，且衛(wèi)星9比衛(wèi)星23的優(yōu)先級低，則捕獲衛(wèi)星9；如果先捕獲到衛(wèi)星9，由于衛(wèi)星9是本衛(wèi)星分組中優(yōu)先級最低的衛(wèi)星，則無論其與哪個衛(wèi)星的相關(guān)度最高都結(jié)束本軌道衛(wèi)星的捕獲。軌道E中，如果先捕獲到了衛(wèi)星5，則可以查找到與其相關(guān)度最高的衛(wèi)星是衛(wèi)星20，且衛(wèi)星20比衛(wèi)星5的優(yōu)先級低，則捕獲衛(wèi)星20后結(jié)束本軌道衛(wèi)星的捕獲；如果先捕獲到了衛(wèi)星20，則可以查找的與其相關(guān)度最高的衛(wèi)星是衛(wèi)星10，且衛(wèi)星10比衛(wèi)星20的優(yōu)先級低，則捕獲衛(wèi)星10后結(jié)束本軌道衛(wèi)星的捕獲。

步驟6、對所有軌道捕獲完畢，捕獲等待序列W，輸出所有捕獲到的衛(wèi)星，冷啟動結(jié)束。

對等待序列的捕獲步驟為：按照步驟(2)得到的軌道優(yōu)先順序，依次對等待序列中的衛(wèi)星進(jìn)行捕獲；同一軌道內(nèi)的衛(wèi)星按照步驟(3)得到的衛(wèi)星優(yōu)先級依次進(jìn)行捕獲。由于本實施例中對等待序列W中元素采用按軌道優(yōu)先順序追加，同一軌道內(nèi)的衛(wèi)星按衛(wèi)星優(yōu)先級追加，所以只需遍歷捕獲等待序列W中的衛(wèi)星即可。

實施例二：

本實施例以中國自主研發(fā)的北斗導(dǎo)航衛(wèi)星接收機(jī)為例。

北斗系統(tǒng)截止在2016年6月在軌工作衛(wèi)星有21顆，其中14顆為2012年年底前發(fā)射，其余7顆為2015年2月后發(fā)射的，因此目前大部分北斗接收機(jī)的設(shè)計都是在2012年14顆衛(wèi)星的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，之后發(fā)射的衛(wèi)星不在捕獲范圍內(nèi)。本實施例中采用的北斗接收機(jī)也是基于2012年14顆衛(wèi)星的星座結(jié)構(gòu)。

步驟1、對衛(wèi)星系統(tǒng)中的衛(wèi)星按所在軌道進(jìn)行分組；

2012年底前發(fā)射的在軌工作衛(wèi)星中，5顆GEO衛(wèi)星，其PRN碼為01-05；5顆IGSO衛(wèi)星，其PRN碼為06-10；4顆MEO衛(wèi)星，其PRN碼為11-14。由此將衛(wèi)星分為3組：GEO、IGSO和MEO。

步驟2、按照每個軌道內(nèi)衛(wèi)星可見的統(tǒng)計結(jié)果對衛(wèi)星分組進(jìn)行排序，得到軌道優(yōu)先順序；

根據(jù)在江蘇省南京地區(qū)采集、統(tǒng)計的北斗衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)，按照式(3)計算每個軌道的衛(wèi)星可見概率，對計算結(jié)果從大到小排序，可得本實施例軌道優(yōu)先順 序為：(GEO,IGSO,MEO)。

步驟3、對每個軌道即每個衛(wèi)星分組內(nèi)的衛(wèi)星按照可見概率排序，得到衛(wèi)星優(yōu)先級；

根據(jù)北斗衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)計算得到各軌道內(nèi)衛(wèi)星可見概率按從高到低排序為：

P_GEO＝[02,03,01,04,05]

P_IGSO＝[08,10,07,06,09]

P_MEO＝[11,12,13,14]

其中GEO,IGSO,MEO為北斗衛(wèi)星軌道名稱，序列內(nèi)的數(shù)據(jù)為對應(yīng)衛(wèi)星的PRN碼。

步驟4、在同一衛(wèi)星分組內(nèi)，計算任意兩個衛(wèi)星的相關(guān)度；

步驟5、按照步驟(2)得到的軌道優(yōu)先順序，依次對每一個軌道的衛(wèi)星進(jìn)行捕獲；同一軌道內(nèi)的衛(wèi)星按照步驟(3)得到的衛(wèi)星優(yōu)先級進(jìn)行捕獲，當(dāng)捕獲到一個衛(wèi)星時，對捕獲到的衛(wèi)星進(jìn)行相關(guān)度優(yōu)選并結(jié)束本軌道衛(wèi)星的捕獲；

步驟6、對所有軌道捕獲完畢，捕獲等待序列W，輸出所有捕獲到的衛(wèi)星，冷啟動結(jié)束。

步驟4-6與實施例一中的步驟類似，只是捕獲軌道的順序為：(GEO,IGSO,MEO)。