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    重庆时时彩做计划方法: 选星方法及应用该选星方法的卫星导航定位方法.pdf

    摘要
    申请专利号:

    重庆时时彩单双窍门 www.4mum.com.cn CN201210093289.7

    申请日:

    2012.03.31

    公开号:

    CN103364803A

    公开日:

    2013.10.23

    当前法律状态:

    撤回

    有效性:

    无权

    法律详情: 发明专利申请公布后的视为撤回IPC(主分类):G01S 19/28申请公布日:20131023|||实质审查的生效IPC(主分类):G01S 19/28申请日:20120331|||公开
    IPC分类号: G01S19/28(2010.01)I; G01S19/38(2010.01)I 主分类号: G01S19/28
    申请人: 中国科学院国家天文台
    发明人: 季海福; 马利华; 艾国祥
    地址: 100012 北京市朝阳区大屯路甲20号
    优先权:
    专利代理机构: 中科专利商标代理有限责任公司 11021 代理人: 宋焰琴
    PDF完整版下载: PDF下载
    法律状态
    申请(专利)号:

    CN201210093289.7

    授权公告号:

    ||||||

    法律状态公告日:

    2015.09.09|||2013.11.20|||2013.10.23

    法律状态类型:

    发明专利申请公布后的视为撤回|||实质审查的生效|||公开

    摘要

    本发明公开了一种选星方法及应用该选星方法的卫星导航定位方法。该选星方法包括:计算所搜索到的可见卫星的高度角和方位角;以高度角从小至大的顺序,对可见卫星进行排序,选择排序靠前的至少5颗可见卫星作为候选卫星;在所选择的候选卫星中,获取3颗卫星一组的所有组合,在该所有组合中选择方位角排列均匀度最高的一组,将该组中的3颗候选卫星作为卫星导航定位用的3颗卫星。本发明选星方法计算量低于常规的基于GDOP的选星方法,能够实现快速卫星导航定位。

    权利要求书

    权利要求书
    1.  一种选星方法,包括:
    计算所搜索到的可见卫星的高度角和方位角;
    以所述高度角从小至大的顺序,对所述可见卫星进行排序,选择排序靠前的至少5颗可见卫星作为候选卫星;
    在所选择的候选卫星中,获取3颗卫星一组的所有组合,在该所有组合中选择方位角排列均匀度最高的一组,将该组中的3颗候选卫星选择作为卫星导航定位用的3颗卫星。

    2.  根据权利要求1所述的选星方法,其中,所述将该组中的3颗候选卫星作为卫星导航定位用的3颗卫星的步骤之后还包括:
    选择作为卫星导航定位用的第4颗卫星。

    3.  根据权利要求2所述的选星方法,其中,所述选择作为卫星导航定位用的第4颗卫星的步骤包括:
    任意选择可见卫星中除所选择的3颗卫星之外的卫星作为该卫星导航定位用的第4颗卫星。

    4.  根据权利要求2所述的选星方法,其中,所述选择作为卫星导航定位用的第4颗卫星的步骤包括:
    选择可见卫星中除所选择的3颗卫星之外的高度角最大的卫星作为该卫星导航定位用的第4颗卫星。

    5.  根据权利要求1所述的选星方法,其中,所述在该所有组合中选择方位角排列均匀度最高的一组的步骤包括:
    将每一组合的3颗卫星按照方位角顺序排列;
    计算每一组合中前后2卫星的方位角之差,计算3个方位角差值之和;
    选择3个方位角差值之和最大的一组卫星作为排列均匀度最高的一组。

    6.  根据权利要求1至5中任一项所述的选星方法,其中,按照下列公式述计算所搜索到的可见卫星的高度角和方位角:
    tan(az)=x^Ex^N]]>sin(el)=x^Ux^E2+x^N2+x^U2]]>
    其中,az,el分别为选定可见卫星的高度角和方位角,分别为选定可见卫星到用户终端的矢量在ENU坐标系中的三个分量。

    7.  一种卫星导航定位的方法,包括:
    搜索可见卫星;
    计算所搜索到的可见卫星的高度角和方位角;
    以所述高度角从小至大的顺序,对所述可见卫星进行排序,选择排序靠前的至少5颗可见卫星作为候选卫星;
    在所选择的候选卫星中,获取3颗卫星一组的所有组合,在该所有组合中选择方位角排列均匀度最高的一组,将该组中的3颗候选卫星选择作为卫星导航定位用的3颗卫星;
    根据所选择的卫星进行卫星导航定位。

    8.  根据权利要求7所述的卫星导航定位方法,其中,
    所述将该组中的3颗候选卫星选择作为卫星导航定位用的3颗卫星的步骤之后还包括:选择作为卫星导航定位用的第4颗卫星;
    所述根据所选择的卫星进行卫星导航定位的步骤包括:根据所选择的4颗卫星进行卫星导航定位。

    9.  根据权利要求8所述的卫星导航定位方法,其中,所述选择作为卫星导航定位用的第4颗卫星的步骤包括:
    任意选择可见卫星中除所选择的3颗卫星之外的卫星作为该卫星导航定位用的第4颗卫星。

    10.  根据权利要求8所述的卫星导航定位方法,其中,所述选择作为卫星导航定位用的第4颗卫星的步骤包括:
    选择可见卫星中除所选择的3颗卫星之外的高度角最大的卫星作为该卫星导航定位用的第4颗卫星。

    11.  根据权利要求7所述的卫星导航定位方法,其中,所述在该所有组合中选择方位角排列均匀度最高的一组的步骤包括:
    将每一组合的3颗卫星按照方位角顺序排列;
    计算每一组合中前后2卫星的方位角之差,计算3个方位角差值之和;
    选择3个方位角差值之和最大的一组卫星作为排列均匀度最高的一组。

    12.  根据权利要求7至11中任一项所述的卫星导航定位方法,其中, 按照下列公式述计算所搜索到的可见卫星的高度角和方位角:
    tan(az)=x^Ex^N]]>sin(el)=x^Ux^E2+x^N2+x^U2]]>
    其中,az,el分别为选定可见卫星的高度角和方位角,分别为选定可见卫星到用户终端的矢量在ENU坐标系中三个分量。

    说明书

    说明书选星方法及应用该选星方法的卫星导航定位方法
    技术领域
    本发明涉及卫星导航定位技术领域,尤其涉及一种选星方法及应用该选星方法的卫星导航定位方法。
    背景技术
    在卫星导航定位系统中,用户终端位置估算精度依赖于测量的几何分布和伪距测量误差。精度衰减因子(Dilution of Precision,DOP)提供了用户终端-卫星几何分布的简单描述。DOP越大,位置估算误差越分散。
    考虑到接收通道数和实时信号处理能力,尤其是内置在手机、汽车和航天器等的导航???,需要从所有可见卫星中选择具有最佳几何分布的四颗卫星,以快速获得最佳的定位性能。
    在现有技术的卫星导航定位中选星方法主要有:最佳几何精度衰减因子(Geometric Dilution of Precision,简称GDOP)法、最大矢端四面体法、最大正交投影法等。上述方法均是基于最小GDOP来选择定位的四颗卫星,选星过程中计算量大,需要花费较长的时间。由于选星过程耗费的时间长,从而卫星导航定位慢,不能满足快速卫星导航定位的要求。
    发明内容
    (一)要解决的技术问题
    为解决上述的一个或多个问题,本发明提供了一种选星方法及应用该选星方法的卫星导航定位方法,以降低选星过程的计算量,减小计算时间,实行快速地卫星导航定位。
    (二)技术方案
    根据本发明的一个方面,提供了一种选星方法,包括:计算所搜索到的可见卫星的高度角和方位角;以所述高度角从小至大的顺序,对所述可见卫星进行排序,选择排序靠前的至少5颗可见卫星作为候选卫星;在所 选择的候选卫星中,获取3颗卫星一组的所有组合,在该所有组合中选择方位角排列均匀度最高的一组,将该组中的3颗候选卫星作为卫星导航定位用的3颗卫星。
    根据本发明的另一个方面,还提供了一种卫星导航定位的方法,包括:搜索可见卫星;计算所搜索到的可见卫星的高度角和方位角;以所述高度角从小至大的顺序,对所述可见卫星进行排序,选择排序靠前的至少5颗可见卫星作为候选卫星;在所选择的候选卫星中,获取3颗卫星一组的所有组合,在该所有组合中选择方位角排列均匀度最高的一组,将该组中的3颗候选卫星作为卫星导航定位用的3颗卫星;根据所选择的卫星进行卫星导航定位。
    (三)有益效果
    从上述技术方案可以看出,本发明选星方法及应用该选星方法的卫星导航定位方法具有以下有益效果:
    (1)常规的选星方法是需要搜索所有四颗可见卫星的组合来获得最佳GDOP,其计算量大,需要花费较长的时间。本发明计算量低于常规的基于GDOP的选星方法,能够实现快速选星且最佳性能的定位;
    (2)在日常的卫星导航定位应用中,用户更加关心水平定位精度,本发明基于最佳HDOP标准,可快速选择出3颗卫星,第4颗卫星可任意选择,因此,本发明有助于提高定位卫星的选择效率,实行快速且高精度的水平定位。如果要同时实现最佳的三维定位,则只需要进一步选择具有最大高度角的第四颗卫星。
    附图说明
    图1为本发明实施例选星方法的流程图。
    具体实施方式
    为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白,以下结合具体实施例,并参照附图,对本发明进一步详细说明。
    需要说明的是,在附图或说明书描述中,相似或相同的部分都使用相同的图号。且在附图中,实施例的形状或是厚度可扩大,并以简化或是方 便标示。再者,附图中未绘示或描述的元件或实现方式,为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外,虽然本文可提供包含特定值的参数的示范,但应了解,参数无需确切等于相应的值,而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。
    本发明涉及卫星导航中DOP与用户终端位置估算精度的关系、HDOP和VDOP的分布特征以及具体实施方式。以下首先对本发明在卫星导航定位中选星方法的理论依据进行详细说明。
    DOP与用户终端位置估算:为了估算用户终端位置和钟差,对n(n≥4)颗卫星进行伪距测量,得到相应的伪距观测方程:
    ρs=(x-xs)2+(y-ys)2+(z-zs)2+b+ϵs---(1)]]>
    其中,ρs表示消除卫星钟差和经残余误差补偿后的伪距;b是用户终端钟差;εs为残余误差的综合影响;x=(x,y,z)和xs=(xs,ys,zs)(s=1,2,...,n)分别表示用户终端在测量时刻的地心地固(Earth-Centered,Earth-Fixed,简称ECEF)坐标和第s颗卫星在发射信号时的ECEF坐标。
    通常,为了直观地考察DOP与位置估算精度的关系,伪距测量误差模型简化为:
    E(εs)=0,Cov(εs)=σ2I                    (2)
    式中,E(·)表示期望值,Cov(·)表示协方差,I为单位矩阵,σ为每颗卫星中共有的用户终端距离误差的标准偏差,定义和分别表示在ENU坐标系中最小二乘估计的用户终端位置和钟差,其协方差矩阵可以写成:
    Covx^b^=σ2[GTG]-1---(3)]]>
    G是(n×4)的矩阵,每行由1颗卫星在ENU坐标系中的3个方向余弦组成,最后1列为1,在东北天(East-North-Up,简称ENU)坐标系中,卫星方向余弦可由用户终端观测卫星的方位角和高度角表示:
    G=cosel(1)sinaz(1)cosel(1)cosaz(1)sinel(1)1cosel(2)sinaz(2)cosel(2)cosaz(2)sinel(2)1............cosel(s)sinaz(s)cosel(s)cosaz(s)sinel(s)1............cosel(n)sinaz(n)cosel(n)cosaz(n)sinel(n)1---(4)]]>
    其中,az(s)和el(s)分别为用户终端观测的卫星s的方位角和高度角。令H=[GTG]-1,则有DOP与用户终端位置估算误差的关系:
    (5)

    HDOP和VDOP的分布特征:假设有三颗卫星在地平线上按方位角120°的间隔均匀分布,第四颗卫星的方位角和高度角分别设为az和el,此时矩阵G为:

    经计算,有:
    HDOP=H11+H12=43≈1.15]]>VDOP=H33=2·[2+cos(el)2]3·sin(el)2---(7)]]>
    由上式可知,只要有三颗卫星在地平线上按方位角均匀分布,HDOP就可以取得理论最小值1.15,与第四颗卫星的分布无关。当有三颗卫星在地平线上按方位角均匀分布时,VDOP与第四颗卫星的高度角成反比,与其方位角无关,若第四颗卫星位于天顶,VDOP取到理论最小值1.15。
    考虑到电离层闪烁、多径和遮挡等因素,观测卫星的高度角一般不能低于某个高度截止角的限制(比如5度)。因此,进一步假设有一颗卫星位于天顶,其它三颗卫星在方位角上均匀分布并具有相同的高度角,此时矩阵G为:

    从而有:
    HDOP=43·1cos(el)]]>VDOP=43·11-sin(el)---(9)]]>
    此时,HDOP和VDOP都随着三颗卫星的高度角的增加而逐渐变大。因此,在选择定位的四颗卫星时,首先选择一颗最接近天顶方向的卫星,另外选择方位角分布最均匀且高度角较低的三颗卫星,会得到最佳的HDOP和VDOP分布。
    至此,本发明在卫星导航定位中选星方法的理论依据介绍完毕。在上述理论依据的基础上,在本发明的一个示例性实施例中,提出了一种在卫星导航定位中选星方法。图1为本发明实施例选星方法的流程图。如图1所示,本实施例包括:
    步骤S104,计算所搜索到的可见卫星的高度角和方位角;
    tan(az)=x^Ex^N]]>sin(el)=x^Ux^E2+x^N2+x^U2---(10)]]>
    其中,az,el分别为选定可见卫星的高度角和方位角,分别为选定可见卫星到用户终端的矢量在ENU坐标系中的三个分量。
    步骤S106,以高度角从小至大的顺序,对所述可见卫星进行排序,选择排序靠前的至少5颗可见卫星作为候选卫星;
    步骤S108,在所选择的候选卫星中,获取3颗卫星一组的所有组合,在该所有组合中选择方位角排列均匀度最高的一组,将该组的三颗候选卫星作为卫星导航定位用的三颗卫星;
    例如,所选择的候选卫星有7颗,则其共有35组合。则计算该35种组合的均匀度,本领域技术人员应当明白,衡量均匀度的方法有很多中,以下给出其中的一种:
    对于每一个由3颗卫星构成的组合,首先,这3颗卫星按照方位角顺序排列;其次,计算前后2颗卫星的方位角之差,共有3个方位角的差值, 计算这3个差值之和;最后,选择3个方位角差值之和最大(最大为360度)的一组卫星作为排列均匀度最高的一组。
    步骤S110,选择作为卫星导航定位用的第四颗卫星;
    本步骤包含有两种情况:当只需实现最佳的水平定位时,可以任意选择除上述的3颗卫星之外的第四颗卫星;当要同时实现最佳的三维定位,则只需要进一步在可见卫星中选择除上述的3颗卫星之外的具有最大高度角的第四颗卫星。则该步骤又可以分为以下子步骤:
    步骤S110a,由用户终端选择是否考虑垂直精度,如果是,执行步骤S110b,否则,执行步骤S110b′;
    步骤S110b,在可见卫星中选择除上述的3颗卫星之外的具有最大高度角的第四颗卫星,该种情况适用于三维定位,即同时要求高的水平定位精度和高的垂直定位精度,的场景;
    步骤S110b′,在可见卫星中任意选择第四颗卫星,该种情况适用于水平定位,即只要求高的水平定位精度,的场景;
    从上述技术方案可以看出,本发明基于HDOP和VDOP的在卫星定位中选星的方法,其计算量明显低于常规的基于最小GDOP来选择定位的四颗卫星的选星方法。
    此外,在导航定位应用中,用户更加关心水平定位精度,即主要考虑水平精度衰减因子(Horizontal Dilution of Precision,简称HDOP)的分布。而对于垂直精度衰减因子(Vertical Dilution of Precision,简称VDOP)的精度,用户并不是特别关心。本发明基于最佳HDOP标准,可快速选择出3颗卫星,第4颗卫星可任意选择,因此,本发明有助于提高定位卫星的选择效率,实行快速且高精度的水平定位。而当用户同时要求水平精度和垂直精度时,采用最大高度角的方法选择第4颗卫星,相比与其他方法,计算量也大大降低。
    在上述选星方法的基础上,本发明还提供了已经给予该选星方法的卫星导航定位方法,该卫星导航定位方法包括:
    步骤S102,用户终端搜索可见卫星;
    步骤S104~步骤S110,该些步骤和选星方法实施例的步骤内容一致,此处不再详细说明;
    步骤S112,利用所选择的4颗卫星进行卫星导航定位。
    需要说明的是,利用4颗卫星进行卫星导航定位的方法现有技术中已经有很多,例如加权最小二乘法,卡尔曼滤波法,具体内容可参见:《GPS原理与接收机设计》(谢钢,2009,电子工业出版社)。
    现有技术中,虽然大部分是采用大于等于四颗卫星定位,但在海平面定位或者采用高程辅助技术进行定位时,也可以采用三颗卫星进行定位,即所选择的三颗卫星,其原理与上述实施例介绍的相同,此处不再重述。
    需要说明的是,上述对各步骤的定义并不仅限于实施方式中提到的各种具体方式,本领域的普通技术人员可对其进行简单地熟知地替换,例如:计算候选卫星组的均匀度还可以其他的形式。
    以上所述的具体实施例,对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明,所应理解的是,以上所述仅为本发明的具体实施例而已,并不用于限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内,所做的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的?;し段е?。

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