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计算机软件及应用一种导航接收机启动策略的优化方案

  首次定位时间(TTFF)是导航接收机快速定位能力的重指标之一,而首次定位时间和导航接收机的冷、温、热启动策略密切相关。基于我国自主研发的北斗卫星导航系统(BDS),根据其特点,出一种优化启动策略。该启动策略充分利用接收机的硬件资源,合理分配使用各个通道进行卫星信号的搜索,更加充分的使用已知信息,缩小接收机搜索范围和增加捕获卫星信号的成功率。实验结果说明该启动策略可有效缩短导航接收机的首次定位时间。 
  关键词首次定位时间;冷启动;温启动;热启动;BDS 
  中图分类号TP393 文献标识码A 
  1引言北斗卫星导航系统1是我国具有自主知识产权、全天候、全天时全球卫星导航系统,除了具备美国的GPS、俄罗斯的GLONASS、欧盟的Galileo系统定位、授时功能外,还具备短消息通信功能。这是北斗系统所特有的功能。目前,北斗系统已经具备为整个亚太地区供正式服务的能力。卫星导航的定位功能是派生用户使用功能的基础功能,缩短卫星导航接收机首次定位时间(Time To First Fix,TTFF)是高用户体验指标的一个重环节。目前国内使用的大多是GPS导航接收机,它的首次定位时间一般为冷启动模式基本没有可用信息,启动过程为数分钟;温启动为45s左右;热启动为9s左右2。本文基于北斗导航系统,分析了首次定位的启动原理,结合北斗导航接收机,出了一种缩短首次定位时间新的策略,并在北斗导航接收机上进行了实验,实验结果表明,该方法缩短了用户机的首次定位时间。 
  2常规启动策略原理与不足 
  首次定位时间是指导航接收机从上电到输出首次定位结果的时间差。一般导航接收机启动分为三种冷启动,温启动和热启动。 
  冷启动是指卫星导航接收机开机时,在没有任何可利用信息,满天搜星,实现对卫星的捕获和跟踪。由于冷启动时没有任何先验信息可利用,因此,常规冷启动的首次定位时间可能需数分钟。 
  温启动是指星历信息失效,但历书、精确时间和接收机的位置都有效时采用的启动方式。在温启动状态下, 通过历书计算可以获得当前时刻所有卫星的概略位置。这样就可以使卫星接收机在搜索卫星时做到有的放矢,缩短捕获卫星信号的时间。常规温启动的首次定位时间一般为45s左右。 
  热启动是指接收机重启时间间隔很短时,此时星历、历书、精确时间和接收机的位置都有效,在这些先验信息基础上,可预测载波多普勒,PN码码相位,从而实现卫星的快速捕获跟踪,加上有效星历信息,就可解算用户位置。常规热启动的首次定位时间一般为9s左右,甚至更短。 
  冷启动、温启动和热启动的先验信息条件如表1所示。其中,“√”表示必条件,“-”表示信息无效。 
  但是常规启动策略在实施过程中也存在以下几个问题 
  第一,如果前一种启动方式失败(捕获卫星数不足4颗),将必然增加后一种启动方式的首次定位时间。 
  第二,通道数利用不足。常规热、温启动捕获和跟踪的卫星可能只有4-6颗,而一般导航接收机的通道数量为12以上,大量的通道资源被浪费。 
  第三,三种启动模式之间的相关性利用不够。 
  3启动策略优化 
  针对常规启动的不足,充分利用硬件和信息资源,在保持其原有定位精度的基础上,为减少首次定位时间,对启动策略进行优化。 
  热启动和温启动之所以能缩短首次定位时间是因为能利用已知信息让接收机的各通道优先搜索那些捕获成功率高的卫星。如果根据卫星的捕获成功率将所有的卫星进行分级,使接收机的所有通道根据卫星的优先级别依次搜索,可充分利用通道资源。对卫星进行分级是该思路的关键。 
  3.1通过星历和载噪比分级 
  最优先搜索的一类卫星是具有有效星历的卫星。在这些卫星中,可以根据载噪比估计值来选择卫星进行捕获,因为载噪比是判定导航卫星信号质量的一个重参考信息45。上次定位时的载噪比估计值可以储存在接收机的Flash中,供下次搜索使用。本课题组采用宽窄带载噪比估计法计算载噪比估值。载噪比估计值的具体处理流程如图2所示。 
  (2)无辅助信息时,优先捕获GEO卫星、IGSO卫星次之、最后是MEO卫星。5GEO+5IGSO卫星星座的组合是BDS系统专门为中国及周边区域服务的星座。 
  (3)一旦导航接收机启动,无论是否有足够的辅助信息,所有搜索通道将根据建立的卫星信息优先级别依次搜索卫星信号,充分利用通道资源。 
  (4)优先捕获载噪比高的卫星和仰角在4°附近的卫星,卫星信号更可靠。 
  4实验结果 
  作者所在课题组研制了BDS用户接收机。该接收机基于FPGA+ARM体系结构,硬件实物图如图5、图6所示。 
  图7描述的是实物对应的硬件框图。嵌入式处理器(ARM)主实现导航电文的解析,PVT计算和信号处理模块的调度。FPGA主完成信号的解调解扩和导航电文子帧格式的形成。系统还包括ARM和FPGA各自的FLASH存储器,主实现ARM、FPGA程序和相关参数的存储。RTC模块供秒级精度的本地时间。 
  星历、历书无效时,TTFF平均时间为41.9秒,一般的GPS模块冷启动时间为1分钟左右。可以看出与一般GPS接收机相比,实验BDS接收机冷启动时间明显减少。这是因为首先BDS系统在服务的卫星数为14颗,而GPS为3颗,盲搜的范围较GPS少;其次该BDS接收机优先搜索GEO卫星,实验地区长沙纬度不高,捕获成功率高。 
  有历书辅助定位时,TTFF平均时间为32.1秒,一般的GPS模块,温启动时间为38秒左右,有较小升。说明选取仰角4°附近的卫星优先进行搜索,捕获成功率更高,可有效减少首次定位时间。 
  历书、星历均有效时,TTFF时间是7.1秒,一般的GPS模块,热启动时间为9秒,有较少高。该7-8秒时间主是比特同步、子帧同步、定位解算所消耗的时间。 
  从上述实验结果可以看出,本文的启动策略相对于传统启动策略有一定的改进。 
  5结论 
  本文出的新启动策略是根据BDS系统的特点,针对于我国及周边范围区域定位服务,出的一种优化启动策略。该启动策略充分使用了接收机的硬件资源,合理分配使用各个通道进行卫星信号的搜索。同时利用传统冷、热、温启动之间的相关性,更加充分的利用已知信息,缩小接收机搜索范围和增加捕获卫星信号的成功率。实验结果说明该启动策略可有效的缩短导航接收机,尤其是北斗导航接收机的首次定位时间。 
  参考文献 
  1杨鑫春,李征航,吴云.北斗卫星导航系统的星座及XPL性能分析J.测绘学报,211,468-72. 
  2秦奋.GPS接收机快速定位技术的研究与应用D.东南大学,29.3. 
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