一种基于GPS和北斗双星座的车辆快速优化选星定位方法

摘要

本发明公开了一种面向车辆的快速优化选星定位方法，利用全球定位系统(Global Positioning System，GPS)和北斗卫星导航系统(BeiDou Navigation Satellite System，BDS)双模实现车辆的准确、实时定位，主要有如下步骤：通过载波信噪比值完成卫星的第一级筛选；利用误差模型校正伪距测量值；接收星历数据解算卫星位置；进行GPS及北斗双模伪距定位解算，初步求解车辆位置；计算卫星的高度角和方位角；结合第二级选星算法继续对卫星进行筛选；再次进行GPS及北斗双模伪距定位解算，最终确定车辆在当前时刻的位置；本发明的方法与传统的基于GPS或北斗的单模车辆导航定位相比，定位精度更高，系统容错性和可靠性更好。

主权项

一种基于GPS和北斗双星座的车辆快速优化选星定位方法，其特征在于，在高速、无遮挡工况下，采用GPS和北斗双模定位，结合两级快速优化选星算法，提高定位精度和实时性，进而实现对于开阔区域行驶车辆的高可靠、准确、实时定位，所述方法包括如下步骤：步骤1)通过卫星信号的载波信噪比值完成所有可见观测卫星的第一级筛选；在当前观测历元，通过车载GPS和北斗双模接收机，采集所有可见卫星信号的载波信噪比(Carrier to Noise Density Ratio，C/N₀)值，C/N₀的单位为分贝/赫兹(dB/Hz)，剔除信号的C/N₀值小于40dB/Hz的卫星，完成第一级选星，得到m颗GPS卫星和n颗北斗卫星；步骤2)利用误差模型校正卫星的伪距测量值；对于第一级选星后得到的m颗GPS卫星和n颗北斗卫星，接收卫星的伪距测量值并根据伪距测量误差模型，计算各个卫星的星钟误差、信号的电离层及对流层传播误差，进而对各卫星的伪距测量值进行校正；步骤3)接收卫星星历数据，确定卫星的位置；对于第一级选星后得到的m颗GPS卫星和n颗北斗卫星，采集卫星星历数据并进行星历解算，计算出各个卫星的位置，然后将m颗GPS卫星的坐标转换到2000中国大地坐标系(China Geodetic Coordinate System 2000，CGCS2000)下，完成GPS卫星与北斗卫星的坐标系的统一；步骤4)通过GPS和北斗双模伪距定位解算，初步求解车辆的位置；根据第一级选星的结果，对m颗GPS卫星和n颗北斗卫星建立GPS和北斗双模伪距定位观测方程组：$\left\{\begin{array}{c}{\rho }_1^G=\sqrt{{(x_1^G-{\tilde{x}}_t)}^2+{(y_1^G-{\tilde{y}}_t)}^2+{(z_1^G-{\tilde{z}}_t)}^2}+{\mathrm{\delta t}}_{GPS}\\ {\rho }_2^G=\sqrt{{(x_2^G-{\tilde{x}}_t)}^2+{(y_2^G-{\tilde{y}}_t)}^2+{(z_2^G-{\tilde{z}}_t)}^2}+{\mathrm{\delta t}}_{GPS}\\ ...\\ {\rho }_m^G=\sqrt{{(x_m^G-{\tilde{x}}_t)}^2+{(y_m^G-{\tilde{y}}_t)}^2+{(z_m^G-{\tilde{z}}_t)}^2}+{\mathrm{\delta t}}_{GPS}\\ {\rho }_1^B=\sqrt{{(x_1^B-{\tilde{x}}_t)}^2+{(y_1^B-{\tilde{y}}_t)}^2+{(z_1^B-{\tilde{z}}_t)}^2}+{\mathrm{\delta t}}_{BDS}\\ {\rho }_2^B=\sqrt{{(x_2^B-{\tilde{x}}_t)}^2+{(y_2^B-{\tilde{y}}_t)}^2+{(z_2^B-{\tilde{z}}_t)}^2}+{\mathrm{\delta t}}_{BDS}\\ ...\\ {\rho }_n^B=\sqrt{{(x_n^B-{\tilde{x}}_t)}^2+{(y_n^B-{\tilde{y}}_t)}^2+{(z_n^B-{\tilde{z}}_t)}^2}+{\mathrm{\delta t}}_{BDS}\end{array}\right.$其中，分别为m颗GPS卫星和n颗北斗卫星误差校正后的伪距值，为m颗GPS卫星在CGCS2000坐标系中的坐标，为n颗北斗卫星在CGCS2000坐标系中的坐标，δt_GPS和δt_BDS分别为接收机与GPS时钟、接收机与北斗时钟的钟差，为当前观测历元t时刻车辆在CGCS2000坐标系中的待解算的位置坐标；将双模伪距定位观测方程组线性化，然后通过最小二乘法求解出车辆在当前观测历元t的位置坐标步骤5)根据车辆的位置，计算各卫星的高度角和方位角；根据步骤4)得到的车辆位置，计算m颗GPS卫星和n颗北斗卫星相对于车辆的高度角和方位角，高度角和方位角的单位均为度(°)，m颗GPS卫星的高度角为方位角为n颗北斗卫星的高度角为方位角为步骤6)利用卫星的高度角和方位角，结合第二级选星算法，继续对GPS和北斗卫星进行筛选；对于m颗GPS卫星，首先剔除高度角小于10°的卫星，若余下卫星数目小于或等于四颗，则将余下的全部GPS卫星用于步骤7)中的定位解算；若GPS卫星数目仍大于四颗，则选出四颗GPS卫星用于步骤7)中的定位解算，选星的具体过程如下：1.选出高度角最大的一颗卫星，将其编号为GPS1，GPS1号卫星的高度角为2.选出高度角最小的一颗卫星，将其编号为GPS2，GPS2号卫星的高度角为3.选出高度角最接近于的一颗卫星，将其编号为GPS3，GPS3号卫星的高度角为方位角为4.选出余下的卫星中与GPS3号卫星的方位角相差超过90°的所有卫星，并分别计算这些卫星与前三颗已选出的卫星进行四星组合定位时的HDOP值，然后从中选出使HDOP值最小的一颗卫星，将其编号为GPS4；若没有与GPS3号卫星方位角相差超过90°的卫星，则选取与GPS3号卫星方位角相差最大的一颗卫星，将其编号为GPS4；对于n颗北斗卫星，首先剔除高度角小于10°的卫星，若余下卫星数目小于或等于四颗，则将余下的全部北斗卫星用于步骤7)中的定位解算；若北斗卫星数目仍大于四颗，则选出四颗北斗卫星用于步骤7)中的定位解算，选星的具体过程如下：1.选出高度角最大的一颗卫星，将其编号为BDS1，BDS1号卫星的高度角为2.选出高度角最小的一颗卫星，将其编号为BDS2，BDS2号卫星的高度角为3.选出高度角最接近于的一颗卫星，将其编号为BDS3，BDS3号卫星的高度角为方位角为4.选出余下的卫星中与BDS3号卫星方位角相差超过90°的所有卫星，并分别计算这些卫星与前三颗已选出的卫星进行四星组合定位时的HDOP值，然后从中选出使HDOP值最小的一颗卫星，将其编号为BDS4；若没有与BDS3号卫星方位角相差超过90°的卫星，则选取与BDS3号卫星方位角相差最大的一颗卫星，将其编号为BDS4；步骤7)根据第二级选星的结果再次解算车辆的位置；根据第二级选星的结果，确定用于定位解算的GPS和北斗卫星，然后再次进行步骤4)中所述的GPS和北斗双模伪距定位解算，最终确定车辆在当前观测历元的位置。