一种实现捕获预处理的方法及装置
阅读说明：本技术 一种实现捕获预处理的方法及装置 (Method and device for realizing capture pretreatment ) 是由 宋挥师 赵海龙 徐雄伟 刘晓燕 于 2020-12-23 设计创作，主要内容包括：一种实现捕获预处理的方法及装置,包括：根据导航接收机的卫星可见的关联信息,预估确定预设时长内的导航接收机的可见卫星；根据预估确定的预设时长内的导航接收机的可见卫星进行捕获处理。本发明实施例减少了冷启动时搜索卫星的个数,缩短了冷启动首次定位时间提升了导航接收机的捕获效率。(A method and device for realizing capture preprocessing comprise: according to the satellite visible associated information of the navigation receiver, predicting and determining a visible satellite of the navigation receiver within a preset time length; and capturing the visible satellites of the navigation receiver within the preset time length determined by prediction. The embodiment of the invention reduces the number of the search satellites during cold start, shortens the first positioning time of cold start and improves the capturing efficiency of the navigation receiver.)
技术领域
本文涉及但不限于卫星导航技术，尤指一种实现捕获预处理的方法及装置。
背景技术
全球卫星导航系统(GNSS，Global Navigation Satellite System)在人们的日常生活中发挥着越来越不可替代的重要作用，尤其在导航、勘探、监测、测量、通信授时等领域得到越来越多的应用。随着近年民用应用的快速发展，在日常生活中全球卫星导航系统已经逐渐深入，从手机、个人电脑、汽车、民用飞机到导弹、战机都离不开卫星导航技术。全球各大国都在努力发展卫星导航技术，目前存在多个卫星导航系统，各国之间既独立竞相发展卫星导航技术又相互兼容系统，形成繁荣的GNSS系统。全球卫星导航系统主要包括美国的GPS系统、中国的北斗(BD)系统、俄罗斯的全球导航卫星定位系统(GLONASS)、以及欧洲的伽利略(Galileo)系统；其中，在中国和亚太地区，GPS和北斗应用较为广泛；在俄罗斯，以GPS和GLONASS应用较多。
导航接收机通过天线接收到卫星信号后，通过下变频、模数(A/D)转换得到数字中频信号；数字中频信号进入信号通道进行：捕获、跟踪、位同步、帧同步处理；最后进行导航解算输出结果。捕获在接收机完成定位中占有重要的作用；卫星信号的捕获是一个关于伪码、频率和时间的三维搜索过程。完成一个卫星信号的搜索时长取决于中频信号频率f0的不确定值和码相位的搜索范围；例如，GPS系统卫星信号的码相位的搜索范围为0～1023；假设信号频率和码相位的不确定值分别为func和tunc，频率和码相位的搜索步长(即频带宽度fbin和码带宽度tbin)；则计算得到搜索单元的个数Ncell为：
假设每个搜索单元的搜索时间为Tdweel，则搜索完卫星的整个范围所用的时间为：
Tone＝NcellTdwell (2)
依据卫星的伪随机噪声码(PRN)号完成整个星座的搜索；如果对应PRN号的卫星确定有信号，则当确定捕获到该卫星信号后，未完成搜索的搜索单元不需要继续完成搜索。统计可知，确定含有信号的卫星的平均捕获时间为假设导航卫星系统有N颗卫星，某时刻对于接收机可见卫星的个数为n，则在没有有效的星历和时间信息的条件下，接收机完成所有卫星的捕获任务需要的时间为：
Ttot＝n*Tacq+(N-n)*Tone (3)
目前，捕获过程中主要采用的搜索策略为简单易行的线性搜索，但运算量大；并行频率搜索，或并行码相位搜索，即将码相位或者频率维进行并行处理以降低搜索单元；后两种搜索方式在一定程度上降低了运算，提升捕获效率；但在冷启动时还必须逐个搜索系统中的所有卫星。而冷启动时接收机的首次定位时间(TTFF)是判定接收机好坏的一个重要标准，冷启动影响了导航接收机的捕获效率。
发明内容
以下是对本文详细描述的主题的概述。本概述并非是为了限制权利要求的保护范围。
本发明实施例提供一种实现捕获预处理的方法及装置，能够减少冷启动时搜索卫星的个数，缩短冷启动首次定位时间，提升导航接收机的捕获效率。
本发明实施例提供了一种实现捕获预处理的方法，包括：
根据导航接收机的卫星可见的关联信息，预估确定预设时长内的导航接收机的可见卫星；
根据预估确定的预设时长内的导航接收机的可见卫星进行捕获处理。
可选的，所述预估确定预设时长内的导航接收机的可见卫星包括：
根据卫星运行轨道高度、地球半径、导航接收机位置、地球运动规律信息及卫星运行规律信息，计算确定可见卫星的驶入角度和驶出角度；
根据确定的可见卫星的驶入角度和驶出角度，预估确定所述预设时长内的可见卫星的分布区域；
根据预估确定的所述预设时长内的可见卫星的分布区域及卫星分布信息，预估确定所述预设时长内的导航接收机的可见卫星。
可选的，所述地球运动规律信息包括：地球自转角速度；
所述卫星运动规律信息包括：卫星在各轨道上的运动角速度。
可选的，所述预估确定预设时长内的可见卫星的分布区域包括：
将所述确定的可见卫星的驶入角度增加第一预设偏移角度，获得校正后的校正驶入角度，将所述确定的可见卫星的驶出角度减小第二预设偏移角度，获得校正后的校正驶出角度；
根据校正后的所述校正驶入角度和校正后的所述校正驶出角度，预估确定所述预设时长内的可见卫星的分布区域。
可选的，所述根据预估确定的预设时长内的导航接收机的可见卫星进行捕获处理包括：
根据预估确定的所述预设时长内的导航接收机的可见卫星，确定包含卫星信号的信道；
根据确定的所述包含卫星信号的信道，确定需要捕获的卫星的伪随机噪声码PRN号及对应信号的码相位；
根据确定的所述需要捕获的卫星的PRN号及对应信号的码相位进行捕获处理。
另一方面，本发明实施例还提供一种实现捕获预处理的装置，包括：预估单元和捕获处理单元；其中，
预估单元用于：根据导航接收机的卫星可见的关联信息，预估确定预设时长内的导航接收机的可见卫星；
捕获处理单元用于：根据预估确定的预设时长内的导航接收机的可见卫星进行捕获处理。
可选的，所述预估单元具体用于：
根据卫星运行轨道高度、地球半径、导航接收机位置、地球运动规律信息及卫星运行规律信息，计算确定可见卫星的驶入角度和驶出角度；
根据确定的可见卫星的驶入角度和驶出角度，预估确定所述预设时长内的可见卫星的分布区域；
根据预估确定的所述预设时长内的可见卫星的分布区域及卫星分布信息，预估确定所述预设时长内的导航接收机的可见卫星。
可选的，所述地球运动规律信息包括：地球自转角速度；
所述卫星运动规律信息包括：卫星在各轨道上的运动角速度。
可选的，所述预估单元用于预估确定预设时长内的可见卫星的分布区域包括：
将所述确定的可见卫星的驶入角度增加第一预设偏移角度，获得校正后的校正驶入角度，将所述确定的可见卫星的驶出角度减小第二预设偏移角度，获得校正后的校正驶出角度；
根据校正后的所述校正驶入角度和校正后的所述校正驶出角度，预估确定所述预设时长内的可见卫星的分布区域。
可选的，所述捕获处理单元具体用于：
根据预估确定的所述预设时长内的导航接收机的可见卫星，确定包含卫星信号的信道；
根据确定的所述包含卫星信号的信道，确定需要捕获的卫星的伪随机噪声码PRN号及对应信号的码相位；
根据确定的所述需要捕获的卫星的PRN号及对应信号的码相位进行捕获处理。
再一方面，本发明实施例还提供一种计算机存储介质，所述计算机存储介质中存储有计算机可执行指令，所述计算机可执行指令用于执行上述的方法。
与相关技术相比，本申请技术方案包括：根据导航接收机的卫星可见的关联信息，预估确定预设时长内的导航接收机的可见卫星；根据预估确定的预设时长内的导航接收机的可见卫星进行捕获处理。本发明实施例减少了冷启动时搜索卫星的个数，缩短了冷启动首次定位时间，提升了导航接收机的捕获效率。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
附图用来提供对本发明技术方案的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本申请的实施例一起用于解释本发明的技术方案，并不构成对本发明技术方案的限制。
图1为本发明实施例实现捕获预处理的方法的流程图；
图2为本发明实施例实现捕获预处理的装置的结构框图；
图3为本发明应用示例卫星轨道平面与地球截面的分布示意图。
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，下文中将结合附图对本发明的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。
在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行。并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。
图1为本发明实施例实现捕获预处理的方法的流程图，如图1所示，包括：
步骤101、根据导航接收机的卫星可见的关联信息，预估确定预设时长内的导航接收机的可见卫星；
可选的，本发明实施例预估确定预设时长内的导航接收机的可见卫星包括：
根据卫星运行轨道高度、地球半径、导航接收机位置、地球运动规律信息及卫星运行规律信息，计算确定可见卫星的驶入角度和驶出角度；
根据确定的可见卫星的驶入角度和驶出角度，预估确定所述预设时长内的可见卫星的分布区域；
根据预估确定的所述预设时长内的可见卫星的分布区域及卫星分布信息，预估确定所述预设时长内的导航接收机的可见卫星。
可选的，本发明实施例地球运动规律信息包括：地球自转角速度；
可选的，本发明实施例卫星运动规律信息包括：卫星在各轨道上的运动角速度。
可选的，本发明实施例预估确定预设时长内的可见卫星的分布区域包括：
将确定的可见卫星的驶入角度增加第一预设偏移角度，获得校正后的校正驶入角度，将所述确定的可见卫星的驶出角度减小第二预设偏移角度，获得校正后的校正驶出角度；
根据校正后的所述校正驶入角度和校正后的所述校正驶出角度，预估确定所述预设时长内的可见卫星的分布区域。
需要说明的是，第一预设偏移角度可以为大于等于0的数，一般设置为大于0的数，例如第一预设偏移角度的5度；一般第一预设偏移角度小于10度；第一预设偏移角度可以为大于等于0的数，一般设置为0。
步骤102、根据预估确定的预设时长内的导航接收机的可见卫星进行捕获处理。
可选的，所述根据预估确定的预设时长内的导航接收机的可见卫星进行捕获处理包括：
根据预估确定的所述预设时长内的导航接收机的可见卫星，确定包含卫星信号的信道；
根据确定的所述包含卫星信号的信道，确定需要捕获的卫星的伪随机噪声码(PRN)号及对应信号的码相位；
根据确定的所述需要捕获的卫星的PRN号及对应信号的码相位进行捕获处理。
与相关技术相比，本申请技术方案包括：根据导航接收机的卫星可见的关联信息，预估确定预设时长内的导航接收机的可见卫星；根据预估确定的预设时长内的导航接收机的可见卫星进行捕获处理。本发明实施例减少了冷启动时搜索卫星的个数，缩短了冷启动首次定位时间，提升了导航接收机的捕获效率。
图2为本发明实施例实现捕获预处理的装置的结构框图，如图2所示，包括：预估单元和捕获处理单元；其中，
预估单元用于：根据导航接收机的卫星可见的关联信息，预估确定预设时长内的导航接收机的可见卫星；
可选的，本发明实施例预估单元具体用于：
根据卫星运行轨道高度、地球半径、导航接收机位置、地球运动规律信息及卫星运行规律信息，计算确定可见卫星的驶入角度和驶出角度；
根据确定的可见卫星的驶入角度和驶出角度，预估确定所述预设时长内的可见卫星的分布区域；
根据预估确定的所述预设时长内的可见卫星的分布区域及卫星分布信息，预估确定所述预设时长内的导航接收机的可见卫星。
可选的，本发明实施例地球运动规律信息包括：地球自转角速度；
可选的，本发明实施例卫星运动规律信息包括：卫星在各轨道上的运动角速度。
可选的，所述预估单元用于预估确定预设时长内的可见卫星的分布区域包括：
将所述确定的可见卫星的驶入角度增加第一预设偏移角度，获得校正后的校正驶入角度，将所述确定的可见卫星的驶出角度减小第二预设偏移角度，获得校正后的校正驶出角度；
根据校正后的所述校正驶入角度和校正后的所述校正驶出角度，预估确定所述预设时长内的可见卫星的分布区域。
捕获处理单元用于：根据预估确定的预设时长内的导航接收机的可见卫星进行捕获处理。
可选的，本发明实施例捕获处理单元具体用于：
根据预估确定的所述预设时长内的导航接收机的可见卫星，确定包含卫星信号的信道；
根据确定的所述包含卫星信号的信道，确定需要捕获的卫星的伪随机噪声码(PRN)号及对应信号的码相位；
根据确定的所述需要捕获的卫星的PRN号及对应信号的码相位进行捕获处理。
与相关技术相比，本申请技术方案包括：根据导航接收机的卫星可见的关联信息，预估确定预设时长内的导航接收机的可见卫星；根据预估确定的预设时长内的导航接收机的可见卫星进行捕获处理。本发明实施例减少了冷启动时搜索卫星的个数，缩短了冷启动首次定位时间，提升了导航接收机的捕获效率。
本发明实施例还提供一种计算机存储介质，所述计算机存储介质中存储有计算机可执行指令，所述计算机可执行指令用于执行上述的方法。
以下通过应用示例对本发明实施例方法进行清楚详细的说明，应用示例仅用于陈述本发明，并不用于限定本发明的保护范围。
应用示例
全球卫星导航系统主要是依靠中圆轨道卫星(MEO)提供导航信息完成定位。每一个完整的卫星导航系统都有着一定数目的工作和备用MEO卫星，这些卫星按照预先的设计分布在不同的卫星轨道上。一旦确定轨道以后卫星会一直在其轨道中运行，轨道近似为圆形。同一个运行轨道中的不同卫星间存在着固定的夹角；例如，GPS的卫星星座中有24颗卫星(实际有30颗左右卫星在运行)，每个轨道4颗卫星，分布在6个轨道中，相邻两颗卫星间的夹角依次为30°,105°,120°，105°，和为360°。
地球表面导航接收机相对于卫星的运动，除了卫星本身的运动，还有地球自转带来的运动。对于同一个卫星导航系统，地球表面在同一区域内，一定时间间隔能看到相同的星座分布，该时间间隔称为星座分布重复周期，记作T0。根据卫星在轨道内的分布情况和卫星的运动情况，利用本地时间预测一个区域内导航接收机在定位时刻的星座分布。对系统的卫星轨道编号：1、2、…i；对每个轨道内卫星编号：1、2…j，当卫星的星座设计完成后，轨道i及其上对应的卫星都是确定的。这里的编号没有先后顺序，只是为了便于分析。首先，已知某时刻的解算信息，即解算时刻卫星的可见卫星及其信息，解算时刻的时间，作为参考时间(本地是时间即可)。该解算时间理论上据当前解算时间的长短没有限制，但两次时间记录的精度相同，即两时间差的绝对时间精确即可。将参考时间时的可见卫星分别于其所在轨道对应起来。卫星轨道平面与地球截面的分布如图3所示，导航接收机并不是在所有的轨道平面内，为便于分析将接收机的位置以地球表面投影到卫星轨道平面内，OR等于地球的半径，大圆O为卫星轨道，小圆O为地球在卫星轨道平面内的切面，1、2、3、4、j为轨道内的卫星，R为地球表面接收机；从图示所示，卫星1、2为可见卫星，根据卫星的运行规律，卫星1为即将消失的卫星，卫星3为即将出现的卫星。假设∠AOB为接收机R在卫星轨道内的观测角，即卫星在这个区域内视为可见卫星；∠AO1为驶出角度，旋转该角度后有一颗可见卫星使出观测角变为不可见卫星；∠BO3为驶入角度，旋转该角度后有一颗不可见卫星使入观测角变为可见卫星。
轨道的平均高度为h0，地球的平均半径为r0，则∠AOR通过式(4)得到，接收机观测角∠AOB＝2∠AOR。
根据卫星1在参考时间时的信息计算出接收机到卫星1的几何距离R1，则驶出角度∠AO1根据公式(5)计算为：
驶入角度∠BO3根据公式(6)计算为：
∠BO3＝∠2O3-[∠AOB-(∠AO1+∠1O2)] (6)
以导航接收机为参考点，卫星的运动主要有两部分组成卫星围绕地球旋转运动和地球自转。卫星在轨道上的运动角速度ns为：
其中，Ts为卫星运动周期。地球的自转角速度为n0。卫星的轨道平面与地球的赤道平面的夹角为θ，则相对接收机卫星的组合角速度nh根据式(8)求得为：
根据当前定位时的本地时间，计算出当前时间与参考时间的间隔Tint，即有Tint＝mT0+Tfrac，其中，Tfrac不到一周期的时间。由于每隔一个星座重复周期，同一区域内可见卫星及分布是相同的，则在预测时只考虑不满足一周期的时间即可。
根据图3分析预测，轨道i在当前定位时间时可见卫星。设同一轨道上的卫星旋转角速度相同，则Tfrac时间轨道内每颗卫星相对于接收机的旋转角度ΔΦ为：
ΔΦ＝nh*Tfrac (9)
如果ΔΦ＞max(∠AO1,∠BO3)，则轨道i上的可见卫星为卫星2，卫星3或者ΔΦ足够大，按照驶入方向和驶出方向最后出现在接收机观测角内的卫星；
如果ΔΦ＜min(∠AO1,∠BO3)，则轨道i上的可见卫星为卫星1，卫星2；
如果∠AO1＞∠BO3，且∠BO3＜ΔΦ＜∠AO1，则轨道i上的可见卫星为卫星1、卫星2、卫星3；
如果∠AO1＜∠BO3，且∠AO1＜ΔΦ＜∠BO3，则轨道i上的可见卫星为卫星2。
通过上述分析处理得到轨道i上在当前定位时的可见卫星。同样方式可以得到所有轨道上的当前定位时刻的可见卫星，即得到了导航接收机在当前定位时的所有可见卫星。当得到当前时刻接收机的可见卫星，即确定信道中含有那些卫星信号。这样就确定了将要捕获卫星的PRN号，及对应信号的码相位。根据式(1)、(2)、(3)，可知，通过上述示例处理减少了每颗卫星的搜索单元，减少了搜索的卫星数，在允许的时间内在每个搜索单元停留的时间增加。从而减低了接收机的捕获时间，提高了捕获灵敏度。操作流程图如下图
假设当前时间为2015年12月20号17时00分00秒，GPS星座中对于中国中部地区可见的卫星有：PRN号为1、7、8、9、11、16、23、26、27、30；对应的仰角(单位：度)分别为：18.5、43.0、79.4、33.0、40.0、26.3、25.1、6、49.7、12.8。经GPS官方提供的星位号对照可知，PRN号为16和30的两颗卫星同属一个卫星轨道。设PAN号为16的卫星为卫星1，PRN号为30的卫星为卫星2，两卫星所在的轨道为轨道2。星位号对照表可知，卫星1和卫星2在轨道平面上的夹角为30°，根据卫星运行的方向卫星1即将消失。设轨道2上即将出现的卫星为卫星3，另一卫星为卫星4，根据GPS同轨道卫星分布可知，卫星2与卫星3的夹角为105°，卫星3与卫星4的夹角为120°，卫星4与卫星1的夹角为105°。
本应用示例预测的系统卫星星座对应的导航接收机不是特定的位置，而是导航接收机所在的一定区域。如果接收机在该区域内相同的时刻，接收机的可见星都可按此方式预测。为了便于计算，以武汉作为观测点，坐标为(-2271601、5009143、3218833)。假设，GPS卫星的轨道平均高度为20200km，地球的平均半径为6378km，根据图(1)、式(4)，观测点的观测角为∠AOB＝2∠AOR＝152.23°；根据该时刻卫星的信息可知卫星1与接收机间的几何距离为22415901.76m。由图3的几何关系得∠1OR＝43.825°。由式(5)得驶出角为∠AO1＝32.290°；由式(6)得驶入角∠BO3＝15.060°。
GPS卫星运行周期为11时58分，则卫星的平均运行角速度为ns＝1.458×10-4rad/s。地球的自转角速度n0＝7.292×10-5rad/s。GPS卫星的轨道与赤道平面的夹角为θ＝55°由式(8)得组合角速度为nh＝1.19911×10-4rad/s。
预测与参考时间相隔1小时后的轨道2的可见卫星；由式(9)1小时轨道旋转的角度为ΔΦ＝24.7335°。将ΔΦ与驶入角与驶出角比较得∠BO3＜ΔΦ＜∠AO1,根据上文的分析可知，当前时间轨道2的可见卫星为卫星1、卫星2和卫星3，对应的PRN号分别为16、28和30。以此方式预测其他轨道卫星可得当前接收机可见卫星PRN号分别为：1、7、8、9、11、16、19、27、28、30。
2015年11月20号18时0分0秒时预估确定的导航接收机的可见卫星的PRN号为1、7、8、9、11、16、19、23、27、28、30。对比预测星座与实际星座两者相差一颗卫星，即PRN＝23的卫星。根据捕获到的卫星信息可知卫星PRN＝23的仰角为EL＝5.0°，由于仰角过小实际解算中应剔除。故该算法预测的可见卫星是可靠的。
本领域普通技术人员可以理解上述方法中的全部或部分步骤可通过程序来指令相关硬件(例如处理器)完成，所述程序可以存储于计算机可读存储介质中，如只读存储器、磁盘或光盘等。可选地，上述实施例的全部或部分步骤也可以使用一个或多个集成电路来实现。相应地，上述实施例中的每个模块/单元可以采用硬件的形式实现，例如通过集成电路来实现其相应功能，也可以采用软件功能模块的形式实现，例如通过处理器执行存储于存储器中的程序/指令来实现其相应功能。本发明不限制于任何特定形式的硬件和软件的结合。
虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容仅为便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式及细节上进行任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。
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