CN101067653A - 冷启动卫星搜寻方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种在冷启动状态下搜寻卫星的方法。所述方法首先搜寻一预定的或随机选取的卫星作为第一卫星。然后，根据所述第一卫星的搜寻结果(“命中”或“漏失”)以及所述第一卫星与其它卫星之间的相互关系选择一待搜寻的第二卫星。实际上是提供一初始权重因子表，于搜寻期间，依据搜寻结果以及卫星之间的相互关系对所述初始权重因子表进行更新。本发明所提供的方法可以缩短首次定位时间(TTFF)，从而提供快速的冷启动卫星定位。

Description

冷启动卫星搜寻方法

技术领域

本发明有关于卫星通讯领域中的卫星搜寻方法，尤指一种能够优化冷启动卫星搜寻并改进首次定位时间(time-to-fist-fix，TTFF)的卫星搜寻方法。

背景技术

卫星定位技术被广泛地应用于各个领域。在卫星通讯系统中，例如全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System，GNSS)中，冷启动状态的含义指没有可利用的信息，如接收器位置、观察时间、卫星轨道信息(如卫星星历信息(almanac)或卫星精确轨道信息(ephemeris))。因此，也无法得知一可见卫星的识别码(ID)。除了卫星识别码之外，由卫星相对于使用者的运动状态决定的都卜勒(Doppler)频率也无法获知。如果上述系统采用分码多重存取(CDMA)讯号，以全球定位系统(Global Positioning System，GPS)为例，那么，亦需要获知卫星所使用的伪随机噪声(PRN)码的码相位以对卫星进行追踪。如上所述，卫星讯号的特性可以由如下变量决定：卫星ID、都卜勒频率，以及PRN码相位。

定位一个三维位置，至少需要使用四颗卫星。所需的首次定位时间(TTFF)取决于能够找到四颗可见卫星的时间。举例来说，从地面上可能能够观察到多达十二颗GPS卫星。那么，传统上，所有可能的卫星都会被依序搜寻，以便找到可见卫星。另外，每颗卫星的都卜勒频率和PRN码相位都是未知的。因而，需要花费大量的时间去尝试所有可能的值，以判定卫星的存在。

通常，接收器通过关联性分析来搜寻可见卫星。关联性分析需要考虑到卫星ID(例如，全球定位系统(GPS)、伽利略(Galileo)、广域扩增系统(WAAS)、同步卫星导航覆盖服务(EGNOS)、行动服务自动化系统(MSAS)等系统的卫星)、码相位，以及都卜勒频率。此外，可利用序列及并行搜寻。例如，如果接收器具备四份可用关联器(Correlator)的话，可以同时搜寻四颗不同的卫星。为了搜寻一颗卫星，所有可能的码相位和都卜普勒频率都应被扫描。

此处以一数值范例来说明。对于一接收器来说，假设可见GPS卫星以表列方式表示为{5，9，14，15，18，21，22，26，29，30}，所述接收器可利用一个关联器和十个关联器以分别搜寻并追踪卫星。扫描时间Ts定义为扫描可能的都卜勒频率和码相位全部范围所需的时间。如果一候选卫星为不可见，则一关联器在经历Ts搜寻时间之后会漏失(miss)所述卫星。另一方面，关联器会在经历平均为1/2Ts的搜寻时间之后命中(hit)一可见卫星。再者，假设数据解调位错误率为零。则在命中第一颗卫星之后需要750秒的时间来接收卫星星历信息(almanac)。在一颗卫星被命中后，平均还需要27.6秒的时间去接收所述卫星的卫星精确轨道信息(ephemeris)。采用GPS L1C/A码讯号的接收器的扫描时间Ts可以被计算出来。GPS L1C/A码讯号的每个码周期具有1023个码片(chip)。如果获取(acquisition)过程中码关联性的码分辨率为1/2码片，则码相位的不确定范围大小为2046。通常，接收器中使用相干(coherent)和非相干(incoherent)积分的结合，以增加获取的灵敏度。因此，一组特定备选的都卜勒频率和码相位的关联性周期(以ΔT表示)是相干时间(以Tc表示)与非相干计数(以Ti表示)的乘积。更进一步，都卜勒频率分辨率dF一般被设定为1/Tc，整个都卜勒范围以ΔF表示。基于上述假设，扫描时间Ts可以根据下述公式(1)计算出来：

$T_s=2046\×\frac{\mathrm{\ΔF}}{\mathrm{dF}}\×\mathrm{\ΔT}$

$=2046\×\frac{\mathrm{\ΔF}}{\frac{1}{T_C}}\×(T_i\×T_C)$

$=2046\×\mathrm{\ΔF}\×T_i\×{T_C}^2$

                                          (1)

如果接收器使用1毫秒的Tc以实行相干积分，并且没有使用非相干积分，亦即Ti等于1，那么，扫描一10千赫兹(kHz)的都卜勒范围所需的扫描时间Ts为20.46秒。需要找到四颗卫星才能达成第一个位置点定位。假设一GPS卫星的连续搜寻顺序为1、2、......、32，则在可见卫星表列中的5、9、14和15号卫星会被依次命中。下表1示出了依序搜寻的结果。

卫星识别码	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15	16
																	所需时间(以Ts表示)	1	2	3	4	4.5	5.5	6.5	7.5	8	9	10	11	12	12.5	13	14
命中卫星数目	0	0	0	0	1	0	0	0	2	0	0	0	0	3	4	0
																	卫星识别码	17	18	19	20	21	22	23	24	25	26	27	28	29	30
所需时间(以Ts表示)	15	15.5	16.5	17.5	18	18.5	19.5	20.5	21.5	22	23	24	24.5	25
																	命中卫星数目	0	5	0	0	6	7	0	0	0	8	0	0	9	10

                  表1  依序搜寻卫星的命中结果

每颗卫星的可见度可以根据同一固定位置在不同时间点的观察统计结果得出。图3显示一特定位置的观察时间取样点的范例。例如，在图3中的观察时间取样点“8”，可观察到的可见卫星为SV5、9、14、15、18、21、22、26、29和30。

从表1中可见，依序搜寻方案需要花费4.5Ts(＝110.07秒)的时间达成首次命中(卫星5被命中)，并需要花费13Ts+27.6＝345.58秒的时间来达成首次定位(卫星5、9、14和15被命中，且收集卫星15之精确轨道信息需要27.6秒)。为了找到可见卫星表列中的所有卫星，需要的时间为25Ts(611.5秒)。这些时间的长度不如人意地过长。因此，需要提供一种缩短寻找可见卫星所需时间的方案。

发明内容

为解决先前技术中冷启动状态下卫星定位时间长的问题，本发明的目的是提供一种在冷启动状态下搜寻卫星的方法，通过所述方法，卫星的首次定位时间(TTFF)可以缩短至较短时间，以提供快速的冷启动卫星定位。

根据本发明在全球导航卫星系统(GNSS)中搜寻多颗卫星之一方法，首先搜寻第一卫星，所述卫星可以是预先设定的或随机选择的。然后，根据第一卫星的搜寻结果(命中(hit)或漏失(miss))以及第一卫星分别与其它卫星之间的相互关系，选择待搜寻的第二卫星。当某一颗卫星被找到，其余卫星搜寻的优先次序即会根据搜寻结果进行更新。根据更新后的卫星搜寻的优先次序，选取下一颗最有可能存在的卫星以搜寻。

本发明在全球导航卫星系统(GNSS)中搜寻多颗卫星的另一所述方法包如下步骤：搜寻候选卫星表列中的第一卫星；根据所述第一卫星之搜寻结果更新卫星的初始权重因子；根据更新后的权重因子选择第二卫星；搜寻所述第二卫星；以及根据第二卫星的搜寻结果更新卫星的权重因子。

相较于先前技术，本发明提供的搜寻卫星方法可以通过根据搜寻到的卫星以及搜寻到的卫星与其它卫星间的相互关系，例如，权重因子，将卫星的首次定位时间(TTFF)缩短至较短时间，以提供快速的冷启动卫星定位。

附图说明

图1(包括图1A及图1B)为根据本发明一实施例的冷启动卫星搜寻方法的流程图。

图2(包括图2A及图2B)为显示本发明中所使用的条件可见度表的一范例。

图3显示现有技术针对一固定位置，在不同观察时间取样点观察到的卫星可见度观察结果的范例。

具体实施方式

以下将阐述本发明的详细实施例。

根据本发明，一冷启动卫星的搜寻是从一候选卫星表列中搜寻一预定的或随机选取的第一卫星开始，所述表列中记录了所有或预定部分的可用卫星。另需预先提供一初始权重因子表，表中的初始权重因子在每当一颗卫星被搜寻之后便会被更新。所述等初始权重因子用于决定哪颗卫星具有最高的可见机率。举例来说，如果候选卫星表列中包括SV1、SV2、......、SV32等卫星，并且被搜寻过的卫星为SV1，那么，卫星SV2至SV32更新后的权重因子用以选择下一颗待搜寻的卫星。权重因子可以根据两颗卫星之间的任何相互关系来进行更新。在本实施例中，权重因子根据条件可见度进行更新。所谓条件可见度指如果一特定卫星为可见，另一颗卫星亦为可见的条件机率。下表2示出了卫星SV1的条件可见度的范例。其余卫星的情况可依此类推。关于此点的详细内容请见随后的描述。

SVi	1	14	25	20	11	16	22	3	30	19	23	15	6	5	24	18
																	Vi|1	1	0.59	0.56	0.17	0.06	0.05	0.04	0.04	0	-0.04	-0.05	-0.16	-0.17	-0.19	-0.25	-0.33
SV1	9	21	13	4	7	2	28	27	8	10	26	29	12	17	31	32
																	Vi|1	-0.34	-0.36	-0.47	-0.51	-0.53	-0.64	-0.65	-0.68	-0.90	-0.92	-0.94	-1	-1	-1	-1	-1

                      表2  卫星SV1的条件可见度

假设天上共有32颗可能的卫星，可以为每一卫星定义一随机变量X_i，以表示其可见与否，即

随机变量X_i取决于接收器的位置、观察时间以及卫星位置。如果卫星星历信息(almanac)可以事先获知，则可以计算出每一组可能的接收器位置r与观察时间t的随机变量值X_i(r，t)。例如，将24小时划分为96个时间点(即每15分钟为一个时间点)，并且像WAAS IGP格点定义的一样，将地球表面划分为1808个区域。然后，计算出接收器位置r和观察时间t的全部96×1808个可能的组合X_i。最后，X_i(i＝1，2，......，32)的总体平均值E[X_i]可以根据公式(3)计算得出

$E\left[X_i\right]=\underset{j=1}{\overset{1808}{\mathrm{\Σ}}}\underset{k=1}{\overset{96}{\mathrm{\Σ}}}{X}_i(r_j,t_k)---\left(3\right)$

应注意，总体平均值E[X_i]可以解释为卫星SVi可见的机率，即，E[X_i]等于1×Pr[SVi为可见](根据公式(2))。

如果一卫星在某一位置和时间点上是可见的，则可以判断在此情形下哪颗卫星也是可见的。因此，可以定义如下的条件随机变量，其中，i、j＝1，2，......，32

X_j|i的平均值可以用于指示两颗卫星之间的相互关系，因为E[X_j|i]等于当卫星SV_i可见时SV_j可见的条件机率。因此，可以参照与计算E[X_i]相同的方法，计算出X_j|I的总体平均值。

在此情况下，卫星SVi的可见度定义为X_i的平均值，参见如下公式：

                 V_i＝E[X_i]                           (5)

当一卫星为可见，则与所述卫星关联的其它卫星的条件可见度取决于其亦为可见的机率。根据本发明实施例，当一卫星被判断为可见或不可见后，可见度最高的卫星会最先被搜寻，可见度最低的卫星会最后被搜寻，甚至不被搜寻。此外，在更多的卫星被搜寻之后，关于哪颗卫星为可见卫星的判断会更加准确。

假设卫星SV_i可见时卫星SV_j可见的条件可见度V_j|i取决于V_j|i的平均值，参照如下公式：

其中，所述值经过正规化以使最高关联度为“1”，最低关联度为“-1”。

其它卫星关于卫星SV1的条件可见度的范例已显示于表2。在本例中，假设卫星SV12、17、31及32不广播，因而，所述等卫星相关于任一卫星的条件可见度总为-1。所述四颗卫星SV12、17、31及32在本例中将不再被讨论。可以看出，卫星SV1与卫星SV29互斥。卫星SV14及SV25与卫星SV1的关联度最高，卫星SV8、SV10及SV26与卫星SV1的关联度相当低。

在一实施例中，初始权重因子表中的初始权重因子W_i(i＝1，2，......，32)都设定为“0”。当某一卫星如SVi被搜寻到且被判断为可见或不可见之后，权重因子W_j(j＝1，2，......，i-1，i+1，......，32)将分别根据条件可见度V_j|i被更新。

在候选卫星表列中包含32颗卫星的情况下，可储存一32×32条件可见度数组。换言之，所有卫星相对于每一卫星的条件可见度都被记录下来。然而，实际上，没有必要储存相对于某一特定卫星的所有卫星的条件可见度Vj|i。较佳而言，只需储存与一特定卫星的关联度最高的两颗卫星及关联度最低的两颗卫星的条件可见度即可。例如，对于卫星SV1而言，只记录卫星SV14、25、26及29的条件可见度即可。因此，储存所有的条件可见度只需一32×4数组。在此例中，数组的大小可以依照所需从32×1至32×32变化。

在本实施例中，最先被搜寻的第一卫星预定为SV1。然而，可以将任何一颗可能的卫星设定为第一卫星。欲搜寻的第一卫星也可以随机选取。在第一卫星被搜寻之后，初始权重因子表即根据所述第一卫星(本实施例中为SV1)的搜寻结果进行更新。如果卫星SV1被命中，则其它卫星SV2至SV32的权重因子都要根据其相对于第一卫星SV1的条件可见度进行增加，即W_j＝W_j+V_j|i，其中j＝2，3，......，32。反之，如果第一卫星SV1被漏失，则其它卫星的权重因子要被减小，即W_j＝W_j-V_j|i，其中j＝2，3，......，32。然后，根据更新后的权重因子表选择接下来要被搜寻的第二卫星。例如，具有最高权重因子的卫星被选择加以搜寻。接下来搜寻的卫星依据同样方式进行选择。

下面将结合图1对本发明所提供方法的实施例进行详细阐述。

本发明卫星搜寻方法起始于一冷启动状态(步骤S100)。步骤S110，初始化一候选卫星表列CandList，例如初始化为{1，2，......，32}，以搜寻GPS卫星。步骤S120，初始化一权重因子表，其中将所有卫星的权重因子均设定为0，即W_i＝0，i＝1，2，......，32。通常，一接收器中包含数个关联器，用以搜寻并追踪卫星。在一实施例中，从步骤S130中所指定的第一关联器开始，以轮换(round robin)方式检查并控制每一关联器。于步骤S140，判断当前关联器是否空闲，空闲的含义系指所述关联器当前并未进行卫星搜寻或追踪。若当前关联器空闲，则于步骤S150判断是否有卫星星历信息(almanac)以及位置/时间确定信息可供使用。若有所述些信息可用，流程转至步骤S160进行热启动，并且根据可用信息选择一颗候选卫星；否则，流程进入步骤S200，从候选卫星表列CandList中选择并移除权重因子最高的一颗卫星的识别码(ID)。在本实施例中，采用轮换方式对卫星进行搜寻。换言之，在一个循环中，所有卫星都只被搜寻一次。接着在步骤S210检查表列CandList。表列中所包含的余下的卫星作为当前循环中待搜寻的卫星。若表列为空，则当前循环结束，下一循环开始，以搜寻未获取的卫星。因此，在步骤S220中，重新分配候选卫星，将被移除的未被命中的卫星重新列入候选卫星表列。在步骤S230中，分配当前空闲的关联器以搜寻选定的候选卫星。在步骤S240中，选择下一关联器。于步骤S140，若当前关联器不空闲，则意味着其正在进行卫星搜寻。则分别于步骤S170和S175检查卫星搜寻结果是命中还是漏失。如果所述关联器没完成搜寻，则进入步骤S240，选择下一关联器。在一关联器完成对某一卫星的搜寻之后，会发出表示所述卫星是被命中还是漏失的搜寻结果。如果所述卫星被漏失，则将其它卫星的权重因子减去各量值，所述等量值由步骤S180中的条件可见度所决定。在另一实施例中，要对包含所述被搜寻过的卫星本身在内的所有卫星的权重因子均进行更新。然后，当前关联器用以搜寻下一颗卫星，流程进入步骤S200，以选择另一颗卫星进行搜寻。应该注意的是，在步骤S180中，权重因子已被更新，因而可以从候选卫星表列中选择出权重因子最高也就是最可能被观察到的一颗卫星。

如果发现当前关联器命中一颗卫星，则在步骤S190中，程序会根据其它卫星相对于命中的所述卫星的条件可见度来增加其它卫星的权重因子。在一实施例中，被命中的所述卫星本身的权重因子不做更新。在另一实施例中，被命中的所述卫星本分的权重因子亦进行更新。当前关联器用于追踪被命中的卫星，流程直接进行至步骤S240以处理下一关联器。

以下将以与先前技术中相同的数值为例来阐述本发明所提供的方法的优点。所有的假设也都与先前技术中的相同。本例中所使用的条件可见度表如图2所示。假设可见卫星为SV5、9、14、15、18、21、22、26、29及30。卫星SV12、17、31及32不广播，因此在这里不作考虑。若步骤S200中的搜寻从卫星SV1开始，则搜寻结果应为“漏失”。应注意，卫星SV1被搜寻之后，其将从表列中被移除。于步骤S180，所有卫星的初始权重因子(本例中为0)都被减去其各自(SV2至SV32)相对于卫星SV1的条件可见度(参见表2)。可以看出，被更新后的权重因子表中，卫星SV29的权重因子最高，为1。因此，于步骤S200，卫星SV29将被选作下一颗待搜寻的卫星。因为卫星SV29为可见卫星，因此其搜寻结果应为“命中”。然后，根据步骤S190，其它卫星的权重因子将被增加其各自相对于卫星SV29的条件可见度。之后，重复步骤S200，具有最高权重因子的卫星将被选择出来。本例中为卫星SV26。同理，卫星SV10、8、18、9、22、15、21、5、30、6及14将依序被搜寻，如下表3所示。

SV	1	29	26	10	8	18	9	22	15	21	5	30	6	14
															所需时间(以Ts表示)	1	1.5	2	3	4	4.5	5	5.5	6	6.5	7	7.5	8.5	9
被命中	0	1	1	0	0	1	1	1	1	1	1	1	0	1

(在“被命中”一行中，“0”表示“漏失”，“1”表示“命中”)

                表3  依照本发明方法所决定之卫星搜寻顺序

与先前技术中所描述的依序搜寻范例类似，搜寻各卫星的整个都卜勒及码相位的不确定范围需要时间Ts。若一候选卫星不可见，则关联器在经历搜寻时间Ts之后漏失所述卫星。若一候选卫星可见，则关联器在经历平均搜寻时间1/2Ts之后命中所述卫星。又，假设数据解调位错误率为0。那么，首颗卫星被命中之后接收到卫星星历信息需要750秒，在命中后接收到精准轨道信息需要27.6秒。从表3中可以看出，首次命中时间(即卫星SV29被命中之时间)为1.5Ts(＝30.69秒)。首次定位时间(即前四颗卫星SV29、26、18及9均被命中之时间)大约为5Ts+27.6＝129.9秒。此外，找到所有可见卫星的时间为9Ts(＝184.14秒)。与先前技术所述的依序卫星搜寻方案相比，本发明所提供的搜寻方法仅需要原来1/3的时间。

从上述说明及范例中可以看出，根据本发明所提供的搜寻方法，尤其是在冷启动状态下，首次命中时间、首次定位时间，以及找到所有可见卫星的时间均可大大缩短。

Claims (27)

1.一种在全球导航卫星系统中搜寻多颗卫星的方法，所述方法应用于冷启动状态，其包含如下步骤：

搜寻一先前卫星；以及

根据所述先前卫星的搜寻结果以及所述先前卫星与其它卫星之间的相互关系，选择下一颗待搜寻的卫星。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述方法还包括重复所述最后步骤，直到找到预定数量的卫星的步骤。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述方法还包括：

分别为每颗卫星设定初始权重因子；以及

根据所述先前卫星的搜寻结果更新所述等初始权重因子，

其中，所述下一颗待搜寻的卫星根据更新后的权重因子进行选择。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：卫星的权重因子根据各卫星之间的相互关系进行更新。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：卫星的初始权重因子根据各卫星之间的关联条件可见度进行更新。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：对各卫星而言，所述关联条件可见度包括所有卫星相对于所述先前卫星的关联条件可见度。

7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：对各卫星而言，所述关联条件可见度包括具有相对于所述先前卫星的较高关联度的预定数量卫星的关联条件可见度。

8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：各卫星的条件可见度包括具有相对于所述卫星的最高关联度的卫星的关联条件可见度。

9.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：所述关联条件可见度包括相对于每一卫星的所有卫星的关联条件可见度。

10.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：所述卫星的初始权重因子是根据需要设定的。

11.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：所述权重因子储存于一权重因子表中。

12.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：当一卫星被搜寻之后，即从候选卫星表列中移除所述卫星。

13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于：当所述候选卫星表列为空后，即将被移除的未被命中的卫星重新列入候选卫星表列。

14.一种在全球导航卫星系统中搜寻多颗卫星的方法，所述方法包括如下步骤：

搜寻候选卫星表列中的第一卫星；

根据所述第一卫星的搜寻结果更新卫星的初始权重因子；

根据更新后的权重因子选择一第二卫星；

搜寻所述第二卫星；以及

根据所述第二卫星的搜寻结果更新卫星的权重因子。

15.根据权利要求14所述的方法，更包括：重复所述最后三个步骤，直至找到预定数量的卫星。

16.根据权利要求14所述的方法，其特征在于：所述卫星的初始权重因子根据各卫星之间的相互关系进行更新。

17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于：所述初始权重因子根据各卫星之间的关联条件可见度进行更新。

18.根据权利要求17所述的方法，其特征在于：对各卫星而言，所述关联条件可见度包括所有卫星相对于所述卫星的关联条件可见度。

19.根据权利要求17所述的方法，其特征在于：对各卫星而言，所述关联条件可见度包括具有相对于所述卫星的较高关联度的预定数量卫星的关联条件可见度。

20.根据权利要求17所述的方法，其特征在于：各卫星的条件可见度包括具有相对于所述卫星的最高关联度的卫星的关联条件可见度。

21.根据权利要求17所述的方法，其特征在于：所述关联条件可见度包括所有卫星相对于每一卫星的关联条件可见度。

22.根据权利要求14所述的方法，其特征在于：所述初始权重因子是根据需要设定的。

23.根据权利要求14所述的方法，其特征在于：所述权重因子储存于一权重因子表中。

24.根据权利要求14所述的方法，其特征在于：在更新步骤中，被搜寻的卫星的权重因子不作更新。

25.根据权利要求14所述的方法，其特征在于：在更新步骤中，被搜寻的卫星的权重因子亦作更新。

26.根据权利要求14所述的方法，其特征在于：当一卫星被搜寻之后，即从候选卫星表列中移除所述卫星。

27.根据权利要求26所述的方法，其特征在于：当候选卫星表列为空后，即将被移除的未被命中的卫星重新列入候选卫星表列。

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