温热启动算法说明

冷启动 温启动和热启动算法冷启动 温启动和热启动算法 1 概述概述 卫星导航接收机的快速定位能力主要由首次定位时间 time to first fix TTFF 这项指 标决定 提高首次定位时间这项性能 无论是对于车载导航领域 还是导弹导航等军事领 域都具有很大的意义 因此 深入研究该技术就显得非常重要 在相同的卫星信号条件下 信号搜索范围的大小和首次定位所需时间的长短与接收机的启动方式有很大的关联 根据 接收机启动时所掌握的各种数据信息状况的不同 影响首次定位所需时间长短的接收机启 动方式通常可分成 3 种 1 冷启动 在冷启动时 接收机不知道当前的时间及其所处的位置 并且在存储器上 也没有保存任何有效的卫星星历和历书 因此 冷启动后的接收机只能处于盲捕状态 它 的首次定位时间最长 一般在 60 s 左右 2 温启动 指接收机含有有效的卫星历书信息 本地概略位置和概略时间信息 历书 是一种不精确的卫星位置表 可以得知当前时间 误差小于 5 min 当前位置 误差小 于 100 km 天空中卫星的概略分布状况 接收机可以大致确定三维搜索的范围 从而为信 号的快速捕获创造良好的条件 温启动的首次定位时间较短 一般在 45 s 左右 3 热启动 如果接收机不但具备温启动的条件 而且还保存着有效的星历 那么接收 机就可以进行热启动 热启动的首次定位时间一般为 12 s 甚至更短 热启动的基本思想 就是在比特同步的情况下 正确求得各颗卫星的准确发射时间 从而求得位置 冷启动 温启动和热启动的先验信息条件如表 1 所示 表表 1 各启各启动动模式数据要求模式数据要求 辅助信息冷启动温启动热启动 星历 历书 概略位置 概略时间 其中 表示信息有效 表示信息无效 卫星星历的有效期为两个小时 历书的有效期为一个月 概略位置是指上次定位的用户位置 当用户位置没有发生 10 公里 的移动时该位置视为有效 概略时间是指上次定位时本地接收时间 精确到毫秒级 2 总体流程总体流程 开始 冷启动 历书在1星期内 星历在30分钟内 是 温启动 热启动是 否 结束 计算开机时间与本地时间差 否 图 1 系统总体流程图 1 星历有效条件 上次定位时间与本地时间差小于 2 小时 但从定位精度来看 本地 时间与上次定位时间差要小于 30 分钟 才能满足精度要求 所以合成条件为小于 30 分钟 2 历书有效时间 历书时间应该小于 1 个星期才有效 3 本地时间表达 本地有一个基于纽扣电池的守时模块 时间分辨率可达毫秒级 因此 对概略位置 时间 历书 星历的有效性判断就有了时间基础参考 这里可能需要考虑 时间发散对算法的影响 4 开机本地时间计算方法 时间 上次定位精确时间 开机本地 RTC 整机断电后继续 保持时间 精确到秒的时间 5 存储设备需要保存上次定位的信息表 卫星 1定位位置星历参数信息历书参数信息 定位精确时间 卫星 2定位位置星历参数信息历书参数信息 卫星 2定位位置星历参数信息历书参数信息 3 温启动算法温启动算法 温启动算法的基本思想就是 在历书有效的情况下 根据本地时间 获得卫星位置 结合接收机概略位置 获得卫星的仰角 从而捕获仰角达到要求的卫星 流程如下 开始 从存储中读取第K颗星的上次定位结果 读取RTC 并计算本地时间 计算卫星的仰角 结束 否 根据本地时间 历书计算卫星位置 K 1 仰角大于10度 分配通道进行捕获 K K 1 是 否 所有星轮询完毕 是 定位解算 图 2 温启动流程图 其中 根据时间和历书算卫星坐标参看专门文献 4 热启动算法热启动算法 热启动的核心算法思想就是快速获得卫星发射的准确时间 在比特同步后 帧同步前 完成发射时刻的确定 1 热启动本地时间计算方法 时间计算时刻为某颗星的比特同步标志为 1 CCBF 中 B 1 时间 上次定位精确时间 本地 RTC 整机断电后继续保持时间 精确到秒的时间 开机后精确到亚毫秒的本地计时器 2 算法描述 设 GNSS 信号 1 比特时间为 设某颗卫星的比特同步标志为 1 时 接收机时间为 bit T 此时接收机收到卫星的信息是通过空间传播时间前卫星发射的 设此时卫星时间为 u TT 则 s T su TTT 可由 RTC 和其他先验信息 求得 只要求得 卫星发射时刻即可求得 由整 u TT T 数个和小数个组成 设整数部分为个 小数部分为 则 bit T bit T int n bit T frac T intbitfrac Tn TT 其中 码同步后 则可求得 则问题就归结为求 frac T int n 根据星历信息和某颗卫星比特同步时本地时间 单位为毫秒 和星历参数 获 u T 得卫星在此时的坐标 结合此时本地概略坐标 得出此时的某颗星 sss xy z uuu xyz 的伪距 则卫星的发射时刻为 222 isususu xxyyzz sui TTc 所以 所以再计算 所以修正后的卫星发 int 10 sfracbit nceil TTT intbitfrac Tn TT 射时刻为 利用热启动的方式进行定位 具体流程图为 su TTT 开始 从存储中读取第K颗星的上次用户坐标 根据卫星坐标与用户坐标计 算伪距 根据伪距计算整比特个数 结束 从信号处理寄存器获取比特内时间 K 1 计算修正后的卫星发射时刻 K K 1 否 所有星轮询完毕 读取K颗星比特同步标志 并 计算此时接收