一种GPS定位实时选星改进算法研究

　　1　引言

　　随着GPS定位技术的发展,用户对系统动态实时定位的要求也越来越高。对于GPS定位技术来说,需要GPS接收机在全空域范围内搜索并选择定位时使用的GPS卫星。通　　常这种搜索需要很长的时间,所以不能满足快速移动定位的需要。因此,如何改善选择定位卫星星座是改善GPS实时性中的关键。

　　如何选用定位星座,通常利用几何精度定位因子GDOP来确定,即定位星座是由使GDOP值最小的GPS卫星组成的[1]。为了实现最好的定位效果,必须对空间卫星进行选择,得到使GDOP值最小的最佳定位星座组合。现有的选择最小几何精度因子GDOP值的方法有以下两种:①根据用户概略坐标和卫星位置坐标,对所有可能观测的卫星求各种组合的几何精度因子GDOP值,从中选择GDOP最小的卫星组进行观测定位[2]。②按卫星的几何图形选星,这是一种近似的方法。选择四颗星组成的四面体体积最大的,即星座图形最佳。以上这两种选择最佳星座算法的计算量较大,计算的时间较长,系统实时性较差。

　　本文在MATLAB软件中实现了对GPS星座运行参数的实时解算,在此基础上通过可见性的判断,得到任意观测点上空的可见卫星,并且通过首先确定仰角最大星的方法实现了最佳定位效果的星座选择。通过仿真证明该方法在保证精度的前提下,有效地缩减了选星延迟。

　　2　GPS星座的仿真

　　卫星星座由21+3颗导航卫星组成。卫星位于互成60°的6个椭圆形地心轨道平面内,轨道倾角55°[1][6],每个轨道上布设4颗卫星。

　　在仿真中,仅考虑地球的引力对卫星的作用,而且还假设地球是一个质量均匀分布的球体,其质量集中于地球中心。本文在数据处理中没有考虑卫星在各时刻的摄动变化量,所以不能仿真高精度的轨道数据。但是为反映卫星的运动状态,使用电文中的历书数据作为计算的初始值,此仿真精度是足够的。采用UTC(USNO)1993年7月1日0时的历元时刻的卫星参数为仿真起点,此时的卫星参数如图1所示,利用MATLAB的数据处理及仿真功能,通过编程可以实现对GPS星座运行的实时解算,并输出卫星三维轨迹图,如图2所示。建模过程中,卫星椭圆轨道的长半轴a取26560米,椭圆偏心率e取0. 02[3]。从图中可以形象地看出GPS卫星星座的空间分布及运动情况。

　　图2　GPS卫星星座

　　3　绝对定位的原理

　　由于接收机测量的是伪距,在观测值中存在着接收机钟差,加之测量点的三维坐标为待求值,一共有4个未知数。要求解出这四个未知数,必须有4个方程式。为此,要实现单点绝对定位必须同时观测4个卫星,组成定位的基本方程[2]。

　　设用户的三围坐标位置为(xu, yu, zu),偏移量为tu,则测量方程组为: