計算機軟件及應用一種導航接收機啟動策略的優化方案

摘要：首次定位時間（TTFF）是導航接收機快速定位能力的重要指標之一，而首次定位時間和導航接收機的冷、溫、熱啟動策略密切相關。基于我國自主研發的北斗衛星導航系統（BDS），根據其特點，提出一種優化啟動策略。該啟動策略充分利用接收機的硬件資源，合理分配使用各個通道進行衛星信號的搜索，更加充分的使用已知信息，縮小接收機搜索范圍和增加捕獲衛星信號的成功率。實驗結果說明該啟動策略可有效縮短導航接收機的首次定位時間。

關鍵詞：首次定位時間；冷啟動；溫啟動；熱啟動；BDS

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A

1引言北斗衛星導航系統[1]是我國具有自主知識產權、全天候、全天時全球衛星導航系統，除了具備美國的GPS、俄羅斯的GLONASS、歐盟的Galileo系統定位、授時功能外，還具備短消息通信功能。這是北斗系統所特有的功能。目前，北斗系統已經具備為整個亞太地區提供正式服務的能力。衛星導航的定位功能是派生用戶使用功能的基礎功能，縮短衛星導航接收機首次定位時間（Time To First Fix，TTFF）是提高用戶體驗指標的一個重要環節。目前國內使用的大多是GPS導航接收機，它的首次定位時間一般為：冷啟動模式基本沒有可用信息，啟動過程為數分鐘；溫啟動為45s左右；熱啟動為9s左右[2]。本文基于北斗導航系統，分析了首次定位的啟動原理，結合北斗導航接收機，提出了一種縮短首次定位時間新的策略，并在北斗導航接收機上進行了實驗，實驗結果表明，該方法縮短了用戶機的首次定位時間。

2常規啟動策略原理與不足

首次定位時間是指導航接收機從上電到輸出首次定位結果的時間差。一般導航接收機啟動分為三種：冷啟動，溫啟動和熱啟動。

冷啟動是指衛星導航接收機開機時，在沒有任何可利用信息，滿天搜星，實現對衛星的捕獲和跟蹤。由于冷啟動時沒有任何先驗信息可利用，因此，常規冷啟動的首次定位時間可能需要數分鐘。

溫啟動是指星歷信息失效，但歷書、精確時間和接收機的位置都有效時采用的啟動方式。在溫啟動狀態下， 通過歷書計算可以獲得當前時刻所有衛星的概略位置。這樣就可以使衛星接收機在搜索衛星時做到有的放矢，縮短捕獲衛星信號的時間。常規溫啟動的首次定位時間一般為45s左右。

熱啟動是指接收機重啟時間間隔很短時，此時星歷、歷書、精確時間和接收機的位置都有效，在這些先驗信息基礎上，可預測載波多普勒，PN碼碼相位，從而實現衛星的快速捕獲跟蹤，加上有效星歷信息，就可解算用戶位置。常規熱啟動的首次定位時間一般為9s左右，甚至更短。

冷啟動、溫啟動和熱啟動的先驗信息條件如表1所示。其中，“√”表示必要條件，“-”表示信息無效。

但是常規啟動策略在實施過程中也存在以下幾個問題：

第一，如果前一種啟動方式失敗（捕獲衛星數不足4顆），將必然增加后一種啟動方式的首次定位時間。

第二，通道數利用不足。常規熱、溫啟動捕獲和跟蹤的衛星可能只有4-6顆，而一般導航接收機的通道數量為12以上，大量的通道資源被浪費。

第三，三種啟動模式之間的相關性利用不夠。

3啟動策略優化

針對常規啟動的不足，充分利用硬件和信息資源，在保持其原有定位精度的基礎上，為減少首次定位時間，對啟動策略進行優化。

熱啟動和溫啟動之所以能縮短首次定位時間是因為能利用已知信息讓接收機的各通道優先搜索那些捕獲成功率高的衛星。如果根據衛星的捕獲成功率將所有的衛星進行分級，使接收機的所有通道根據衛星的優先級別依次搜索，可充分利用通道資源。對衛星進行分級是該思路的關鍵。

3.1通過星歷和載噪比分級

最優先搜索的一類衛星是具有有效星歷的衛星。在這些衛星中，可以根據載噪比估計值來選擇衛星進行捕獲，因為載噪比是判定導航衛星信號質量的一個重要參考信息[4][5]。上次定位時的載噪比估計值可以儲存在接收機的Flash中，供下次搜索使用。本課題組采用寬窄帶載噪比估計法計算載噪比估值。載噪比估計值的具體處理流程如圖2所示。

（2）無輔助信息時，優先捕獲GEO衛星、IGSO衛星次之、最后是MEO衛星。5GEO+5IGSO衛星星座的組合是BDS系統專門為中國及周邊區域服務的星座。

（3）一旦導航接收機啟動，無論是否有足夠的輔助信息，所有搜索通道將根據建立的衛星信息優先級別依次搜索衛星信號，充分利用通道資源。

（4）優先捕獲載噪比高的衛星和仰角在40°附近的衛星，衛星信號更可靠。

4實驗結果

作者所在課題組研制了BDS用戶接收機。該接收機基于FPGA+ARM體系結構，硬件實物圖如圖5、圖6所示。

圖7描述的是實物對應的硬件框圖。嵌入式處理器（ARM）主要實現導航電文的解析，PVT計算和信號處理模塊的調度。FPGA主要完成信號的解調解擴和導航電文子幀格式的形成。系統還包括ARM和FPGA各自的FLASH存儲器，主要實現ARM、FPGA程序和相關參數的存儲。RTC模塊提供秒級精度的本地時間。

星歷、歷書無效時，TTFF平均時間為41.9秒，一般的GPS模塊冷啟動時間為1分鐘左右。可以看出與一般GPS接收機相比，實驗BDS接收機冷啟動時間明顯減少。這是因為首先BDS系統在服務的衛星數為14顆，而GPS為30顆，盲搜的范圍較GPS少；其次該BDS接收機優先搜索GEO衛星，實驗地區長沙緯度不高，捕獲成功率高。

有歷書輔助定位時，TTFF平均時間為32.1秒，一般的GPS模塊，溫啟動時間為38秒左右，有較小提升。說明選取仰角40°附近的衛星優先進行搜索，捕獲成功率更高，可有效減少首次定位時間。

歷書、星歷均有效時，TTFF時間是7.1秒，一般的GPS模塊，熱啟動時間為9秒，有較少提高。該7-8秒時間主要是比特同步、子幀同步、定位解算所消耗的時間。

從上述實驗結果可以看出，本文的啟動策略相對于傳統啟動策略有一定的改進。

5結論

本文提出的新啟動策略是根據BDS系統的特點，針對于我國及周邊范圍區域定位服務，提出的一種優化啟動策略。該啟動策略充分使用了接收機的硬件資源，合理分配使用各個通道進行衛星信號的搜索。同時利用傳統冷、熱、溫啟動之間的相關性，更加充分的利用已知信息，縮小接收機搜索范圍和增加捕獲衛星信號的成功率。實驗結果說明該啟動策略可有效的縮短導航接收機，尤其是北斗導航接收機的首次定位時間。

參考文獻

[1]楊鑫春，李征航，吳云.北斗衛星導航系統的星座及XPL性能分析[J].測繪學報，2011，40：68-72.

[2]秦奮.GPS接收機快速定位技術的研究與應用[D].東南大學，2009.3.

[3]王夢麗，陳華明，王飛雪.GPS歷書數據的有效齡期[J].遙測遙控，2007，（03）：12-26.

[4]Sharawi M S，Akos D M，Aloi D N.GPSC/N0estimationin the presence of interference and limited quantization levels. IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems，2007，43（1）：227-238.

[5]Alireza Pazavi，Demoz Gebre-Egziabher，Dennis M Akos. Carrier Loop Architectures for Tracking Weak GPS Signals. IEEE Transactions on Aerospace and Electronic System，2008，44（02）：697-710.