本發(fā)明涉及一種北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)優(yōu)選方法，屬于衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)快速選星方法。

背景技術(shù)：

全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)已經(jīng)成為了國家非常重要的信息基礎(chǔ)設(shè)施，在某些重要領(lǐng)域如依賴國外衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，一旦出現(xiàn)緊急情況或重大利益沖突，整個(gè)國家的國防軍事以及社會(huì)經(jīng)濟(jì)安全都將受到威脅，這對國家利益的影響將是慘重的。因此，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。它的誕生，使得我國在一些特殊的場合不再受制于國外衛(wèi)星系統(tǒng)，無論在軍事戰(zhàn)略還是日常生活中都對我國具有非常重大的意義。

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是我國自主研制的，目前已經(jīng)可為亞洲和太平洋地區(qū)提供無源定位、授時(shí)、導(dǎo)航服務(wù)。預(yù)計(jì)在未來二十年內(nèi)，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)將逐漸成長為覆蓋全球的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)?？梢灶A(yù)見的到，關(guān)系到國防軍事方面將最先普及北斗導(dǎo)航應(yīng)用，隨著北斗導(dǎo)航系統(tǒng)逐漸完善和成熟，再普及到各類民用方面，最終成為普及度非常高的成熟的全球衛(wèi)星定位導(dǎo)航系統(tǒng)，并拉動(dòng)北斗產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展。

為了能夠正確接收并解調(diào)北斗導(dǎo)航衛(wèi)星信號，研制北斗用戶終端，就必須掌握如擴(kuò)頻測距碼、導(dǎo)航電文格式、導(dǎo)航電文參數(shù)及算法等接口的相關(guān)參數(shù)，進(jìn)而進(jìn)行定位和導(dǎo)航，而這些內(nèi)容構(gòu)成了北斗空間信號接口控制（icd）文件。2012年12月，北斗icd文件正式公布，使得相關(guān)的接口特征和參數(shù)公開化，降低了北斗終端的開發(fā)成本及難度，北斗終端的研發(fā)的方向性更加明確，研制的思路步驟也更加清晰。依靠強(qiáng)大的市場需求及政府部門的支持，國內(nèi)外對北斗導(dǎo)航系統(tǒng)感興趣的廠商均可對北斗客戶終端進(jìn)行相關(guān)產(chǎn)品的開發(fā)，這標(biāo)志著北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的客戶終端將向通用化、開放化、高速和網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展。

北斗導(dǎo)航接收機(jī)將會(huì)成為北斗產(chǎn)業(yè)中應(yīng)用面最廣、生產(chǎn)量最大的技術(shù)產(chǎn)品，它的性能高低將直接影響到北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的普及度。然而對于大多數(shù)廠商來說，北斗導(dǎo)航包含5顆geo地球同步靜止軌道衛(wèi)星，以及igso和meo衛(wèi)星，在中國的某些地區(qū)，某一時(shí)刻可能跟蹤到14顆及以上北斗衛(wèi)星，對于運(yùn)算處理能力有限的小型和單模接收機(jī)來說，無疑制約著接收機(jī)實(shí)時(shí)性定位解算性能。此外，北斗導(dǎo)航系統(tǒng)中，定位解算中提取的偽距信息存在衛(wèi)星軌道誤差、衛(wèi)星鐘差、電離層、對流層延遲、多路徑效應(yīng)、接收機(jī)鐘差、觀測誤差、接收機(jī)天線相位中心誤差等測量誤差，gdop(geometricdilutionofprecision)為衡量接收機(jī)定位誤差的重要參量，gdop越小，測量誤差轉(zhuǎn)化成的定位誤差越小，衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)領(lǐng)域中，經(jīng)常將gdop作為衡量選星結(jié)果的參考標(biāo)準(zhǔn)，即在單星座或者多星座導(dǎo)航系統(tǒng)中，選擇后的衛(wèi)星組合，gdop越小，則證明選星結(jié)果最優(yōu)。

對比文件1：已授權(quán)發(fā)明專利：一種用于雙星座衛(wèi)星定位系統(tǒng)的選星方法，專利號：200610165466.2，公開了一種用于雙星座衛(wèi)星定位系統(tǒng)的選星方法，主要通過雙星座導(dǎo)航系統(tǒng)中的衛(wèi)星仰角優(yōu)選n組四星組合，然后進(jìn)行5星選擇，最后選取gdop值最小的一組作為最后的選星結(jié)果，并重復(fù)步驟a-g，得到最終優(yōu)選結(jié)果，其中g(shù)dop計(jì)算公式為：

gdop=trace((g^tg)^-1)(1)

其中g(shù)dop是幾何精度因子，trace()代表矩陣對角線元素的和，即求跡運(yùn)算，g代表觀測矩陣，與對比發(fā)明專利的a矩陣一樣。但對比文件1中采用的是傳統(tǒng)的gdop計(jì)算多項(xiàng)式，涉及到觀測矩陣g的矩陣相乘和矩陣求逆運(yùn)算，運(yùn)算復(fù)雜度相對較大，而選星的目的是降低系統(tǒng)的計(jì)算復(fù)雜度，因此提出一種適用于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的快速選星方法尤為重要。

對比文件2：發(fā)明專利：基于gdop和uere的多模gnss選星方法，專利號：201610350058.8，公開了一種基于gdop和uere的多模gnss選星方法，該方法結(jié)合gdop和uere，進(jìn)行衛(wèi)星仰角的簡化計(jì)算模型計(jì)算用戶等效誤差uere，通過定位評估函數(shù)和遍歷截止高度角就那些衛(wèi)星組合確定，同時(shí)在低仰角區(qū)、中仰角區(qū)和高仰角區(qū)選星，但該方法所采用的gdop計(jì)算公式仍然為傳統(tǒng)的計(jì)算方法，即公式（1），計(jì)算用戶等效誤差uere時(shí)最終還是需要以gdop作為基準(zhǔn)，因此對比文件2的計(jì)算復(fù)雜度相對較大。

綜上所述，有必要提出一種北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)快速選星方法，保證gdop精度的前提下，避免傳統(tǒng)gdop運(yùn)算過程中的矩陣求逆運(yùn)算，通過北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)快速選星，降低參與接收機(jī)定位解算的衛(wèi)星數(shù)量，降低系統(tǒng)整體運(yùn)算復(fù)雜度，提高接收機(jī)實(shí)時(shí)性定位解算性能，成為了衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域亟待解決的技術(shù)問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

（一）要解決的技術(shù)問題

為了解決現(xiàn)有技術(shù)存在的上述問題，本發(fā)明提出了一種北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)快速選星方法。該方法從北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的所有可見衛(wèi)星中選擇6顆用于定位解算的衛(wèi)星，利用北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的空間幾何分布，分別在低仰角區(qū)、中仰角區(qū)和高仰角區(qū)內(nèi)選星，同時(shí)利用四星gdop優(yōu)化公式和多于四顆衛(wèi)星的gdop優(yōu)化公式，采用等價(jià)gdop進(jìn)行幾何精度因子計(jì)算，在增加少量內(nèi)存空間的基礎(chǔ)上，避免了傳統(tǒng)gdop計(jì)算公式中的矩陣求逆運(yùn)算，極大降低了接收機(jī)信息解算過程中的運(yùn)算量，且保證了定位精度，成功實(shí)現(xiàn)北斗導(dǎo)航系統(tǒng)快速選星。

（二）技術(shù)方案

本發(fā)明提出的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)快速選星方法，具體分為如下步驟：

步驟s1：提取北斗衛(wèi)星導(dǎo)航電文，獲取北斗導(dǎo)航衛(wèi)星星歷和偽距觀測量；用戶接收機(jī)根據(jù)北斗icd文檔和北斗衛(wèi)星導(dǎo)航電文，計(jì)算出北斗導(dǎo)航衛(wèi)星星歷的開普勒軌道參數(shù)和北斗衛(wèi)星在cgcs2000坐標(biāo)系下的位置、速度信息，并通過本地時(shí)間和北斗衛(wèi)星信號的發(fā)射時(shí)間構(gòu)建北斗衛(wèi)星偽距觀測量。

步驟s2：根據(jù)接收機(jī)當(dāng)前位置計(jì)算北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中所有可見衛(wèi)星的仰角和方位角；采用擴(kuò)展卡爾曼濾波方法計(jì)算出上一時(shí)刻tk-1的接收機(jī)本地位置，并根據(jù)步驟s1中計(jì)算出的當(dāng)前北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中所有可見衛(wèi)星的空間位置，獲取當(dāng)前北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中tk時(shí)刻所有可見衛(wèi)星的仰角和方位角信息。

步驟s3：將可見衛(wèi)星劃分為高仰角區(qū)、中仰角區(qū)和低仰角區(qū)；將北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)衛(wèi)星中的仰角在65°到90°之間的衛(wèi)星定義為高仰角區(qū)衛(wèi)星，30°到64.9°之間的衛(wèi)星定義為中仰角區(qū)衛(wèi)星，5°到29.9°之間的衛(wèi)星定義為低仰角區(qū)衛(wèi)星。

步驟s4：北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)下選擇6顆衛(wèi)星參與接收機(jī)定位解算；遮蔽角設(shè)置為5°，當(dāng)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中相對于接收機(jī)的可見衛(wèi)星仰角小于遮蔽角（5°）時(shí)，則此類衛(wèi)星不參與接收機(jī)定位解算，并被剔除掉。

步驟s5：高仰角區(qū)選擇第一顆衛(wèi)星，低仰角區(qū)選擇第二顆衛(wèi)星，中仰角區(qū)選擇第三顆衛(wèi)星；第四顆衛(wèi)星采用如下gdop計(jì)算多項(xiàng)式從剩余可見衛(wèi)星中進(jìn)行遍歷；

(2)

其中，eij=ei1ej1+ei2ej2+ei3ej3+1,1≤i≤j≤4,ei1,ei2,ei3,ej1,ej2,ej3是觀測矩陣g中的方向余弦向量，且滿足：，且a、b、c分別定義如下：

(3)

(4)

(5)

其中，高仰角區(qū)中仰角最高的北斗衛(wèi)星作為第一顆接收機(jī)定位解算用衛(wèi)星，低仰角區(qū)中仰角最低的北斗衛(wèi)星作為第二顆接收機(jī)定位解算用衛(wèi)星，中仰角區(qū)中仰角最低的北斗衛(wèi)星作為第三顆接收機(jī)定位解算用衛(wèi)星。同時(shí)，針對一些特殊情況進(jìn)行特殊處理：

低仰角區(qū)無可見衛(wèi)星時(shí)，第二顆北斗衛(wèi)星從中仰角區(qū)中選擇仰角最小的衛(wèi)星作為第二顆接收機(jī)定位解算用衛(wèi)星，中仰角區(qū)中選擇與第二顆北斗衛(wèi)星方位角差別最大的衛(wèi)星作為第三顆接收機(jī)定位解算用衛(wèi)星；

中仰角區(qū)中無可見衛(wèi)星時(shí)，則低仰角區(qū)選擇兩顆衛(wèi)星的方位角相差最大的衛(wèi)星作為第二和第三顆接收機(jī)定位解算用衛(wèi)星；

高仰角區(qū)中無可見衛(wèi)星時(shí)，則選擇中仰角區(qū)中仰角最高的衛(wèi)星作為第一顆接收機(jī)定位解算用衛(wèi)星，然后中仰角區(qū)剔除掉第一顆衛(wèi)星后繼續(xù)執(zhí)行步驟s5。

此處需要額外指出的是，北斗導(dǎo)航衛(wèi)星的星座設(shè)置決定了處于亞洲地區(qū)的接收機(jī)在低仰角區(qū)、中仰角區(qū)和高仰角區(qū)都會(huì)存在可見衛(wèi)星，低仰角區(qū)衛(wèi)星不存在時(shí)的情況極少發(fā)生，中仰角區(qū)無可見衛(wèi)星的情況也極少發(fā)生，高仰角區(qū)無可見衛(wèi)星的情況極少發(fā)生，上述特殊處理只是以防萬一。

在上述前三顆北斗衛(wèi)星的基礎(chǔ)上，從剩余所有可見衛(wèi)星中選擇一顆衛(wèi)星組成四星組合，并采用公式（2）計(jì)算gdop，公式（2）僅適用于四顆衛(wèi)星求解gdop，其中g(shù)dop數(shù)值最小的組合作為前四顆衛(wèi)星。

步驟s6：采用如下神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)gdop計(jì)算多項(xiàng)式選擇北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中的第五顆和第六顆衛(wèi)星：

(6)

其中，a=0.6，b=-1.2，c=3，系數(shù)a、b、c是采用離散型hopfield神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法擬合遞推而來，且m1、m2、m3、m4滿足如下方程式：

m=g^tg(7)

m1=trace(m)(8)

m2=trace(m²)(9)

m3=trace(m³)(10)

m4=det(m)(11)

其中，g代表觀測矩陣，g^t代表觀測矩陣的轉(zhuǎn)置矩陣，trace()代表矩陣求跡運(yùn)算，det()代表矩陣行列式運(yùn)算。

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中的第五顆和第六顆解算用衛(wèi)星具體選擇方式如下：確定前四顆接收機(jī)定位解算用衛(wèi)星后，從剩余所有可見衛(wèi)星中選擇一顆衛(wèi)星進(jìn)行遍歷，即此時(shí)采用公式（6）計(jì)算五顆衛(wèi)星的gdop，選擇使得gdop數(shù)值最小的衛(wèi)星作為第五顆定位解算用衛(wèi)星；同理，確定前五顆接收機(jī)定位解算用衛(wèi)星后，從剩余所有可見衛(wèi)星中選擇一顆衛(wèi)星進(jìn)行遍歷，即此時(shí)采用公式（6）計(jì)算六顆衛(wèi)星的gdop，選擇使得gdop數(shù)值最小的衛(wèi)星作為第六顆定位解算用衛(wèi)星。

步驟s7：針對接收機(jī)異常情況進(jìn)行特殊處理。

若可見衛(wèi)星數(shù)量少于接收機(jī)要選擇的衛(wèi)星數(shù)量（本發(fā)明中為六顆），則直接利用所有可見星進(jìn)行定位解算；若可見衛(wèi)星數(shù)量不足四顆，則無法進(jìn)行接收機(jī)本地定位，并輸出無法定位的提示信息；

若本次選出的六顆解算用衛(wèi)星gdop數(shù)值過大（通常認(rèn)為gdop數(shù)值大于6時(shí)定位誤差無法忍受），可選擇臨時(shí)增加選星頻率以提高解算衛(wèi)星更換頻率。

（三）有益效果

本發(fā)明能夠產(chǎn)生積極的有益效果，本發(fā)明提出了一種北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)快速選星方法。該方法從北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的多顆可見衛(wèi)星中選擇6顆用于定位解算的衛(wèi)星，利用北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的空間幾何分布，結(jié)合衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中選星領(lǐng)域常用的最大體積法，分別在低仰角區(qū)、中仰角區(qū)和高仰角區(qū)內(nèi)選星，降低了傳統(tǒng)選星過程中衛(wèi)星選擇的循環(huán)次數(shù)。同時(shí)利用離散型hopfield神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法進(jìn)行g(shù)dop計(jì)算公式優(yōu)化，采用等價(jià)gdop公式進(jìn)行幾何精度因子計(jì)算，避免了傳統(tǒng)gdop計(jì)算公式中的矩陣求逆運(yùn)算，極大減小了接收機(jī)信息解算過程中的運(yùn)算量，滿足用戶對衛(wèi)星定位精確性、實(shí)時(shí)性和魯棒性的要求。該方法同時(shí)考慮了衛(wèi)星空間幾何分布等特殊情形，考慮各種復(fù)雜情況對選星結(jié)果的影響，能夠成功實(shí)現(xiàn)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)快速選星。

本發(fā)明提出的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)快速選星方法從用戶多顆可見衛(wèi)星中選擇6顆衛(wèi)星進(jìn)行定位解算，在盡量確保最優(yōu)gdop的基礎(chǔ)上，利用離散型hopfield神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法進(jìn)行四顆衛(wèi)星情況下和多于四顆衛(wèi)星情況下gdop計(jì)算公式優(yōu)化，避免了傳統(tǒng)選星方法中的矩陣求逆、矩陣乘法等復(fù)雜運(yùn)算，使計(jì)算量降低了99%以上，滿足用戶對衛(wèi)星定位精確性、實(shí)時(shí)性和魯棒性的要求。

附圖說明

圖1是本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)快速選星方法流程圖；

圖2是本發(fā)明具體實(shí)施例的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)快速選星方法流程圖；

圖3是北京地區(qū)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)一天內(nèi)可見衛(wèi)星數(shù)量變化示意圖；

圖4是北京地區(qū)某一時(shí)刻的北斗衛(wèi)星分布圖；

圖5是北京地區(qū)某一時(shí)刻的北斗衛(wèi)星選星后結(jié)果分布圖；

圖6是本發(fā)明提出的gdop數(shù)值與傳統(tǒng)經(jīng)典gdop數(shù)值對比圖；

圖7是本發(fā)明提出的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)快速選星方法gdop數(shù)值與傳統(tǒng)最佳gdop數(shù)值一天內(nèi)對比圖；

圖8是本發(fā)明提出的快速選星gdop計(jì)算量與傳統(tǒng)經(jīng)典gdop計(jì)算量對比圖。

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明了，下面結(jié)合具體實(shí)施方式并參照附圖，對本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)該理解，這些描述只是示例性的，而并非要限制本發(fā)明的范圍。此外，在以下說明中，省略了對公知結(jié)構(gòu)和技術(shù)的描述，以避免不必要地混淆本發(fā)明的概念。

圖1是本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)快速選星方法流程圖。

如圖1所示，本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)快速選星方法包括如下7個(gè)步驟：

步驟s1：提取北斗衛(wèi)星導(dǎo)航電文，獲取北斗導(dǎo)航衛(wèi)星星歷和偽距觀測量；

步驟s2：根據(jù)接收機(jī)當(dāng)前位置計(jì)算北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中所有可見衛(wèi)星的仰角和方位角；

步驟s3：將可見衛(wèi)星劃分為高仰角區(qū)、中仰角區(qū)和低仰角區(qū)；

步驟s4：北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)下選擇6顆衛(wèi)星參與接收機(jī)定位解算；

步驟s5：高仰角區(qū)選擇第一顆衛(wèi)星，低仰角區(qū)選擇第二顆衛(wèi)星，中仰角區(qū)選擇第三顆衛(wèi)星；第四顆衛(wèi)星進(jìn)行g(shù)dop優(yōu)選；

步驟s6：采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)gdop計(jì)算多項(xiàng)式選擇北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中的第五顆和第六顆衛(wèi)星；

步驟s7：針對接收機(jī)異常情況進(jìn)行特殊處理。

圖2是本發(fā)明具體實(shí)施例的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)快速選星方法流程圖。

如圖2所示，本發(fā)明具體實(shí)施例的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)快速選星方法主要包括如下步驟：

步驟s1：提取北斗衛(wèi)星導(dǎo)航電文，獲取北斗導(dǎo)航衛(wèi)星星歷和偽距觀測量；本發(fā)明具體實(shí)施例中，用戶接收機(jī)信號處理端捕獲跟蹤衛(wèi)星信號后，通過幀同步獲取北斗衛(wèi)星導(dǎo)航電文，并根據(jù)北斗icd文檔計(jì)算出北斗導(dǎo)航衛(wèi)星星歷的開普勒軌道參數(shù)和北斗衛(wèi)星在cgcs2000坐標(biāo)系下的位置、速度信息，并通過本地時(shí)間和北斗衛(wèi)星信號的發(fā)射時(shí)間構(gòu)建北斗衛(wèi)星偽距觀測量。

步驟s2：根據(jù)接收機(jī)當(dāng)前位置計(jì)算北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中所有可見衛(wèi)星的仰角和方位角；本發(fā)明具體實(shí)施例中，用戶接收機(jī)初始化過程中采用最小二乘法進(jìn)行接收機(jī)定位解算，然后根據(jù)當(dāng)前位置在下一時(shí)刻采用擴(kuò)展卡爾曼濾波方法進(jìn)行接收機(jī)定位解算，當(dāng)采用擴(kuò)展卡爾曼濾波方法計(jì)算出上一時(shí)刻tk-1的接收機(jī)本地位置，并根據(jù)步驟s1中計(jì)算出的當(dāng)前北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中所有可見衛(wèi)星的空間位置，獲取當(dāng)前北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中tk時(shí)刻所有可見衛(wèi)星的仰角和方位角信息。

步驟s3：將可見衛(wèi)星劃分為高仰角區(qū)、中仰角區(qū)和低仰角區(qū)；將北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)衛(wèi)星中的仰角在65°到90°之間的衛(wèi)星定義為高仰角區(qū)衛(wèi)星，30°到64.9°之間的衛(wèi)星定義為中仰角區(qū)衛(wèi)星，5°到29.9°之間的衛(wèi)星定義為低仰角區(qū)衛(wèi)星。

步驟s4：北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)下選擇6顆衛(wèi)星參與接收機(jī)定位解算；遮蔽角設(shè)置為5°，當(dāng)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中相對于接收機(jī)的可見衛(wèi)星仰角小于遮蔽角（5°）時(shí)，則此類衛(wèi)星不參與接收機(jī)定位解算，并被剔除掉；本發(fā)明具體實(shí)施例中，用戶接收機(jī)選擇六顆北斗衛(wèi)星參與接收機(jī)定位解算，但實(shí)際上本發(fā)明不只適用于六顆解算衛(wèi)星情形，在多于六顆情況下同樣適用，但考慮到實(shí)際導(dǎo)航接收機(jī)性能以及北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的衛(wèi)星空間布局（目前總共有15顆北斗衛(wèi)星），本發(fā)明優(yōu)選采用六顆定位解算衛(wèi)星。

步驟s5：高仰角區(qū)選擇第一顆衛(wèi)星，低仰角區(qū)選擇第二顆衛(wèi)星，中仰角區(qū)選擇第三顆衛(wèi)星；第四顆衛(wèi)星采用如下gdop計(jì)算多項(xiàng)式從剩余可見衛(wèi)星中進(jìn)行遍歷；

(12)

其中，eij=ei1ej1+ei2ej2+ei3ej3+1,1≤i≤j≤4,ei1,ei2,ei3,ej1,ej2,ej3是觀測矩陣g中的方向余弦向量，a、b、c定義分別如公式（3）、（4）、（5）所述。其中，高仰角區(qū)中仰角最高的北斗衛(wèi)星作為第一顆接收機(jī)定位解算用衛(wèi)星，低仰角區(qū)中仰角最低的北斗衛(wèi)星作為第二顆接收機(jī)定位解算用衛(wèi)星，中仰角區(qū)中仰角最低的北斗衛(wèi)星作為第三顆接收機(jī)定位解算用衛(wèi)星。同時(shí)，針對一些特殊情況進(jìn)行特殊處理：

低仰角區(qū)無可見衛(wèi)星時(shí)，第二顆北斗衛(wèi)星從中仰角區(qū)中選擇仰角最小的衛(wèi)星作為第二顆接收機(jī)定位解算用衛(wèi)星，中仰角區(qū)中選擇與第二顆北斗衛(wèi)星方位角差別最大的衛(wèi)星作為第三顆接收機(jī)定位解算用衛(wèi)星；

中仰角區(qū)中無可見衛(wèi)星時(shí)，則低仰角區(qū)選擇兩顆衛(wèi)星的方位角相差最大的衛(wèi)星作為第二和第三顆接收機(jī)定位解算用衛(wèi)星；

高仰角區(qū)中無可見衛(wèi)星時(shí)，則選擇中仰角區(qū)中仰角最高的衛(wèi)星作為第一顆接收機(jī)定位解算用衛(wèi)星，然后中仰角區(qū)剔除掉第一顆衛(wèi)星后繼續(xù)執(zhí)行步驟s5。

此處需要額外指出的是，北斗導(dǎo)航衛(wèi)星的星座設(shè)置決定了處于亞洲地區(qū)的接收機(jī)在低仰角區(qū)、中仰角區(qū)和高仰角區(qū)都會(huì)存在可見衛(wèi)星，低仰角區(qū)衛(wèi)星不存在時(shí)的情況極少發(fā)生，中仰角區(qū)無可見衛(wèi)星的情況也極少發(fā)生，高仰角區(qū)無可見衛(wèi)星的情況極少發(fā)生，上述特殊處理只是以防萬一。

在上述前三顆北斗衛(wèi)星的基礎(chǔ)上，從剩余所有可見衛(wèi)星中選擇一顆衛(wèi)星組成四星組合，并采用公式（12）計(jì)算gdop，公式（12）僅適用于四顆衛(wèi)星求解gdop，其中g(shù)dop數(shù)值最小的組合作為前四顆衛(wèi)星。

步驟s6：采用如下神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)gdop計(jì)算多項(xiàng)式選擇北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中的第五顆和第六顆衛(wèi)星：

(13)

其中，a=0.6，b=-1.2，c=3，系數(shù)a、b、c是采用離散型hopfield神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法擬合遞推而來，且m1、m2、m3、m4如公式（7）~（11）所述。

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中的第五顆和第六顆解算用衛(wèi)星具體選擇方式如下：確定前四顆接收機(jī)定位解算用衛(wèi)星后，從剩余所有可見衛(wèi)星中選擇一顆衛(wèi)星進(jìn)行遍歷，即此時(shí)采用公式（16）計(jì)算五顆衛(wèi)星的gdop，選擇使得gdop數(shù)值最小的衛(wèi)星作為第五顆定位解算用衛(wèi)星；同理，確定前五顆接收機(jī)定位解算用衛(wèi)星后，從剩余所有可見衛(wèi)星中選擇一顆衛(wèi)星進(jìn)行遍歷，即此時(shí)采用公式（16）計(jì)算六顆衛(wèi)星的gdop，選擇使得gdop數(shù)值最小的衛(wèi)星作為第六顆定位解算用衛(wèi)星。

步驟s7：針對接收機(jī)異常情況進(jìn)行特殊處理。

若可見衛(wèi)星數(shù)量少于接收機(jī)要選擇的衛(wèi)星數(shù)量（本發(fā)明中為六顆），則直接利用所有可見星進(jìn)行定位解算；若可見衛(wèi)星數(shù)量不足四顆，則無法進(jìn)行接收機(jī)本地定位，并輸出無法定位的提示信息；

若本次選出的六顆解算用衛(wèi)星gdop數(shù)值過大（通常認(rèn)為gdop數(shù)值大于6時(shí)定位誤差無法忍受），可選擇臨時(shí)增加選星頻率以提高解算衛(wèi)星更換頻率。

圖3是北京地區(qū)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)一天內(nèi)可見衛(wèi)星數(shù)量變化示意圖。

如圖3所示，實(shí)際觀測北京地區(qū)（北緯39.9°，東經(jīng)116.3°）北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在2017年5月17日0:00到24:00一天內(nèi)可見衛(wèi)星數(shù)量變化圖，在某些時(shí)刻，北斗可見衛(wèi)星最多達(dá)到了13顆，而最少則為8顆，因?yàn)樵诘厍虮砻娲嬖?顆北斗geo對地靜止衛(wèi)星，并均勻分布在赤道上方，所以在中國區(qū)域內(nèi)接收機(jī)的可見衛(wèi)星數(shù)量較多，且平均達(dá)到10顆，如果采用所有可見衛(wèi)星進(jìn)行接收機(jī)定位解算，對于小型接收機(jī)來說，在計(jì)算處理器性能受限以及實(shí)時(shí)性定位解算要求的前提下，難以滿足接收機(jī)精確性和實(shí)時(shí)性要求，故需要通過選星操作實(shí)現(xiàn)6顆衛(wèi)星定位（通常情況下最少4顆北斗衛(wèi)星可實(shí)現(xiàn)接收機(jī)定位解算），通過快速選星能夠在保證定位精度的前提下，滿足接收機(jī)實(shí)時(shí)性定位解算要求。

圖4是北京地區(qū)某一時(shí)刻的北斗衛(wèi)星分布圖。

如圖4所示，北京地區(qū)某一時(shí)刻的北斗衛(wèi)星分布圖總共包括13顆，其中外圍0~360°代表可見衛(wèi)星的方位角，第一象限內(nèi)的20~100代表可見衛(wèi)星的仰角，仰角和方位角分別為（37°,146°）、（30°,229°）、（42°,189°）、（26°,124°）、（15°,247°）、（72°,29°）、（25°,168°）、（10°,193°）、（61°,310°）、（7°,186°）、（38°,314°）、（8°,12°）、（46°,286°），如果13顆可見衛(wèi)星全部用于接收機(jī)定位解算，則會(huì)給接收機(jī)的信息解算端程序空間和代碼?？臻g造成運(yùn)算壓力，故需要選星，尤其是快速選星操作，保證定位精度的前提下，實(shí)現(xiàn)接收機(jī)實(shí)時(shí)性定位解算。

圖5是北京地區(qū)某一時(shí)刻的北斗衛(wèi)星選星后結(jié)果分布圖。

如圖5所示，北京地區(qū)某一時(shí)刻的北斗衛(wèi)星選星后結(jié)果分布圖如圖5所示，在圖4的基礎(chǔ)上，采用本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的步驟s1~s7，具體如下：

步驟s1：提取北斗衛(wèi)星導(dǎo)航電文，獲取北斗導(dǎo)航衛(wèi)星星歷和偽距觀測量；

步驟s2：根據(jù)接收機(jī)當(dāng)前位置計(jì)算北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中所有可見衛(wèi)星的仰角和方位角；

步驟s3：將可見衛(wèi)星劃分為高仰角區(qū)、中仰角區(qū)和低仰角區(qū)；

步驟s4：北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)下選擇6顆衛(wèi)星參與接收機(jī)定位解算；

步驟s5：高仰角區(qū)選擇一顆衛(wèi)星，低仰角區(qū)選擇一顆衛(wèi)星，中仰角區(qū)選擇一顆衛(wèi)星；第四顆衛(wèi)星通過循環(huán)遍歷剩余衛(wèi)星組成四星組合，采用公式（12）選擇gdop數(shù)值最小的衛(wèi)星組合作為前四顆衛(wèi)星；

步驟s6：采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)gdop計(jì)算多項(xiàng)式選擇北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中的第五顆和第六顆衛(wèi)星；

步驟s7：針對接收機(jī)異常情況進(jìn)行特殊處理。

圖4是北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)未選星前的結(jié)果，圖5是經(jīng)過本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)快速選星后的結(jié)果，所選擇的六顆衛(wèi)星仰角和方位角分別為（72°,29°）、（7°,186°）、（61°,310°）、（26°,124°）、（37°,146°）和（30°,229°）。經(jīng)過本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)快速選星后，接收機(jī)采用六顆北斗衛(wèi)星進(jìn)行定位解算，極大降低了用戶接收機(jī)的計(jì)算復(fù)雜度，提高了接收機(jī)實(shí)時(shí)性定位解算性能。

圖6是本發(fā)明提出的gdop數(shù)值與傳統(tǒng)經(jīng)典gdop數(shù)值對比圖。

如圖6所示，本發(fā)明提出的gdop數(shù)值采用如下神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)gdop計(jì)算多項(xiàng)式：

(14)

其中，a=0.6，b=-1.2，c=3，系數(shù)a、b、c是采用離散型hopfield神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法擬合遞推而來，且m1、m2、m3、m4滿足公式（8）~（11），傳統(tǒng)經(jīng)典gdop計(jì)算多項(xiàng)式如下所示：

(15)

其中g(shù)dop是幾何精度因子，trace()代表矩陣對角線元素的和，即求跡運(yùn)算，g代表觀測矩陣，本發(fā)明提出的gdop數(shù)值與傳統(tǒng)經(jīng)典gdop數(shù)值結(jié)果基本一致，達(dá)到了99.99%，且本發(fā)明提出的公式（12）和（13）避免了傳統(tǒng)經(jīng)典gdop計(jì)算公式（15）的矩陣求逆運(yùn)算，且本發(fā)明通過空間幾何結(jié)構(gòu)的高、中、低仰角區(qū)衛(wèi)星選擇，降低了傳統(tǒng)選星過程中的所有循環(huán)遍歷運(yùn)算，既減少了選星的循環(huán)次數(shù)，又降低了gdop求解過程的運(yùn)算量，故本發(fā)明提出的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)快速選星方法優(yōu)于對比文件1和對比文件2，且最終選星后的gdop結(jié)果與傳統(tǒng)最佳gdop數(shù)值基本一致，具體如圖7所示。

圖7是本發(fā)明提出的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)快速選星方法gdop數(shù)值與傳統(tǒng)最佳gdop數(shù)值一天內(nèi)對比圖。

如圖7所示，本發(fā)明提出的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)快速選星方法gdop數(shù)值與傳統(tǒng)最佳gdop數(shù)值一天內(nèi)對比圖中，其中橫軸代表時(shí)間，縱軸代表gdop數(shù)值，在0~12小時(shí)之間gdop數(shù)值都比較小，在13~20小時(shí)之間存在一些抖動(dòng)，但gdop數(shù)值總體變化不大，且采用本發(fā)明提出的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)快速選星方法，所得到的gdop數(shù)值與傳統(tǒng)最佳gdop選星方法結(jié)果基本一致，而傳統(tǒng)最佳gdop選星方法是循環(huán)所有可見衛(wèi)星的6星組合，并采用包含矩陣求逆運(yùn)算的公式（15）進(jìn)行g(shù)dop數(shù)值計(jì)算，所需要的整體運(yùn)算復(fù)雜度較大，而本發(fā)明提出的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)快速選星方法通過衛(wèi)星空間幾何分布的優(yōu)選以降低選星的循環(huán)運(yùn)算次數(shù)，同時(shí)采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)gdop公式（12）和公式（13）降低gdop數(shù)值計(jì)算過程中的計(jì)算復(fù)雜度，整體極大提高了選星效率。

圖8是本發(fā)明提出的快速選星gdop計(jì)算量與傳統(tǒng)經(jīng)典gdop計(jì)算量對比圖。

如圖8所示，本發(fā)明提出的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)快速選星方法既降低了選星過程中的循環(huán)次數(shù)，又進(jìn)一步降低了gdop數(shù)值計(jì)算的計(jì)算量，本發(fā)明采用硬件dsp進(jìn)行實(shí)際運(yùn)算量測試，其中采用ti公司的tms320c6713進(jìn)行運(yùn)算過程中的時(shí)鐘周期數(shù)量測試，tms320c6713時(shí)鐘頻率為300mhz，執(zhí)行單精度浮點(diǎn)乘法耗時(shí)19個(gè)時(shí)鐘周期，單精度浮點(diǎn)除法耗時(shí)212個(gè)時(shí)鐘周期，單精度浮點(diǎn)加法耗時(shí)20個(gè)時(shí)鐘周期，單精度開方運(yùn)算耗時(shí)457個(gè)時(shí)鐘周期，此處需要說明的是，tms320c6713采用乘法硬核加速技術(shù)，故執(zhí)行浮點(diǎn)乘運(yùn)算速度要快于浮點(diǎn)加等。圖8中橫坐標(biāo)代表解算衛(wèi)星數(shù)量，縱坐標(biāo)代表執(zhí)行選星過程中所消耗的時(shí)鐘周期數(shù)，此處需要注意，縱坐標(biāo)采用了取對數(shù)操作，否則兩種算法的時(shí)鐘周期差別特別大，由此可以看出，本發(fā)明提出的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)快速選星方法性能明顯優(yōu)于傳統(tǒng)經(jīng)典選星方法。

綜上所述，本發(fā)明提出的一種北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)快速選星方法，能夠從北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的多顆可見衛(wèi)星中選擇6顆用于定位解算的衛(wèi)星，利用北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的空間幾何分布，結(jié)合衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中選星領(lǐng)域常用的最大體積法，分別在低仰角區(qū)、中仰角區(qū)和高仰角區(qū)內(nèi)選星，降低了傳統(tǒng)選星過程中衛(wèi)星選擇的循環(huán)次數(shù)。同時(shí)利用離散型hopfield神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法進(jìn)行g(shù)dop計(jì)算公式優(yōu)化，采用等價(jià)gdop公式進(jìn)行幾何精度因子計(jì)算，避免了傳統(tǒng)gdop計(jì)算公式中的矩陣求逆運(yùn)算，極大減小了接收機(jī)信息解算過程中的運(yùn)算量，滿足用戶對衛(wèi)星定位精確性、實(shí)時(shí)性和魯棒性的要求。該方法同時(shí)考慮了衛(wèi)星空間幾何分布等特殊情形，考慮各種復(fù)雜情況對選星結(jié)果的影響，能夠成功實(shí)現(xiàn)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)快速選星。

本發(fā)明提出的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)快速選星方法從用戶多顆可見衛(wèi)星中選擇6顆衛(wèi)星進(jìn)行定位解算，在盡量確保最優(yōu)gdop的基礎(chǔ)上，利用離散型hopfield神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法進(jìn)行四顆衛(wèi)星情況下和多于四顆衛(wèi)星情況下gdop計(jì)算公式優(yōu)化，避免了傳統(tǒng)選星方法中的矩陣求逆、矩陣乘法等復(fù)雜運(yùn)算，使計(jì)算量降低了99%以上，滿足用戶對衛(wèi)星定位精確性、實(shí)時(shí)性和魯棒性的要求。

以上顯示和描述了本發(fā)明的基本原理和主要特征和本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn),對于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，顯然本發(fā)明不限于上述示范性實(shí)施例的細(xì)節(jié)，而且在不背離本發(fā)明的精神或基本特征的情況下，能夠以其他的具體形式實(shí)現(xiàn)本發(fā)明。因此，無論從哪一點(diǎn)來看，均應(yīng)將實(shí)施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求而不是上述說明限定，因此旨在將落在權(quán)利要求的等同要件的含義和范圍內(nèi)的所有變化囊括在本發(fā)明內(nèi)。不應(yīng)將權(quán)利要求中的任何附圖標(biāo)記視為限制所涉及的權(quán)利要求。

此外，應(yīng)當(dāng)理解，雖然本說明書按照實(shí)施方式加以描述，但并非每個(gè)實(shí)施方式僅包含一個(gè)獨(dú)立的技術(shù)方案，說明書的這種敘述方式僅僅是為清楚起見，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)將說明書作為一個(gè)整體，各實(shí)施例中的技術(shù)方案也可以經(jīng)適當(dāng)組合，形成本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解的其他實(shí)施方式。