一种海洋动物GNSS瞬时定位方法及系统与流程

本发明属于卫星导航定位，尤其涉及一种海洋动物gnss瞬时定位方法及系统。

背景技术：

1、海洋动物（如鲸类、海龟、大型鱼类等）的活动轨迹追踪，是海洋生物学研究、海洋生态保护的重要基础，对了解海洋动物的迁徙规律、栖息地分布、行为习性具有重要意义。当前，卫星导航定位技术是海洋动物轨迹追踪的主要手段之一，其中gnss定位因覆盖范围广、定位精度高，被广泛应用于各类动物定位场景。

2、但海洋动物的生存特性决定了其定位存在独特的技术难点：海洋动物大部分时间在水下活动，水对gnss信号具有极强的衰减作用，水下无法接收gnss信号，仅在换气时短暂浮出水面，窗口期通常仅为几秒，极难完成完整定位流程。

3、传统gnss接收机存在致命的耗时瓶颈：常规定位流程必须依次完成信号捕获、码同步、比特同步、帧同步、导航电文接收、电文解析、本地定位解算全流程，其中仅导航电文完整接收就需要数十毫秒至数秒，帧同步校验、电文解析进一步消耗大量时间，整体定位耗时普遍在10秒以上，完全无法适配几秒窗口期。同时，传统终端需本地解析电文、本地解算位置，运算量大、功耗高，不适合海洋动物长期佩戴的低功耗需求。

4、现有技术公开号为cn112230182a的专利公开了一种可用于江豚的追踪定位系统，包括由江豚携带的信号发射终端、布置于水域岸边的至少三个基站以及位置计算模块，信号发射终端向基站广播定位数据包，基站记录收到数据包的时间戳和终端id信息，位置计算模块根据三个基站的位置信息计算出江豚位置。然而，该系统依赖于预先布置的基站网络，定位覆盖范围受基站分布限制，且采用lora通信的三角定位方式精度有限，无法适用于远洋等无基站覆盖区域的海洋动物定位。

技术实现思路

1、现有海洋动物定位的技术方案均未突破传统定位流程的桎梏：要么保留完整电文接收与帧同步流程，捕获速度慢；要么简化算法但缺失云端agnss辅助与概率位置求解机制，无历史位置时定位失效、精度差；要么采用复杂运算架构，终端算力与功耗过高，难以适配海洋动物专属场景。因此，亟需颠覆性简化终端定位流程，剥离终端复杂运算，依托云端agnss与概率搜索机制实现超短窗口期瞬时定位。

2、为解决上述的技术问题，本发明提供的技术方案为：一种海洋动物gnss瞬时定位方法，包括以下步骤：

3、s1、海洋动物携带的gnss接收终端对卫星信号进行载波跟踪与伪码相位同步，以短于导航电文单比特周期的采样窗口提取各卫星的码相位伪距观测量；

4、s2、gnss接收终端将观测量打包上传至地面服务器端；

5、s3、地面服务器端通过云端agnss服务器获取卫星星历及时钟基准，以历史位置或海面区域网格点作为候选位置，依据候选位置与卫星星历重构各卫星的完整伪距，基于重构的完整伪距解算得到海洋动物位置坐标。

6、具体的，步骤s1中gnss接收终端仅开启载波跟踪环与伪码跟踪环完成信号锁定与码相位同步，关闭帧同步校验与导航电文接收功能，以短于导航电文单比特周期的采样窗口提取每颗卫星的码相位伪距偏移量，所有卫星星历、时间基准及修正参数均由云端agnss服务器提供。

7、具体的，步骤s1中gnss接收终端接收的原始射频信号依次经放大、滤波、下变频与数字采样转换为数字中频信号，采用载波nco生成载波并与中频信号相乘完成载波剥离，根据目标卫星伪码参数生成本地标准伪码序列，通过匹配滤波完成码相位维度的粗匹配，同步对输入数字中频基带信号与本地伪码分别进行dft运算完成频率维度的并行遍历搜索，采用卫星优先级排序策略通过多通道并行处理实现批量卫星遍历。

8、具体的，步骤s2中为每颗卫星分配预设位宽的定长字段记录卫星编号、信号强度、多普勒频移和码相位时延，将同一卫星系统下多颗卫星的定长观测字段连续拼接，数据包前端加入包含同步帧、卫星系统标识和卫星个数字段的帧头，数据包末端加入校验字段，形成压缩数据包。

9、具体的，步骤s3中终端不执行帧同步、导航电文接收解析及本地定位解算，将提取的观测量上传至地面服务器端；地面服务器端通过云端agnss服务器获取卫星星历、卫星钟差、系统粗略时间及大气修正参数，对接收的数据包进行解析，还原出各卫星的卫星号、信号强度及码相位伪距偏移量，筛选出信号质量达标的观测数据；服务器端优先调取历史位置作为先验位置，若无历史位置数据则启动二维网格遍历机制生成候选位置。

10、具体的，重构各卫星完整伪距的方式为，对每个候选位置，服务器根据云端agnss服务器获取的卫星星历计算卫星至候选位置的几何距离，由该几何距离判定各卫星的整周期模糊度，将判定的整周期模糊度对应的整周距离与gnss接收终端提取的码相位时延对应的距离相加，得到该卫星的完整伪距；结合云端agnss服务器获取的卫星钟差、电离层延迟、对流层延迟对完整伪距进行修正，构建云端伪距观测方程。

11、具体的，服务器端以历史位置作为候选位置时，直接以该历史位置为迭代初值进入解算；以海面区域网格点作为候选位置时，按预设经纬度间隔划分海面区域形成网格，依次取各网格点作为候选位置分别执行完整伪距重构与位置解算，以各候选位置解算后残差最小者为准则输出最终定位结果。

12、具体的，解算位置时，以候选位置为迭代初值，基于重构的完整伪距建立观测方程，状态向量包含接收机三维位置、接收机钟差及粗时间误差，采用加权最小二乘迭代求解状态向量，每次迭代后以精化的位置更新候选位置并重新判定各卫星的整周期模糊度，直至收敛后输出位置坐标。

13、具体的，gnss接收终端在单次浮出水面窗口期内完成观测量提取与上传后转入休眠，待海洋动物再次浮出水面时唤醒并重复执行定位流程。

14、具体的，包括由海洋动物携带的gnss接收终端，内置gnss接收模块、数据处理模块和卫星通信模块；gnss接收模块对卫星信号完成载波跟踪与伪码相位同步，以短于导航电文单比特周期的采样窗口提取各卫星的码相位伪距观测量；数据处理模块将观测量压缩为数据包；卫星通信模块将数据包上传至同步卫星；地面服务器端通过同步卫星接收数据包，通过云端agnss服务器获取卫星星历及时钟基准，以历史位置或海面区域网格点作为候选位置，依据候选位置与卫星星历重构各卫星的完整伪距，基于完整伪距解算得到海洋动物位置坐标。

15、本发明的有益效果是，摒弃传统gnss接收机帧同步、电文接收与本地解算流程，终端仅完成载波跟踪与伪码相位同步，以短于导航电文单比特周期的采样窗口提取码相位伪距观测量并压缩上传，地面服务器端通过云端agnss服务器获取卫星星历及时钟基准，以历史位置或海面区域网格点作为候选位置，依据候选位置与卫星星历重构完整伪距并解算位置坐标，实现终端简单处理与云端智能解算的分离；适配海洋动物短暂浮出水面窗口期，降低终端功耗并延长续航，同时保障无先验位置时的定位有效性，实现高精度的全球覆盖瞬时定位。

1.一种海洋动物gnss瞬时定位方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的海洋动物gnss瞬时定位方法，其特征在于，步骤s1中gnss接收终端仅开启载波跟踪环与伪码跟踪环完成信号锁定与码相位同步，关闭帧同步校验与导航电文接收功能，以短于导航电文单比特周期的采样窗口提取每颗卫星的码相位伪距偏移量，所有卫星星历、时间基准及修正参数均由云端agnss服务器提供。

3.根据权利要求1所述的海洋动物gnss瞬时定位方法，其特征在于，步骤s1中gnss接收终端接收的原始射频信号经放大、滤波、下变频与数字采样转换为数字中频信号，采用载波nco生成载波并与中频信号相乘完成载波剥离，根据目标卫星伪码参数生成本地标准伪码序列，通过匹配滤波完成码相位维度的粗匹配，同步对输入数字中频基带信号与本地伪码分别进行dft运算完成频率维度的并行遍历搜索，采用卫星优先级排序策略通过多通道并行处理实现批量卫星遍历。

4.根据权利要求1所述的海洋动物gnss瞬时定位方法，其特征在于，步骤s2中为每颗卫星分配预设位宽的定长字段记录卫星编号、信号强度、多普勒频移和码相位时延，将同一卫星系统下多颗卫星的定长观测字段连续拼接，数据包前端加入包含同步帧、卫星系统标识和卫星个数字段的帧头，数据包末端加入校验字段，形成压缩数据包。

5.根据权利要求1所述的海洋动物gnss瞬时定位方法，其特征在于，步骤s3中终端不执行帧同步、导航电文接收解析及本地定位解算，将提取的观测量上传至地面服务器端；地面服务器端通过云端agnss服务器获取卫星星历、卫星钟差、系统粗略时间及大气修正参数，对接收的数据包进行解析，还原出各卫星的卫星号、信号强度及码相位伪距偏移量，筛选出信号质量达标的观测数据；服务器端优先调取历史位置作为先验位置，若无历史位置数据则启动二维网格遍历机制生成候选位置。

6.根据权利要求5所述的海洋动物gnss瞬时定位方法，其特征在于，重构各卫星完整伪距的方式为，对每个候选位置，服务器根据云端agnss服务器获取的卫星星历计算卫星至候选位置的几何距离，由该几何距离判定各卫星的整周期模糊度，将判定的整周期模糊度对应的整周距离与gnss接收终端提取的码相位时延对应的距离相加，得到该卫星的完整伪距；结合云端agnss服务器获取的卫星钟差、电离层延迟、对流层延迟对完整伪距进行修正，构建云端伪距观测方程。

7.根据权利要求5所述的海洋动物gnss瞬时定位方法，其特征在于，服务器端以历史位置作为候选位置时，直接以该历史位置为迭代初值进入解算；以海面区域网格点作为候选位置时，按预设经纬度间隔划分海面区域形成网格，取各个网格点作为候选位置分别执行完整伪距重构与位置解算，以各候选位置解算后残差最小者为准则输出最终定位结果。

8.根据权利要求5所述的海洋动物gnss瞬时定位方法，其特征在于，解算位置时，以候选位置为迭代初值，基于重构的完整伪距建立观测方程，状态向量包含接收机三维位置、接收机钟差及粗时间误差，采用加权最小二乘迭代求解状态向量，每次迭代后以精化的位置更新候选位置并重新判定各卫星的整周期模糊度，直至收敛后输出位置坐标。

9.根据权利要求2或3所述的海洋动物gnss瞬时定位方法，其特征在于，gnss接收终端在单次浮出水面窗口期内完成观测量提取与上传后转入休眠，待海洋动物再次浮出水面时唤醒并重复执行定位流程。

10.一种海洋动物gnss瞬时定位系统，其特征在于，包括由海洋动物携带的gnss接收终端，内置gnss接收模块、数据处理模块和卫星通信模块；gnss接收模块对卫星信号完成载波跟踪与伪码相位同步，以短于导航电文单比特周期的采样窗口提取各卫星的码相位伪距观测量；数据处理模块将观测量压缩为数据包；卫星通信模块将数据包上传至同步卫星；地面服务器端通过同步卫星接收数据包，通过云端agnss服务器获取卫星星历及时钟基准，以历史位置或海面区域网格点作为候选位置，依据候选位置与卫星星历重构各卫星的完整伪距，基于完整伪距解算得到海洋动物位置坐标。