CN101839971B - 一种高精度gnss接收机 - Google Patents

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Abstract

一种高精度GNSS接收机，包括依次连接的左右旋圆极化天线、带本地时钟源的第一射频前端模块和第二射频前端模块、信号跟踪模块和CPU，信号跟踪模块包括卫星捕获单元、第一卫星跟踪单元、第二卫星跟踪单元和接口单元，CPU内置捕获控制模块、电文解调模块、两个环路跟踪模块、两个原始数据测量模块、可用星选择模块、定位解算模块和接口协议模块；可用星选择模块获取左右旋两路信号的伪距、载噪比数据，分析、选择多径信号较弱的原始数据并传给定位解算模块作最终定位解算。本发明对左右旋两路信号比较分析，从数据源上减轻多径影响，保证GNSS接收机获得较高定位精度，并可基于现有减轻多径技术提高减轻多径影响效果，结构扩展性强，可实现灵活的架构配置。

Description

一种高精度GNSS接收机
技术领域
本发明涉及一种卫星导航接收机，更具体地说，涉及一种高精度GNSS(Global Navigation Satellite System全球导航卫星系统)接收机。
背景技术
GNSS接收机是卫星导航技术中利用到达时间(TOA)测距原理以确定接收机位置的定位设备。卫星导航定位技术通过接收机测量接收信号从位置已知的GNSS卫星发出至到达接收机所经历的时间，将该传播时间乘以光速即得到从GNSS卫星到接收机的距离。由于该距离中含有很多误差项，因此称之为伪距。
为了确定接收机的三维位置以及本地时间，必须测量四颗或者四颗以上的卫星到接收机的伪距，得到四个或四个以上的联立方程组。GNSS卫星的位置可以通过卫星广播的导航电文中包含的星历数据计算，属于已知量，因此该方程组的未知量共四个，即接收机的三维位置和接收机本地时间。该非线性方程组可以通过最小二乘法迭代或者卡尔曼滤波法进行解算，解算的位置、时间解的精度最终表示为几何因子(DOP)和伪距误差因子的乘积，即：(定位解算结果误差)＝(几何因子)*(伪距误差)。其中，几何因子表示GNSS卫星和接收机的相对几何布局对定位解算结果的误差的复合影响，仅仅和参与解算的GNSS卫星以及接收机的相对几何位置有关。
可见，伪距的误差直接影响到最终的定位解算结果，并被几何因子放大。
伪距误差包括卫星时钟误差、星历预测误差、相对论效应引起的误差、大气层引起的延时(主要是电离层/对流层引起的延时)、接收机噪声和分辨率偏差、接收机硬件偏差以及多径偏差等。在上述误差项中，卫星时钟稳定度引起的误差约为3m，星历预测误差约为5m，电离层误差约为5m，对流层误差约为1.5m，接收机噪声和分辨率引起的误差约为1.5m，多径偏差约为2.5m，在城市多径较严重的场景下，最坏情况下可达到100m。上述多项误差均可以采用相应的现有技术进行消除，多径偏差成为影响GNSS接收机精度的最大误差来源。
多径偏差是由于接收机不仅接收到从卫星发射的直射信号，同时也接收了经过反射而来的信号，从而导致接收机的伪距测量出现偏差。
GNSS的多径减轻技术一直是广泛研究的课题，作为降低多径误差的基本方法，窄相关(NC)技术基于如下原理：在以扩频为基础的GNSS接收机中，多径引入的影响和多径信号相对于直射信号的延时紧密相关，当多径信号相对于直射信号的延时大于2倍的接收机码片宽度时，其产生的影响就可以忽略。窄相关技术通过提高接收机码片速率的方式，缩短相关器的码片宽度，从而消除延时相对较长的多径信号带来的误差。
如图1、图2、图3所示，采用窄相关技术的GNSS接收机包括右旋圆极化天线10、带有本地时钟111的射频前端模块11、FPGA(Field ProgrammableGate Array现场可编程门阵列)模块12和CPU13，其中FPGA模块12包括卫星捕获单元101、卫星跟踪单元102和连接CPU接口的接口单元103，CPU13内置捕获控制模块201、电文解调模块202、环路跟踪模块203、原始数据测量模块204、定位解算模块206和连接外部接口的接口协议模块205。
捕获控制模块201处理FPGA内的卫星捕获单元输入的原始GPS采样数据或相关积分结果，对原始GPS采样数据进行捕获算法(如：采用FFT进行圆周卷积以获得相关积分结果)的运算或直接对相关积分结果进行分析，给出捕获结论，同时配置捕获模块，包括待捕获的卫星号、捕获参数(码相位和多普勒频率)等。
环路跟踪模块203从FPGA内的卫星跟踪单元获取相关积分结果，进行鉴相计算、环路滤波，并根据计算结果给出环路调整命令，更新环路参数。环路跟踪单元在进行环路跟踪的同时，也计算出跟踪的卫星信号的载噪比CN0以及环路锁定指示，并完成比特同步、解调卫星信号上调制的BPSK信号的比特数据。
原始数据测量模块204从卫星跟踪单元获取环路状态数据，原始数据测量模块根据这些环路状态计算出原始观测量，包括伪距、伪距率、载波相位、多普勒频移等。
电文解调模块202从环路跟踪模块203获取导航电文的比特流，对比特数据进行帧同步、解帧处理，解调出所需要的导航电文，包括卫星时间、星历、历书以及其它误差校正参数，并把这些数据传给定位解算模块206。
定位解算模块206从电文解调模块202获取导航电文、从环路跟踪模块203获取卫星信号的载噪比、从原始数据测量模块204获取伪距、伪距率等数据，用这些数据进行定位解算，并把定位解算结果通过接口协议处理模块发送到外部接口。
但窄相关技术存在如下缺陷：
1、窄相关技术以提高码片速率即缩短相关器的码片宽度为代价，这不但提高了GNSS接收机处理的复杂度，同时，由于码片宽度不能过窄，与窄相关技术提高码片速率的要求相矛盾，因此对窄相关技术消除多径影响形成限制；
2、由于窄相关技术减轻多径影响的性能有限，需要采用其它方法进行补充，如多径消除(MET)技术和脉冲孔径相关(PAC)技术等，但多径消除技术和脉冲孔径相关技术在减轻多径影响的性能上还有待提高。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，提供一种高精度GNSS接收机，进一步减轻多径影响，提高GNSS接收机的定位精度。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种高精度GNSS接收机，包括依次连接的接收天线、带有本地时钟源的射频前端模块、信号跟踪模块和CPU，所述信号跟踪模块包括卫星捕获单元、卫星跟踪单元和接口单元，所述CPU内置捕获控制模块、电文解调模块、环路跟踪模块、原始数据测量模块、定位解算模块和连接外部接口的接口协议模块，其特征在于：
所述接收天线为左右旋圆极化天线；
所述射频前端模块包括接收右旋接收信号的第一射频前端模块和对应接收左旋接收信号的第二射频前端模块，或所述射频前端模块包括接收左旋接收信号的第一射频前端模块和对应接收右旋接收信号的第二射频前端模块；
所述信号跟踪模块的卫星跟踪单元包括第一卫星跟踪单元和第二卫星跟踪单元，所述卫星捕获单元与所述第一射频前端模块接口捕获卫星数据、配置该第一卫星跟踪单元和第二卫星跟踪单元初始状态，所述第一卫星跟踪单元与所述卫星捕获单元接口、跟踪所述第一射频前端模块的输出数据，所述第二卫星跟踪单元与所述卫星捕获单元接口、跟踪所述第二射频前端模块的输出数据；所述第一卫星跟踪单元和所述第二卫星跟踪单元分别与所述接口单元接口：
所述CPU内置模块还包括可用星选择模块，所述环路跟踪模块包括与所述第一卫星跟踪单元接口的第一环路跟踪模块和与所述第二卫星跟踪单元接口的第二环路跟踪模块，所述原始数据测量模块包括与所述第一卫星跟踪单元接口的第一原始数据测量模块和与所述第二卫星跟踪单元接口的第二原始数据测量模块；所述可用星选择模块连接所述第一、第二环路跟踪模块获取右旋和左旋两路信号的载噪比或获取左旋和右旋两路信号的载噪比，所述可用星选择模块连接所述第一、第二原始数据测量模块获取左右旋两路信号的原始测量数据，所述可用星选择模块连接所述定位解算模块并对所述获取数据进行分析判断、从中选择多径信号较弱的卫星原始数据并将所选卫星原始测量数据传给所述定位解算模块进行最终的定位解算。
在本发明的高精度GNSS接收机中，所述第一射频前端模块和所述第二射频前端模块共用一个所述本地时钟源。
在本发明的高精度GNSS接收机中，所述信号跟踪模块内置于所述CPU内。
在本发明的高精度GNSS接收机中，所述信号跟踪模块为FPGA模块，所述CPU内置于该FPGA模块内。
在本发明的高精度GNSS接收机中，所述信号跟踪模块为FPGA模块，该FPGA模块与所述CPU分离搭建。
在本发明的高精度GNSS接收机中，所述可用星选择模块包括目标卫星的载噪比、伪距数据选择器、载噪比滑动平均器、载噪比比较器、伪距滑动平均器、伪距比较器、可用星数据存储器和所有卫星处理完毕判断装置；
所述载噪比滑动平均器输出口连接所述载噪比比较器输入口，所述伪距滑动平均器输出口连接所述伪距比较器输入口；所述载噪比比较器包括左旋接收信号载噪比大于等于预设阈值比较的“是”输出口和“否”输出口，所述伪距比较器包括右旋信号伪距大于等于左旋信号伪距比较的“是”输出口和“否”输出口；所述所有卫星处理完毕判断装置包括连接所述目标卫星的载噪比、伪距数据选择器输入口的“否”输出口和连接所述定位解算模块的“是”输出口；
所述载噪比滑动平均器输入口连接目标卫星的载噪比、伪距数据选择器的输出口，所述载噪比比较器的“否”输出口连接所述伪距滑动平均器的输入口，所述伪距比较器的“否”输出口连接所述可用星数据存储器输入口，所述载噪比比较器“是”输出口、伪距比较器“是”输出口和可用星数据存储器的输出口分别连接所述所有卫星处理完毕判断装置输入口；或所述伪距滑动平均器的输入口连接目标卫星的载噪比、伪距数据选择器的输出口，所述伪距比较器的“否”输出口连接所述载噪比滑动平均器输入口，所述载噪比比较器的“否”输出口连接所述可用星数据存储器输入口，所述载噪比比较器“是”输出口、伪距比较器“是”输出口和可用星数据存储器的输出口分别连接所述所有卫星处理完毕判断装置输入口。
实施本发明的高精度GNSS接收机，与现有技术比较，其有益效果是：
1.通过引入卫星直射信号(右旋圆极化信号)和一次反射信号(左旋圆极化信号)两路信号，对信号数据进行比较分析，选出多径信号较弱的卫星原始数据进行最终的定位解算，从数据源上减轻了多径信号的影响，保证GNSS接收机获得较高的定位精度；
2.本发明可以基于现有减轻多径技术之上使用，达到进一步减轻多径影响的目的；
3.结构简单，扩展性强，可以实现灵活的架构配置，如将FPGA模块的功能全部用软件实现，并内置于CPU中，从而省去FPGA的硬件结构；或采用软件来实现CPU的功能，在FPGA模块中内置该用软件实现的CPU软核；或将FPGA模块和CPU分离搭建；或将FPGA模块和CPU采用用一个内置CPU核的专用集成电路ASIC来实现等。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是现有GNSS接收机的结构框图。
图2是现有GNSS接收机中FPGA的结构框图。
图3是现有GNSS接收机中CPU内置模块的结构框图。
图4是本发明高精度GNSS接收机一种实施例的结构框图。
图5是本发明高精度GNSS接收机中FPGA的结构框图。
图6是本发明高精度GNSS接收机中CPU内置模块的结构框图。
图7是本发明高精度GNSS接收机CPU内置模块中可用星选择模块的流程图。
具体实施方式
如图4所示，本发明高精度GNSS接收机包括左右旋圆极化天线21、射频前端模块一22、射频前端模块二24、FPGA模块25和CPU26。
射频前端模块一22与射频前端模块二24共用一个本地时钟源TCXO23。射频前端模块一22与射频前端模块二24分别经左右旋圆极化天线21对应接收右旋圆极化信号和左旋圆极化信号(经过一次反射的右旋圆极化信号会转变为左旋圆极化信号。对于经过一次以上反射的卫星而言，因为与原始信号之间的延迟一般较大，对采用窄相关技术的接收机而言，基本上已经对精度没有影响，因此可以认为多径信号主要是经过一次反射的信号，即左旋圆极化信号)，然后将接收信号与时钟信号经滤波、放大、下变频、A/D转换处理后发送至FPGA模块25。
在其他实施例中，射频前端模块一22与射频前端模块二24可以分别经左右旋圆极化天线21对应接收左旋圆极化信号和右旋圆极化信号，也能够实现本发明目的。
如图5所示，FPGA模块25包括卫星捕获单元101、卫星跟踪单元一102、卫星跟踪单元二104和接口单元103。卫星捕获单元101获取射频前端模块一22的数据，进行卫星捕获，并将捕获结果传给卫星跟踪单元一102和卫星跟踪单元二104，卫星跟踪单元一102和卫星跟踪单元二104根据卫星捕获单元101的输出结果设定跟踪的初始状态，并开始进行跟踪。卫星跟踪单元一102跟踪射频前端模块一22的输出数据，相应地，卫星跟踪单元二104跟踪射频前端模块二24的输出数据。
由于两路射频前端模块采用同一个本地时钟源TCXO23，两路接收信号仅在相位上有所差别，因此FPGA模块内部仅对一路信号进行卫星捕获，卫星捕获单元101的输出则分别提供给两路卫星跟踪单元102与104。
在本实施例中，两路射频前端模块采用同一个本地时钟源TCXO23。在其他实施例中，射频前端模块一22与射频前端模块二24可以分别采用各自的本地时钟源，由于两个本地时钟源的时差一定，两路接收信号也仅在相位上有所差别，也能够实现本发明目的。
如图6所示，CPU26内置捕获控制模块201、电文解调模块202、环路跟踪模块203、原始数据测量模块204、可用星选择模块207、定位解算模块206和连接外部接口的接口协议模块205。
捕获控制模块201处理FPGA模块内的卫星捕获单元101输入的原始GPS采样数据或相关积分结果，对原始GPS采样数据进行捕获算法(如：采用FFT进行圆周卷积以获得相关积分结果)的运算或直接对相关积分结果进行分析，给出捕获结论，同时配置卫星捕获单元101，包括待捕获的卫星号、捕获参数(码相位和多普勒频率)等。
环路跟踪模块203包括两个，分别对FPGA模块内的卫星跟踪单元一102和卫星跟踪单元二104进行接口。环路跟踪模块203从FPGA模块内的两个卫星跟踪单元102、104获取相关积分结果，进行鉴相计算、环路滤波，并根据计算结果给出环路调整命令，更新环路参数。环路跟踪模块203在进行环路跟踪的同时，也计算出跟踪的卫星信号的载噪比CN0以及环路锁定指示，并完成比特同步、解调卫星信号上调制的BPSK信号的比特数据。
原始数据测量模块204也包括两个，分别对应FPGA模块的卫星跟踪单元一102和卫星跟踪单元二104。两个卫星跟踪单元102、104将环路状态发送给原始数据测量模块204，原始数据测量模块204则根据这些环路状态计算出原始观测量，包括伪距、伪距率、载波相位、多普勒频移等。
电文解调模块202从环路跟踪模块203获取到导航电文的比特流，对比特数据进行帧同步、解帧处理，解调出所需要的导航电文，包括卫星时间、星历、历书以及其它误差校正参数，并把这些数据传给定位解算模块206。
可用星选择模块207从两个环路跟踪模块203获取左旋和右旋两路信号的载噪比、从两个原始数据测量模块204获取左旋和右旋两路信号的伪距、载波相位等原始测量数据，然后对这些数据进行分析判断，从中选择多径信号较弱的卫星原始数据，并把这些原始数据传给定位解算模块206进行最终的定位解算。
定位解算模块206从电文解调模块202获取导航电文、从可用星选择模块207获取可用卫星的原始观测量，用这些数据进行定位解算，并把定位解算结果通过接口协议处理模块205发送到外部接口。
本发明的高精度GNSS接收机可用采用灵活的架构：如将FPGA模块的功能全部用软件实现，该部分软件全部运行在CPU上，从而省去FPGA的硬件结构；或采用软件来实现CPU的功能，在FPGA模块中内置该用软件实现的CPU软核；或将FPGA模块和CPU分离搭建；或将FPGA模块和CPU采用用一个内置CPU核的专用集成电路ASIC来实现，以达到降低成本、提高集成度的目的等。
如图7所示，本实施例的可用星选择模块207通过如下步骤实现多径信号较弱的卫星原始数据的选择：
一、对输入的左旋和右旋两路信号所有卫星的CN0(载噪比)、PR(伪距)按输入顺序选择；
二、对CN0进行滑动窗平均，窗口大小为T，得到＜CN0＞；
三、当左旋信号的＜CN0＞大于等于预设的阈值CN0th时，转第七步；当左路信号的＜CN0＞小于预设的阈值CN0th时，则
四、对PR进行滑动窗平均，窗口大小为T，得到＜PR＞；
五、当右旋信号的＜PR＞大于等于左旋信号的＜PR＞时，转第七步；当右旋信号的＜PR＞小于左旋信号的＜PR＞时，则
六、将该卫星加入可用星集合；
七、当所有卫星未处理完毕时，转第一步；当所有卫星处理完毕时，输出所有可用星的右旋原始观测量。
在其他实施例中，可用星选择模块207通过如下步骤实现多径信号较弱的卫星原始数据的选择，也能够实现本发明目的：
一、对输入的左旋和右旋两路信号所有卫星的CN0(载噪比)、PR(伪距)按输入顺序选择；
二、对PR进行滑动窗平均，窗口大小为T，得到＜PR＞；
三、当右旋信号的＜PR＞大于等于左旋信号的＜PR＞时，转第七步；当右旋信号的＜PR＞小于左旋信号的＜PR＞时，则
四、对CN0进行滑动窗平均，窗口大小为T，得到＜CN0＞；
五、当左旋信号的＜CN0＞大于等于预设的阈值CN0th时，转第七步；当左路信号的＜CN0＞小于预设的阈值CN0th时，则
六、将该卫星加入可用星集合；
七、当所有卫星未处理完毕时，转第一步；当所有卫星处理完毕时，输出所有可用星的右旋原始观测量。
上述阈值CN0th的取值可根据GNSS接收机的工作环境进行手工配置：在多径较严重的场合，CN0th的值可取较大，在多径较少的场合，CN0th的值可取稍小。
在没有手工配置的情况下，CN0th的值可根据当前右旋信号(RHCP)的CN0值来确定：即CN0th＝CN0_RHCP，单位为dBHz。该设置表示当某颗卫星左旋信号(LHCP)的强度等于右旋信号(RHCP)的强度时，即认为该卫星的多径较强，无法使用。
阈值CN0th可以进行自适应调整。当可用星数量较少时，可以将CN0th减小，反之，则可以将CN0th增大。

Claims (6)

1.一种高精度GNSS接收机，包括依次连接的接收天线、带有本地时钟源的射频前端模块、信号跟踪模块和CPU，所述信号跟踪模块包括卫星捕获单元、卫星跟踪单元和接口单元，所述CPU内置捕获控制模块、电文解调模块、环路跟踪模块、原始数据测量模块、定位解算模块和连接外部接口的接口协议模块，其特征在于：
所述接收天线为左右旋圆极化天线；
所述射频前端模块包括接收右旋接收信号的第一射频前端模块和对应接收左旋接收信号的第二射频前端模块，或所述射频前端模块包括接收左旋接收信号的第一射频前端模块和对应接收右旋接收信号的第二射频前端模块；
所述信号跟踪模块的卫星跟踪单元包括第一卫星跟踪单元和第二卫星跟踪单元，所述卫星捕获单元与所述第一射频前端模块接口捕获卫星数据、配置该第一卫星跟踪单元和第二卫星跟踪单元初始状态，所述第一卫星跟踪单元与所述卫星捕获单元接口、跟踪所述第一射频前端模块的输出数据，所述第二卫星跟踪单元与所述卫星捕获单元接口、跟踪所述第二射频前端模块的输出数据；所述第一卫星跟踪单元和所述第二卫星跟踪单元分别与所述接口单元接口：
所述CPU内置模块还包括可用星选择模块，所述环路跟踪模块包括与所述第一卫星跟踪单元接口的第一环路跟踪模块和与所述第二卫星跟踪单元接口的第二环路跟踪模块，所述原始数据测量模块包括与所述第一卫星跟踪单元接口的第一原始数据测量模块和与所述第二卫星跟踪单元接口的第二原始数据测量模块；所述可用星选择模块连接所述第一、第二环路跟踪模块获取右旋和左旋两路信号的载噪比或获取左旋和右旋两路信号的载噪比，所述可用星选择模块连接所述第一、第二原始数据测量模块获取左右旋两路信号的原始测量数据，所述可用星选择模块连接所述定位解算模块并对所述获取数据进行分析判断、从中选择多径信号较弱的卫星原始数据并将所选卫星原始测量数据传给所述定位解算模块进行最终的定位解算。
2.如权利要求1所述的高精度GNSS接收机，其特征在于，所述第一射频前端模块和所述第二射频前端模块共用一个所述本地时钟源。
3.如权利要求1所述的高精度GNSS接收机，其特征在于，所述信号跟踪模块内置于所述CPU内。
4.如权利要求1所述的高精度GNSS接收机，其特征在于，所述信号跟踪模块为FPGA模块，所述CPU内置于该FPGA模块内。
5.如权利要求1所述的高精度GNSS接收机，其特征在于，所述信号跟踪模块为FPGA模块，该FPGA模块与所述CPU分离搭建。
6.如权利要求1至5之一所述的高精度GNSS接收机，其特征在于，所述可用星选择模块包括目标卫星的载噪比、伪距数据选择器、载噪比滑动平均器、载噪比比较器、伪距滑动平均器、伪距比较器、可用星数据存储器和所有卫星处理完毕判断装置；
所述载噪比滑动平均器输出口连接所述载噪比比较器输入口，所述伪距滑动平均器输出口连接所述伪距比较器输入口；所述载噪比比较器包括左旋接收信号载噪比大于等于预设阈值比较的“是”输出口和“否”输出口，所述伪距比较器包括右旋信号伪距大于等于左旋信号伪距比较的“是”输出口和“否”输出口；所述所有卫星处理完毕判断装置包括连接所述目标卫星的载噪比、伪距数据选择器输入口的“否”输出口和连接所述定位解算模块的“是”输出口；
所述载噪比滑动平均器输入口连接目标卫星的载噪比、伪距数据选择器的输出口，所述载噪比比较器的“否”输出口连接所述伪距滑动平均器的输入口，所述伪距比较器的“否”输出口连接所述可用星数据存储器输入口，所述载噪比比较器“是”输出口、伪距比较器“是”输出口和可用星数据存储器的输出口分别连接所述所有卫星处理完毕判断装置输入口；或所述伪距滑动平均器的输入口连接目标卫星的载噪比、伪距数据选择器的输出口，所述伪距比较器的“否”输出口连接所述载噪比滑动平均器输入口，所述载噪比比较器的“否”输出口连接所述可用星数据存储器输入口，所述载噪比比较器“是”输出口、伪距比较器“是”输出口和可用星数据存储器的输出口分别连接所述所有卫星处理完毕判断装置输入口。
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