CN102197317B - 卫星导航装置 - Google Patents

Abstract

利用组合载波平滑后的伪距的校正方法高精度地校正伪距。电码伪距校正部(19)，以L1载波相位的时间变化量ΔADR_L1(i)载波平滑L1电码伪距PR_L1(i)，且以载波电离层延迟的时间变化量ΔI_ADRL1(i)载波校正电码电离层延迟I_PRL1(i)。电码伪距校正部(19)，通过从平滑处理后L1电码伪距PR_L1sm(i)减去校正后电离层延迟I′_L1sm(i)进行电离层延迟校正。此时，电码伪距校正部(19)使在L1载波相位的时间变化量ADR_L1(i)所含的载波电离层延迟的时间变化量ΔI_ADRL1(i)的延迟方向和在校正后电离层延迟I′_L1sm(i)的算出所用的载波电离层延迟的时间变化量ΔI_ADRL1(i)的延迟方向相一致。

Description

卫星导航装置

技术领域

本发明涉及一种卫星导航装置，基于来自导航卫星的卫星信号进行测位或基准信号的生成。

背景技术

目前，存在各种卫星导航装置，其利用GNSS(Global Navigation SatelliteSystem)进行测位或实行1PPS等的基准信号的生成。在这样的卫星导航装置中，基于来自多颗导航卫星的导航信号进行测位或基准信号的生成。其中，因在GNSS中存在经营主体不同的多个系统，故在以下，以GPS(GlobalPositioning System)的情况为例加以说明。

在GPS中，将频率不同的L1波和L2波作为载波，通过将伪随机码及导航电文重叠在各载波上，各GPS卫星生成GPS信号。另外，在以下，将使用L1波的GPS信号称为L1信号、将使用L2波的GPS信号称为L2信号。各GPS卫星同步并播送该L1信号及L2信号，被卫星导航装置接收。

卫星导航装置，若接收GPS信号，则基于伪随机码逐颗GPS卫星算出伪距P，基于该伪距P推算测位及接收机时间误差。在该推算的演算中，伪距的精度影响测位结果等的精度，因伪距有误差，故对于进行高精度测位等，必须实行该伪距的校正处理。而且，目前，关于伪距的校正处理有多种设计，例如有以载波相位平滑伪距的方法、或以电离层延迟对伪距进行电离层延迟校正的方法等。

例如，在专利文献1中，基于L1信号的伪距和L2信号的伪距算出L1信号的电离层延迟量，在平滑该电离层延迟量后，从L1信号的伪距减去，进行电离层延迟校正。

另外，在专利文献2中，基于L1信号的伪距和L2信号的伪距算出无电离层（消除电离层影响）的电码伪距，并基于L1信号的载波相位和L2信号的载波相位算出无电离层的载波相位。然后，从无电离层的电码伪距减去无电离层的载波相位，通过平滑实行校正。

另外，上述方法之外，也有利用通常的载波平滑的方法。该情况下，通过从载波平滑后的伪距减去载波平滑后的电离层延迟量，实行伪距的电离层延迟校正。

［专利文献1］日本国特开2008－51567号公报

［专利文献2］日本国特开2007－278708号公报

发明的公开

发明要解决的课题

可是，在利用上述的载波平滑的方法中，有如下所示的潜在问题，即、虽然校正算出的伪距，但是如后述的图3所示，算出值逐渐偏离实际的伪距。

一般的单频的情况下，以式(1)所示的演算进行伪距的载波平滑。

(数式1)

$\mathrm{PRsm}\left(i\right)=\frac{1}{k}\mathrm{PR}\left(i\right)+\frac{k-1}{k}(\mathrm{PRsm}(i-1)+\mathrm{\ΔADR}\left(i\right))$ －式(1)

其中，PRsm(i)表示此次的平滑伪距；PR(i)表示此次的观测伪距；ＰPRsm(i－1)表示前次的平滑伪距；ΔADR(i)表示从前次到此次的观测载波相位的时间变化量；ｋ表示加权用的系数。

另外，以式(2)所示的演算进行通常的电码电离层延迟的载波平滑(载波校正)。

(数式2)

$\mathrm{Ism}\left(i\right)=\frac{1}{k}{I}_{\mathrm{PR}}\left(i\right)+\frac{k-1}{k}(\mathrm{Ism}(i-1)+\mathrm{\Δ}{I}_{\mathrm{ADR}}\left(i\right))$ －式(2)

其中，Ism(i)表示此次的平滑电离层延迟；I_PR(i)表示起因于此次的观测伪距的电离层延迟；Ism(i－1)表示前次的平滑电离层延迟；ΔI_ADR(i)表示从前次到此次起因于观测载波相位的电离层延迟量的变化量；和伪距同样k表示加权用的系数。

如此，对关于电码的伪距和电离层延迟的两者进行平滑后，通过从平滑伪距PRsm(i)减掉平滑电离层延迟Ism(i)，对伪距进行电离层延迟校正。即、相当于实行式(1)－式(2)进行如式(3)所示的演算。

(数式3)

$\mathrm{PRsm}\left(i\right)-\mathrm{Ism}\left(i\right)=\frac{1}{k}(\mathrm{PR}\left(i\right)-I_{\mathrm{PR}}\left(i\right))+\frac{k-1}{k}(\mathrm{PRsm}(i-1)-\mathrm{Ism}(i-1)+\mathrm{\ΔADR}\left(i\right)-\mathrm{\Δ}{I}_{\mathrm{ADR}}\left(i\right))$

－式(3)

在此，因对于载波相位的电离层的影响作用于伪距被观测为变短的方向，故基于导航卫星和接收机(卫星导航装置)间的实际距离的时间变化量Δr(i)和电离层延迟量的时间变化量ΔI_ADR(i)用式(4)表示载波相位的时间变化量Δ_ADR(i)。

ΔADR(i)＝Δr(i)－ΔI_ADR(i)    －式(4)

将式(4)代入式(3)得到式(5)。

(数式4)

$\mathrm{PRsm}\left(i\right)-\mathrm{Ism}\left(i\right)=\frac{1}{k}(\mathrm{PR}\left(i\right)-I_{\mathrm{PR}}\left(i\right))+\frac{k-1}{k}(\mathrm{PRsm}(i-1)-\mathrm{Ism}(i-1)+\mathrm{\Δr}\left(i\right)-2\·\mathrm{\Δ}{I}_{\mathrm{ADR}}\left(i\right))$

－式（5）

如式(5)所示，PR(i)－I_PR(i)、PRsm(i－1)－Ism(i－1)构成从包含电离层延迟的影响的伪距中除去电离层延迟的项。另外，Δr(i)构成不包含电离层延迟的卫星和接收机间的实际距离的时间变化量。因此，式(5)的右边变成了进行电离层延迟校正{PR(i)－I_PR(i)}的项、和{－2·ΔI_ADR(i)}加上{PRsm(i－1)－Ism(i－1)}后的项，不能除去电离层延迟的影响。

因此，组合一般的载波平滑的方法的情况下，虽然进行电离层延迟的校正，但是不只是伪距的项，－2ΔI_ADR(i)的项也总是被加入，变成偏离实际伪距的值。而且，因每次伪距的算出中加入这样的项，故本应被校正的伪距进一步偏离实际的伪距。

发明内容

针对上述问题，本发明实现一种卫星导航装置，即使利用组合载波平滑的伪距校正方法，也能实现高精度地校正伪距。

用于解决课题的手段

本发明涉及一种卫星导航装置，基于来自导航卫星的导航信号算出电码伪距。该卫星导航装置具备伪距校正部，通过以电码电离层延迟对基于载波相位平滑后的电码伪距进行电离层延迟校正，实行电码伪距的校正。并且，该伪距校正部，使在上述载波相位所含的载波电离层延迟和电码电离层延迟的延迟方向相一致，实行电码伪距的校正。

另外，本发明的卫星导航装置的伪距校正部，具体而言，上述伪距校正部，通过使起因于第一载波电离层延迟的载波相位的偏移方向和对用于电离层延迟校正的电码电离层延迟进行载波校正的第二载波电离层延迟的校正方向相一致，使在载波相位所含的载波电离层延迟和电码电离层延迟的延迟方向相一致，上述第一载波电离层延迟被包含在用于平滑的载波相位中。

在该构成中，在以载波相位平滑电码伪距时，通过使在该载波相位中所包含的起因于第一载波电离层延迟的载波相位的偏移方向和对电码电离层延迟进行载波校正的第二载波电离层延迟的校正方向相一致，在数学上，这些第一载波电离层延迟和第二载波电离层延迟的演算式中的符号一致。因此，从以载波相位平滑后的电码伪距减去以载波电离层延迟载波校正的电码电离层延迟，进行电离层延迟校正时，被平滑用的载波相位所包含的第一载波电离层延迟和载波校正电码电离层延迟的第二载波电离层延迟相抵消。据此，对伪距校正部的校正后的电码伪距除去电离层延迟的影响。

另外，本发明的卫星导航装置具备测位演算部，利用上述伪距校正部校正后的电码伪距进行测位演算。

在本构成中，如上述，通过利用高精度地校正后的电码伪距，能取得高精度的测位结果。

另外，本发明的卫星导航装置具备基准信号生成部，利用上述测位演算所得的时钟偏置生成基准时钟信号。

在该构成中，通过实行如上述的高精度的测位演算，能取得高精度的时钟偏置，能生成高精度的基准信号。

发明的效果

根据本发明，能取得除去电离层延迟的影响的高精度的电码伪距。

附图说明

图1是表示本实施方式的卫星导航装置1的主要构成的框图，及表示电码伪距校正部19的主要构成的框图。

图2是表示本发明的实施方式的卫星导航装置1的电码伪距的校正处理流程的流程图。

图3是表示利用本发明的实施方式的方法时、利用现有方法时、及没有进行载波平滑时的L1电码伪距的值的坐标图。

符号说明

1、     卫星导航装置

11、L1  用接收部

12、L2  用接收部

13、L1  用伪距算出部

14、L1  用载波相位算出部

15、L2  用伪距算出部

16、L2  用载波相位算出部

17、    电码电离层延迟算出部

18、    载波电离层延迟算出部

19、    电码伪距校正部

191、   电码伪距载波平滑部

192、   电码电离层延迟载波校正部

193、   电码伪距电离层延迟校正部

20、    测位演算部

100、   天线

具体实施方式

下面，参考附图说明本实施方式的卫星导航装置。另外，在以下说明中，以GPS为例进行说明，不限于此，以下构成及处理也能适用于其他的GNSS。

图1(A)是表示本实施方式的卫星导航装置1的主要构成的框图，图1(B)是表示图1(A)所示的电码伪距校正部19的主要构成的框图。

如图(1)所示，本实施方式的卫星导航装置1具备：L1用接收部11、L2用接收部12、L1用伪距算出部13、L1用载波相位算出部14、L2用伪距算出部15、L2用载波相位算出部16、电码电离层延迟算出部17、载波电离层延迟算出部18、电码伪距校正部19、测位演算部20。

L1用接收部11接收天线100接收到的来自导航卫星的导航信号并检波，将导航电文等输出给L1用伪距算出部13，将载波相位信息输出给L1用载波相位算出部14。L2用接收部12接收天线100接收到的来自测位卫星的导航信号并检波，将导航电文等输出给L2用伪距算出部15，将载波相位信息输出给L2用载波相位算出部16。

L1用伪距算出部13基于导航电文等按照规定定时算出L1电码伪距PR_L1(i)。L1电码伪距PR_L1(i)输出给电码电离层延迟算出部17及电码伪距校正部19。

L2用伪距算出部15基于导航电文等以和上述L1的各信息相同的定时算出L2电码伪距PR_L2(i)。L2电码伪距PR_L2(i)输出给电码电离层延迟算出部17。

L1用载波相位算出部14基于L1信号的载波相位信息，以和上述电码伪距PR_L1(i)相同的定时，算出L1载波相位ADR_L1(i)。L1载波相位ADR_L1(i)输出给载波电离层延迟算出部18及电码伪距校正部19。

L2用载波相位算出部16基于L2信号的载波相位信息，以和上述电码伪距PR_L2(i)相同的定时，算出L2载波相位ADR_L2(i)。L2载波相位ADR_L2(i)输出给载波电离层延迟算出部18。

电码电离层延迟算出部17用下式(6)以各定时算出L1电码电离层延迟Ｉ_PRL1(i)。

(数式5)

$I_{\mathrm{PRL}1}\left(i\right)=\frac{f_{L2}^2}{f_{L1}^2-f_{L2}^2}({\mathrm{PR}}_{L2}\left(i\right)-{\mathrm{PR}}_{L1}\left(i\right))$ －式（6）

载波电离层延迟算出部18利用下式(7)以各定时算出载波电离层延迟的时间变化量ΔI_ADRL1(i)。

(数式6)

${\mathrm{\ΔI}}_{\mathrm{ADRL}1}\left(i\right)=\frac{f_{L2}^2}{f_{L1}^2-f_{L2}^2}({\mathrm{\λ}}_{L1}\·{\mathrm{\ΔADR}}_{L1}\left(i\right)-{\mathrm{\λ}}_{L2}\·{\mathrm{\ΔADR}}_{L2}\left(i\right))$ －式（7）

另外，在此，λ_L1及λ_L2分别是L1信号的波长及L2信号的波长。另外，ΔADR_L1(i)表示L1载波相位ADR_L1(i)的从前次到此次的时间变化量，ΔADR_L2(i)表示L2载波相位ADR_L2(i)的从前次到此次的时间变化量。

电码电离层延迟算出部17算出的电码电离层延迟Ｉ_PRL1(i)及载波电离层延迟算出部18算出的载波电离层延迟的时间变化量ΔＩ_ADRL1(i)输出给电码伪距校正部19。

电码伪距校正部19具备：电码伪距载波平滑部191、电码电离层延迟载波校正部192、及电码伪距电离层延迟校正部193。利用下面原理校正L1电码伪距PR_L1(i)，并输出给测位演算部20。

电码伪距载波平滑部191通过利用上述式(1)所示的加权平均对L1电码伪距PR_L1(i)进行载波平滑。即、电码伪距载波平滑部191利用下式(8)算出平滑处理后L1电码伪距PR_L1sm(i)。

(数式7)

${\mathrm{PR}}_{L1}\mathrm{sm}\left(i\right)=\frac{1}{k}{\mathrm{PR}}_{L1}\left(i\right)+\frac{k-1}{k}({\mathrm{PR}}_{L1}\mathrm{sm}(i-1)+\mathrm{\Δ}{\mathrm{ADR}}_{L1}\left(i\right))$ －式（8）

其中，PR_L1sm(i)是在此次定时的平滑处理后L1电码伪距，PR_L1sm(i－1)是在前次定时的平滑处理后L1电码伪距，k是决定加权的常数，能相应于规格变更。

电码电离层延迟载波校正部192利用下式(9)对电码电离层延迟I_PRL1(i)进行载波校正。即、电码电离层延迟载波校正部192利用式(9)算出载波校正后电码电离层延迟I'_L1sm(i)。

(数式8)

${I^{\′}}_{L1}\mathrm{sm}\left(i\right)=\frac{1}{k}{I}_{\mathrm{PRL}1}\left(i\right)+\frac{k-1}{k}({I^{\′}}_{L1}\mathrm{sm}(i-1)-\mathrm{\Δ}{I}_{\mathrm{ADRL}1}\left(i\right))$ －式（9）

其中，如式(9)所示，在本发明中，以不同于上述式(2)所示通常的电码电离层延迟的载波平滑的演算进行载波校正。具体而言，电码电离层延迟的校正时，并不是对于前次的载波校正后电码电离层延迟I'_L1sm(i－1)加上载波电离层延迟的时间变化量ΔI_ADRL1(i)(通常的方法)，而是进行减去载波电离层延迟的时间变化量ΔI_ADRL1(i)的演算。

本处理是基于电码电离层延迟和载波电离层延迟的延迟方向不同的处理。即、着眼于电码电离层延迟作用于伪距变长的方向，载波电离层延迟作用于伪距变短的方向，让在载波校正后电码电离层延迟I'_L1sm(i)的算出式中的载波电离层延迟的时间变化量ΔI_ADRL1(i)的符号反转，以使两者的方向一致。

电码伪距电离层延迟校正部193，从以式(8)算出的平滑处理后L1电码伪距PR_L1sm(i)减去以式(9)算出的载波校正后电码电离层延迟I'_L1sm(i)。

(数式9)

${\mathrm{PR}}_{L1}\mathrm{sm}\left(i\right)-{I^{\′}}_{L1}\mathrm{sm}\left(i\right)=$

$\frac{1}{k}({\mathrm{PR}}_{L1}\left(i\right)-I_{\mathrm{PRL}1}\left(i\right))+\frac{k-1}{k}({\mathrm{PR}}_{L1}\mathrm{sm}(i-1)-{I^{\′}}_{L1}\mathrm{sm}(i-1)+\mathrm{\Δ}{\mathrm{ADR}}_{L1}\left(i\right)+\mathrm{\Δ}{I}_{\mathrm{ADRL}1}\left(i\right))$

－式(10)

此相当于以载波校正后的电离层延迟I'_L1sm(i)对平滑处理完成L1电码伪距PR_L1sm(i)进行电离层延迟校正。

其中，因对于载波相位的电离层延迟的影响，作用于伪距被观测为变短的方向，故L1载波相位的时间变化量ΔADR_L1(i)利用卫星和接收机间的实际距离的时间变化量Δr(i)和电离层延迟的时间变化量ΔI_ADRL1(i)，以下式(11)表示。

ΔADR_L1(i)＝Δr(i)－ΔI_ADRL1(i)    －式(11)

因此，通过将式(11)代入式(10)，能得到表示以电码电离层延迟对L1电码伪距进行电离层延迟校正的下式(式(12))。

(数式10)

${\mathrm{PR}}_{L1}\mathrm{sm}\left(i\right)-{I^{\′}}_{L1}\mathrm{sm}\left(i\right)=\frac{1}{k}({\mathrm{PR}}_{L1}\left(i\right)-I_{\mathrm{PRL}1}\left(i\right))+\frac{k-1}{k}({\mathrm{PR}}_{L1}\mathrm{sm}(i-1)-{I^{\′}}_{L1}\mathrm{sm}(i-1)+\mathrm{\Δr}\left(i\right))$

－式(12)

即、用与本发明的第2载波电离层延迟相当的电码电离层延迟I_PRL1(i)的载波校正的式所含的载波电离层延迟的时间变化量ΔI_ADRL1(i)抵消与本发明的第1载波电离层延迟相当的L1载波相位的时间变化量ΔADR_L1(i)所包含的载波电离层延迟的时间变化量ΔI_ADRL1(i)。

其中，式(12)右边(1/k)·(PR_L1(i)－I_PRL1(i))的项，相当于以本次的电码电离层延迟I_PRL1(i)对本次的L1电码伪距PR_L1(i)进行电离层延迟校正。同样，((k－1)/k))·(PR_L1sm(i－1)－I'_L1sm(i－1))的项相当于以前次的载波校正后电离层延迟I'_L1sm(i－1)对前次的平滑处理后L1电码伪距PR_L1sm(i－1)进行校正。

如此，通过进行如式(12)所示的演算，对L1电码伪距进行载波平滑后，即使以载波校正的电离层延迟进行电离层延迟校正，不残留如以往的式(5)所示载波电离层延迟的时间变化量ΔI_ADRL1(i)的影响，能除去载波电离层延迟的时间变化量ΔI_ADRL1(i)对于校正后的L1电码伪距的影响。

另外，在上述说明中，表示将电码伪距校正部19作为电码伪距载波平滑部191、电码电离层延迟载波校正部192、及电码伪距电离层延迟校正部193、L1用伪距算出部13、L1用载波相位算出部14、L2用伪距算出部15、L2用载波相位算出部16、电码电离层延迟算出部17、载波电离层延迟算出部18分别发挥作用的例子，不限于此，将这些作为一个电码伪距生成部，根据下面所示的流程可以进行电码伪距的校正。

图2是表示本实施方式的卫星导航装置1的电码伪距的校正处理流程的流程图。

首先，电码伪距生成部基于导航电文等按照规定定时算出L1电码伪距PR_L1(i)及L2电码伪距PR_L2(i)(S101)。

电码伪距生成部基于L1信号的载波相位信息算出L1载波相位ADR_L1(i),且基于L2信号的载波相位信息算出L2载波相位ADR_L2(i)(S102)。

电码伪距生成部利用上述式(6)在各定时算出L1电码电离层延迟ＩP_RL1(i)(S103)。另外，电码伪距生成部利用上述式(7)在各定时算出载波电离层延迟的时间变化量ΔＩ_ADRL1(i)(S104)。

并且，电码伪距生成部根据上述的式(8)、式(9)、及式(10)用载波相位的时间变化量ΔADR_L1、电码电离层延迟Ｉ_PRL1、载波电离层延迟的时间变化量ΔＩ_ADRL1进行载波平滑后的L1电码伪距PR_L1的电离层延迟校正(S105)。

如此的处理，即使以载波校正后的电码电离层延迟对载波平滑后的L1电码伪距进行电离层延迟校正，也能除去载波电离层延迟的时间变化量ΔＩ_ADRL1(i)的影响。

图3是表示利用本实施方式的方法时、利用以往的方法时、及没有进行载波平滑时的L1电码伪距的值的坐标图。在图3中，横轴表示经过时间，纵轴表示偏离实际伪距的伪距误差。

如图3所示，通过利用本实施方式的方法，实行根据载波平滑及载波校正后的电离层延迟的校正后的电码伪距即使经过时间，其值不散乱，与实际的电码伪距大致吻合。

如此，通过使用本实施方式的构成及方法，能算出高精度的电码伪距。

如此算出的电码伪距输出给测位演算部20。测位演算部20利用该电码伪距，根据已知的方法进行自装置(接收机)的测位。据此，能进行高精度的测位。另外，因测位演算部20具备基准信号生成电路，也能输出1PPS等的基准信号。此时，通过取得高精度的电码伪距，因能高精度地取得自装置(接收机)的时钟偏置，故能生成高精度的基准信号。

另外，在本实施方式的构成及处理中，因能高精度地校正包含电离层延迟的状态的电码伪距，故没有必要使用无电离层耦合。据此，对于如并用差分测位系统的卫星导航装置，能进行有效的电码伪距的校正。即、在差分信息能利用的范围，在实行该电码伪距的载波平滑后，能够以从差分信息得到的电离层延迟信息进行电离层延迟校正，即使变成差分信息无法利用的范围，利用上述方法也能高精度地校正电码伪距。

另外，在上述说明中，公开了校正L1电码伪距的情况，不限于此，对L2电码伪距也同样能进行校正。

Claims (4)

1.一种卫星导航装置，基于来自导航卫星的导航信号算出电码伪距，其特征在于，具备：

伪距校正部，通过以电码电离层延迟对基于载波相位平滑后的电码伪距进行电离层延迟校正，实行电码伪距的校正；

上述伪距校正部使在上述载波相位所含的载波电离层延迟和上述电码电离层延迟的延迟方向相一致，实行上述电码伪距的校正。

2.如权利要求1所述的卫星导航装置，其特征在于，

上述伪距校正部通过使起因于第一载波电离层延迟的上述载波相位的偏移方向和对用于上述电离层延迟校正的电码电离层延迟进行载波校正的第二载波电离层延迟的校正方向相一致，使在上述载波相位所含的载波电离层延迟和上述电码电离层延迟的延迟方向相一致，上述第一载波电离层延迟被包含在用于平滑上述电码伪距的载波相位中。

3.如权利要求1或2所述的卫星导航装置，其特征在于，

具备测位演算部，该测位演算部利用上述伪距校正部校正后的电码伪距进行测位演算。

4.如权利要求3所述的卫星导航装置，其特征在于，

具备基准信号生成部，该基准信号生成部利用上述测位演算所得的时钟偏置生成基准时钟信号。

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