CN102983901B - 兼容gps、bd2和glonass系统的辅助同步方法 - Google Patents

兼容gps、bd2和glonass系统的辅助同步方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种兼容GPS、BD2和GLONASS系统的辅助同步方法，该方法包括以下步骤：搜索各卫星系统，选择合适的参考卫星，并确定参考信息；依次处理各系统需要辅助的卫星，将参考信息转换到受辅助的系统下；利用辅助信息，实现辅助同步；修改受辅助卫星的同步标志位，完成帧同步。本发明可实现卫星的快速同步，并使其立刻参与导航处理，有效提高接收机的性能和效率。

Description

兼容GPS、BD2和GLONASS系统的辅助同步方法
技术领域
本发明涉及一种导航卫星系统的同步方法，尤其是一种兼容GPS、BD2和GLONASS系统的辅助同步方法。
背景技术
全球导航卫星系统（GNSS）为用户提供定位导航服务，已广泛应用于消费、交通、电力、国防等领域。GNSS包括美国的全球定位系统（GPS）、俄罗斯的格鲁纳斯系统（GLONASS）、欧盟的伽利略系统（Galileo）、中国的北斗系统（BD2）以及其他一些增强系统。
GNSS接收机进行定位的基本原理就算接收到以上各GNSS系统的卫星信号，利用卫星发射的导航电文计算卫星位置，利用卫星发射的测距码（C/A码和/或P码）计算用户至卫星的包含一定偏差的实现距离，即伪距，结合卫星位置和伪距结算出用户的位置、速度和时间（PVT）信息，P表示位置，V表示速度，T表示时间。其中，计算卫星位置和伪距均要求知道卫星的发射时间。
因此，对于卫星导航接收机而言，卫星的发射时间是首要的测量值之一。只有知道了卫星的发射时间，才能进一步获取卫星的位置信息以及伪距信息从而实现定位。一般情况下，卫星的发射时间需要接收机对该卫星分别实现比特同步、字节同步、帧同步之后，才能够组装完成。由此可见，同步技术是卫星导航领域的一个关键技术：快速有效地实现卫星的同步，获取准确的发射时间，对于提高接收机的性能至关重要。
目前，相关的技术主要有两个方面，一个是从同步算法的角度出发，各种高灵敏度同步算法、微弱信号同步算法先后出现。但无论多么有效迅速的方法，卫星从锁定状态到实现帧同步的时间，都需要几秒甚至几十秒，这是由信号的结构决定的。
另外一个方面，则是从发射时间预测的角度出发。目前已有的能够快速获得卫星的发射时间的技术是基于接收机时间辅助的快速首次定位技术。然而，这种技术实现的是基于粗略RTC时间(RTC：实时时钟)对卫星发射时间的估计，存在着整毫秒的模糊度。这种模糊度的引入，增加了接收机需要解算的未知数，对所需要的卫星测量值个数也随之增加。此外，由于存在较大的误差，基于这种技术的定位结果误差也更大。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种兼容GPS、BD2和GLONASS系统的辅助同步方法，利用已同步的卫星辅助未同步的卫星快速实现帧同步，从而提高接收机的性能和效率。
按照本发明提供的技术方案，所述的兼容GPS、BD2和GLONASS系统的辅助同步方法通过下述方法来实现：基于包括卫星、天线、射频处理模块、基带信号处理模块、导航处理模块以及PVT信息输出模块构成的GNSS全球导航卫星系统，其辅助同步方法包括如下步骤：
步骤201：搜索各卫星系统，选择合适的参考卫星，具体包括：基于由天线接收，并经射频处理模块和基带信号处理模块处理后得到的卫星测量值，选择各全球导航卫星系统中载噪比最大的已同步卫星作为参考卫星，并获取该参考卫星的发射时间tr和预测传输时间τr，用以辅助其它未同步卫星实现快速同步。其中，tr基于由天线接收，并经射频处理模块和基带信号处理模块处理后得到的码相位测量值和同步信息计算获得，τr基于接收机导航处理模块根据所存储的卫星星历信息预测获得；
步骤202：处理受辅助卫星，实现系统间转换，具体包括：在导航处理模块，依次处理各全球导航卫星系统需要辅助的卫星，完成步骤201中所选参考卫星的信息到辅助信息的转换。首先，搜索当前系统，如果存在有效的参考卫星信息，则使用当前系统的卫星信息tr和τr作为辅助信息，否则，搜索其他系统，直至确认可用的参考信息，并将选中的参考卫星的发射时间tr转换到当前系统下。最后，确定辅助信息ta和τr，其中，ta为由tr转换到受辅助系统下的发射时间；
步骤203：利用辅助信息，实现辅助同步，具体包括：在导航处理模块，利用步骤202得到的辅助信息，以及受辅助卫星发射时间的小数毫秒部分Dti和预测传输时间τi，预测其整数毫秒部分Nti，然后利用预测得到的整数毫秒部分Nti和已知的小数毫秒部分Dti，组装完成受辅助卫星的发射时间ti，完成帧同步。其中，Dti基于由天线接收，并经射频处理模块和基带信号处理模块处理后得到的码相位测量值计算获得，τi基于接收机导航处理模块根据所存储的卫星星历信息预测获得；
步骤204：修改受辅助卫星的同步标志位，完成帧同步。
进一步地，所述步骤202中，参考信息与辅助信息的转换公式为：
ta=tr+dtsys
其中：tr表示参考卫星的发射时间，ta表示tr转换到受辅助系统下的发射时间。dtsys表示参考卫星所在系统与受辅助卫星所在系统的系统时差。
进一步地，所述步骤202中，涉及的系统时差dtsys定义规则如下：
当两个卫星在同一系统下时，dtsys＝0；当两个系统在不同系统下时，dtsys=dts2GPS-dtr2GPS。这里，下标r表示参考卫星所在系统，s表示受辅助卫星所在系统。dtr2GPS表示系统r与GPS的系统时差，dts2GPS表示系统s与GPS的系统时差。使用GPS为系统时差的基准可以简化导航处理过程，并且dtGPS2GPS＝0。
进一步地，所述步骤203中，对受辅助卫星的发射时间ti的组装方法包括如下步骤：
步骤401：首先，对于步骤202中所获得的辅助信息，进行初步处理，计算参考卫星信号到达接收机的时间：
tu＝ta+τr
其中:tu表示参考卫星在受辅助卫星系统下的接收时间。
步骤402：预测受辅助卫星发射时间的整数毫秒时间：
Nti=round[tu-(Dti+τi)]
其中,round()表示对一个实数就近取整,Dti表示受辅助卫星发射时间的小数毫秒部分,τi表示受辅助卫星的预测传输时间。
步骤403：组装受辅助卫星的发射时间：
ti=Nti+Dti
进一步地，所述步骤204中，当受辅助卫星的发射时间组装完成后，其同步也即完成，导航处理模块将修改受辅助卫星的同步标志位，使得该受辅助卫星可应用于随后的导航定位中。
本发明的优点是：
1、使用已同步的卫星辅助未同步的卫星，使其跳过复杂的同步过程，立刻实现帧同步并参与定位；
2、使用系统时差实现不同系统之间的辅助功能，能够同时支持GPS、BD2和GLONASS三大全球导航卫星系统。
3、使用精确的卫星信息辅助同步，没有引入模糊度，实现了卫星发射时间的准确预测，定位结果准确可靠；
4、有效提高卫星的利用率，并提高了接收机的启动速度和定位精度。。
附图说明
图1是全球导航卫星系统GNSS组成框图。
图2是本发明兼容GPS、BD2和GLONASS系统的辅助同步方法流程图。
图3是本发明根据参考卫星和系统时差确定辅助信息的流程图。
图4是本发明根据辅助信息实现辅助同步的流程图。
具体实施方式
下面结合具体附图和实施例对本发明所述方法及其实施作进一步的详细说明。
图1所示是全球导航卫星系统GNSS组成框图。GNSS接收机109包括天线104，射频处理模块105，基带信号处理模块106，导航处理模块107和PVT信息输出模块108。天线104连接射频处理模块105，射频处理模块105连接基带信号处理模块106，基带信号处理模块106连接导航处理模块107，导航处理模块107连接PVT信息输出模块108。
天线104接收分别来自GPS系统的卫星101、BD2系统的卫星102、GLONASS系统的卫星103的射频信号，射频处理模块105对接收的射频信号进行处理得到适合基带信号处理模块106处理的数字中频信号，并送入基带信号处理模块106。基带信号处理模块106进一步对数字中频信号进行处理，从码跟踪环路得到码测量值，从载波跟踪环路得到对本地载波信号的测量值。在基带信号处理模块106得到的测量值送入导航处理模块107进行导航处理，包括计算卫星的发射时间，选择参考卫星，实现参考信息到辅助信息的转换，完成卫星的辅助同步，并利用所有完成同步的卫星测量值定位。最后，由导航处理模块107得到的PVT信息送入PVT信息输出模块108，以特定格式输出。
图2是本发明实施实例利用已同步的卫星辅助未同步的卫星快速实现帧同步的流程。本实施实例将重点描述利用已同步的卫星辅助未同步的卫星快速实现帧同步的过程。
首先在步骤201，搜索各卫星系统，选择合适的参考卫星；在步骤202，处理受辅助卫星，实现系统间转换；在步骤203，利用辅助信息，实现辅助同步，在步骤204，修改受辅助卫星的同步标志位，完成帧同步。
下面进一步详细说明图2中各个步骤的具体处理过程。步骤201中，依次遍历各个全球导航卫星系统，从中选择信号最好，载噪比最大的卫星作为参考卫星，并提取完成帧同步所必须的参考信息，将所选取的卫星标记为r，则其参考信息为：该参考卫星的发射时间tr和预测传输时间τr。这里的预测传输时间τr单位为毫秒，表示卫星信号从卫星到接收机109的传输时间。其中，tr基于由天线104接收，并经射频处理模块105和基带信号处理模块106处理后得到的码相位测量值和同步信息计算获得，τr基于接收机导航处理模块107根据所存储的卫星星历信息预测获得。
步骤202中，将依次对各全球导航卫星中的未同步卫星进行辅助同步处理。完成步骤201中所选参考卫星的信息到辅助信息的转换。首先，搜索当前系统，如果存在有效的参考卫星信息，则使用当前系统的卫星信息tr和τr作为辅助信息，否则，搜索其他系统，直至确认可用的参考信息，并将选中的参考卫星的发射时间tr转换到当前系统下。最后，确定辅助信息ta和τr，其中，ta为由tr转换到受辅助系统下的发射时间。
步骤203中，利用步骤201和步骤202中确定的辅助信息ta和τr，以及受辅助卫星发射时间的小数毫秒部分Dti和预测传输时间τi，预测其整数毫秒部分Nti,然后利用预测得到的整数毫秒部分Nti和已知的小数毫秒部分Dti，组装完成受辅助卫星的发射时间ti，完成帧同步。其中，Dti基于由天线104接收，并经射频处理模块105和基带信号处理模块106处理后得到的码相位测量值计算获得，τi基于接收机导航处理模块107根据所存储的卫星星历信息预测获得。
步骤204中，修改受辅助卫星的同步标志位，完成帧同步。具体是：当受辅助卫星的发射时间组装完成后，其同步也即完成，导航处理模块将修改受辅助卫星的同步标志位，使得该受辅助卫星可应用于随后的导航定位中。
图3是本发明根据参考卫星和系统时差确定辅助信息的流程图，对于步骤202作了详细的解释，给出了根据参考卫星和系统时差确定辅助信息的处理过程。首先，在步骤301中，需要确定参考系统，先搜索当前系统，若存在已同步卫星，则选择当前系统作为参考系统；若当前系统不存在已同步卫星，则搜索其他系统，直至找到一个能够提供参考信息的卫星系统。然后，在步骤302中，确定系统时差dtsys。当两个卫星在同一系统下时，dtsys＝0；当两个系统在不同系统下时，dtsys的计算公式为：
dtsys=dts2GPS-dtr2GPS。
其中，下标r表示参考卫星所在系统，s表示受辅助卫星所在系统。dtr2GPS表示系统r与GPS的系统时差，dts2GPS表示系统s与GPS的系统时差。使用GPS为系统时差的基准可以简化导航处理过程，并且dtGPS2GPS=0。
最后，在步骤303中，根据参考信息：参考卫星的发射时间tr和预测传输时间τr，和系统时差dtsys，完成参考信息到有效的辅助信息的转换：
ta=tr+dtsys。
其中，ta和τr即为最终确定的辅助信息，将用于辅助完成卫星的帧同步过程。
图4是本发明根据辅助信息实现辅助同步的流程图，给出了根据辅助信息实现辅助同步的处理过程。首先，在步骤401中，对于步骤202中所获得的辅助信息，进行初步处理，计算参考卫星信号到达接收机的时间：
tu=ta+τr
其中:tu表示参考卫星在受辅助卫星系统下的接收时间。
然后，在步骤402中，预测受辅助卫星发射时间的整数毫秒时间：
Nti=round[tu-(Dti+τi)]
其中,round()表示对一个实数就近取整,Dti表示受辅助卫星发射时间的小数毫秒部分,τi表示受辅助卫星的预测传输时间。
最后，在步骤403中，组装受辅助卫星的发射时间：
ti=Nti+Dti
至此，对受辅助卫星的辅助同步过程完成。
本发明提供了一种兼容GPS、BD2和GLONASS系统的辅助同步方法，利用已同步的卫星辅助未同步的卫星快速实现帧同步，并且同时实现了三大卫星系统之间的转换和辅助，从而提高了接收机的性能和效率。
以上详细说明了本发明的处理过程，但这只是为了便于理解而举的一个具体实例，不应视为是对本发明的限制。任何所属技术领域的普遍专用人员均可根据本发明的技术方案及其事例的描述，做出各种可能的同等改变或替换，但所有这些改变或替换都应属于本发明的权利要求的保护范围。

Claims (4)

1.一种兼容美国的全球定位系统GPS、中国的北斗系统BD2和俄罗斯的格鲁纳斯系统GLONASS系统的辅助同步方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
步骤201，搜索各卫星系统，选择合适的参考卫星，具体包括：基于由天线(104)接收，并经射频处理模块(105)和基带信号处理模块(106)处理后得到的卫星测量值，选择各全球导航卫星系统中载噪比最大的已同步卫星作为参考卫星，并获取该参考卫星的发射时间tr和预测传输时间τr，用以辅助其它未同步卫星实现快速同步；其中，tr基于由天线(104)接收，并经射频处理模块(105)和基带信号处理模块(106)处理后得到的码相位测量值和同步信息计算获得，τr基于接收机导航处理模块(107)根据所存储的卫星星历信息预测获得；
步骤202，处理受辅助卫星，实现系统间转换，具体包括：在导航处理模块(107)，依次处理各全球导航卫星系统需要辅助的卫星，完成步骤201中所选参考卫星的信息到辅助信息的转换；首先，搜索当前系统，如果存在有效的参考卫星信息，则使用当前系统的卫星的发射时间tr和预测传输时间τr的信息作为辅助信息，否则，搜索其他系统，直至确认可用的参考信息，并将选中的参考卫星的发射时间tr转换到当前系统下；最后，确定辅助信息：ta和预测传输时间τr，其中，ta为由tr转换到受辅助系统下的发射时间；
步骤203，利用辅助信息，实现辅助同步，具体包括：在导航处理模块(107)，利用步骤202得到的辅助信息，以及受辅助卫星发射时间的小数毫秒部分Dti和预测传输时间τi，预测其整数毫秒部分Nti，然后利用预测得到的整数毫秒部分Nti和已知的小数毫秒部分Dti，组装完成受辅助卫星的发射时间ti，完成帧同步；其中，Dti基于由天线接收，并经射频处理模块(105)和基带信号处理模块(106)处理后得到的码相位测量值计算获得，τi基于接收机导航处理模块(107)根据所存储的卫星星历信息预测获得；
步骤204：修改受辅助卫星的同步标志位，完成帧同步。
2.如权利要求1所述兼容美国的全球定位系统GPS、中国的北斗系统BD2和俄罗斯的格鲁纳斯系统GLONASS系统的辅助同步方法，其特征在于：所述步骤202中，参考信息与辅助信息的转换公式为：
ta＝tr+dtsys
其中：tr表示参考卫星的发射时间，ta表示tr转换到受辅助系统下的发射时间；dtsys表示参考卫星所在系统与受辅助卫星所在系统的系统时差；
上述涉及的系统时差dtsys定义规则如下：
当两个卫星在同一系统下时，dtsys＝0；当两个系统在不同系统下时，dtsys＝dts2GPS-dtr2GPS；这里，下标r表示参考卫星所在系统，s表示受辅助卫星所在系统；dtr2GPS表示系统r与GPS的系统时差，dts2GPS表示系统s与GPS的系统时差；使用GPS为系统时差的基准可以简化导航处理过程，并且dtGPS2GPS＝0。
3.如权利要求1所述兼容美国的全球定位系统GPS、中国的北斗系统BD2和俄罗斯的格鲁纳斯系统GLONASS系统的辅助同步方法，其特征在于：所述步骤203中，对受辅助卫星的发射时间ti的组装方法包括如下步骤：
步骤401：首先，对于步骤202中所获得的辅助信息，进行初步处理，计算参考卫星信号到达接收机(109)的时间：
tu＝ta+τr；
其中:tu表示参考卫星在受辅助卫星系统下的接收时间；
步骤402：预测受辅助卫星发射时间的整数毫秒时间：
Nti＝round[tu-(Dti+τi)]；
其中,round()表示对一个实数就近取整,Dti表示受辅助卫星发射时间的小数毫秒部分,τi表示受辅助卫星的预测传输时间；
步骤403：组装受辅助卫星的发射时间：
ti＝Nti+Dti。
4.如权利要求1所述兼容美国的全球定位系统GPS、中国的北斗系统BD2和俄罗斯的格鲁纳斯系统GLONASS系统的辅助同步方法，其特征在于：所述步骤204中，所述修改受辅助卫星的同步标志位，完成帧同步的步骤包括：当受辅助卫星的发射时间组装完成后，即完成同步；导航处理模块将修改受辅助卫星的同步标志位，使得该受辅助卫星可应用于随后的导航定位中。
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