CN103207399B - 一种辅助gps接收机实现信号平稳跟踪的系统及方法 - Google Patents

一种辅助gps接收机实现信号平稳跟踪的系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种辅助GPS接收机实现信号平稳跟踪的系统包括：加速度计组、比力计算单元、姿态计算单元、导航解算单元、观测量转换单元、组合信息融合单元；加速度计组，包括至少六个加速器。本发明还公开了一种辅助GPS接收机实现信号平稳跟踪的方法，通过设置的加速度计组获得各个方向上的比力，并对得到的各方向上的比力进行处理获得载体的第一伪距和第一伪距率信息；第一伪距和第一伪距率结合由GPS天线接收经一系列处理得到的第二伪距和第二伪距率信息进行数据融合得到多普勒频率估计值；利用不同方式观测同一信息源，使得测量值冗余，提供GPS接收机的定位精度；同时，利用获得的多普勒频率估计值作为跟踪环路的中心频率，辅助环路跟踪。

Description

一种辅助GPS接收机实现信号平稳跟踪的系统及方法
技术领域
本发明涉及基于全球定位系统（GPS）的导航系统领域，具体涉及一种辅助GPS接收机实现信号平稳跟踪的系统及方法。
背景技术
以全球定位系统（Global Positioning System,GPS）为代表的卫星导航系统具有定位精度高，覆盖范围广等诸多优点，被认为是实现连续、实时、精确定位的有效技术途径之一。然而GPS接收机的工作性能却直接受限于其工作环境，尤其在动态性较强的环境下，其环路容易产生失锁，进而导致无法获取定位信息。为了克服GPS接收机自身存在的缺陷，可以引入外部信息来提供短时相对精确的补偿，改善其在动态失锁环境下的定位性能。
根据对GPS接收机辅助层次的深入情况，有以下几种基本的实现途径：①GPS和外部信息均处于独立工作的状态，综合的作用主要体现在数据的简单融合；②在原始观测量域以最优滤波的形式实现信息融合，对于GPS接收机而言，就是利用伪距和伪距率的输出进行数据融合；③组合深入到GPS接收机的跟踪环路内部，从根本上解决环境干扰对接收机跟踪环路的影响。
综合辅助GPS接收机的实现途径，深入到环路跟踪内部的辅助形式是根本改善接收机性能的重要实现方式，因此如何更好的获得外部辅助信息，利用外部辅助信息成为解决辅助接收机领域的关键问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种利用多加速度计的组合辅助GPS接收机实现信号平稳跟踪的系统及方法。
为达到上述目的，本发明采取的技术方案是：提供一种辅助GPS接收机实现信号平稳跟踪的系统，其特征在于包括：
加速度计组，包括至少六个加速器；加速度计组实时输出各加速度计所在方向的比力信息；
比力计算单元，通过得到的上述比力获得载体的线加速度和角加速度信息；
姿态计算单元，通过得到的上述角加速度信息获得载体的角速度信息；
导航解算单元，通过得到的上述线加速度和角速度信息获得载体的位置和速度信息；
观测量转换单元，用于将载体的位置和速度信息转换成第一伪距和第一伪距率；
组合信息融合单元，上述第一伪距、第一伪距率结合经GPS天线接收并转换得到第二伪距和第二伪距率获得多普勒频率估计值。
所述加速度计组包括六个加速度计；六个所述加速度计设置在以GPS天线为中心的正方体上；所述加速度计分布在正方体各平面对角线的中点。
所述导航解算单元为SINS模块。
一种辅助GPS接收机实现信号平稳跟踪的方法，其特征在于包括以下步骤：
A、通过设置在载体上的加速度计组各加速度计输出的比力获得载体的位置和速度信息，并转换为第一伪距和第一伪距率；
B、设置在载体上的GPS天线接收的GPS信号送入射频前端经转换和处理获得第二伪距和第二伪距率；
C、第一伪距、第一伪距率、第二伪距、第二伪距率结合组合滤波器获得多普勒频率估计值，并将上述多普勒频率估计值作为跟踪环路的中心频率辅助跟踪环路。
上述步骤A包括以下分步骤：
A1、读取加速度计组各加速度计的比力输出信息，进行比力计算，获得载体的线加速度和角加速度信息；
A2、将获得的角加速度信息经姿态计算获得载体的角速度信息；
A3、将获得的线加速度和角速度信息经导航解算获得载体的位置和速度信息；
A4、将获得的位置和速度信息经观测量转换单元转换得到第一伪距和第一伪距率。
上述步骤B包括以下分步骤：
B1、GPS天线接收GPS信号并送入射频前端；
B2、射频前端将GPS信号通过功率放大、滤波、频率转换和模数转换后转化为中频数字信号，并输送到信号捕获单元和信号跟踪单元；
B3、信号捕获单元根据接收到的中频数字信号，调节伪码发生器和本地振荡器使本地伪码相位及载波频率与中频数字信号的伪码相位和载波频率粗略对齐，并将上述本地伪码相位和载波频率作为初始化信息输送给信号跟踪单元；
B4、信号跟踪单元的载波数控振荡器、C/A码数控振荡器和载波相位鉴定器根据接收到的初始化信息结合接收到的中频数字信号，使本地C/A码相位和载波频率与中频数字信号的伪码相位和载波频率精确对齐后，获得载波频率和C/A码相位；
B5、位同步和帧同步单元将接收到的信号跟踪单元的信息进行位同步和帧同步后，获得第二伪距、第二伪距率信息，并解调出导航电文；上述导航电文中包括GPS卫星星历，将上述数据送入组合信息融合单元。
上述步骤C包括以下分步骤：
C1、组合信息融合单元接收第一伪距、第一伪距率、第二伪距和第二伪距率信息；
C2、以第一伪距、第二伪距的差和第一伪距率、第二伪距率的差为观测量，利用组合滤波器得到载体的位置、速度信息，并转换为C/A码相位和多普勒频率估计值f，并将C/A码相位和多普勒频率估计值f传递给信号跟踪单元；
C3、信号跟踪单元以多普勒频率估计值f作为中心频率，继而完成载波环路跟踪；同时，由公式f/1540得到量辅助完成码环路跟踪。
所述第一伪距和第一伪距率是根据加速度机组的测量信息经比力计算、姿态计算、导航解算、观测量转换得到的载体与GPS卫星之间的距离和距离率。
所述第二伪距和第二伪距率是根据GPS天线接收的GPS信号经射频前端、信号跟踪单元、位同步和帧同步单元处理得到的载体与GPS卫星之间的距离和距离率。
所述组合滤波器为非线性卡尔曼滤波器。
本发明提供的辅助GPS接收机实现信号平稳跟踪的系统及方法具有以下有益效果：通过设置的加速度计组获得各个方向上的比力，并对得到的各方向上的比力进行处理获得载体的第一伪距和第一伪距率信息；第一伪距和第一伪距率结合由GPS天线接收经一系列处理得到的第二伪距和第二伪距率信息进行数据融合得到多普勒频率估计值；利用不同方式观测同一信息源，使得测量值冗余，提供GPS接收机的定位精度；同时，利用获得的多普勒频率估计值作为跟踪环路的中心频率，辅助环路跟踪，有利于提高GPS跟踪环路对于动态环境的适应性。
附图说明
图1为辅助GPS接收机实现信号平稳跟踪的系统整体框图；
图2为加速度计组合和天线的空间分布图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明进行详细的描述，但它们不是对本发明的进一步限制。
本发明提供的辅助GPS接收机实现信号平稳跟踪的系统包括：
加速度计组11，包括至少六个加速器；加速度计组11实时输出各加速度计所在方向的比力信息；
比力计算单元12，通过得到的上述比力获得载体的线加速度和角加速度信息；
姿态计算单元13，通过得到的上述角加速度信息获得载体的角速度信息；
导航解算单元14，通过得到的上述线加速度和角速度信息获得载体的位置和速度信息；导航解算单元14为SINS模块。
观测量转换单元21，用于将载体的位置和速度信息转换成第一伪距和第一伪距率；
GPS天线31，用于接收GPS信号；
射频前端32，用于将接收到的微弱的GPS信号转换成中频数字信号；射频前端32设置有顺次连接的低噪声放大器（LNA）、滤波器、下变频单元和模数转换单元（ADC）；GPS天线31接收到的GPS信号进入低噪声放大器，经模数转换器转换得到的中频数字信号发送到信号捕获单元和信号跟踪单元；
信号捕获单元33，主要功能是识别载体所有的可见卫星，信号捕获单元33根据射频前端32提供的中频数字信号快速调节信号捕获单元33的伪码发生器、本地振荡器使本地伪码相位及载波频率与中频数字信号的伪码相位和载波频率粗略对齐；并将捕获到的码相位和载波频率作为初始化信息输送到信号跟踪单元进行细化处理；
信号跟踪单元34，由载波跟踪环路和码跟踪环路组成，其中载波跟踪采用相位锁定环（PLL-Phase Locked Loop），码跟踪采用延迟锁定环（DLL-DelayLocked Loop）；
组合信息融合单元22，上述第一伪距、第一伪距率结合经GPS天线31接收并转换得到第二伪距和第二伪距率获得多普勒频率估计值；组合信息融合单元22包括非线性卡尔曼滤波器。
如图2所示，加速度计组11包括六个加速度计（第一加速度计111、第二加速度计112、第三加速度计113、第四加速度计114、第五加速度计115、第六加速度计116）；六个加速度计设置在以GPS天线31为中心的正方体上；加速度计分布在正方体各平面对角线的中点；正方体的边长可以根据载体的实际尺寸确定。
本发明提供的辅助GPS接收机实现信号平稳跟踪的方法，如图1所示，包括以下步骤：
A、通过设置在载体上的加速度计组11各加速度计输出的比力获得载体的位置和速度信息，并转换为第一伪距和第一伪距率；
B、设置在载体上的GPS天线31接收的GPS信号送入射频前端32经转换和处理获得第二伪距和第二伪距率；
C、第一伪距、第一伪距率、第二伪距、第二伪距率结合组合滤波器获得多普勒频率估计值，并将上述多普勒频率估计值作为跟踪环路的中心频率辅助跟踪环路。
上述步骤A包括以下分步骤：
A1、读取加速度计组11各加速度计的比力输出信息，进行比力计算，获得载体的线加速度（xax,xay,xaz）和角加速度（jax,jay,jaz）信息；
A2、将获得的角加速度（jax,jay,jaz）信息经姿态计算获得载体的角速度信息（ωx,ωy,ωz）；
A3、将获得的线加速度（xax,xay,xaz）和角速度（ωx,ωy,ωz）信息经导航解算获得载体的位置（x,y,z）和速度（vx,vy,vz）信息；
A4、将获得的位置（x,y,z）和速度（vx,vy,vz）信息经观测量转换单元21转换得到第一伪距ρ1和第一伪距率
上述步骤B包括以下分步骤：
B1、GPS天线31接收GPS信号并送入射频前端32；
B2、射频前端32将GPS信号通过功率放大、滤波、频率转换和模数转换后转化为中频数字信号，并输送到信号捕获单元33和信号跟踪单元34；
B3、信号捕获单元33根据接收到的中频数字信号，调节伪码发生器和本地振荡器使本地伪码相位及载波频率与中频数字信号的伪码相位和载波频率粗略对齐（在这里，粗略对齐中采用的有码搜索步长为半个码片，载波搜索步长为500Hz），并将上述本地伪码相位和载波频率作为初始化信息输送给信号跟踪单元34；
B4、信号跟踪单元34的载波数控振荡器、C/A码数控振荡器和载波相位鉴定器根据接收到的初始化信息结合接收到的中频数字信号，使本地C/A码相位和载波频率与中频数字信号的伪码相位和载波频率精确对齐后，获得载波频率和C/A码相位；
B5、位同步和帧同步单元35将接收到的信号跟踪单元的信息进行位同步和帧同步后，获得第二伪距ρ2、第二伪距率信息，并解调出导航电文；上述导航电文中包括GPS卫星星历，将上述数据送入组合信息融合单元22；
上述步骤C包括以下分步骤：
C1、组合信息融合单元22接收第一伪距ρ1、第一伪距率第二伪距ρ2和第二伪距率信息；
C2、以第一伪距ρ1、第二伪距ρ2的差和第一伪距率第二伪距率的差为观测量，利用组合滤波器得到载体的位置S（X,Y,Z）、速度νr（Vx,Vy,Vz）信息，并转换为C/A码相位和多普勒频率估计值f，并将C/A码相位和多普勒频率估计值f传递给信号跟踪单元34；多普勒频率估计值f由下述公式确定，其中λ为L1路载波信号的波长，νs为GPS卫星速度矢量，Ilos为GPS卫星和接收机之间的视距方向矢量；
C3、信号跟踪单元34以多普勒频率估计值f作为中心频率，继而完成载波环路跟踪；同时，由公式f/1540得到的量辅助完成码环路跟踪。
上述第一伪距ρ1和第一伪距率是根据加速度机组的测量信息经比力计算、姿态计算、导航解算、观测量转换得到的载体与GPS卫星之间的距离和距离率。
上述第二伪距ρ2和第二伪距率是根据GPS天线31接收的GPS信号经射频前端32、信号跟踪单元34、位同步和帧同步单元35处理得到的载体与GPS卫星之间的距离和距离率。
上述组合滤波器为非线性卡尔曼滤波器。

Claims (10)

1.一种辅助GPS接收机实现信号平稳跟踪的系统，其特征在于包括：
加速度计组，包括至少六个加速器；加速度计组实时输出各加速度计所在方向的比力信息；
比力计算单元，通过得到的上述比力获得载体的线加速度和角加速度信息；
姿态计算单元，通过得到的上述角加速度信息获得载体的角速度信息；
导航解算单元，通过得到的上述线加速度和角速度信息获得载体的位置和速度信息；
观测量转换单元，用于将载体的位置和速度信息转换成第一伪距和第一伪距率；
组合信息融合单元，上述第一伪距、第一伪距率结合经GPS天线接收并转换得到第二伪距和第二伪距率获得多普勒频率估计值。
2.根据权利要求1所述的辅助GPS接收机实现信号平稳跟踪的系统，其特征在于：所述加速度计组包括六个加速度计；六个所述加速度计设置在以GPS天线为中心的正方体上；所述加速度计分布在正方体各平面对角线的中点。
3.根据权利要求1或2所述的辅助GPS接收机实现信号平稳跟踪的系统，其特征在于：所述导航解算单元为SINS模块。
4.一种辅助GPS接收机实现信号平稳跟踪的方法，其特征在于包括以下步骤：
A、通过设置在载体上的加速度计组各加速度计输出的比力获得载体的位置和速度信息，并转换为第一伪距和第一伪距率；
B、设置在载体上的GPS天线接收的GPS信号送入射频前端经转换和处理获得第二伪距和第二伪距率；
C、第一伪距、第一伪距率、第二伪距、第二伪距率结合组合滤波器获得多普勒频率估计值，并将上述多普勒频率估计值作为跟踪环路的中心频率辅助跟踪环路。
5.根据权利要求4所述的辅助GPS接收机实现信号平稳跟踪的方法，其特征在于：上述步骤A包括以下分步骤：
A1、读取加速度计组各加速度计的比力输出信息，进行比力计算，获得载体的线加速度和角加速度信息；
A2、将获得的角加速度信息经姿态计算获得载体的角速度信息；
A3、将获得的线加速度和角速度信息经导航解算获得载体的位置和速度信息；
A4、将获得的位置和速度信息经观测量转换单元转换得到第一伪距和第一伪距率。
6.根据权利要求5所述的辅助GPS接收机实现信号平稳跟踪的方法，其特征在于：上述步骤B包括以下分步骤：
B1、GPS天线接收GPS信号并送入射频前端；
B2、射频前端将GPS信号通过功率放大、滤波、频率转换和模数转换后转化为中频数字信号，并输送到信号捕获单元和信号跟踪单元；
B3、信号捕获单元根据接收到的中频数字信号，调节伪码发生器和本地振荡器使本地伪码相位及载波频率与中频数字信号的伪码相位和载波频率粗略对齐，并将上述本地伪码相位和载波频率作为初始化信息输送给信号跟踪单元；
B4、信号跟踪单元的载波数控振荡器、C/A码数控振荡器和载波相位鉴定器根据接收到的初始化信息结合接收到的中频数字信号，使本地C/A码相位和载波频率与中频数字信号的伪码相位和载波频率精确对齐后，获得载波频率和C/A码相位；
B5、位同步和帧同步单元将接收到的信号跟踪单元的信息进行位同步和帧同步后，获得第二伪距、第二伪距率信息，并解调出导航电文；上述导航电文中包括GPS卫星星历，将上述数据送入组合信息融合单元。
7.根据权利要求6所述的辅助GPS接收机实现信号平稳跟踪的方法，其特征在于：上述步骤C包括以下分步骤：
C1、组合信息融合单元接收第一伪距、第一伪距率、第二伪距和第二伪距率信息；
C2、以第一伪距、第二伪距的差和第一伪距率、第二伪距率的差为观测量，利用组合滤波器得到载体的位置、速度信息，并转换为C/A码相位和多普勒频率估计值f，并将C/A码相位和多普勒频率估计值f传递给信号跟踪单元；
C3、信号跟踪单元以多普勒频率估计值f作为中心频率，继而完成载波环路跟踪；同时，由公式f/1540得到量辅助完成码环路跟踪。
8.根据权利要求4、6或7所述的辅助GPS接收机实现信号平稳跟踪的方法，其特征在于：所述第一伪距和第一伪距率是根据加速度机组的测量信息经比力计算、姿态计算、导航解算、观测量转换得到的载体与GPS卫星之间的距离和距离率。
9.根据权利要求4、6和7所述的辅助GPS接收机实现信号平稳跟踪的方法，其特征在于：所述第二伪距和第二伪距率是根据GPS天线接收的GPS信号经射频前端、信号跟踪单元、位同步和帧同步单元处理得到的载体与GPS卫星之间的距离和距离率。
10.根据权利要求7所述的辅助GPS接收机实现信号平稳跟踪的方法，其特征在于：所述组合滤波器为非线性卡尔曼滤波器。
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