CN103492904B - 在跟踪无线电导航信号期间载波相位不一致性的检测和校正 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于使用载波相位跟踪环、根据载波跟踪从卫星接收的信号的载波相位的方法，所述信号是由载波的导航系统获取，所述导航系统包括用于通过无线电导航进行定位的接收器和自包含单元，其中所述接收器适用于获得和跟踪来自卫星的信号的载波的相位。

Description

在跟踪无线电导航信号期间载波相位不一致性的检测和校正

技术领域

本发明涉及利用卫星的无线电导航，明显地涉及GNSS（全球导航卫星系统）类型的卫星无线电导航，更具体而言涉及GPS（全球定位系统）、伽利略（Galileo）、格洛纳斯GLONASS（全球导航卫星系统）的卫星无线电导航。

背景技术

利用卫星无线电导航，可以通过接近于三角测量的方法来获得接收器的位置。距离从卫星所发送的信号来测量。

更具体而言，用于经由卫星进行定位的接收器显然允许传递一组集成的伪速度或多普勒，其中每个伪速度或多普勒表示连接接收器和每个卫星的轴上的投影，以获得接收器和该卫星之间的相对速度向量。

由卫星发射的信号是通过利用扩频码调制信号的载波而形成的。因此，卫星信号允许用于定位接收器的两种测量。此外，利用扩频码对载波的调制在谱带内扩展频谱，其增大系统的抗干扰能力。并且，可附加地，这赋予将卫星解除关联的可能性（在GPS情况下通过针对每个卫星使用不同的编码）。

第一种测量使用接收信号的编码。不同于基于载波（如下所述）的测量，基于编码的测量不是模糊的，这是因为接收器能够评价卫星和接收器之间的编码周期整数。但是，基于编码的测量远不如基于载波的测量精确。

第二种测量是基于接收器载波的测量。基于载波的测量精确但模糊。实际上，接收器仅能够评价载波的相位，因此卫星和接收器之间的波长的数目维持未知：因此存在需要消除的模糊性。

为了执行这两种类型的测量，接收器获取和跟踪接收的信号。为此，其生成编码和载波的副本（称为本地副本），其与接收信号相关。由于编码和载波是不一致的信息片段，因此编码和载波副本的生成隶属于两个不同的环。

载波环一般是锁相环（PLL）。编码环就其本身一般包括双相关，以允许评价本地编码和接收的编码之间的位移，接收的编码是与可测量的能量差相对应的。

接收器使用这两种环，以便获得不模糊的准确测量。

在第一阶段（所谓的获取阶段）中，接收器在开环中工作，以通过测试本地编码和本地载波上的若干位置和速度假设来寻找接收信号。每个控制环在其输入（针对编码的位置和针对载波的频率）上的不确定性变得小于该环的判别式的应用域的时候是闭合。

因此，两个环在用于跟踪接收信号的阶段期间是互补的：载波环提供准确性，而编码环提供鲁棒性。

但是，载波环的反馈误差的来源是由于来自卫星的波的电离层交叉。

这种不准确性造成载波环上的周期跳跃，因此测量误差不一定引起载波环的解锁，从而不存在载波环的重锁步骤：因此导航解发生差错。

发明内容

本发明允许克服上述缺陷。

为此，根据第一方面，本发明涉及一种用于借助载波锁相环、跟踪通过载波从卫星接收的信号的载波相位的方法，所述信号是由载波的导航系统获取，所述导航系统包括通过无线电导航的定位接收器和自包含单元，所述接收器适用于获得和跟踪来自卫星的信号的载波的相位。

所述方法包括以下步骤：

-确定所述载波相位环的闭环控制误差，所述闭环控制误差是在两个采样时刻之间确定的并对应于第一相位偏离；

-利用所述自包含单元确定所述两个采样时刻之间的载波的加速度变化；

-将加速度变化投影在卫星-接收器视轴上，以便获得第二相位偏离；

-比较第一相位偏离和第二相位偏离，以便检测由所述载波相位环所跟踪的载波相位的测量结果的误差。

根据本发明的方法还可以包括以下步骤中的任意一个：

-所述载波的加速度变化是利用导航系统的模块中实现的数字模型来获得的；

-所述载波的加速度变化是利用导航系统的惯性单元来确定的；

-所述比较包括确定第一偏离与第二偏离的不一致性；

-所述不一致性在一滑动时段期间被积分，并随后被与阈值比较，所述滑动时段的持续时间在载波相位环的过滤的时刻的一至五倍的数量级上并且所述阈值通常为λ/4，所述方法包括用于从来自于自包含单元的相位偏离{δγ_n·δt²}_投影的来生成接收信号的副本信号的步骤；

-其包括用于从来自于所生成的副本信号的积分多普勒来确定导航解的步骤；

-如果不一致性大于阈值，该阈值通常在λ/4的数量级上，所述方法则包括用于校正导航解所需的积分多普勒的步骤，所述校正包括向积分多普勒添加项k·λ/2，以使得积分的不一致性的绝对值小于阈值，该阈值通常在λ/4的数量级上，其中k是相关的整数；

-其包括用于从校正后的积分多普勒确定导航解的步骤；

-所述比较包括计算以如下方式定义的不一致性项：其中是所述第一相位偏离，{δγ_n·δt²}_投影的是与对应于所述第二相位偏离的距离同性质的，并且λ是与接收信号的载波频率相关联的波长。

根据第二方面，本发明涉及一种包含装置的导航系统，所述装置用于应用根据本发明第一方面的方法。

附图说明

本发明的其他特征和优点将从随后描述变得更加明显，随后描述仅仅是示例性的而非限制性的，并且应该参考附图来阅读，附图中：

图1示意性地示出根据本发明的导航系统；

图2示意性地示出根据本发明的方法的步骤；

图3更详细示出根据本发明的导航系统。

具体实施方式

在图1中，示出将被定位的运输工具（通常为飞机）上承载的导航系统。

该导航系统包括用于利用无线电导航进行定位的接收器10，优选地为GPS或GNSS接收器。该接收器可以是多信道接收器，并且在此情况下，每个信道对应于发射接收器10所接收的信号的一个卫星。

接收器10包括能够接收来自一个或若干卫星（未示出）的信号的接收天线100。

当导航系统所接收的信号是GPS信号时，考虑这种情况。

通过已知方式，由卫星发射的无线电导航信号呈现为利用包含伪随机二进制码的展波形调制的载波。该载波的调制导致在载波频率附近的频谱扩展，无线电导航信号具有展频谱。

伪随机码代表信号的标识符，因此代表发射器卫星的标识符。

此外，用于卫星定位的某些信号还可以将有用数据（例如导航消息）作为二进制序列来传递（以比伪随机码低得多的速率），该二进制序列对来自被编码调制的载波的信号进行调制。

在GPS的情况下，无线电导航信号在频带L1（中心在1575.42MHz）和L2（中心在1227.6MHz）中发送。

此外，图1的导航系统包括自包含单元20和用于检测和校正可能的环控制误差的单元30。这里指定，自包含单元20不从一个或多个卫星接收任何信号，并且因此是自治的。其提供的测量随后通过描述性术语“自治的”与其它测量相区别。

接收器10在获取或跟踪模式中以已知方式工作。

这里考虑的是在跟踪模式中，即，接收器赋予如下可能性：从允许载波定位的一组伪距离和伪速度或集成多普勒来提供导航解。

载波的导航解是根据这些测量确定的。

具体讲，这是从伪测量获得的一组等式的求解。这些处理操作随后将不详述，因为它们对于本领域技术人员是公知的。

更具体而言，无线电导航信号的接收包括利用由载波相位跟踪环所驱动的振荡器在接收器中生成的载波相位的内部副本进行的第一解调，和利用由编码跟踪环所产生的扩频码的形式的内部副本进行的第二解调。

载波相位和编码跟踪环的控制信号被接收器用来确定伪测量，利用这些伪测量可以获得导航解。

如上所述，该导航系统包括用于检测和校正闭环控制误差的单元30。

该单元30赋予应用用于监控用于跟踪接收自卫星的信号的载波相位的环的方法的可能性。在接收器是多信道接收器的情况下，该方法当然是针对每个信道实施的。

该方法的目的是要检测在载波相位中的一个或若干周期跳跃，并校正它们。

该方法的步骤示意性地在图2中示出。

在第一步骤E1中，载波相位环的闭环控制误差在两个时刻之间确定。因此，该闭环控制误差是第一相位偏离。该相位偏离允许载波相位跟踪环回到步骤中。

该第一相位偏离是在载波相位环的输出处测量的连续样本之间取得的。这样的相位偏离由表示，其中n是与计算时刻相对应的标记。

在第二步骤E2（实践中，该步骤可以应用在上述第一步骤E1之前或与之并行）中，在两个时刻之间确定载波的加速度的变化。

该加速度的变化是由导航系统的自包含单元20来确定的。

根据实施例，自包含单元20可以包括惯性数字模型，该惯性数字模型允许相对于卫星确定载波的加速度变化。

考虑到卫星（在此情况下，载波）的运动主要由开普勒定律控制；因此，卫星的位置从轨道开普勒参数确定。卫星的速度通过求导（优选地，通过确切公式）或位置求导来确定。加速度通过速度求导来确定。

根据另一实施例，自包含单元20是惯性单元。

如已知，惯性单元主要由两组（每组三个）传感器构成。这些组传感器是陀螺测试仪（旋转测量）和加速度测试仪（加速度测量）。每组的三个传感器被定向，以捕获空间上的运动（三个维度上）。加速度测试仪的测量结果的积分提供沿着每个加速度测试仪的轴的速度，并且速度的积分提供每个加速度测试仪沿着其轴的位置。积分用来确定初始化常量：这是惯性对准的目的。

由于移动物体的运动是任意的，因此加速度测试仪的轴的朝向变化，因此需要将加速度测量结果投影在参考坐标系统中：这是陀螺测试仪用来确定加速度测试仪的测量轴的旋转的目的。

因此，在第三步骤E3中，加速度变化被投影在卫星-接收器视轴上，以便获得相关测量，该投影的加速度变化代表第二相位偏离。

加速度变化的投影与米（m）同性质并且由于波长等同于2π弧度，因此可以简单地从投影的加速度变化切换到载波相位偏离。

接下来，在第四步骤E4中，第一和第二偏离被比较，以便检测由载波相位环所跟踪的载波相位的可能误差。

具体讲，这里问题是：如果载波相位经历周期跳跃，识别允许载波相位环被驱动的相位偏离是否有差错或不一致或有其他情况。

最后，在第五步骤E5中，导航解被根据由载波环所测量的相位偏离来确定，并且可选地，根据来自于自包含单元20所执行的测量的投影的加速度变化来校正该导航解。

无线电导航解是根据例如由最小平方算法所得到的伪测量结果来确定，并应用相位偏离。

比较E4显然包含确定第一偏离和第二偏离的不一致性。

如果所确定的不一致性大于阈值，则可以抑制不一致警报，并且第二相位偏离取代第一相位偏离，并且导航解的确定E6从校正后的闭合环控制得到。

可替换的，导航解的确定E6是从校正后的伪测量结果来执行。

导航系统的详细示意图也在图3中示出。

类似图1的图示，GPS类型的信号被无线电导航天线100接收。

在天线100，信号被预放大，然后被过滤，经历频率降低，并最终经历模拟/数字转换，然后再被数字处理。

以已知方式，在跟踪模式中，载波相位环跟踪接收信号的载波相位。载波相位环由本地振荡器18驱动，利用该本地振荡器18，在跟踪载波相位期间，可以校正本地副本和接收信号之间的相位偏离。实际上，导航解是从本地信号来计算的，该本地信号必须是接收信号的近完美副本。

在本地振荡器18处，生成本地副本信号。该副本信号是以已知方式由通过伪随机二进制码调制的载波（正弦波）来形成；其在几MHz至几十MHz量级的频率上被采样。载波的副本的频率等于卫星对载波的发射频率（在GPS L1的情况下为1.57542GHz），其通过接收机的频率降低来减小，或通过相关的卫星/载波多普勒分量来增大。对载波相位的闭环控制的目的具体是确定该相关多普勒分量。编码的副本的频率等于卫星对编码的发射频率（在GPS C/A编码的情况下为1.023MHz），其通过载波对编码的驱动（即，通过载波环所估计的多普勒分量）来增大，和通过编码-载波不一致性（编码控制环的目的）来增大。

从接收信号以及本地振荡器18所生成的本地信号，两信号的相关积的相位信道I和正交信道Q被确定，这些信道随后将使用。

信道I具体是接收信号与本地信号的乘积的积分，该积分在几MHz至几十MHz量级的频率（参见本地振荡器18的采样频率）上并在1ms范围或C/A编码时期执行，信道I随后在输出处被提供并随后重置到零。

信道Q是以类似于信道I的方式来确定，但是本地信号具有相对于计算信道I所使用的本地信号超前π/2的载波相位。

从这两个信道I、Q，载波环判别式被确定12。该判别式是通过计算获得的。从该判别式，载波的相位值被推导出。

当接收信号包括编码信息片段的导航数据时，载波相位被矫正13、14、15，以用于消除这些数据。

问题是：要明显地确定13、15在两个计算时刻（或在其他情况两个样本）之间取得的相位偏离：

该相位偏离将赋予获得14矫正后的相位偏离的可能性。

具体讲，如果则减小π，而如果则增大π。

因此，这是矫正后的相位偏离其被用于确定在载波相位上是否存在模糊。

就是该相位偏离其在伺服控制的整个持续时间上被积分16，然后被第三级环过滤17，然后被发送到本地振荡器18的输入，用于生成接收信号的副本信号。

误差检测和校正模块30可能需要预先校正误差。

为此，模块30一方面接收来自载波相位环的相位偏离（由载波相位环测量的变化量）并且接收自治变化量，该自治变化量实际上是投影在卫星-接收器视轴上的加速度变化。

由自包含单元20确定的加速度变化是从惯性模型或从惯性单元23获得的。

这样的加速度变化是通过确定由用于积分导航22的模块所处理的自治变化量以便获得自治测量结果并因此得到速度V_n和位置P_n的加速度γ_n的绝对测量结果来获得的。

加速度变化被投影模块23投影在卫星-接收器视轴上。

从该投影，因此获得投影在视轴上的加速度的自治变化。

加速度变化是在与用于确定载波相位环处的相位变化的计算时段相同的计算时段期间确定的。

为了检测可能的误差，校正模块30确定以如下方式定义的不一致性项：其中是第一相位偏离，{δγ_n·δt²}_投影的是与对应于第二投影相位偏离的距离同性质的，并且λ是与接收信号的载波频率相关联的波长。

如果上述项大于阈值，则载波相位的测量结果被误差所毁损。

在此情况下，存在两种抑制误差的解决方案。

第一方案包括使用E5，从自包含单元20获得的相位偏离{δγ_n·δt²}_投影的用于生成副本信号。

在此情况下，阈值在λ/4处具有的数量级，其中是信噪比的函数。

就是该副本信号，其将被用来测量计算导航解所需要的伪速度或积分多普勒。

第二方案包括通过向积分多普勒添加项k·λ/2来进行校正E5’积分多普勒，其中k是相关整数，从而使得│不一致性│_积分的<阈值。具体讲，不一致性在一滑动时段期间被积分，该滑动时段的持续时间在控制环对载波的过滤常量的1到5倍的数量级上。阈值具有λ/4的数量级。

第一方案仅在在过滤17的计算时刻可获得{δγ_n·δt²}_投影的的估计25时可应用。

第二方案在所有情况下都可应用，但是当第一方案不可用时第二方案是强制性的。在此情况下，载波相位偏离必须被存储在存储器中，从而使得不一致性项的计算与自治的无线电导航测量同步处理（即，来自同样的时间周期）。

Claims (7)

1.一种用于借助载波相位跟踪环、跟踪通过载波从卫星接收的信号的载波相位的方法，所述信号是由载波的导航系统获取，所述导航系统包括通过无线电导航的定位接收器(10)和自包含单元(20)，所述接收器(10)适用于获得和跟踪来自卫星的信号的载波的相位，所述方法包括以下步骤：

-确定(E1)所述载波相位环的闭环控制误差，所述闭环控制误差是在两个采样时刻之间确定的并对应于第一相位偏离；

-利用所述自包含单元(20)确定(E2)所述两个采样时刻之间的载波的加速度变化；

-将所述加速度变化投影(E3)在卫星-接收器视轴上，用于获得第二相位偏离；

-比较(E4)所述第一偏离和所述第二偏离，以便检测由所述载波相位环所跟踪的载波相位的测量结果的误差，所述比较包括确定第一偏离与第二偏离的不一致性，

其中，所述不一致性在一滑动时段期间被积分，并随后被与阈值比较，所述滑动时段的持续时间在所述载波相位环的过滤的时刻的一至五倍的数量级上并且所述阈值通常为λ/4，所述方法包括步骤(E5)，用于从来自于所述自包含单元(20)的相位偏离{δγ_n·δt²}_投影的来生成接收信号的副本信号。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述载波的加速度变化是利用所述导航系统的模块(21)中实现的数字模型来获得的。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述载波的加速度变化是利用所述导航系统的惯性单元(21)来确定的。

4.根据权利要求1所述的方法，包括步骤(E6)，用于从来自于所生成的所述副本信号的积分多普勒来确定导航解。

5.根据前述权利要求中的一项所述的方法，其中，如果所述不一致性大于阈值，所述阈值通常在λ/4的数量级上，所述方法则包括步骤(E5’)，用于校正所述导航解所需的积分多普勒，所述校正包括向所述积分多普勒添加项k·λ/2，以使得积分的不一致性的绝对值小于所述阈值，该阈值通常在λ/4的数量级上，其中k是相关的整数。

6.根据权利要求5所述的方法，包括步骤(E6)，用于从校正后的积分多普勒确定导航解。

7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述比较包括计算以如下方式定义的不一致性项：其中是所述第一相位偏离，{δγ_n·δt²}_投影的是与对应于所述第二相位偏离的距离同性质的，并且λ是与接收信号的载波频率相关联的波长。