CN103616700B - 接收机和接收机评估所处环境的卫星信号遮挡状况的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种全球导航卫星系统GNSS接收机自行评估其所处环境的卫星信号遮挡状况的方法，包括以下步骤：接收机在完成卫星信号的捕获和跟踪之后，缓存当前测量时刻所有接收机正在跟踪的卫星的载噪比，缓存当前时刻卫星相对于接收机位置的预测信息（如仰角）；若接收机已经保存有卫星的预测信息以及卫星的载噪比信息，则接收机会对当前所支持的所有系统的卫星进行分类统计，并根据分类统计的结果对当前环境卫星信号遮挡的情况进行评估。通过这种方法，接收机可在进入导航运算环节之前对当前接收机所处环境的卫星信号状况做出较准确的评估，从而做出对导航运算算法的对应优化，得到与实际位置更接近的定位结果。

Description

接收机和接收机评估所处环境的卫星信号遮挡状况的方法
技术领域
本发明涉及卫星导航技术领域，尤其涉及一种接收机评估所处环境的卫星信号遮挡状况的方法。
背景技术
由美国设计的全球定位系统（GPS）是目前的全球导航卫星系统（GNSS）中最为成熟的系统，它提供的标准定位服务在水平和垂直方向上的单点定位误差分别为13米和22米，而目前市场上流通的低端用户接收机在自主模式下可以获得小于10米的定位精度。随着俄罗斯的GLONASS系统、中国的北斗二代系统以及欧洲的Galileo系统逐步投入使用，天空中可见卫星数目增多，卫星星座变大，卫星的失效率也相对变低。可见，GNSS不仅可提供比GPS更好的定位精度，还具有更高的稳定性。
在卫星定位系统完好且稳定运行的前提下，用户所获得的位置估计精度主要取决于用户可见卫星数量与几何分布、信号强度以及信号传播中的不确定性而引入的测量误差。以上三项因素都与用户所处的环境有着密不可分的关系。当用户处于天空开阔的环境中，可见卫星数量和卫星信号强度可达到最大，且信号传播中的不确定性会降至最低，故而可提供最好的定位精度。但是GNSS用户所处的环境不一定随时都是视野开阔的地带，如室内、城市内夹在众多高楼间的街道、高架下方以及密林中。在这些复杂环境下，卫星信号很容易受到障碍物的遮挡而无法到达接收机，使可见卫星数目下降，且到达接收机的卫星信号强度变低；同时障碍物也会反射卫星信号，使接收机能接收到从多个传播路径传播过来的同一卫星信号的现象（即多路径现象）频繁发生，从而使卫星测量值误差和用户定位误差增大。由此可见接收机在复杂环境下的定位精度会明显低于在视野开阔环境下的定位精度。如何提升接收机在复杂环境下的定位精度也因此成为接收机设计过程中的重要课题。
由于GNSS接收机的实际应用环境经常发生变化，在动态应用中经常会出现在开阔环境和复杂环境间来回转换的情况（例如城市环境），在各种环境下的定位误差也不尽相同，因此接收机需要一种灵活的机制来对当前时刻自身所处环境的卫星信号遮挡状况做出预先评估，从而在定位解算阶段采取针对该种卫星信号遮挡状况的优化措施，以保证得到准确的定位结果。
因此，本领域的技术人员致力于开发一种全球导航卫星系统（GNSS）接收机对自身所处环境卫星遮挡状况实时评估的方法。
发明内容
为实现上述目的，本发明提供了一种具有卫星信号遮挡状况评估模块的GNSS接收机，其特征在于，GNSS接收机包括多模天线102、射频前端处理模块103、基带数字信号处理模块104、卫星信号遮挡状况评估模块105、预测模块106以及定位导航运算模块107；多模天线102接收来自多个卫星系统星座的卫星信号，并将所述卫星信号发送至射频前端处理模块103；射频前端处理模块103中将卫星信号转变为可由数字信号处理器直接处理的数字中频信号并传输给基带数字信号处理模块104；基带数字信号处理模块104对数字中频信号进行处理，得到所述卫星信号的测量值和导航电文，并将测量值和导航电文传输给定位导航运算模块107、卫星信号遮挡状况评估模块105和预测模块106；预测模块106产生实时的卫星在接收机视野中的相对位置预测信息并输送到卫星信号遮挡状况评估模块105；卫星信号遮挡状况评估模块105输出反映卫星信号遮挡状况的变量到定位导航运算模块107中参与定位导航解算。
同时，本发明还提供了一种接收机评估所处环境的卫星信号遮挡状况的方法，包括以下几个步骤：
步骤1：接收机获取接收机所处环境视野中卫星相对接收机位置的预测信息，以及当前时刻被接收机捕获的卫星信号的信号载噪比信息；
步骤2：根据所获取到的当前时刻各卫星相对于接收机的位置以及信号载噪比信息，接收机对其所支持的全部具有预测信息的卫星依次进行查询，对各颗卫星的相对接收机位置的分布和信号状况进行分类统计；
步骤3：根据步骤2统计得到的各类卫星数目，对接收机卫星信号遮挡状况进行判断。
优选地，步骤1中所述预测信息为卫星相对于接收机的仰角。
优选地，步骤2中将卫星分为以下几类：具有预测信息，且相对用户的仰角大于一定阈值的预测可用卫星；具有预测信息且相对用户的仰角大于一定阈值，而且信号载噪比大于0，即被接收机正常跟踪的卫星；具有预测信息且相对用户的仰角大于一定阈值，但信号载噪比等于0，即未被接收机跟踪的卫星；具有预测信息且相对用户的仰角大于一定阈值，而且信号载噪比大于一定阈值的正常信号卫星；具有预测信息且相对用户的仰角大于一定阈值，但信号载噪比小于一定阈值的弱信号卫星。
优选地，步骤3统计得到的各类卫星数目，对接收机卫星信号遮挡状况进行判断的判断标准如下：
（1）当预测可用卫星数目大于一定数值时，才启动卫星信号遮挡状况判断，否则认为当前时刻无法判断卫星信号遮挡状况。
在本发明的一个较佳实施例中，仅在仰角大于阈值的卫星数目，即预测可用卫星数目大于一定数值时才进行卫星信号遮挡状况评估，否则认为无法评估卫星信号遮挡状况
（2）当未被接收机跟踪的卫星数目大于一定数值，或弱信号卫星数目大于一定数值时，认为当前时刻卫星信号受到严重遮挡。
在本发明的一个较佳实施例中，当仰角大于阈值但未跟踪到，即信号载噪比为0的卫星数目大于一定数值，或仰角大于阈值但信号载噪比小于载噪比阈值的卫星数目大于一定数值时，则接收机判断卫星信号受到严重遮挡。
（3）当未被接收机跟踪的卫星数目和弱信号卫星的数目均小于一定数值时，认为当前时刻卫星信号受到轻度遮挡。完全开阔地环境一般被包含在这种情况内。
在本发明的一个较佳实施例中，当仰角大于阈值但未跟踪到的卫星数目和仰角大于阈值但信号载噪比小于载噪比阈值的卫星数目均小于一定数值时，则接收机判断卫星信号仅受到轻度遮挡。
（4）对于其它情况，认为卫星信号受到中等程度遮挡。
优选地，仅在仰角大于阈值的卫星数目大于一定数值时才进行卫星信号遮挡状况评估，其中的一定数值大于接收机定位所需的卫星数目。
优选地，仰角大于阈值但未跟踪到，即信号载噪比为0的卫星数目大于一定数值中的一定数值为预测可用卫星数目的一半。
优选地，仰角大于阈值但信号载噪比小于载噪比阈值的卫星数目大于一定数值中的一定数值为跟踪到的卫星数目的一半。
在完成卫星信号遮挡状况评估后，接收机会将反映卫星信号遮挡状况的信息输送到定位导航运算模块中参与定位导航解算。
通过这种方法，接收机可在进入导航运算环节之前对当前接收机所处环境的卫星信号状况做出较准确的评估，从而做出对导航运算算法的对应优化，得到与实际位置更接近的定位结果。
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以使本领域的技术人员充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
图1是本发明一个较佳实施例中的GNSS系统接收机的组成结构示意图。
图2是本发明一个较佳实施例中的接收机对于已完成预测的卫星按照相对接收机位置和信号强弱进行分类统计的流程图。
图3是本发明一个较佳实施例中的接收机得到各类卫星统计数目后对接收机所处环境卫星信号遮挡状况进行评估的流程图。
具体实施方式
以下结合实施例来具体说明本发明的较佳实施例。
图1是本发明一个较佳实施例中的GNSS系统接收机的组成结构示意图，描述了一个具有卫星信号遮挡状况评估模块的全球导航卫星系统（GNSS）接收机的组成。GNSS接收机包括多模天线102、射频前端处理模块103、基带数字信号处理模块104、卫星信号遮挡状况评估模块105、预测模块106以及定位导航运算模块107，图中101表示卫星星座101。多模天线102接收来自多个卫星系统星座的卫星信号，并将所述卫星信号发送至射频前端处理模块103；射频前端处理模块103中将卫星信号转变为可由数字信号处理器直接处理的数字中频信号并传输给基带数字信号处理模块104；基带数字信号处理模块104对数字中频信号进行处理，得到所述卫星信号的测量值和导航电文，并将测量值和导航电文传输给定位导航运算模块107、卫星信号遮挡状况评估模块105和预测模块106；预测模块106产生实时的卫星在接收机视野中的相对位置预测信息并输送到卫星信号遮挡状况评估模块105；卫星信号遮挡状况评估模块105输出反映卫星信号遮挡状况的变量到定位导航运算模块107中参与定位导航解算。
多模天线102可以接收来自多个卫星系统星座101的卫星信号，如卫星1011、1012、1013和1014。接收机在捕获到卫星信号后，在射频前端处理模块103中将卫星信号转变为可由数字信号处理器直接处理的数字中频信号。基带数字信号处理模块104对数字中频信号进行处理，从中搜索捕获到各颗GNSS卫星的信号并对其进行跟踪，最终获得GNSS伪距和载波相位等测量值，以及解调出导航电文。在跟踪过程中，接收机会完成对其捕获到的卫星信号的载噪比估计，并将载噪比信息缓存以备用。
在典型的接收机中，卫星测量值和导航电文等信息会直接输送至定位导航运算模块107，由其负责对测量值和导航电文进行解算，得到定位结果。在本发明所述方案中，从基带数字信号处理模块中输出的卫星信号载噪比信息会输入到卫星信号遮挡状况评估模块105中进行处理，并输出反映卫星信号遮挡状况的变量到定位导航运算模块107中参与定位导航解算。预测模块106负责产生当前时刻卫星在接收机视野中的相对位置预测信息并输送到卫星信号遮挡状况评估模块105中，本实施例中的主要预测信息是卫星相对于用户位置的仰角。卫星在接收机视野中的相对位置预测信息可以通过辅助GNSS网络获取，亦可由接收机在获取可靠定位后结合卫星星历或历书数据自行计算。
图2是本发明一个较佳实施例中的接收机对于已完成预测的卫星按照相对接收机位置和信号强弱进行分类统计的流程图，描述了接收机在获取到卫星预测信息以及完成当前时刻的信号载噪比估计的基础上对所预测到的卫星按相对接收机的位置和信号强弱进行分类统计的方法。
首先，在步骤201中，接收机对所有通道进行扫描，对各通道所跟踪到的卫星按照其所在GNSS系统、系统内编号和信号载噪比信息进行统计和缓存。若某颗卫星未被跟踪，则其信号载噪比被设为0。
对于GNSS接收机来说，接收到的卫星功率是卫星仰角的函数，以较低仰角传播的卫星信号由于需要传播更远的距离到达接收机，其功率较以正常仰角传播的卫星功率低。且较低仰角卫星的大气延迟也较正常仰角卫星大很多。故而接收机一般仅用仰角大于一定阈值的卫星参与定位。在本实例中，仰角阈值可设为5度。在步骤202中，接收机对其所支持的全部含有相对位置预测信息的卫星依次进行分类统计，首先判断某颗卫星相对于接收机的仰角是否大于一定阈值（步骤203）；当某颗卫星的仰角大于阈值时，则预测可用卫星计数加1（步骤204）；若小于阈值，则该卫星不可用于定位，程序回到步骤202开始对下一颗卫星进行分类统计。
当某颗卫星符合仰角大于阈值的条件后，则对其是否已被接收机跟踪到进行判断。在步骤205中，当某颗卫星仰角大于阈值，且其信号载噪比大于0时，判断接收机已跟踪到该卫星，则正常跟踪卫星计数加1（步骤206）；若其信号载噪比为0即未被跟踪，则无法跟踪卫星计数加1（步骤207），之后程序回到步骤202开始对下一颗卫星进行分类统计。
下一步，对于仰角大于阈值且接收机正常跟踪的卫星，以信号载噪比的大小为标准分为两类。若信号载噪比超过一定阈值（如35dB），则认为接收机接收到正常信号，正常信号卫星计数加1（步骤209）。之后程序回到步骤202开始对下一颗卫星进行分类统计。
当某颗卫星仰角大于阈值且被跟踪到，但是其信号载噪比低于区分强弱信号的阈值时，则认为接收机接收到弱信号，弱信号卫星计数加1（步骤210）。之后程序回到步骤202开始对下一颗卫星进行分类统计。
图3是本发明一个较佳实施例中的接收机得到各类卫星统计数目后对接收机所处环境卫星信号遮挡状况进行评估的流程图，描述了接收机在统计完各类卫星数目后，以此为基础对卫星信号遮挡状况进行评估的方法。
首先接收机对预测可用卫星数目进行判断（步骤301）。当预测可用卫星数目大于一定值时，才继续进行卫星信号遮挡情况判断（步骤302）。阈值最好设为大于满足接收机定位要求的卫星数目，比如单系统定位时可设为5颗。当预测可用卫星数目小于该阈值时，认为卫星信号遮挡状况无法评估（步骤303）。
当预测可用卫星数目大于阈值时，卫星信号遮挡评估分为以下几步：
当接收机无法跟踪卫星数目大于一定数值（如预测可用卫星数目的一半）时，或者弱信号卫星数目大于一定数值（如正常跟踪卫星数目的一半）时，判断接收机所处环境中卫星信号被严重遮挡（步骤305）。
当严重遮挡的条件不满足时，继续对无法跟踪卫星数目和弱信号卫星数目进行判断（步骤306）。当以上两种卫星数目小于一定值时，判断接收机所处环境中卫星信号被轻度遮挡（步骤307）。完全开阔环境（即以上两种卫星数目都为0）一般情况下也被判断为轻度遮挡。轻度遮挡的阈值一般较小，比如2-3颗。
当严重遮挡和轻度遮挡的条件都不满足时，判断接收机所处环境中卫星信号受到中等程度遮挡（步骤308）。
实际操作中，可建立一个变量，使其在取不同的数值时对应不同的卫星信号遮挡状况（如0代表遮挡状况无法评估，1代表轻度遮挡，2代表中等程度遮挡，3代表严重遮挡等）。该变量最后被输入到定位导航运算模块107中参与定位导航解算。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种接收机，其特征在于，GNSS接收机包括多模天线(102)、射频前端处理模块(103)、基带数字信号处理模块(104)、卫星信号遮挡状况评估模块(105)、预测模块(106)以及定位导航运算模块(107)；多模天线(102)接收来自多个卫星系统星座的卫星信号，并将所述卫星信号发送至射频前端处理模块(103)；射频前端处理模块(103)中将卫星信号转变为可由数字信号处理器直接处理的数字中频信号并传输给基带数字信号处理模块(104)；基带数字信号处理模块(104)对数字中频信号进行处理，得到所述卫星信号的测量值和导航电文，并将测量值和导航电文传输给定位导航运算模块(107)、卫星信号遮挡状况评估模块(105)和预测模块(106)；预测模块(106)产生实时的卫星在接收机视野中的相对位置预测信息并输送到卫星信号遮挡状况评估模块(105)；卫星信号遮挡状况评估模块(105)输出反映卫星信号遮挡状况的变量到定位导航运算模块(107)中参与定位导航解算；
所述反映卫星信号遮挡状况的变量的一个取值对应一个卫星信号遮挡状况，所述卫星信号遮挡状况包括无法评估、轻度遮挡、中度遮挡和严重遮挡。
2.一种接收机评估所处环境的卫星信号遮挡状况的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：接收机获取接收机所处环境视野中卫星相对接收机位置的预测信息，以及当前时刻被接收机捕获的卫星信号的信号载噪比信息；
步骤2：根据所获取到的当前时刻各卫星相对于接收机的位置以及信号载噪比信息，接收机对其所支持的全部具有预测信息的卫星依次进行查询，对各颗卫星的相对接收机位置的分布和信号状况进行分类统计；
步骤3：根据步骤2统计得到的各类卫星数目，对接收机卫星信号遮挡状况进行判断；所述卫星信号遮挡状况包括无法评估、轻度遮挡、中度遮挡和严重遮挡；
所述卫星信号遮挡状况用于与反映卫星信号遮挡状况的变量的取值一一对应，所述反映卫星信号遮挡状况的变量用于输入所述接收机的定位导航运算模块中参与定位导航解算。
3.根据权利要求2所述的接收机评估所处环境的卫星信号遮挡状况的方法，其特征在于，步骤1中所述预测信息为卫星相对于接收机的仰角。
4.根据权利要求2所述的接收机评估所处环境的卫星信号遮挡状况的方法，其特征在于，步骤2中对各颗卫星的相对接收机位置的分布和信号状况进行分类统计包括统计所有通道中相对接收机的仰角大于阈值的卫星数目。
5.根据权利要求4所述的接收机评估所处环境的卫星信号遮挡状况的方法，其特征在于，步骤2中对各颗卫星的相对接收机位置的分布和信号状况进行分类统计还包括统计仰角大于阈值，但未被接收机跟踪，即信号载噪比为0的卫星数目。
6.根据权利要求4所述的接收机评估所处环境的卫星信号遮挡状况的方法，其特征在于，步骤2中对各颗卫星的相对接收机位置的分布和信号状况进行分类统计还包括统计仰角大于阈值，且被接收机正常跟踪的卫星数目。
7.根据权利要求4所述的接收机评估所处环境的卫星信号遮挡状况的方法，其特征在于，步骤2中对各颗卫星的相对接收机位置的分布和信号状况进行分类统计还包括统计仰角大于阈值且被接收机所跟踪，但是信号载噪比低于一个载噪比阈值的卫星数目。
8.根据权利要求4所述的接收机评估所处环境的卫星信号遮挡状况的方法，其特征在于，步骤2中对各颗卫星的相对接收机位置的分布和信号状况进行分类统计还包括统计仰角大于阈值，且信号载噪比正常的卫星数目。
9.根据权利要求2所述的接收机评估所处环境的卫星信号遮挡状况的方法，其特征在于，步骤3中对接收机卫星信号遮挡状况进行判断是指：仅在仰角大于阈值的卫星数目，即预测可用卫星数目大于一定数值时才进行卫星信号遮挡状况评估，否则认为无法评估卫星信号遮挡状况；当仰角大于阈值但未跟踪到，即信号载噪比为0的卫星数目大于一定数值，或仰角大于阈值但信号载噪比小于载噪比阈值的卫星数目大于一定数值时，则接收机判断卫星信号受到严重遮挡；当仰角大于阈值但未跟踪到的卫星数目和仰角大于阈值但信号载噪比小于载噪比阈值的卫星数目均小于一定数值时，则接收机判断卫星信号仅受到轻度遮挡；其他情况下，判断卫星信号受到中度遮挡。
10.根据权利要求9所述的接收机评估所处环境的卫星信号遮挡状况的方法，其特征在于，仅在仰角大于阈值的卫星数目大于一定数值时才进行卫星信号遮挡状况评估，否则认为无法评估卫星信号遮挡状况中的一定数值大于或等于接收机定位所需的卫星数目。
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