CN103698781B - 一种接收机观测信息的提取方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种接收机观测信息的提取方法和装置，涉及卫星定位与导航技术领域。能够提高观测信息的精度、使得接收机的输出与标准时间同步，包括：根据采样脉冲采集观测信息；将所述观测信息进行转换，得到原始伪距；利用载波相位对所述原始伪距进行平滑，得到平滑后的伪距。本发明提供的方法和装置能够保证接收机输出的定位信息与标准时间同步，并且将采样信号与授时信号合并处理，既减少了工作量，又提高了采集的观测信息的精度。

Description

一种接收机观测信息的提取方法和装置

技术领域

本发明涉及卫星定位与导航技术领域，特别是涉及一种接收机观测信息的提取方法和装置。

背景技术

卫星定位与导航系统，例如北斗导航系统，接收机的主要目标之一是利用观测信息的发射时间来确定准确的接收机接收时刻。目前市场上的导航/授时接收机产品将采样信号和授时信号分开进行处理，既增加了工作量又使接收机输出的定位信息没有跟标准时间同步。

接收机的定位精度是接收机最核心也是用户最关心的性能指标之一。提高接收机定位精度有很多方法，对观测量进行预处理是一种计算量较小，较容易实现的一种方法，因而吸引了很多研究。

因此，如何对观测量进行处理，是接收机中一个重要的研究方向。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是为了提高观测信息的精度、使得接收机的输出与标准时间同步，提出一种接收机观测信息的提取方法和装置。

为了解决上述技术问题，本发明提供一种接收机观测信息的提取方法，包括：

根据采样脉冲采集观测信息；

将所述观测信息进行转换，得到原始伪距；

利用载波相位对所述原始伪距进行平滑，得到平滑后的伪距。

进一步地，所述观测信息包括卫星信号发射时刻、多普勒频移、载波相位。

进一步地，将所述观测信息进行转换，得到原始伪距的步骤为：

获得观测信息的接收机采样时刻；

利用接收机采样时刻减去卫星信号发射时刻获得原始伪距。

进一步地，利用载波相位对所述原始伪距进行平滑，得到平滑后的伪距的步骤包括：

通过下式计算获得伪距变化量；

$\begin{array}{c}{\mathrm{\Δ\ρ}}_{\mathrm{\φ},i}=\mathrm{\λ}({\mathrm{\φ}}_i-{\mathrm{\φ}}_{i-1})\\ =[f_{\mathrm{IF}}(1+{\stackrel{\·}{t}}_u)-X-{\stackrel{\·}{t}}_u\·f_{L1}]\×\mathrm{\λ}\end{array}$

通过下式计算平滑后的伪距：

ρ_s,i＝α×ρ_CA,i+(1-α)×(ρ_s,i-1+Δρ_φ,i)

其中，Δρ_φ,i是伪距变化量；

ρ_s,i是平滑后的伪距；

ρ_s,i-1是上一次平滑后的伪距；

X是采样信号采样时刻锁存的载波相位计数值；

ρ_CA,i是原始伪距；

f_IF是卫星信号的载波中频频率；

为接收机钟漂；

f_L1是卫星信号的载波射频频率；

λ是信号的波长；

φ_i是本次采样得到的载波相位值；

φ_i-1是前一次采样得到的载波相位值；

α为平滑系数。

进一步地，α=0.05。

为了解决上述技术问题，本发明还提供一种接收机观测信息的提取装置，包括

采样信号产生模块，用于产生提取观测信息的采样脉冲；

采样模块，用于根据所述采样脉冲采集观测信息；

原始观测信息处理模块，用于将所述观测信息进行转换，得到原始伪距；

载波相位平滑伪距模块，用于利用载波相位对所述原始伪距进行平滑，得到平滑后的伪距。

可选地，采样信号产生模块包括：

相位累加器单元，用于产生采样脉冲，

参数设置单元，用于设置采样脉冲的相位、频率和脉冲宽度。

可选地，所述的提取装置还包括：

采样信号调整模块，用于调整提取观测信息的采样脉冲。

可选地，采样信号调整模块包括：

相位调整单元，用于调整采样脉冲的相位。

频率调整单元，用于调整采样脉冲的频率。

本发明提供的方法和装置能够保证接收机输出的定位信息与标准时间同步，并且将采样信号与授时信号合并处理，既减少了工作量，又提高了采集的观测信息的精度。

附图说明

图1为本发明实施例的一种接收机观测信息的提取装置的结构示意图；

图2为本发明实施例的一种接收机观测信息的提取方法的流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下文中将结合附图对本发明的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。

如图1所示，本发明提供一种接收机观测信息的提取方法，包括：

根据采样脉冲采集观测信息；

将所述观测信息进行转换，得到原始伪距；

利用载波相位对所述原始伪距进行平滑，得到平滑后的伪距。

其中，所述观测信息包括卫星信号发射时刻、多普勒频移、载波相位。

其中，将所述观测信息进行转换，得到原始伪距的步骤为：

获得观测信息的接收机采样时刻；

利用接收机采样时刻减去卫星信号发射时刻获得原始伪距。

其中，利用载波相位对所述原始伪距进行平滑，得到平滑后的伪距的步骤包括：

通过下式计算获得伪距变化量；

$\begin{array}{c}{\mathrm{\Δ\ρ}}_{\mathrm{\φ},i}=\mathrm{\λ}({\mathrm{\φ}}_i-{\mathrm{\φ}}_{i-1})\\ =[f_{\mathrm{IF}}(1+{\stackrel{\·}{t}}_u)-X-{\stackrel{\·}{t}}_u\·f_{L1}]\×\mathrm{\λ}\end{array}$

通过下式计算平滑后的伪距：

ρ_s,i＝α×ρ_CA,i+(1-α)×(ρ_s,i-1+Δρ_φ,i)

其中，Δρ_φ,i是伪距变化量；

ρ_s,i是平滑后的伪距；

ρ_s,i-1是上一次平滑后的伪距；

X是采样信号采样时刻锁存的载波相位计数值；

ρ_CA,i是原始伪距；

f_IF是卫星信号的载波中频频率；

为接收机钟漂；

f_L1是卫星信号的载波射频频率；

λ是信号的波长；

φ_i是本次采样得到的载波相位值；

φ_i-1是前一次采样得到的载波相位值；

α为平滑系数。

可以取α=0.05。

如图2所示，本发明提供一种接收机观测信息的提取装置，包括

采样信号产生模块，用于产生提取观测信息的采样脉冲；

采样模块，用于根据所述采样脉冲采集观测信息；

原始观测信息处理模块，用于将所述观测信息进行转换，得到原始伪距；

载波相位平滑伪距模块，用于利用载波相位对所述原始伪距进行平滑，得到平滑后的伪距。

其中，原始观测信息处理模块，用于将提取到得原始观测信息进行一定的转换，组成计算卫星位置所需要的卫星信号发射时刻和定位所需要的原始伪距。

具体可以为：获得观测信息的接收机采样时刻；

利用接收机采样时刻减去卫星信号发射时刻获得原始伪距。

例如，在完成信号的捕获、跟踪、比特同步、帧同步后，采样信号会对比特计数器、毫秒计数器、码片计数器和伪码相位进行采样，将电文中的时间信息和采样得到的时间信息组合成卫星信号发射时刻，进而计算出原始伪距。

载波相位平滑伪距模块，用于提取更加平滑的伪距。用提取到的载波相位去对原始伪距进行平滑。对于卫星导航定位接收机来说，伪距观测值和载波相位观测值是最重要的两个距离观测量。伪距测量值真实的反映了卫星到接收机的距离，因为这之间包含了卫星钟差、接收机钟差、相对论效应、地球自转影响、对流层、电离层等各种误差，所以称为伪距。它不存在整周模糊度问题。而载波相位测量量由于有整周模糊度，如果不借助伪距，很难实现定位。但是利用载波相位测量量得到的定位结果要比伪距计算得出的结果精确。所以利用二者的优点，那就是利用经过载波平滑的伪距。

采样信号产生模块包括：

相位累加器单元，用于产生采样脉冲，

参数设置单元，用于设置采样脉冲的相位、频率和脉冲宽度。

其中，相位累加器单元可以利用FPGA实现。例如可以通过DDS（DirectDigital Synthesizer，直接数字式频率合成器）技术中的相位累加器的方式产生的。取相位累加器的最高位作为该频率信号，当主时钟采到该信号的下降沿时，把系统的数据采样信号置成高电平，下一个时钟到来后将数据采样信号置低。这样得到一个具有该频率的数据采样信号，这个信号的高电平宽度为1个时钟周期。再将这个数据采样信号的高电平宽度延长至参数设置值，便得到了所需要的采样信号。

相位累加器单元中，相位累加器的位数取64位。相位累加器位数的选取取决于系统主时钟频率和接收机晶振的频率精度。如果，系统主时钟是40MHz时，累加器位数取32位的话，则不能满足精度要求，因为32位的相位累加器的频率分辨率为0.00931322574615478515625Hz。系统的主时钟是由接收机的晶振频率经过分频和倍频得到的，如果接收机晶振的频率精确度能达到0.1～1ppm。可见累加器位数取32位的话，不能满足精度要求。

参数设置单元，可以利用嵌入式微处理器实现。需要给相位累加器单元输入频率控制字，相位延迟和脉冲宽度。例如，系统主时钟是40MHz，相位延迟和脉冲宽度都是1ms，则需要写给相位累加器单元的参数分别为40000、40000。频率控制字为2的64次方乘以脉冲频率除以系统主时钟频率。

接收机观测信息的提取装置还包括：

采样信号调整模块，用于调整提取观测信息的采样脉冲。使采样脉冲与标准时间对齐。用此时提取到的观测信息做PVT（position velocity time，位置速度时间）计算，其中利用卫星信号发射时刻、载波相位进行位置、钟差的计算。用多普勒频移进行速度、钟漂的计算。得到接收机采样脉冲到标准时间的钟差（即相位差），和接收机时钟的钟漂（即频率差）。用钟差和钟漂去调整脉冲的相位和频率。就会得到标准时刻下的位置和速度信息。而此时的采样信号就是1PPS（pulse per second秒脉冲）输出。标准时间指的是UTC（Universal Time Coordinated，协调世界时）时间。

采样信号调整模块包括：

相位调整单元，用于调整采样脉冲的相位。

频率调整单元，用于调整采样脉冲的频率。

相位调整单元，当接收机第一次定位时，这个相位值比较大，将其进行转换，然后传送给参数设置单元。因为当相位进行调整后，之后的相位差就是由接收机的频率不准导致的。所以相位的调整只在接收机定位的前几次进行，之后都由频率调整去维护。还有当相位差大于一定的限制后也需要进行调整。

频率调整单元，用于调整采样信号的频率。频率调整是每个采样历元都进行调整的，其中历元为接收卫星信号的时间段，即此次采样时刻到下次采样时刻的时间间隔。

虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (7)

1.一种接收机观测信息的提取方法，其特征在于，包括：

根据采样脉冲采集观测信息；

将所述观测信息进行转换，得到原始伪距；

利用载波相位对所述原始伪距进行平滑，得到平滑后的伪距；

调整所述采样脉冲；

具体为：采样脉冲的相位进行调整后，调整采样脉冲的频率；

频率调整是每个采样历元都进行调整的，其中，历元为接收卫星信号的时间段，即此次采样时刻到下次采样时刻的时间间隔。

2.根据权利要求1所述的提取方法，其特征在于，

所述观测信息包括卫星信号发射时刻、多普勒频移、载波相位。

3.根据权利要求2所述的提取方法，其特征在于，将所述观测信息进行转换，得到原始伪距的步骤为：

获得观测信息的接收机采样时刻；

利用接收机采样时刻减去卫星信号发射时刻获得原始伪距。

4.根据权利要求1或2所述的提取方法，其特征在于，利用载波相位对所述原始伪距进行平滑，得到平滑后的伪距的步骤包括：

通过下式计算获得伪距变化量；

$\begin{array}{c}{\mathrm{\Δ\ρ}}_{\mathrm{\φ},i}=\mathrm{\λ}({\mathrm{\φ}}_i-{\mathrm{\φ}}_{i-1})\\ =\[f_{IF}(1+{\stackrel{\·}{t}}_u)-X-{\stackrel{\·}{t}}_u\·f_{L1}\]\×\mathrm{\λ}\end{array}$

通过下式计算平滑后的伪距：

ρ_s,i＝α×ρ_CA,i+(1-α)×(ρ_s,i-1+Δρ_φ,i)

其中，Δρ_φ,i是伪距变化量；

ρ_s,i是平滑后的伪距；

ρ_s,i-1是上一次平滑后的伪距；

X是采样信号采样时刻锁存的载波相位计数值；

ρ_CA,i是原始伪距；

f_IF是卫星信号的载波中频频率；

为接收机钟漂；

f_L1是卫星信号的载波射频频率；

λ是信号的波长；

φ_i是本次采样得到的载波相位值；

φ_i-1是前一次采样得到的载波相位值；

α为平滑系数。

5.根据权利要求4所述的提取方法，其特征在于，α＝0.05。

6.一种接收机观测信息的提取装置，其特征在于，包括

采样信号产生模块，用于产生提取观测信息的采样脉冲；

采样模块，用于根据所述采样脉冲采集观测信息；

原始观测信息处理模块，用于将所述观测信息进行转换，得到原始伪距；

载波相位平滑伪距模块，用于利用载波相位对所述原始伪距进行平滑，得到平滑后的伪距；

采样信号调整模块，用于调整提取观测信息的采样脉冲；

采样信号调整模块包括：

相位调整单元，用于调整采样脉冲的相位，

频率调整单元，用于调整采样脉冲的频率；

相位调整单元调整采样脉冲的相位之后，频率调整单元调整采样脉冲的频率；

频率调整是每个采样历元都进行调整的，其中，历元为接收卫星信号的时间段，即此次采样时刻到下次采样时刻的时间间隔。

7.根据权利要求6所述的提取装置，其特征在于，采样信号产生模块包括：

相位累加器单元，用于产生采样脉冲，

参数设置单元，用于设置采样脉冲的相位、频率和脉冲宽度。