CN103995268B - 一种卫星导航接收机本地时修正方法及定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种卫星导航接收机本地时修正方法及定位方法。使用本发明能够提高授时精度，同时，对载波相位和伪距观测量进行补偿，使得载波相位平滑滤波器正常工作，实现定位。本发明在接收机上电后，首次帧同步时进行TIC预置，利用GNSS时和接收机本地时的差距，首先对TIC进行粗调，然后再利用接收机钟差调整TMCR值从而对TIC进行微调，采用这种粗修加微调的方式，可以快速准确地使接收机时钟与GNSS时钟同步。本发明还对载波相位和伪距观测量进行了补偿，弥补了修正本地TIC带来的观测量提取时刻跳变的缺点，从而可以准确的计算载波相位，并且使载波相位平滑滤波器正常工作。

Description

一种卫星导航接收机本地时修正方法及定位方法

技术领域

本发明涉及全球导航卫星系统定位技术领域，具体涉及一种卫星导航接收机本地时修正方法及定位方法。

背景技术

GNSS(Global Navigation Satellite System,全球导航卫星系统)中，每颗GNSS卫星一般都装备着多台铷(Rb)原子钟和铯(Cs)原子钟，然后GNSS地面监控部分选择其中的一台原子钟作为该卫星上的时间、频率基准信号源。出于价格上的考虑，GNSS接收机一般采用便宜很多的石英晶体振荡器作为时间、频率来源，然而晶体振荡器没有铷、铯原子钟那样准确、稳定。经过长时间的积累，接收机本地时间会和GNSS的时间相差较多。

GNSS时间和接收机本地时间的偏差称为接收机钟差，接收机钟差δtu可表示为：

${\mathrm{\δt}}_u={\mathrm{\δt}}_{\mathrm{Coarse}}+\mathrm{\δ}\stackrel{\·}{t}\·\mathrm{\Δt}+\mathrm{\σ}---\left(1\right)$

式中δt_Coarse为GNSS时间和接收机本地时间在初始时刻的初始偏差，为接收机钟漂，Δt为初始时刻和当前时刻的时间间隔，σ为噪声。

通常在求解接收机位置时可以引入接收机时钟钟差δt_u作为未知量，同时求解用户位置和接收机钟差，这样就可以让频率稳定性一般的晶体振荡器作为接收机的频率源和时间源。然而由于添加了位置参数接收机时钟钟差δt_u，至少需要四颗可见星才能定位。如果能尽力使接收机时钟和GNSS时钟同步，那么接收机最少需要三颗可见星就能实现三维定位。

目前的现有技术中未查到对接收机本地时进行修正的方法。同时，接收机定位与定时是紧密联系在一起的，接收机通常需要同时提供定位和授时的功能，接收机时钟的不同步会影响1PPS(Pulse Per Second)的精度，从而导致授时精度降低。

虽然接收机钟差不会影响到普通单点定位，但是接收机钟差会影响到接收机中一些增强算法和后续处理：如热启动时需要较精准的接收机时间；差分需要观测量提取时刻对齐等。

修正接收机本地时后，主要会影响到接收机中伪距、载波相位和平滑伪距观测量的连续性和正确性。GNSS接收机要实现定位必须测量从接收机到各可见星的精确距离。其中主要的测距观测量为伪距观测量和载波相位观测量。伪距是GNSS接收机对卫星信号的一个最基本的距离测量值，是信号接收时间与信号发射时间的差异再乘以光速。

原始伪距的计算公式为：

${\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{raw}}^{\left(s\right)}=(t_u-t_{\mathrm{SV}}^{\left(s\right)})*v_c---\left(2\right)$

式中t_u为接收机本地时，可有接收机上的时钟直接读出；为卫星信号发射时时，可由卫星信号中的z计数、帧计数、比特计数、码整数和码相位信息组合得到，s为卫星编号，v_c为光速。

除了伪距之外，GNSS接收机从卫星信号中获得的另一个基本测量值就是载波相位，它在分米级、厘米级的GNSS精密定位中起着关键的作用。载波相位的测量值定义为接收机复制的载波信号与接收机接收到的卫星载波信号的相位的差。

载波相位的计算公式为：

${\mathrm{\φ}}_{\mathrm{raw}}^{\left(s\right)}={\mathrm{\φ}}_u-{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{SV}}^{\left(s\right)}---\left(3\right)$

式中φ_u为接收机内部载波相位，φ^(s)为接收到的卫星载波相位。

伪距的测量噪声远大于载波相位，受多路径影响的程度也比载波相位观测严重；而载波相位观测值尽管有很高的测量精度，但由于初始整周模糊度以及相位整周跳变的存在，其应用受到了很大的限制。利用实时的高精度的载波相位观测值对测码伪距进行相位平滑，能够有效地抑制接收机测量噪声和多路径效应的影响，大大提高测码伪距的精度。

平滑伪距的公式为：

${\mathrm{\ρ}}_{s,k}^{\left(s\right)}=\frac{1}{M}{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{raw},k}^{\left(s\right)}+\frac{M-1}{M}[{\mathrm{\ρ}}_{s,k-1}^{\left(s\right)}+\mathrm{\λ}({\mathrm{\φ}}_{\mathrm{raw},k}^{\left(s\right)}-{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{raw},k-1}^{\left(s\right)})]---\left(4\right)$

式中s表示平滑过的伪距，M为平滑时间常数，k为观测历元计数，λ为载波波长。

对于接收机的三种观测量(伪距、载波相位和平滑伪距)，如果对本地时间进行修正后，会影响到观测量提取时刻，若不进行补偿，则会造成观测量不连续，甚至观测量错误等问题。因此，在对接收机本地时间进行修正后，还需要对这三个观测量进行补偿。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种卫星导航接收机本地时修正方法，能够提高授时精度。同时，对载波相位和伪距观测量进行补偿，使得载波相位平滑滤波器正常工作，实现定位。

本发明的卫星导航接收机本地时修正方法包括如下步骤：

步骤一，利用与卫星首次帧同步获得的信息计算GNSS时的周t_WN和周内秒t_SOW，根据GNSS时的周t_WN和周内秒t_SOW预置本地时t_u的TIC，利用预置后的TIC计算本地时t_u，实现对本地时的粗调；

其中，预置TIC包括：

TIC_Week＝t_WN

TIC_Second＝round(t_SOW)

TIC_Section＝t_SOW－round(t_SOW)

TIC_100μs＝0

其中，TIC_Week、TIC_Second、TIC_Section、TIC_100μs分别为本地时的周计数、周内秒计数、100ms级计数器的计数值和100μs级计数器的计数值；round()表示取整；

步骤二，接收机定位成功后，利用接收机钟差δtu修正TMCR，其中，TMCR为TIC_100μs计数器的模值，通过修正TMCR来调整TIC_100μs计数器的进位时间，实现对本地时TIC的微调；其中，TMCR的修正量δTMCR为：

δTMCR＝round(δt_u,100μs×F_Receiver)

其中，F_Receiver为接收机内部晶振频率；δt_u,100μs＝δt_u/T_100μs，T_100μs为100μs时间间隔；δTMCR不大于设定的门限值，如果大于设定的门限值，则令δTMCR取设定的门限值；

修正后的TMCR为：

TMCR＝F_Receiver×T_100μs+δTMCR。

进一步地，δTMCR的设定的门限值为F_Receiver×T_100μs的十分之一。

进一步地，接收机每1s修正一次TMCR。

进一步地，接收机钟差δt_u大于100ms时对TMCR进行修正。

若当接收机处于无法定位的情况，在接收机重新定位后，首先判断接收机钟差δtu大小，如果接收机钟差大于2s，则返回步骤1对TIC进行重新预置。

一种基于本地时修正的卫星导航接收机定位方法，采用上述的卫星导航接收机本地时修正方法对接收机本地时进行修正，利用修正中使用的δTMCR对载波相位增量和伪距增量进行补偿，其中，

载波相位补偿量为：

${\mathrm{\δ\φ}}_{\mathrm{raw}}^{\left(s\right)}=F_{\mathrm{mid}}*\mathrm{\δTMCR}/F_{\mathrm{Receiver}}$

伪距补偿量为：

${\mathrm{\δ\ρ}}_{\mathrm{raw}}^{\left(s\right)}=v_c*\mathrm{\δTMCR}/F_{\mathrm{Receiver}}$

其中，F_mid表示接收机对卫星L波段信号下变频到中频时的频率值；v_c为光速；

利用补偿后的载波相位和伪距进行载波相位平滑伪距，进而进行定位。

有益效果：

(1)本发明在接收机上电后，首次帧同步时进行TIC预置，预置时由于GNSS时和接收机本地时只差几十毫秒的差距，所以无需预置到最小的TIC计数器，因此首先对TIC进行粗调，然后再利用接收机钟差调整TMCR值从而对TIC进行微调，采用这种粗修加微调的方式，可以快速准确地使接收机时钟与GNSS时钟同步。本发明可有效减小δt_Coarse和对接收机本地时的影响，提高授时精度，同时还可以确保差分以及其他后续处理的完好实现。

(2)在进行TMCR修正时，设置δTMCR门限值为F_Receiver×T_100μs的十分之一，避免TMCR过大导致本地时间系统会在最小级别计数器上卡死。

(3)采用1s修正一次TMCR的方式进行本地时修正，使得接收机本地时间和GNSS时间相对偏差较小；采用钟差累计达一定值后修正TMCR的方式对本地时进行修正，计算量较少，对观测量数据的影响较小。

(4)当接收机处于无法定位的情况，无法计算出接收机钟差，从而不能通过修正TMCR的方式对本地时进行微调，在接收机重新定位后，采用清首次预置标志位的方法，让接收机对本地时重新预置，从而避免连续多次修正TMCR。

(5)对载波相位和伪距观测量补偿，弥补了修正本地TIC带来的观测量提取时刻跳变的缺点，从而可以准确的计算载波相位，并且使载波相位平滑滤波器正常工作。

附图说明

图1是卫星导航接收机本地时修正流程的示意框图；

图2是接收机各级计数器进位示意图；

图3是接收机本地时间与接收机码环、载波环关系示意图；

图4是修正TIC后，观测量提取时刻差异示意图。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明提供了一种卫星导航接收机本地时修正方法，流程如图1所示，具体步骤如下：

步骤1，使用首次帧同步得到的信息预置TIC，进行粗略修正。

在接收机中，本地时间系统是通过接收机内部各级TIC(Time Interval Counter，时间间隔计数器)计数器维持的。为了和GNSS时间在格式上保持一致，本地TIC设计为：TIC_Week为周计数，之上没有月和年的计数，TIC_Second为周内秒计数，与TIC_Week之间略去小时和天的计数。TIC_Section为100ms级计数器的计数值，TIC_100μs为100μs计数器的计数值，它是晶振相连的最小级别计数器。各级计数器的进位关系如图2所示，TMCR(Timer Mode ControlRegister)为TIC_100μs计数器的模值，即晶振计满TMCR次TIC_100μs计1。

接收机本地时t_u可以表示为：

t_u＝TIC_Week×7×24×3600+TIC_Second+TIC_Section/10⁴+TIC_100μs/10⁷ (5)

在接收机首次上电时，一般接收机本地时和GNSS时会有较大偏差，所以需要对接收机的本地时重新预置：通过第一颗帧同步的卫星中的HOW(Handover Word)、帧计数、比特计数、码片数、码相位信息，计算出GNSS时的周t_WN和周内秒t_SOW，然后计算接收机中相应计数器的值，TIC计数器具体置入数值如下所示：

TIC_Week＝t_WN (6)

TIC_Second＝round(t_SOW) (7)

TIC_Section＝t_SOW－round(t_SOW) (8)

TIC_100μs＝0 (9)

式中round()表示取整。由于是粗略修正，所以100μs计数器的值TIC_100μs预置成0。此预置方法只在接收机上电后，首次帧同步的通道中预置一次。由于各个卫星解算出的t_WN和t_SOW一般只在ms级别上有差异，为了达到加快本地时间粗略修正速度的目的，所以使用第一个帧同步的卫星信号对本地时进行粗略修正。

步骤2，使用定位解算得到的钟差修正TMCR

定位之后，可以计算出接收机时间与GNSS时间的偏差，即接收机钟差δt_u。将其换算成TIC计数器最小计数单位TIC_100μs的模值，即TMCR修正量，通过更改TMCR对接收机本地时钟微调。

接收机本地时可表示为：

t_u＝t_GNSS+δt_u (10)

式中t_GNSS为GNSS时间。

为了和GNSS时间同步，接收机在修正的时刻将t_u人为减去δt_u使接收机本地时和GNSS时间同步：

t_GNSS＝t_u－δt_u (11)

接收机内部需要更改TMCR的数值来达到上述目的。为了便于理解，这里假设δt_u为正数，即t_u比t_GNSS要快。

在不修接收机本地时的情况下，TMCR为本地时100μs间隔内晶振所计次数，其值为：

TMCR＝F_Receiver×T_100μs (12)

式中F_Receiver为接收机内部晶振频率，T_100μs为100μs时间间隔。

为了使t_u与t_GNSS同步，可通过使TMCR变大，来使下一级计数器延后进位，接收机的100μs间隔T_100μs变大，即接收机本地时变慢。TMCR变大的方法是在TMCR上加上转换为模值维度后的δt_u。具体方法如下：

当需要对TMCR进行修正时，首先将δt_u从s量级转换到100μs量级，即除以100μs的时间间隔：

δt_u,100μs＝δt_u/T_100μs (13)

然后通过δt_u,100μs计算TMCR修正量δTMCR：

δTMCR＝round(δt_u,100μs×F_Receiver) (14)

式(14)将接收机钟差从时间维换算成计数器模值的维度，由于TMCR需要为整数才有物理意义，所以需要对模值进行取整运算。

通过δTMCR修正后的TMCR的模值：

TMCR＝F_Receiver×T_100μs+δTMCR (15)

将此TMCR模值写入，则在写入后第一个观测历元接收机本地时间得到修正，即接收机钟差在写入后第一个观测历元得到了补偿。修正后的下一历元需将TMCR恢复正常模值，否则会再次进行补偿而出错。

在公式(15)中，由于TMCR的值需要为正数才有物理意义，即：

δTMCR＞－F_Receiver×T_100μs (16)

但是在进行TMCR修正时，δTMCR不能过大，如果TMCR过大，如TMCR设置为F_Receiver×T_100μs的数万倍，则本地时间系统会在最小级别计数器上卡死。为了避免这种计数异常，可通过门限对δTMCR的大小进行约束，若过门限则将δTMCR置为门限值。该门限可根据所使用的晶振精度进行具体设置，一般可设为F_Receiver×T_100μs的十分之一。

对于何时修正TMCR，可以采用两种方案，一种为固定时间间隔修正，如1s修正一次，此种方法修正较频繁，接收机本地时间和GNSS时间相对偏差较小；另一种为钟差累计修正，如将钟差累计值100ms才修正一次，此种方法的修正和第一种方法相比，修正次数较少，接收机本地时间和GNSS时间偏差较大，但是计算量较少，对观测量数据的影响较小。

若接收机处于无法定位的情况下，则无法计算出δt_u，所以无法通过修正TMCR的方式对本地时微调。经过一段时间重新定位后，接收机本地时一般会和GNSS时有较大偏差。如果只使用修正TMCR的方式，则需要多个历元修正。此时采用清首次预置标志位的方法，让接收机对本地时重新预置，即返回步骤1，以减小修正时间。

对本地时修正完毕后，还需要对伪距观测量和载波相位观测量进行补偿。如图3所示，接收机中本地时间和载波NCO(Numerically Controlled Oscillator)、码NCO均相互独立，修正TMCR只对本地时钟有影响，对载波环和码环均无影响。但是修正TMCR后，观测量提取时刻相对于未修正时会产生偏差，如图4所示。在后续计算载波相位时，若不考虑此偏差将会出错。

载波相位计算公式如式(3)所示，其中φ_u通过每次自加接收机中频值得到，

φ_u,k＝φ_u,k-1+F_mid*T_epoch (17)

F_mid表示接收机对卫星L波段信号下变频到中频时的频率值，T_epoch为观测量时间间隔。

正常模式下，T_epoch为常数，若修正TMCR后，则下一观测历元T_epoch会改变。改变的大小如下式所示：

δT_epoch＝δTMCR/F_Receiver (18)

相应的接收机内部载波相位φ_u计算公式修正为：

φ_u,k＝φ_u,k-1+F_mid*(T_epoch+δT_epoch) (19)

对于伪距观测量，计算公式如式(2)所示，若修正TMCR则观测量提取时刻t_u会发生改变，从而导致修正过TMCR后的伪距和不修正的伪距会产生跳变，若只使用原始伪距做定位，则这种所有通道产生的统一跳变只会反映在接收机钟差δt_u的大小不同，而不会影响到定位结果。

若载波相位平滑伪距滤波器处于开启状态，则平滑伪距的计算公式如式(4)所示。正常模式下，载波相位的距离增量和伪距的距离增量除了电离层相反，噪声不同外，理论上应该相同。但当修正TMCR后，载波相位增量和伪距增量则会不同，此时应做如下修正：

载波相位跳变量(即载波相位补偿量)为：

${\mathrm{\δ\φ}}_{\mathrm{raw}}^{\left(s\right)}=F_{\mathrm{mid}}*\mathrm{\δTMCR}/F_{\mathrm{Receiver}}---\left(20\right)$

伪距跳变量(即伪距补偿量)为：

${\mathrm{\δ\ρ}}_{\mathrm{raw}}^{\left(s\right)}=v_c*\mathrm{\δTMCR}/F_{\mathrm{Receiver}}---\left(21\right)$

相应的平滑伪距公式修正为：

${\mathrm{\ρ}}_{s,k}^{\left(s\right)}=\frac{1}{M}{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{raw},k}^{\left(s\right)}+\frac{M-1}{M}[{\mathrm{\ρ}}_{s,k-1}^{\left(s\right)}+\mathrm{\δ}{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{raw}}^{\left(s\right)}+\mathrm{\λ}({\mathrm{\φ}}_{\mathrm{raw},k}^{\left(s\right)}-{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{raw},k-1}^{\left(s\right)}+{\mathrm{\δ\φ}}_{\mathrm{raw}}^{\left(s\right)})]---\left(22\right)$

利用补偿后的载波相位和伪距进行载波相位平滑伪距，进而实现定位。

对于多系统兼容定位模式，可以在定位的同时，解算出接收机各个系统的钟差，将接收机本地时间和定位残差较小的系统时间同步，其余系统时间可以通过各自的钟差转换得到。

本发明可有效减小GNSS接收机本地晶振不准确的问题，尤其是频偏问题。可提高1PPS(Pulse Per Second)精度，以及观测量提取时刻精度。有利于授时、差分等后续算法的实现。对于修正时间后所产生的观测量跳变，也给予相应的补偿。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种卫星导航接收机本地时修正方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一，利用与卫星首次帧同步获得的信息计算GNSS时的周t_WN和周内秒t_SOW，根据GNSS时的周t_WN和周内秒t_SOW预置本地时t_u的TIC，利用预置后的TIC计算本地时t_u，实现对本地时的粗调；

其中，预置TIC包括：

TIC_Week＝t_WN

TIC_Second＝round(t_SOW)

TIC_Section＝t_SOW－round(t_SOW)

TIC_100μs＝0

其中，TIC_Week、TIC_Second、TIC_Section、TIC_100μs分别为本地时的周计数、周内秒计数、100ms级计数器的计数值和100μs级计数器的计数值；round( )表示取整；

步骤二，接收机定位成功后，利用接收机钟差δt_u修正TMCR，其中，TMCR为TIC_100μs计数器的模值，通过修正TMCR来调整TIC_100μs计数器的进位时间，实现对本地时的微调；其中，TMCR的修正量δTMCR为：

δTMCR＝round(δt_u,100μs×F_Receiver)

其中，F_Receiver为接收机内部晶振频率；δt_u,100μs＝δt_u/T_100μs，T_100μs为100μs时间间隔；δTMCR不大于设定的门限值，如果大于设定的门限值，则令δTMCR取设定的门限值；

修正后的TMCR为：

TMCR＝F_Receiver×T_100μs+δTMCR。

2.如权利要求1所述的卫星导航接收机本地时修正方法，其特征在于，步骤二中，δTMCR的设定的门限值为F_Receiver×T_100μs的十分之一。

3.如权利要求1所述的卫星导航接收机本地时修正方法，其特征在于，接收机每1s修正一次TMCR。

4.如权利要求1所述的卫星导航接收机本地时修正方法，其特征在于，接收机钟差δt_u大于100ms时对TMCR进行修正。

5.如权利要求1所述的卫星导航接收机本地时修正方法，其特征在于，所述步骤二中，若接收机处于无法定位的情况，在接收机重新定位后，首先判断接收机钟差δt_u大小，如果接收机钟差大于2s，则返回步骤一对TIC进行重新预置。

6.一种基于本地时修正的卫星导航接收机定位方法，其特征在于，采用权利要求1～5任意一项所述的卫星导航接收机本地时修正方法对接收机本地时进行修正，利用修正中使用的δTMCR对载波相位增量和伪距增量进行补偿，其中，

载波相位补偿量为：

${\mathrm{\δ\φ}}_{raw}^{\left(s\right)}=F_{mid}*\mathrm{\δ}TMCR/F_{\mathrm{Re}ceiver}$

伪距补偿量为：

${\mathrm{\δ\ρ}}_{raw}^{\left(s\right)}=v_c*\mathrm{\δ}TMCR/F_{\mathrm{Re}ceiver}$

其中，F_mid表示接收机对卫星L波段信号下变频到中频时的频率值；v_c为光速；

利用补偿后的载波相位和伪距进行载波相位平滑伪距，进而进行定位。