CN104297764A - 一种提高导航系统时间的pps准确度的方法和接收机 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例公开了一种提高导航系统时间PPS准确度的接收机和方法。该接收机至少包括一个计算模块,用于接收卫星信息,并处理卫星信息中的卫星的伪距信息、分类筛选参与定位的卫星,根据确定用于定位的卫星计算接收机的位置、速度,进而处理钟差和钟漂来获得导航系统时间,从而输出导航系统时间的PPS。通过本发明实施例提供的接收机和方法处理钟差、钟漂而计算得到的导航系统时间更为准确,从而提高了导航系统时间的PPS的准确度。
Description
技术领域
本发明涉及卫星导航技术领域,尤其涉及一种提高导航系统时间的PPS准确度的方法和接收机。
背景技术
北斗卫星导航系统(BD Satellite Navigation System)是中国正在实施的自主研发、独立运行的全球卫星导航系统,其与美国的全球定位系统(Global Positioning System,GPS)、俄罗斯的格罗纳斯(Glonass)卫星导航系统、欧盟的伽利略(Galileo)卫星导航系统并称为全球四大卫星导航系统。
现有的接收机根据接收的卫星信息可以计算出用户的位置信息、速度信息以及较为精确的时间信息,该精确的时间信息为计算得出的导航系统时间。通常,该高精度的导航系统时间信息是通过脉冲输出的秒脉冲(Pulse-Per-Second,PPS),而PPS的精度也成为衡量接收机性能的重要指标之一。该指标跟接收机对卫星信号的跟踪质量、定位质量密切相关。
发明内容
本发明实施例公开了一种提高导航系统时间PPS准确度的接收机和方法。
本发明实施例提供一种提高导航系统时间的秒脉冲PPS准确度的接收机至少包括:
计算模块,用于接收卫星信息,并处理所述卫星信息中的卫星的伪距信息、甄别筛选参与定位的卫星,根据确定用于定位的卫星计算接收机的位置、速度,进而处理钟差和钟漂来获得导航系统时间,从而输出导航系统时间的PPS。
本发明实施例还提供一种提高导航系统时间的PPS准确度的方法,该方法至少包括以下步骤:
接收卫星信息,并处理所述卫星信息中卫星的伪距信息;
分类筛选参与定位的卫星并根据确定的用于定位的卫星计算接收机的位置、速度;
处理钟差和钟漂来获得导航系统时间,从而输出所述导航系统时间的PPS。
通过本发明实施例提供的接收机和方法处理钟差、钟漂而计算得到的导航系统时间更为准确,从而提高了导航系统时间PPS的准确度。
附图说明
图1所示为本发明一个实施例提供的提高导航系统时间PPS准确度的接收机100的框图;
图2所示为图1中计算模块106的一种示意框图;
图3所示为图2中计算模块106工作流程图300;
图4所示为图3中所示步骤S340的一种可能的示例性处理流程图400;
图5所示为图4中所示步骤S410的一种可能的示例性处理流程图500;
图6所示为图4中所示步骤S420的一种可能的示例性处理流程图600。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
传统实现PPS的精度与本地钟差tu、接收机本地时钟频率漂移引起的本地时钟频率f的误差以及本地时钟计数的误差有关。换言之,要提高PPS的精度,则需要降低本地钟差tu、本地时钟钟漂或本地时钟计数误差。本发明主要是从降低本地钟差tu或本地时钟钟漂的误差来实现提高PPS的精度,对于有本地时钟计数所引起的误差不在本发明的范围内。为简便起见,后面将本地钟差、本地钟漂、本地时钟频率简称为钟差、钟漂、时钟频率。
由于钟差tu是指接收机本地时间与导航系统时间之间的差值,根据钟差tu可以对接收机本地时间修正后即可得到导航系统时间,该导航系统时间直接作为PPS输出的依据。钟差tu的准确度与卫星的跟踪质量有关,传统上,根据四颗或以上的卫星的伪距来计算钟差tu,因此伪距误差直接影响到钟差tu的准确度。此外,电离层和对流层误差,接收机本身的定位方法或策略也会使得定位结果存在误差,这些因素均影响了tu的准确度。在定位时刻,时钟频率,其中,f0为接收机的标称频率,所以通过提高本地钟漂的准确度可以降低时钟频率f的误差,从而提高PPS的精确度。本发明针对上述提到的PPS几种主要的误差源分别做性能提升,由此提高PPS的准确度。
图1为本发明一个实施例提供的接收机的方框图。如图1所示,该接收机100包括:天线101、射频处理单元102、基带处理模块108、计算模块106。
天线101接收来自卫星导航系统中多个卫星的卫星导航信号。射频处理单元102将接收到的卫星导航信号转换成基带处理模块108可以处理的的中频信号。基带处理模块108进一步包括捕获单元103、跟踪单元104以及解码器105。基带处理模块108接收指示卫星导航信号的中频信号,并根据接收到信号的卫星的可见性、性能以及所处环境等因素来为其分配资源。其中,该资源既包括硬件方面的捕获通道、跟踪通道等,也包括软件方面的CPU系统资源等。捕获单元103和跟踪单元104对分配有资源的卫星进行捕获跟踪,并根据捕获跟踪到的各卫星信息产生对应于各定位卫星的导航电文。解码器105接收导航电文,并将导航电文解码成包括伪距、坐标信息、速度信息、频率信息等卫星信息。
需要说明的是,接收到的卫星导航信号可以来自于多个导航系统,由于多数导航系统的频率和调制方式不同,导航电文格式也不同。所以根据接收机支持的导航系统的类别,需要选择和设计不同的天线、射频信号处理单元和基带处理模块。在一个实施例中,针对不同的导航系统(例如,BD卫星导航系统和GPS系统),接收机的天线101、射频处理单元102和基带处理模块108设计成具有不同的硬件结构,以分别接收和处理来自不同导航系统的卫星导航信号。在另一个实施例中,针对不同的导航系统(例如,Glonass卫星导航系统和Galileo卫星导航系统),接收机的天线101、射频处理单元102和基带处理模块108具有相同的硬件结构,但可搭载具有处理不同导航系统功能的软件,因此可以同时接收和处理来自不同导航系统的卫星导航信号。
计算模块106接收包括伪距、坐标信息、速度信息、频率信息等卫星信息,计算接收机100的位置信息、速度信息,同时还可以计算导航系统与接收机间的钟差tu以及本地时钟钟漂。计算模块106计算出接收机100的位置信息和速度信息后,将这些信息转换成的标准的国际海洋电子协会(National MarineElectronics Association,NMEA)信号传送给用户应用程序107,方便用户获取和应用接收机100的位置信息和速度信息。与此同时计算模块106还可以根据计算得出的钟差tu以及钟漂得到更为准确的导航系统时间,输出导航系统时间的PPS。在本发明中,主要是以单导航系统为例,来描述计算钟差、钟漂的方法,本领域的技术人员应理解的是,该发明中所公开的方法同样适用于多导航系统。
图2为本发明图1中计算模块106的一种示意框图。如图2所示,计算模块106中包括伪距处理单元201、筛选单元202、计算单元203以及PPS处理单元204。
其中,伪距处理单元201采用载波平滑码处理(Carrier-Smoothed-Code Processing,CSC)来提高卫星伪距的准确度。由于接收机的位置测量方程为:
其中,ρj为通过码测得的第j颗卫星到接收机的伪距;(xj,yj,zj)为第j颗卫星位置;(xu,yu,zu)为接收机的位置;tu为接收机相对于导航系统的钟差;c为光速;Iono为电离层延迟;Tropo为对流程延迟;υρ表示伪距测量误差,该误差包含了多径、干扰等引起的误差。
根据公式(1)可知卫星伪距的准确度是影响钟差准确度的关键因素之一,现有技术中4颗卫星的伪距测量方程即可以解算出接收机的位置以及钟差tu,然而当卫星的伪距测量误差较大时,钟差tu也会存在较大的误差。对含有巨大多径误差的码观测值而言,可借助多径误差较小的相位观测值加以平滑,使其基本削弱,例如Hatch滤波器(图2未示出)。由于接收机的载波相位观测方程为:
其中,Φj为第j颗卫星的载波相位;λ为载波的波长;N为载波相位的周数,包含不到整周的值;υΦ为载波相位测量误差。载波相位观测量是测定接收机所接收的卫星载波信号与接收机振荡器产生的参考载波信号之间的相位差。相比由码测得的伪距ρ,载波相位Φ受干扰或者多径的影响要小很多,所以可以利用载波相位来做平滑码的处理(CSC)。
具体来说,Hatch滤波器(图2未示出)利用伪距测量方程(1)和载波相位观测方程(2)的关系得到平滑后的伪距方程为:
其中,W为权重;k表示第k时刻;表示经过CSC平滑后的第j颗卫星的伪距;ΔΦj表示第j颗卫星载波相位增加量。在一个实施例中,权重W为0.1,本领域的技术人员应理解的是,权重的取值根据实际状况来设定,在此不能视为是对本发明的限制。另外,CSC还有多种算法和处理方法,在此不再赘述,上述所描述的对伪距的CSC处理是本发明的一个实施例,不应视为是对本发明的限制。
由此,通过CSC平滑码处理伪距后,提高了卫星伪距的准确度,同时提高了定位的准确度。这样伪距处理单元201对伪距进行CSC处理后,得到较为准确的卫星伪距值。在一个实施例中,可以直接根据CSC平滑码处理后的伪距,联立方程求解钟差tu,这样计算得到的钟差tu相较于传统的方法计算的钟差tu更为准确,由此间接的提高了钟差tu的准确度。筛选单元202用于对跟踪捕获到的卫星进行甄别和筛选,主要是依据卫星信号的强度、仰角、跟踪质量以及卫星类型等,并结合整体卫星信号环境选择具体的卫星来解算接收机的位置、速度。关于甄别与筛选的具体方法,对于本领域的技术人员来说是公知的现有技术,这里不再详述。
筛选单元202确定好具体的用于解算的卫星后,计算单元203结合伪距处理单元201所得到的对应的卫星的伪距值,以及卫星的频率信息计算得到接收机的位置、速度。在一个实施例中,以GPS系统为例,假定GP1~GP4为甄别与筛选后选定的4颗GPS卫星,其位置坐标分别是(x1,y1,z1)~(x4,y4,z4),其中,接收机的位置坐标为(xu,yu,zu)。根据4颗GPS卫星的位置以及4颗卫星的伪距,可以得到4个方程,通过求解该4个方程接收机的位置坐标(xu,yu,zu)以及钟差tu。另外,接收机速度以及钟漂也可以根据现有技术来计算,在此不再详述。
计算单元203计算出接收机的位置、速度后,也可以得到钟差tu与钟漂,根据CSC处理后的伪距所计算得到钟差和钟漂可以直接用于计算导航系统时间。在一个实施例中,除了通过上述方法计算钟差、钟漂外,还可以通过PPS处理单元204来计算钟差tu与钟漂,以得到更为准确的导航系统时间。具体计算钟差tu与钟漂的过程会在下述实施例中详细描述。
图3为计算模块106计算钟差和钟漂的一种方法流程图300。图3要结合图2进行描述。如图3所示,本发明实施例就具体包括如下步骤:
步骤S310,接收卫星伪距及频率信息,并对伪距进行CSC处理来得到更为准确的伪距值,然后执行步骤S320。
步骤S320中,对接收机跟踪并捕获得到的卫星进行甄别与筛选。然后执行步骤S330。
步骤S330,根据筛选后卫星的伪距及频率信息,计算接收机的位置、速度。然后执行步骤S340。
步骤S340,处理钟差和钟漂,并计算导航系统时间,从而输出导航系统时间的PPS。
其中,步骤S340的处理可以采用如图4所示的步骤S410~S430来完成。如图4所示,在步骤S410中,首先处理钟漂。步骤S410的处理可以采用图5所示的步骤S510~S530来实现。
如图5所示,在步骤S510中,甄别并选择参与钟漂计算的卫星。由于捕获的卫星信号强度影响了钟漂的准确度,在实际甄选的过程中,将卫星信号的强度作为甄选的指标之一。在一个实施例中,首先计算所有捕获到卫星的强度值,然后对该信号强度值做平均值,对于信号强度高于平均值的卫星信号则选用,反之则弃用。对于本领域的技术人员来说,筛选甄别用于计算钟漂的卫星的方法为公知的技术手段,这里通过信号强度来选择只是其中一种筛选的方法,而不能认为是对本发明的限制。
步骤S520,计算钟漂。由于频率漂移(频漂)是器件本身引起的,传统方法通过速度解算得到该值。在一个实施例中,在已知较为准确的速度的情况下,也可以如下方法计算得到接收机的钟漂。通常PPS的运用场景往往是静止场景,在这种情况下获得准确的接收机速度为0;另外一些高精度要求场景下,也可以通过其他速度测量器件得到接收机较为的准确速度。则根据卫星速度可以较为精确的计算得到卫星到接收机的频率:
其中,fTj为卫星发射信号的频率;aj是沿从接收机指向卫星的直线方向的单位矢量;vj为卫星速度;为接收机速度。
然而,接收机真实测得的卫星频率fj包含了钟漂,即有:
由等式(5)可以得出:
由于式(6)表示的是通过单颗卫星计算得出的钟漂,在实际计算过程中,往往选择多颗跟踪质量较好的卫星做平均来得到某一时刻的钟漂,其计算公式如下:
其中,j表示第j颗卫星;N为参与计算的卫星个数。由此,通过上述方法计算得到的钟漂的准确度得到了提升。通过该方法计算得到钟漂可以直接用于导航系统时间的计算,也可以继续对该钟漂滤波,从而获得更为精确的钟漂。
步骤S530,对计算得到的钟漂进行滤波。由于本地钟漂是器件特性决定的,根据不同的器件特性可以对实时钟漂进行滤波或者拟合。最常用的滤波可以采用滑动平均:
其中,i表示第i时刻;为第i时刻的实时计算得到的钟漂;M为滑动时间窗的长度,根据器件特性的不同M取值长度不同。
对钟漂滤波时,式(8)中的可以是通过步骤S520中的方法计算得到的钟漂,也可以是通过传统方法所得到的钟漂。在一个实施例中,如果对通过步骤S520中的方法所计算的钟漂滤波,这样得到的钟漂的准确度更高。
步骤S420,处理钟差。根据上述实施例描述可知,经过CSC码处理后的伪距较传统方法所测的伪距更为准确,除了通过提升伪距准确度来提升钟差的准确度外,还可以通过如下方法提升钟差的准确度。具体来说,步骤S420的处理可以采用图6所示的步骤S610~S630来实现。
如图6所示,步骤S610,甄别并选择参与钟差计算的卫星。这里甄别与选择的卫星需要考虑伪距质量、信号强度、卫星仰角、环路的跟踪质量等。步骤S620,计算钟差。确定完参与钟差计算的卫星后,钟差的估算表达式为:
其中,ρi(k)表示第k时刻,第i颗卫星的伪距;Di(k)表示第k时刻,第i颗卫星与接收机间的实际距离;Iono为电离层延迟;Tropo为对流层延迟。对于本领域的技术人员来说,Di(k)的计算是公知的,在此不再赘述,在本发明的实施例中,计算Di(k)时,考虑了地球自转的影响。
在一个实施例中,接收机为静止的情况下,对接收机位置用静态模型建模以增加接收机位置的准确度,从而提高了Di(k)的准确度。本发明中获取Di(k)的方法中还包括支持外部输入的接收机的准确位置。另外,如果等式(9)中的ρi(k)用经过CSC平滑后的来替代的话,可以进一步提升钟差的准确度。与钟漂一样,通过公式(9)计算得到的钟差也可以直接用于计算导航系统时间,也可以继续对该钟差滤波,得到更为准确的钟差值。
步骤S630,对钟差滤波。根据本发明的实施例,滤波器可以采用加权求和的方式,这种滤波方法下钟差的估计可以表示为:
其中,为钟漂的估计值,该值可以采用图5中步骤S530滤波后的钟漂;k表示第k时刻;ΔT为k-1时刻到k时刻的时间差;W为权重。被滤波的钟差可以是通过传统方法所计算得到的钟差、也可以是在经过CSC处理后所计算得到钟差,以及通过公式(9)所计算得到钟差。对钟差滤波也可以提升钟差的准确度。
步骤S430,计算导航系统时间PPS的秒边界信息。如上所述,确定钟差与钟漂后,对接收机本地时钟进行修正则可以获得导航系统时间。在一个实施例中,假定本地时间为接收机本地的时间为Tr′,时钟(clock)计数为:Nr,时钟频率为f,Tr为导航系统时间,则有:
Tr=Tr′-tu (12)
由于,f0为接收机标称频率,则导航系统时间的PPS的下一秒边界时间为:
Tpps=floor(Tr)+1 (13)
其中floor(Tr)表示返回小于或者等于Tr的最大整数。而PPS下一秒边界对应的本地时钟(clock)计数为:
Npps=Nr+(Tpps-Tr)·f (14)
接收机在本地时钟(clock)计数到达Npps时,根据设置的形式就可以输出秒边界,即输出PPS。
需要说明的是,上述每一种计算钟差与钟漂的方法之间相互不冲突,对于所列举的提升钟差准确度以及钟漂准确度的方法可以独立于其他方法使用,也可以叠加在一起使用,在实际的测试中,一起叠加使用时效果最佳。
另外,本发明的实施例不仅适用于双模接收机也适用于单模接收机。而且不仅适用于GPS接收机、BD接收机,还适用于格罗纳斯(Glonass)接收机以及伽利略(Galileo)接收机。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程,是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成,所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中,该程序在执行时,可包括如上述各方法的实施例的流程。其中,所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-Only Memory,ROM)或随机存储记忆体(Random Access Memory,RAM)等。
以上所述,仅为本发明的具体实施方式,但本发明的保护范围并不局限于此,任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内,可轻易想到变化或替换,都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此,本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。
Claims (16)
1.一种提高导航系统时间的秒脉冲PPS准确度的接收机,其特征在于,所述接收机至少包括:
计算模块,用于接收卫星信息,并处理所述卫星信息中的卫星的伪距信息、分类筛选参与定位的卫星,根据确定的用于定位的卫星计算接收机的位置、速度,进而处理钟差和钟漂来获得导航系统时间,从而输出导航系统时间的PPS。
2.根据权利要求1所述的接收机,其特征在于,所述计算模块包括:
伪距处理单元,用于对接收到的卫星伪距信息进行平滑码的处理,得到平滑码处理后的伪距的估计值:
其中,W为权重;k表示第k时刻;表示经过载波平滑码处理CSC平滑后的第j颗卫星的伪距;ΔΦj表示第j颗卫星载波相位增加量;
筛选单元,用于对跟踪捕获到的卫星进行甄别和筛选,并确定用于定位计算的卫星;
计算单元,用于根据与确定的用于定位计算的卫星对应的卫星伪距值,以及卫星的频率信息计算所述接收机的位置、速度;
PPS处理单元,用于计算钟差、钟漂,并根据计算得到的钟漂、钟差来获得导航系统时间,从而输出导航系统时间的PPS。
3.根据权利要求1所述的接收机,其特征在于,所述接收机还包括:
天线,用于接收来自卫星导航系统中多个卫星的卫星导航信号;
射频处理单元,用于处理所述卫星导航信号,进而得到基带处理模块能够处理的中频信号;
所述基带处理模块,用于为所述卫星导航系统中的卫星分配资源,并对分配有资源的卫星进行跟踪捕获,以得到所述卫星的卫星信息,其中,所述卫星信息至少包括伪距、坐标信息、速度信息和频率信息。
4.根据权利要求2所述的接收机,其特征在于,所述PPS处理单元计算钟差时,钟差的估算表达式为:
其中,ρi(k)表示第k时刻,第i颗卫星的伪距;Di(k)表示第k时刻,第i颗卫星与接收机间的实际距离;Iono为电离层延迟;Tropo为对流层延迟。
5.根据权利要求2所述的接收机,其特征在于,所述PPS处理单元计算钟漂时,所述钟漂的表达式为:
其中,fRj为卫星到接收机的频率;fj为接收机真实测得的卫星频率fj;j为第j颗卫星;N为参与计算的卫星个数。
6.根据权利要求2所述的接收机,其特征在于,所述PPS处理单元计算钟漂时,还用于对钟漂滤波,钟漂滤波后的估算表达式为:
其中,i表示第i时刻;为第i时刻的实时计算得到的钟漂;M为滑动时间窗的长度。
7.根据权利要求2所述的接收机,其特征在于,所述PPS处理单元计算钟差时,还用于对钟差滤波,钟差滤波后的估算表达式为:
其中,ΔT为k-1时刻到k时刻的时间差,为钟漂的估计值,该值采用滤波后的钟漂;k表示第k时刻;W为权重。
8.根据权利要求2所述的接收机,其特征在于,所述PPS处理单元输出导航系统时间的PPS时,还用于根据所确定的钟漂、钟差来计算导航系统时间的下一秒边界对应的时钟计数。
9.一种提高导航系统时间的PPS准确度的方法,其特征在于,所述方法至少包括以下步骤:
接收卫星信息,并处理所述卫星信息中卫星的伪距信息;
分类筛选参与定位的卫星并根据确定的用于定位的卫星计算接收机的位置、速度;
处理钟差和钟漂来获得导航系统时间,从而输出所述导航系统时间的PPS。
10.根据权利要求9所述的提高导航系统时间的PPS准确度的方法,其特征在于,所述方法还包括:
对接收到的卫星伪距信息进行平滑码的处理,得到平滑码处理后的伪距的估计值:
其中,W为权重;k表示第k时刻;表示经过载波平滑码处理CSC平滑后的第j颗卫星的伪距;ΔΦj表示第j颗卫星载波相位增加量;
对跟踪捕获到的卫星进行甄别和筛选,并确定用于定位计算的卫星;
根据与确定的用于定位计算的卫星对应的卫星伪距值,以及卫星的频率信息计算接收机的位置、速度;
处理钟差、钟漂,并根据处理得到的钟漂、钟差来获得导航系统时间,从而输出导航系统时间的PPS。
11.根据权利要求9所述的提高导航系统时间的PPS准确度的方法,其特征在于,所述方法还包括:
接收来自卫星导航系统中多个卫星的卫星导航信号;
处理所述卫星导航信号,进而得到中频信号;
为所述卫星导航系统中的定位卫星分配资源,并对分配有资源的定位卫星进行跟踪捕获,以得到所述定位卫星的卫星信息,其中,所述卫星信息至少包括伪距、坐标信息、速度信息和频率信息。
12.根据权利要求10所述的提高导航系统时间的PPS准确度的方法,其特征在于,计算钟差时,钟差的估算表达式为:
其中,ρi(k)表示第k时刻,第i颗卫星的伪距;Di(k)表示第k时刻,第i颗卫星与接收机间的实际距离;Iono为电离层延迟;Tropo为对流层延迟。
13.根据权利要求10所述的提高导航系统时间的PPS准确度的方法,其特征在于,计算钟漂的表达式为:
其中,fRj为卫星到接收机的频率;fj为接收机真实测得的卫星频率fj;j为第j颗卫星;N为参与计算的卫星个数。
14.根据权利要求10所述的提高导航系统时间的PPS准确度的方法,其特征在于,计算钟漂时,还包括对钟漂滤波,钟漂滤波后的估算表达式为:
其中,i表示第i时刻;为第i时刻的实时计算得到的钟漂;M为滑动时间窗的长度。
15.根据权利要求10所述的提高导航系统时间的PPS准确度的方法,其特征在于,计算钟差时,还包括对钟差滤波,钟差滤波后的估算表达式为:
其中,ΔT为k-1时刻到k时刻的时间差,为钟漂的估计值,该值可以采用滤波后的钟漂;k表示第k时刻;W为权重。
16.根据权利要求10所述的提高导航系统时间的PPS准确度的方法,其特征在于,输出导航系统时间的PPS时,还包括根据所确定的钟漂、钟差来计算导航系统时间的下一秒边界对应的时钟计数。
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