CN105044737B - 一种导航接收机中检测观测量有效性的方法 - Google Patents

Abstract

一种导航接收机中检测观测量有效性的方法，主要包括：S1、计算信号的载噪比；S2、判断载波跟踪的稳定性；S3、在每一历元提取载波跟踪环的载波多普勒频率观测量以及码跟踪环的伪距观测量；S4、利用两种观测量，分别计算出对应的前后两个历元的伪距差；S5、计算伪距差的差值，并与门限比较，判断当前历元伪距观测量是否正确；S6、将当前历元的Δ伪距之差与之前n次历元的Δ伪距之差求和，并与门限比较，判断伪距观测量是否正确；S7、对每一颗保持跟踪的卫星均进行上述步骤，收集所有判断观测量正确的卫星信号，输入到定位解算模块。本发明的方法不需要冗余信息，利用较小的计算量解决了接收机在复杂环境下定位稳定性的问题。

Description

一种导航接收机中检测观测量有效性的方法

技术领域

本发明涉及导航接收机的基带信号处理算法，尤其涉及在导航接收机中用于检测跟踪环路输出的观测量的有效性的方法。

背景技术

导航接收机的内部结构按照工作流程的先后顺序，通常分为射频(RF)前端处理、基带数字信号处理(DSP)和定位导航运算三大功能模块。其中，射频前端处理模块通过天线接收所有可见卫星的信号，并将L波段的信号下变频到中频(或者接近基带)，然后进行采样与量化，将数字中频信号输入到基带处理模块；基带数字信号处理部分主要进行捕获、跟踪可见卫星信号，对导航电文进行位同步、帧同步、解调电文信息，同时产生伪距与载波相位两个基本距离测量值；将测量值与电文信息输入到定位导航运算模块，计算出可见卫星位置，并由最小二乘法或者Kalman滤波估计出接收机位置。

接收机对每颗卫星的伪距与载波相位测量值直接决定了定位解算的性能。测量值的误差不仅仅来源于卫星导航系统的时钟误差、星历误差、电离层与对流层延时等基本的误差源，同时随着接收机在室内、城市峡谷、树阴遮挡、高架桥下、干扰环境等中的应用，弱信号、多路径以及干扰对测量值噪声带来了更重要的误差影响，所以在定位解算前，有必要对测量值的准确度以及精度进行评估和检测。其主要内容包括两个方面：一、对于误差过大，一旦参与定位便会产生不可靠结果的观测量，应该给予剔除，不参与定位解算；二、对于误差在合理范围内的每颗卫星信号的观测量，应该评估各个观测量的好坏，进而在定位算法中正确地区别对待不同质量的测量值，以提高定位性能。

目前，导航接收机中检测观测量有效性的方法有两种途径：一、在跟踪环路中，加入锁定判别器，对载波跟踪环和码跟踪环的性能进行检测，如果发现跟踪的载波频率或者码相位失锁，则认为信号丢失并且观测量不可靠；二、在定位导航运算模块中，加入自主正直性检测算法，利用伪距残差等信息，判断定位解算是否可靠。

但是以上方法中，第一种方法只能检测跟踪环路性能，即码相位的准确性，而伪距是由码相位，码片数，导航电文等信息构成，所以不能检测出整体伪距的正确性；第二种方法基于定位解算中的冗余信息，要求至少5颗卫星才能判定定位是否有效，6颗卫星才能剔除错误观测量，并且算法复杂，计算量大。

发明内容

本发明要解决的技术问题为：提供一种新的导航接收机中检测观测量有效性的方法，克服现有技术中存在的锁定判别器只能检测跟踪环路性能，不能检测出整体伪距的正确性，基于定位解算中的冗余信息的检测要求至少5颗卫星才能判定定位是否有效，6颗卫星才能剔除错误观测量，并且算法复杂，计算量大的问题。

本发明的技术方案为：

一种导航接收机中检测观测量有效性的方法，包括：S1、信号能量检测模块根据接收到的信号的能量，计算出信号的载噪比；S2、载波跟踪锁定检测模块判断载波跟踪的稳定性，如果判断结果为“稳定”，则进入步骤S3，如果判断结果为“不稳定”，则进入步骤S8；S3、观测量收集模块在每一历元提取载波跟踪环的载波多普勒频率观测量以及码跟踪环的伪距观测量；S4、利用载波多普勒和伪距两种观测量，分别计算出对应的前后两个历元的伪距差，即Δ伪距；S5、伪距观测量检测模块计算两种Δ伪距的差值，并与门限比较，判断当前历元伪距观测量是否正确，如果正确则进入步骤S6、否则进入步骤S8；S6、将当前历元的Δ伪距之差与之前n次历元的Δ伪距之差求和，并与门限比较，判断伪距观测量是否正确，如果正确则进入步骤S7、否则进入步骤S8；S7、对每一颗保持跟踪的卫星均进行步骤S1至S6，收集所有进行步骤S6并判断观测量正确的卫星信号，输入到定位解算模块，进行接收机位置、速度、时间的解算；S8，当S2判断结果为不稳定、S5判断结果为不正确、S6判断结果为不正确时，进行对变量的复位，舍弃观测量。

进一步地，包括：步骤S2中载波跟踪锁定检测模块判断载波跟踪的稳定性包括，将一个数据比特20ms长度分成前后两个10ms，I支路的前一个10ms的累加值为I₁(k)，后一个10ms的累加值为I₂(k)，Q支路的前一个10ms的累加值为Q₁(k)，后一个10ms的累加值为Q₂(k)；求出叉积Cross＝I₁(k)*Q₂(k)-I₂(k)*Q₁(k)，以及点积Dot＝I₁(k)*I₂(k)+Q₁(k)*Q₂(k)；在1s内对Cross与Dot进行50次累加，然后对两个累加值Cross_K与Dot_K求四象限反正切ATAN2(Cross_K/Dot_K)，并且与门限T₁比较，得出判断结果。

进一步地，步骤S4中包括以下步骤：在历元n，利用卫星电文中的时间信息和码跟踪环路得到的码相位观测量，计算出卫星到接收机的伪距Pr_CODE(n)，前后两个历元的伪距差即为由码观测量计算出的Δ伪距，即ΔPr_CODE＝Pr_CODE(n)-Pr_CODE(n-1)；在历元n，利用载波跟踪环路得到的载波积分多普勒观测量Φ(n)，计算出接收机的Δ伪距，即ΔPr_CARRY＝-(Φ(n)–IF)*λ，其中IF为载波中频频率，λ为光的波长。

进一步地，步骤S5中伪距观测量检测模块包括以下步骤：计算两种Δ伪距的差再求绝对值，即|ΔPr_CO-CA(n)|＝|ΔPr_CODE(n)-ΔPr_CARRY(n)|，再与门限T₂比较；如果大于门限，就判定伪距观测量不正确；如果小于门限，若n<＝N，则将ΔPr_CO-CA(n)与前n-1次的ΔPr_CO-CA进行累加，求出MUL_ΔPr_CO-CA(n)，即MUL_ΔPr_CO-CA(n)＝MUL_ΔPr_CO-CA(n-1)+ΔPr_CO-CA(n)，再取绝对值与门限MUL_T_n进行比较，如果大于，就判断伪距观测量不正确；若n>N，则将n置0，同时将MUL_ΔPr_CO-CA(n)置0；并在下一个历元n+1，重复上述步骤。

进一步地，噪声检测通道为一个指定的跟踪通道，设置本地码相位为0，载波频率为中频频率IF，使噪声检测通道与接收信号没有相关性。

本发明与现有技术相比的优点在于：

根据本发明的方法，可以监测载波跟踪环跟踪性能，依据载波跟踪环精度远高于码跟踪环精度的条件，可以进一步利用载波积分多普勒监测码观测量的准确性，评估观测量误差的大小，剔除错误的观测量。在不需要冗余信息的条件下，利用较小的计算量解决了接收机在复杂环境下定位稳定性的问题。

附图说明

图1是根据本发明的一种导航接收机中检测观测量有效性的方法的示意流程图；

图2是本发明中使用的估计接收信号载噪比的方法示意图；

图3是本发明中的载波跟踪锁定检测模块的方法示意图。

具体实施方式

本发明提供一种导航接收机中检测观测量有效性的方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)信号能量检测模块估计接收到的信号的能量大小，计算出信号的载噪比；

(2)在载波跟踪环中，载波跟踪锁定检测模块判断载波跟踪的稳定性；

(3)观测量收集模块在每一历元提取载波跟踪环的载波多普勒频率观测量以及码跟踪环的伪距观测量；

(4)Δ伪距计算模块利用载波多普勒和伪距两种观测量分别计算出对应的前后两个历元的伪距差，即Δ伪距；

(5)伪距观测量检测模块计算这两种Δ伪距的差值，并与门限比较，判断当前历元伪距观测量是否正确；

(6)再将当前历元的Δ伪距之差与之前n次历元的Δ伪距之差求和，并与门限比较，判断伪距观测量是否正确。

图1是按照本发明的一实施方式在导航接收机中检测观测量有效性的方法的示意流程图。该流程开始步骤S101。然后在步骤S102，信号能量检测模块计算出接收信号的载噪比，用于为本方法实施方式的以下步骤中的门限值设置提供依据。在本技术领域中已存在现有技术，可以使用多种方法计算接收信号的载噪比，例如噪声通道法，窄带比宽带法等。

在步骤S103中，载波跟踪锁定检测模块用于判断载波跟踪的稳定性。导航接收机的载波跟踪环路一般采用频率锁定环(FLL)跟踪信号的载波频率，或者采用COSTAS相位锁定环(PLL)跟踪信号的载波相位，用于实现精确地跟踪卫星信号的多普勒频率以及载波相位变化，并且产生的载波积分多普勒频率观测量精确的体现了伪距率(即Δ伪距)的大小。

载波跟踪锁定检测模块利用同相支路(I路)与正交支路(Q路)的相关值判断载波相位以及频率的锁定状态。在相位锁定情况下，I路相关值包含了有用信号能量，而Q路相关值只包含噪声，ATAN(Q/I)代表了鉴别相位的误差，应该在0值附近摆动；叉积Cross＝I₁*Q₂-I₂*Q₁，以及点积Dot＝I₁*I₂+Q₁*Q₂，下标1与2分别代表前一时刻与后一时刻的相关值，则ATAN2(Cross/Dot)代表了鉴别频率的误差，在频率锁定情况下，应该在0值附近摆动。

如果步骤S103的结果为“否”，则流程进入步骤S110；否则流程进入步骤S104。

在步骤S104中，在历元n，观测量收集模块提取当前历元的载波跟踪环的载波积分多普勒频率观测量Φ(n)以及码跟踪环的伪距观测量Pr_CODE(n)。

在步骤S105中，利用步骤S104得到的两个观测量分别求出伪距率。

第一种方法利用前后历元时刻的伪距的差求出Δ伪距，即ΔPr_CODE＝Pr_CODE(n)-Pr_CODE(n-1)；

第二种方法利用当前历元的载波积分多普勒观测量Φ(n)，计算Δ伪距，即ΔPr_CARRY＝-(Φ(n)–IF)*λ，其中IF为没有多普勒效应的载波中频频率，λ为光的波长。

在步骤S106中，计算两种Δ伪距的差再求绝对值，即|ΔPr_CO-CA(n)|＝|ΔPr_CODE(n)-ΔPr_CARRY(n)|。

在步骤S107中，利用步骤S106得到的两种Δ伪距差进行判断伪距观测量的有效性。将|ΔPr_CO-CA(n)|再与门限T₂比较，如果大于门限则流程进入步骤S110；否则流程进入步骤S108。

理论上来讲，两种Δ伪距应该相等，但是由于跟踪环路存在噪声，不可能得到准确的伪距以及载波积分多普勒值，所以二者应该为近似相等。载波跟踪环的跟踪精度比码环高二至三个数量级。根据步骤S103，可以判定载波跟踪环稳定，即由载波积分多普勒计算出得ΔPr_CARRY误差小、精度高，如果得到的|ΔPr_CO-CA(n)|较大，则说明码环跟踪不稳定，码环观测量不可靠。

门限T₂的设置依赖于所接收到的信号强度的大小，即步骤S102计算出的载噪比C/N₀。根据码跟踪环路噪声分析，环路噪声服从正态分布且标准差为：

其中，B_L为环路带宽；D为相关器间距；T_COH为预检测积分时间；B_fe为射频前端带宽；T_C为位码码宽。

根据不同信噪比下的环路噪声的方差，可以选取3倍标准差的误差范围。如果由步骤S102计算出的信噪比为40dB-Hz，则可将门限值T₂为2m，如果计算出的信噪比为25dB-Hz，则可将门限值T₂为6m。具体实际应用时，也可以对门限值T₂根据实际经验进行调整。

如果步骤S106的结果为“否”，则流程进入步骤S110；否则流程进入步骤S107。

在步骤S108中，首先设定计算累计误差的周期N，一般可以设置成5～20。若n<＝N，则将ΔPr_CO-CA(n)与前n-1次的ΔPr_CO-CA进行累加，求出MUL_ΔPr_CO-CA(n)，即MUL_ΔPr_CO-CA(n)＝MUL_ΔPr_CO-CA(n-1)+ΔPr_CO-CA(n)；若n>N，则将n置0，同时将MUL_ΔPr_CO-CA(n)置0；

在步骤S109中，将由步骤S108得到的MUL_ΔPr_CO-CA(n)再取绝对值与门限MUL_T_n进行比较，如果大于门限，就判断伪距观测量不可靠，流程进入步骤S110，否则进入步骤S111；

上述步骤S108主要进行判断单次历元时刻的伪距观测量存在的误差，但是在较多多路径信号的城市峡谷等复杂环境下，会存在单次历元的误差较小，却存在累积误差的现象，所以上述步骤S109主要针对观测量中是否存在累积误差的现象进行判断。

上述门限MUL_T_n的设置同样依赖于所接收到的信号强度的大小，即步骤S102计算出的载噪比C/N₀。ΔPr_CO-CA(n)服从均值为0，方差为σ²的正态分布，则对ΔPr_CO-CA(n)的求和得到的MUL_ΔPr_CO-CA(n)同样服从正态分布，并且方差为ΔPr_CO-CA(n)的方差的N倍。在误差允许范围为3倍标准差的情况下，MUL_T_n可以被设置为具体实际应用时，也可以对门限值MUL_T_n根据实际经验进行调整。(σ2为方差)门限T₁，T₂与门限MUL_T_n取决于实际应用的经验值，并且与信号的载噪比有关；载噪比越低，环路噪声越大，门限值也应适当调大。

在步骤S110中，针对上述步骤S103，S107和S109中观测量被判断为非有效的情况，进行对上述变量的复位，舍弃该观测量。

在步骤S111中，对每一颗保持跟踪的卫星均进行步骤S102至S109，收集所有在步骤S109判断有效的卫星信号，输入到定位解算模块，进行接收机位置、速度、时间的解算。

在步骤S112，流程结束。

图2示出一种实施例用于获得图1中使用的估计接收信号载噪比的方法示意图，该流程开始于步骤S101。

在步骤S201中，在跟踪通道中选取一个通道为噪声通道，设置通道跟踪的卫星号为0，码相位为0，载波频率为无多普效应勒中频。

在步骤S202中，对每毫秒的I支路与Q支路相关值取幅值收集1000次取平均作为噪底。

在步骤S203中，对跟踪通道，在1个比特20ms时间内分别对I支路与Q支路进行累加与然后再取幅值在1s内进行50次上述步骤，再求平均得到信号幅值

在步骤S204中，将所述步骤S202与S203得到的C与N₀求商，得到载噪比C/N₀。

在步骤S103，流程结束。

图3示出一种实施实例用于获得图1中载波跟踪锁定检测模块的方法示意图。该流程开始于步骤S102。

在步骤S301中，将一个数据比特20ms长度分成前后两个10ms，I支路的前一个10ms的累加值为I₁(k)，后一个10ms的累加值为I₂(k)，Q支路的前一个10ms的累加值为Q₁(k)，后一个10ms的累加值为Q₂(k)。

在步骤S302中，求叉积Cross＝I₁(k)*Q₂(k)-I₂(k)*Q₁(k)，以及点积Dot＝I₁(k)*I₂(k)+Q₁(k)*Q₂(k)。

在步骤S303中，在1s内对Cross与Dot进行50次累加，然后对两个累加值Cross_K与Dot_K求四象限反正切ATAN2(Cross_K/Dot_K)，并且与门限T₁比较。门限T₁的值为15.5Hz。

在步骤S104，流程结束。

Claims (5)

1.一种导航接收机中检测观测量有效性的方法，其特征在于，包括：

S1、信号能量检测模块根据接收到的信号的能量，计算出信号的载噪比；

S2、载波跟踪锁定检测模块判断载波跟踪的稳定性，如果判断结果为“稳定”，则进入步骤S3，如果判断结果为“不稳定”，则进入步骤S8；

S3、观测量收集模块在每一历元提取载波跟踪环的载波多普勒频率观测量以及码跟踪环的伪距观测量；

S4、利用载波多普勒和伪距两种观测量，分别计算出对应的前后两个历元的伪距差，即Δ伪距；

S5、伪距观测量检测模块计算两种Δ伪距的差值再求绝对值，并与门限比较，判断当前历元伪距观测量是否正确，如果正确则进入步骤S6、否则进入步骤S8；

S6、将当前历元的两种Δ伪距之差与之前n次历元的两种Δ伪距之差求和，并与门限比较，判断伪距观测量是否正确，如果正确则进入步骤S7、否则进入步骤S8；

S7、对每一颗保持跟踪的卫星均进行步骤S1至S6，收集所有进行步骤S6并判断观测量正确的卫星信号，输入到定位解算模块，进行接收机位置、速度、时间的解算；

S8、当S2判断结果为不稳定或S5判断结果为不正确或S6判断结果为不正确时，进行对变量的复位，舍弃观测量。

2.根据权利要求1所述的导航接收机中检测观测量有效性的方法，其特征在于，包括：步骤S2中载波跟踪锁定检测模块判断载波跟踪的稳定性包括，将一个数据比特20ms长度分成前后两个10ms，I支路的前一个10ms的累加值为I1(k)，后一个10ms的累加值为I2(k)，Q支路的前一个10ms的累加值为Q1(k)，后一个10ms的累加值为Q2(k)；求出叉积Cross＝I1(k)*Q2(k)-I2(k)*Q1(k)，以及点积Dot＝I1(k)*I2(k)+Q1(k)*Q2(k)；在1s内对Cross与Dot进行50次累加，然后对两个累加值CrossK与DotK求四象限反正切ATAN2(CrossK/DotK)，并且与门限T1比较，得出判断结果。

3.根据权利要求1所述的导航接收机中检测观测量有效性的方法，其特征在于，步骤S4中包括以下步骤：在历元n，利用卫星电文中的时间信息和码跟踪环路得到的码相位观测量，计算出卫星到接收机的伪距PrCODE(n)，前后两个历元的伪距差即为由码观测量计算出的Δ伪距，即ΔPrCODE＝PrCODE(n)-PrCODE(n-1)；在历元n，利用载波跟踪环路得到的载波积分多普勒观测量Φ(n)，计算出接收机的Δ伪距，即ΔPrCARRY＝-(Φ(n)–IF)*λ，其中IF为载波中频频率，λ为光的波长。

4.根据权利要求3所述的导航接收机中检测观测量有效性的方法，其特征在于，步骤S5中伪距观测量检测模块包括以下步骤：

计算两种Δ伪距的差再求绝对值，即|ΔPrCO-CA(n)|＝|ΔPrCODE(n)-ΔPrCARRY(n)|，再与门限T2比较；

如果大于门限，就判定伪距观测量不正确；

如果小于门限，若n<＝N，则将ΔPrCO-CA(n)与前n-1次的ΔPrCO-CA进行累加，求出MUL_ΔPrCO-CA(n)，即MUL_ΔPrCO-CA(n)＝MUL_ΔPrCO-CA(n-1)+ΔPrCO-CA(n)，再取绝对值与门限MUL_Tn进行比较，如果大于，就判断伪距观测量不正确；若n>N，则将n置0，同时将MUL_ΔPrCO-CA(n)置0；并在下一个历元n+1，重复上述步骤；

其中，N为设定的计算累计误差的周期，N＝5-20。

5.根据权利要求1所述的导航接收机中检测观测量有效性的方法，其特征在于，噪声检测通道为一个指定的跟踪通道，设置本地码相位为0，载波频率为中频频率IF，使噪声检测通道与接收信号没有相关性。