CN105607078A - 一种基于北斗二代导航系统的民用双频定位接收机 - Google Patents

Abstract

基于北斗二代导航系统的民用双频定位接收机，包括系统控制模块、双射频模块、基带处理通道模块、电文收集解译模块、参数提取模块、双频测量量处理模块、时间维护模块以及定位定速模块。双射频模块接收双频卫星信号并进行下变频得到中频信号输入至基带处理通道模块，进行通道分配和基带处理，得到定位比特信息和测量量；电文收集解译模块对比特信息进行解译得到电文信息；双频测量量处理模块对参数提取模块提取的电文信息和测量量进行可靠性增强处理以得到更为精确的参数供定位定速模块进行定位定速解算，同时通过时间维护模块统一系统工作时间，从而得到更加准确的定位结果。总之，本发明能够提高民用双频定位的定位精度。

Description

一种基于北斗二代导航系统的民用双频定位接收机

技术领域

本发明涉及卫星导航技术，尤其涉及一种基于北斗二代导航系统的民用双频定位接收机。

背景技术

中国北斗卫星导航系统(BeiDouNavigationSatelliteSystem，BDS)是继美国GPS、俄罗斯GLONASS、欧洲Galileo之后的全球第四大卫星导航系统，是我国自主研发、发展、独立运行的、可与世界其他卫星导航系统兼容共用的全球卫星导航系统，也是我国最关键的国家基础设施之一。

当前，卫星导航应用已发展成为全球性的高新技术产业，并正经历着以专用、车载应用等为主体的市场格局转变为以多行业、个人消费应用为主流的市场格局。中国北斗卫星导航系统随着自身的发展和民用频段信号的逐渐开放，也越来越广泛地被应用到民用基础建设、经济、车载导航等民生领域，并同时衍生进入大数据智慧城市、物联网、车联网等“互联网+”城市战略部署应用中。

目前，北斗卫星导航系统已有成功发射的在轨工作卫星20颗，可提供覆盖区范围的定位精度优于10米，可满足导航定位的基本需求。北斗卫星导航系统在从区域覆盖到全球覆盖的逐渐发展过程中，将逐渐脱离对其他导航系统的依赖，实现真正的独立自主。相应地，北斗卫星导航系统在民用产业的应用也会更广，而民用接收机对定位精度和可靠性的需求会更高。

发明内容

本发明提出一种基于北斗二代导航系统的民用双频定位接收机，其具有较高的定位精度，能获得更加有效和可靠的定位结果。方案如下：

一种基于北斗二代导航系统的民用双频定位接收机，包括系统控制模块、双射频模块、基带处理通道模块、电文收集解译模块、参数提取模块、双频测量量处理模块、时间维护模块以及定位定速模块；所述双射频模块用于接收来自卫星的双射频信号，并进行下变频以输出中频信号；所述基带处理通道模块，与所述系统控制模块和所述双射频模块连接，用于进行基带处理的通道分配以及通道参数的配置，并对所述中频信号进行基带处理以输出信号的测量量和比特信息；所述电文收集解译模块与所述基带处理通道模块连接，用于对所述比特信息进行解译以得到电文信息；其中，所述电文信息包括星历部分和历书部分；所述参数提取模块，与所述基带处理通道模块、所述电文收集解译模块和所述系统控制模块连接，用于提取所述电文信息和所述测量量，并把测量量按卫星号进行分组；所述双频测量量处理模块，与所述参数提取模块、所述定位定速模块以及所述系统控制模块连接，用于对当前所有有效通道输出的测量量进行可靠性增强处理，并将进行可靠性增强处理之后的测量量输出至所述定位定速模块；所述时间维护模块，与所述系统控制模块和所述定位定速模块连接，用于从所述定位定速模块中提取时间参数，计算时间误差，更新时间参数并反馈给所述系统控制模块调整系统时间以使所述民用双频定位接收机的所有模块的工作时间一致；所述定位定速模块，与所述参数提取模块、所述双频测量量处理模块以及所述系统控制模块连接，用于根据所述电文信息和经可靠性增强处理之后的测量量，来构建多维高阶测量方程和状态方程，并对所述多维高阶测量方程和所述状态方程进行定位定速解算，以获得定位结果。

本发明提供的上述民用双频定位接收机，具有以下有益效果：通过基于北斗二代民用双频信号，采用所述基带处理通道模块可实现有效基带处理，并通过优化硬件资源灵活提高通道容量；通过所述双频测量量处理模块，对通过跟踪双频信号而提取到的测量量进行可靠性增强处理，以获得更加可靠的测量量，从而为定位定速模块进行定位定速解算提供更可靠和更小抖动、更小误差的参数基础，同时，定位定速模块可有效提高定位精度，减小定位误差抖动，且在卫星信号质量较差或卫星颗数较少时，与单频方案相比，定位结果输出的有效性和可靠性都有明显提高。

更进一步地，所述基带处理通道模块包括以下三个子模块：模式识别子模块，对射频输出的中频信号的信号模式进行自动识别；模式参数配置子模块，与所述模式识别子模块连接，依据所述信号模式，对通道进行相应的参数配置，以对相应的中频信号进行基带处理，基带处理包括捕获、跟踪和同步；通道分配控制子模块，用于对当前待处理的通道配置进行状态维护，并在通道紧张时通过分时处理来控制进行通道分时复用，以提高基带处理容量。

更进一步地，所述通道分配控制子模块包括：通道切换单元，与所述系统控制模块、所述双射频模块以及所述基带处理通道模块连接，用于控制各基带处理通道的连通或切断；通道状态维护单元，与所述系统控制模块连接，用于对通道状态参数进行缓存，并向所述系统控制模块上报通道状态参数；通道分配策略单元，与所述系统控制模块连接，用于进行通道在不同启动方式下的分配初始化及通道状态变更后的策略切换，并对所述系统控制模块的命令进行解析以插入新的工作通道或强制关闭工作通道，以及在通道紧张时启动分时复用；分时复用控制策略单元，用于在通道紧张且出现新的待捕获或跟踪的卫星时，选择部分或全部通道资源进行分时复用来增加相同时间周期内可处理的卫星颗数。

更进一步地，所述双频测量量处理模块通过以下四个子模块来进行所述可靠性增强处理：线性组合处理子模块、非线性组合处理子模块、周整模糊度估算和补偿子模块以及合理性判决子模块，其中：

线性组合处理子模块，连接至所述参数提取模块以及合理性判决子模块，对同颗卫星的双频信号进行线性组合，并根据所述测量量的自身波动和相对差异来选择或进行更新，以提供给所述合理性判决子模块进行测量量矩阵方程组的构建，其中所述测量量至少包括伪距、多普勒、相位和误差；

非线性组合处理子模块，连接至所述参数提取模块以及合理性判决子模块，对不同颗卫星的双频信号进行非线性组合，并根据所述测量量的物理传输特性来获得或抵消部分传输延迟误差，完成测量量的补偿和更新，以提供给所述合理性判决子模块进行测量量矩阵方程组的构建；

周整模糊度估算和补偿子模块，连接至所述参数提取模块以及合理性判决子模块，基于启动后多个定位历元时刻的状态信息量组，对所述测量量的周整模糊度进行估算和判定，补偿周整模糊度来减小误差；并依据不同时刻获得的测量量推算出虚拟高阶测量量，其中所述虚拟高阶测量量至少包括所述测量量的变化速度和加速度；输出补偿周整模糊度后的测量量和所述虚拟高阶测量量至所述合理性判决子模块；

合理性判决子模块，与所述参数提取模块以及所述定位定速模块，将经线性组合处理子模块、非线性组合处理子模块、周整模糊度估算和补偿子模块以及参数提取模块处理后输出的测量量进行加权，并对来自所述定位定速模块的定位定速历史进行拟合插值，依据物理合理性和空间几何结构的封闭性，构建所述矩阵方程组，基于所述矩阵方程组的元素之间的制约关系进行迭代、限定、噪声补偿、平滑滤波以及合理性判决，满足判决条件或达到迭代次数限定则完成本次判决，将补偿和更新后的测量量缓存提供下次定位时刻的合理性判决，并提供给所述定位定速模块；其中，所述矩阵方程组的元素至少包括接收机坐标、卫星坐标、测量量、测量量的变化速度和加速度、噪声能量、误差项。

更进一步地，所述定位定速模块包括：多维高阶测量方程子模块，连接至所述双频测量量处理模块，将经过所述可靠性增强处理后的测量量用于构建所述多维高阶测量方程，并参与定位定速解算；状态方程子模块，连接至所述参数提取模块、所述双频测量量处理模块，将所述参数提取模块提取的测量量与经过所述双频测量量处理模块进行可靠性增强处理之后的测量量进行比较、选择和加权，以对参与定位的卫星状态量进行估计，构建所述状态方程，并参与定位定速解算；噪声估计子模块，与所述参数提取模块、所述双频测量量处理模块以及所述定位定速模块连接，所述参数提取模块和所述双频测量量处理模块的输出，以及上一次定位的噪声估计定义为先验测量量，所述定位定速模块的解算结果和通过该解算结果计算得到的噪声估计定义为后验测量量，将所述先验测量量和后验测量量进行比较、判决和更新，并进行保存，为所述双频测量量处理模块进行下一次定位时刻的可靠性增强处理所用。

附图说明

图1是本发明具体实施例提供的一种基于北斗二代导航系统的民用双频定位接收机的系统架构；

图2是同颗卫星双频信号空间传播差异示意图；

图3是定位系统物理合理性和空间几何分布封闭性示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施方式对本发明作进一步说明。

本发明的具体实施方式提供一种基于北斗二代导航系统的民用双频定位接收机，参考图1，包括系统控制模块10、双射频模块20、基带处理通道模块30、电文收集解译模块40、参数提取模块50、双频测量量处理模块60、时间维护模块70以及定位定速模块80。需要说明，图1中的空心粗箭头代表“数据流”，表征模块之间的信号传输；细箭头代表“控制流”，表征模块之间的相互控制。其中：

双射频模块20通过天线100接收来自卫星的双射频信号，并进行下变频以输出中频信号。优选地，双射频模块20包括分别用于接收不同频段卫星信号的两个射频接收单元，例如图1中的“射频1”和“射频2”两个单元，可以分别用于接收北斗二代导航卫星的两个不同频段的信号，并对两个频段的信号进行下变频，输出中频信号至基带处理通道模块30。

基带处理通道模块30连接至系统控制模块10、双射频模块20，用于进行基带处理的通道分配以及通道参数的配置，并对所述中频信号进行基带处理以输出信号的测量量和比特信息。接收机启动时，依据用户输入和预设的控制策略初始化系统控制模块10，基带处理通道模块30首先依据用户预设的通道分配策略对中频信号进行基带处理的通道初始分配。通道分配策略例如是按预设的卫星列表以相同的优先级按列表先后顺序依次分配，例如，假设卫星列表中有卫星S1、卫星S2、卫星S3、卫星S4，则将第一通道和第二通道分配给卫星S1，第三、四通道分配给卫星S2，以此类推，若有历史信息(例如上次关机时锁存下来的历史分配信息)可用，并且距离上次关机时间较短，则可根据历史信息进行初始分配的调整。

具体地，基带处理通道模块30包括模式识别子模块、模式参数配置子模块和通道分配控制子模块。其中所述模式识别子模块，对每一通道的中频信号进行信号模式的自动识别，例如识别出第一通道接收的中频信号(自带卫星序列号)是来自双频中的第一频段。然后，与所述模式识别子模块连接的所述模式参数配置子模块依据所述信号模式，对该第一通道进行参数配置，选择用于对第一频段的信号进行基带处理的一套参数，对该中频信号进行基带处理，基带处理包括捕获、跟踪和同步，即：如图1所示，每一通道都包括对双频信号进行“捕获”、“跟踪”和“同步”处理的三个单元。完成通道初始分配后，若成功捕获到一颗或以上卫星时，则将根据具体捕获的卫星信号对通道分配和参数配置进行更新。所述通道分配控制子模块，用于对当前待处理的通道配置进行状态维护，并在通道紧张时通过分时处理来控制进行通道分时复用，以提高基带处理容量。

具体地，所述通道分配控制子模块包括：通道切换单元，与所述系统控制模块、所述双射频模块以及所述基带处理通道模块连接，用于控制各基带处理通道的连通或切断；通道状态维护单元，与所述系统控制模块连接，用于对通道状态参数进行缓存，并向所述系统控制模块上报通道状态参数；通道分配策略单元，与所述系统控制模块连接，用于进行通道在不同启动方式下的分配初始化及通道状态变更后的策略切换，并对所述系统控制模块的命令进行解析以插入新的工作通道或强制关闭工作通道，以及在通道紧张时启动分时复用；分时复用控制策略单元，用于在通道紧张且出现新的待捕获或跟踪的卫星时，选择部分或全部通道资源进行分时复用来增加相同时间周期内可处理的卫星颗数。

基带处理中的捕获、跟踪均可支持北斗二代所有民用的信号格式。当跟踪发生崩溃时，需要进行重捕快速找回信号。所有通道的状态需要周期性上报给系统控制模块10，以当出现信号接收异常错误时，由系统控制模块10来进行通道重新分配和维护。基带处理通道模块30对中频信号进行基带处理之后，输出信号的测量量和定位数据的比特信息，以后续定位用。

电文收集解译模块40与所述基带处理通道模块30连接，用于对所述比特信息进行解译以得到电文信息；其中，所述电文信息包括星历部分和历书部分，还可以包括辅助定位信息。

参数提取模块50与所述基带处理通道模块30、所述电文收集解译模块40和所述系统控制模块10连接，用于提取所述电文信息和所述测量量，并把测量量按卫星号进行分组。

双频测量量处理模块60与所述参数提取模块50、所述定位定速模块80以及所述系统控制模块10连接，用于对当前所有有效通道输出的测量量进行可靠性增强处理，并将进行可靠性增强处理之后的测量量输出至所述定位定速模块80。其中，所述双频测量量处理模块60通过以下四个子模块来进行所述可靠性增强处理：线性组合处理子模块、非线性组合处理子模块、周整模糊度估算和补偿子模块以及合理性判决子模块，其中：

线性组合处理子模块，连接至所述参数提取模块50以及所述合理性判决子模块，对同颗卫星的双频信号进行线性组合，并根据所述测量量的自身波动和相对差异来选择或进行更新，以提供给所述合理性判决子模块进行测量量矩阵方程组的构建，其中所述测量量(或称测量值)至少包括伪距、多普勒和载波相位，其中还包括测量误差。同颗卫星的双频信号传输示意如图2所示，卫星S1与地球300上的接收机200之间的几何距离为r，双频信号分别独立传输，经过电离层(图中，电离层平均高度面400)传输到接收机200，两个频段的信号分别具有不同的伪距(图2中用于表示几何距离r的直线的两侧的两条虚线表征了不同的伪距)，具有不同的物理传输特性。线性组合处理子模块的处理过程如下：

载波相位φ(k)与其他参数的关系用下式表示：

φ(k)＝λ^-1[r(k)+c(δt_u(k)-δt^(s)(k))-I(k)+T(k)]+N+ε_φ(k)

其中，k表示历元；λ为载波波长；c为光速；φ(k)为历元k时的载波相位；r(k)为历元k时的卫星和接收机的几何距离；δt_u(k)为历元k时接收机的时钟偏差；δt^(s)(k)为历元k时的卫星时钟偏差；I(k)为历元k时的电离层延时；T(k)为历元k时的对流层延时；N为周整模糊度；ε_φ(k)为历元k时的载波相位测量噪声量，代表所有未直接体现在公式中的各种误差总和。

同一颗卫星的双频信号的载波相位测量值表达如下：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\φ}}_1\left(k\right)={{\mathrm{\λ}}_1}^{-1}\[r\left(k\right)+c\left(\mathrm{\δ}{t}_u\right(k)-\mathrm{\δ}{t}^{\left(s\right)}(k\left)\right)-I_1\left(k\right)+T_1\left(k\right)\]+N_1+{\mathrm{\ϵ}}_{{\mathrm{\φ}}_1}\left(k\right)\\ {\mathrm{\φ}}_2\left(k\right)={{\mathrm{\λ}}_2}^{-1}\[r\left(k\right)+c\left(\mathrm{\δ}{t}_u\right(k)-\mathrm{\δ}{t}^{\left(s\right)}(k\left)\right)-I_2\left(k\right)+T_2\left(k\right)\]+N_2+{\mathrm{\ϵ}}_{{\mathrm{\φ}}_2}\left(k\right)\end{array}\right.$

若忽略测量误差，可以得到双频信号的电离层延时I₁(k)、I₂(k)与载波频率之间的函数关系如下：

$\left\{\begin{array}{c}{I}_1\left(k\right)=\frac{{f_2}^2}{{f_1}^2-{f_2}^2}\[{\mathrm{\λ}}_1\left({\mathrm{\φ}}_1\right(k)-N_1)-{\mathrm{\λ}}_2\left({\mathrm{\φ}}_2\right(k)-N_2)\]\\ I_2\left(k\right)=\frac{{f_1}^2}{{f_2}^2-{f_1}^2}\[{\mathrm{\λ}}_2\left({\mathrm{\φ}}_2\right(k)-N_2)-{\mathrm{\λ}}_1\left({\mathrm{\φ}}_1\right(k)-N_1)\]\end{array}\right.$

其中，f₁和f₂是双频信号的载波频率；N₁和N₂分别为双频信号载波相位测量值φ₁(k)和φ₂(k)中的周整模糊度。

通过不同历元时刻的测量值可组成线性方程组，并通过解算，可以得到电离层延时和电离层延时变化率。经过双频信号的计算补偿可把电离层延时从1～5m的量级减小到1m左右或以内。不同历元时刻的测量量线性方程组，还可以计算出载波频率、载波相位变化量和载波相位变化率，后续通过合理性判决子模块依据物理合理性做判决和平滑，将得到的参数作为虚拟测量量加入方程组进行迭代，使得误差判决最小。

非线性组合处理子模块，连接至所述参数提取模块以及合理性判决子模块，对不同颗卫星的双频信号进行非线性组合，并根据所述测量量的物理传输特性来获得或抵消部分传输延迟误差，完成测量量的补偿和更新，以提供给所述合理性判决子模块进行测量量矩阵方程组的构建。对流层为非弥散性介质，与电磁波的频率无关，因此认为所有信号的折射率相等，将对流层折射率转换到折射数，并对应对流层介质组成和经验公式得到对流层延时T(k)：

$T\left(k\right)={10}^{-6}\underset{0}{\overset{H_d}{\∫}}77.64\frac{P}{T_k}dh+{10}^{-6}\underset{0}{\overset{H_w}{\∫}}3.73\×{10}^5\frac{e_0}{T_k^2}dh$

T(k)为历元k时的对流层延时；P为以毫巴为单位的大气总压力；T_k为以开尔文为单位的热力学温度；e₀为以毫巴为单位的水气分压；H_d和H_w可以查表得到的经验值，其中高度H_d以上的干分量折射数为零，高度H_w以上的湿分量折射数为零。本公式中的大气压力、温度和湿度参数随着时间、地点、离地面高度的不同而变化，因此利用近似模型计算得到对流层延时。

对流层延时在天顶方向上约为2.6m，在低于10°的高度角方向上可达20m，而在近似模型误差计算和补偿后，天顶方向上的对流层延时一般可小于1m。

各颗卫星进行对流层延时补偿后，误差进一步减小，再次计算载波频率、载波相位变化量和载波相位变化率，后续通过合理性判决子模块依据物理合理性做判决和平滑，将得到的参数作为虚拟测量量加入方程组进行迭代，使得误差判决最小。

周整模糊度估算和补偿子模块，连接至所述参数提取模块以及合理性判决子模块，基于启动后多个定位历元时刻的状态信息量组，对所述测量量的周整模糊度进行估算和判定，补偿周整模糊度来减小误差；并依据不同时刻获得的测量量推算出虚拟高阶测量量，其中所述虚拟高阶测量量至少包括所述测量量的变化速度和加速度；输出补偿周整模糊度后的测量量和所述虚拟高阶测量量至所述合理性判决子模块。利用平滑后的伪距和载波相位，在忽略噪声时，周整模糊度N用以下近似公式获得：其中int取整。表示N的近似值。

至此，只有接收机时钟偏差和接收机噪声项是未知项，而接收机时钟偏差和接收机噪声项对所有卫星信号来说，可视为公共项，在处理策略中用一个常数来近似。于是真正需要估算的就是各个测量量的噪声(即误差)，而各个测量量的噪声最终都体现到伪距上，因此后续统一用来表示不同卫星信号测量量的所有误差。

伪距ρ(k)、载波相位φ(k)、载波频率(多普勒频移)f_d(t)三者之间具有如下制约关系：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\ρ}\left(k\right)=r\left(k\right)+c\left(\mathrm{\δ}{t}_u\right(k)-\mathrm{\δ}{t}^{\left(s\right)}(k\left)\right)+I\left(k\right)+T\left(k\right)+{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{\ρ}}\left(k\right)\\ \mathrm{\φ}\left(k\right)={\mathrm{\λ}}^{-1}\[r\left(k\right)+c\left(\mathrm{\δ}{t}_u\right(k)-\mathrm{\δ}{t}^{\left(s\right)}(k\left)\right)-I\left(k\right)+T\left(k\right)\]+N+{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{\φ}}\left(k\right)\\ d\mathrm{\φ}\left(k\right)=-{\∫}_{t_0}^{t_k}{f}_d\left(t\right)dt\end{array}\right.$

式中，ρ(k)为历元k时的伪距测量值；ε_ρ(k)为历元k时的伪距测量噪声量；f_d(t)为以历元周期为时间单位的历元t时的多普勒频移测量值。

利用上述三者之间的制约关系，对对测量量进行组合分析，具体包括相同卫星的双频信号的制约关系分析、所有卫星的信号组合的空间几何结构和传输时间制约关系分析。基于定位前的卫星测量量RAIM算法，主要利用如下公式：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ρ}}_n\left(k\right)=r_n\left(k\right)+c\left({\mathrm{\δt}}_u\right(k)-{\mathrm{\δt}}^{(s,n)}\left(k\right))+I_n\left(k\right)+T\left(k\right)+{\mathrm{\ϵ}}_{{\mathrm{\ρ}}_n}\left(k\right)\\ r_n\left(k\right)=\sqrt{{\left(X_n\right(k)-x(k\left)\right)}^2+{\left(Y_n\right(k)-y(k\left)\right)}^2+{\left(Z_n\right(k)-z(k\left)\right)}^2}\end{array}\right.$

其中，下角标n表示第n颗卫星，ρ_n(k)表示第n颗卫星在历元k时的伪距测量值，r_n(k)即表示在历元k时第n颗卫星与接收机的几何距离；X_n(k)、Y_n(k)和Z_n(k)为第n颗卫星在历元k时的空间坐标；x(k)、y(k)和z(k)为接收机在历元k时的空间坐标。

当首次定位时，可以将接收机坐标设为卫星组合在地面投影的几何中心位置或直接设为零。经过前面的处理流程，此时，只需估算测量量误差项对认为各颗卫星的测量误差均呈现相同的近似正态分布的特征。我们在此基础上，建立噪声方程组，通过物理合理性和空间约束条件，对噪声方程组进行以卫星信号为列向量的依次迭代，并在每次迭代后进行判决。

首次定位时，判定测量量满足物理合理性和空间约束条件时，则认为测量量合理。

当已有接收机解算位置和接收机时钟偏差时，将上一次定位信息用于本次定位的测量值，进行预测并代入判决。可解算出估计的误差值，并与误差门限判决比较，将误差的变化量用于更新当前的噪声方程组，以不断进行迭代，使迭代结果最小。

合理性判决子模块，与所述参数提取模块以及所述定位定速模块，将经线性组合处理子模块、非线性组合处理子模块、周整模糊度估算和补偿子模块以及参数提取模块处理后输出的测量量进行加权，并对来自所述定位定速模块的定位定速历史进行拟合插值，依据如图3所示的物理合理性和空间几何结构(至少如图中4颗卫星(卫星S1～S4)与接收机200之间构成的几何结构具有封闭性)的封闭性，构建所述矩阵方程组，基于所述矩阵方程组的元素之间的制约关系进行迭代、限定、噪声补偿、平滑滤波以及合理性判决，满足判决条件或达到迭代次数限定则完成本次判决，将补偿和更新后的测量量缓存提供下次定位时刻的合理性判决，并提供给所述定位定速模块；其中，所述矩阵方程组的元素至少包括接收机坐标、卫星坐标、测量量、测量量的变化速度和加速度、噪声能量、误差项。换言之，合理性判决子模块的主要作用即通过判决门限和门限切换完成定位前测量量的判决，在定位定速解算时剔除认为不合理的测量量。

所述时间维护模块，与所述系统控制模块和所述定位定速模块连接，用于从所述定位定速模块中提取时间参数，计算时间误差，更新时间参数并反馈给所述系统控制模块调整系统时间以使所述民用双频定位接收机的所有模块的工作时间一致。依据用户输入及预设的控制策略，从定位定速模块输出中提取时钟钟差和频漂等时间参数，并与当前时间累加，计算当前的时间误差参数并判决是否需要时间补偿调整，若需要则送入系统时间维护，则更新时间参数并反馈给系统控制调整系统时钟控制使系统所有模块的工作时间对应一致，以保证接收机的定位结果持续准确性。

所述定位定速模块，与所述参数提取模块、所述双频测量量处理模块以及所述系统控制模块连接，用于根据所述电文信息和经可靠性增强处理之后的测量量，来构建多维高阶测量方程和状态方程，并对所述多维高阶测量方程和所述状态方程进行定位定速解算，以获得定位结果。具体的执行过程可如下：

初始定位至收敛阶段：

利用定位原理公式进行定位：

${\widetilde{\mathrm{\ρ}}}_n\left(k\right)=\sqrt{{\left(X_n\right(k)-x(k\left)\right)}^2+{\left(Y_n\right(k)-y(k\left)\right)}^2+{\left(Z_n\right(k)-z(k\left)\right)}^2}+\[{\mathrm{c\δt}}_u\left(k\right)+{\mathrm{\ϵ}}_{{\mathrm{\ρ}}_n}\left(k\right)\]$

式中，当前历元k时刻的接收机位置x(k)、y(k)、z(k)和钟差误差组合项是未知的，但接收机时钟误差项δt_u(k)和n颗卫星的测量量误差项在基于历史定位结果和更多历元测量量基础上，可以用估算值先代入计算，若无历史信息则用配置的经验值参数代入，可得到更准确的接收机时钟误差项δt_u(k)和n颗卫星的测量量误差项因此初始定位阶段，将接收机时钟误差项δt_u(k)和n颗卫星的测量量误差项均视为接收机时钟误差组合项作为一个未知数，加上接收机三维坐标未知数，则有4个未知数，需要至少4颗卫星测量量求解。又有接收机时钟误差项δt_u(k)为公共项，对不同颗卫星来说，只有测量量误差项不同，因此可以进一步提取出测量量误差项

稳定定位阶段：

基于收敛后的接收机定位解算，对未知误差项进行精度分析，进一步估算测量量误差项，并得到较高精度的接收机钟差。利用迭代的计算方法得到准确稳定的定位结果。

成功定位解算且接收机坐标收敛后，可启动定位后的误差分析。主要是基于收机时钟误差项δt_u(k)为公共误差项，且时钟误差主要为本地接收时钟引入，是相对稳定的误差项基础上，从接收机时钟误差组合项中分离出n颗卫星的测量量误差项并以代入噪声方程组进行后验测量量的噪声估算和判决，并用于更新下一历元时刻的噪声方程组。

总之，本发明具体实施方式提供的上述民用双频定位接收机，通过建模并仿真分析对比，由于基带处理通道模块对通道的分配策略，使得基带通道成功捕获一颗卫星后捕获其他卫星的时间明显缩短，且可以及时关闭无效通道，提高基带处理效率和减小功耗。若无双频测量量处理模块，则在正常接收信号强度下，静态定位误差等级在1～10m，而增加了所述双频测量量处理模块后定位误差可减小到1～3m左右；在低动态运动的接收机定位定速解算中，单频定位误差等级在10m左右；双频定位可减小到5m～10m；定位精度可精细到3～5m，同时输出的误差抖动更小，定位轨迹更平滑。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于北斗二代导航系统的民用双频定位接收机，其特征在于：包括系统控制模块、双射频模块、基带处理通道模块、电文收集解译模块、参数提取模块、双频测量量处理模块、时间维护模块以及定位定速模块；

所述双射频模块用于接收来自卫星的双射频信号，并进行下变频以输出中频信号；

所述基带处理通道模块，与所述系统控制模块和所述双射频模块连接，用于进行基带处理的通道分配以及通道参数的配置，并对所述中频信号进行基带处理以输出信号的测量量和比特信息；

所述电文收集解译模块与所述基带处理通道模块连接，用于对所述比特信息进行解译以得到电文信息；其中，所述电文信息包括星历部分和历书部分；

所述参数提取模块，与所述基带处理通道模块、所述电文收集解译模块和所述系统控制模块连接，用于提取所述电文信息和所述测量量，并把测量量按卫星号进行分组；

所述双频测量量处理模块，与所述参数提取模块、所述定位定速模块以及所述系统控制模块连接，用于对当前所有有效通道输出的测量量进行可靠性增强处理，并将进行可靠性增强处理之后的测量量输出至所述定位定速模块；

所述时间维护模块，与所述系统控制模块和所述定位定速模块连接，用于从所述定位定速模块中提取时间参数，计算时间误差，更新时间参数并反馈给所述系统控制模块调整系统时间以使所述民用双频定位接收机的所有模块的工作时间一致；

所述定位定速模块，与所述参数提取模块、所述双频测量量处理模块以及所述系统控制模块连接，用于根据所述电文信息和经可靠性增强处理之后的测量量，来构建多维高阶测量方程和状态方程，并对所述多维高阶测量方程和所述状态方程进行定位定速解算，以获得定位结果。

2.如权利要求1所述的民用双频定位接收机，其特征在于：所述基带处理通道模块包括以下三个子模块：

模式识别子模块，对射频输出的中频信号的信号模式进行自动识别；

模式参数配置子模块，与所述模式识别子模块连接，依据所述信号模式，对通道进行相应的参数配置，以对相应的中频信号进行基带处理，基带处理包括捕获、跟踪和同步；

通道分配控制子模块，用于对当前待处理的通道配置进行状态维护，并在通道紧张时通过分时处理来控制进行通道分时复用，以提高基带处理容量。

3.如权利要求2所述的民用双频定位接收机，其特征在于：所述通道分配控制子模块包括：

通道切换单元，与所述系统控制模块、所述双射频模块以及所述基带处理通道模块连接，用于控制各基带处理通道的连通或切断；

通道状态维护单元，与所述系统控制模块连接，用于对通道状态参数进行缓存，并向所述系统控制模块上报通道状态参数；

通道分配策略单元，与所述系统控制模块连接，用于进行通道在不同启动方式下的分配初始化及通道状态变更后的策略切换，并对所述系统控制模块的命令进行解析以插入新的工作通道或强制关闭工作通道，以及在通道紧张时启动分时复用；

分时复用控制策略单元，用于在通道紧张且出现新的待捕获或跟踪的卫星时，选择部分或全部通道资源进行分时复用来增加相同时间周期内可处理的卫星颗数。

4.如权利要求1所述的民用双频定位接收机，其特征在于：所述双频测量量处理模块通过以下四个子模块来进行所述可靠性增强处理：线性组合处理子模块、非线性组合处理子模块、周整模糊度估算和补偿子模块以及合理性判决子模块，其中：

线性组合处理子模块，连接至所述参数提取模块以及合理性判决子模块，对同颗卫星的双频信号进行线性组合，并根据所述测量量的自身波动和相对差异来选择或进行更新，以提供给所述合理性判决子模块进行测量量矩阵方程组的构建，其中所述测量量至少包括伪距、多普勒、相位和误差；

非线性组合处理子模块，连接至所述参数提取模块以及合理性判决子模块，对不同颗卫星的双频信号进行非线性组合，并根据所述测量量的物理传输特性来获得或抵消部分传输延迟误差，完成测量量的补偿和更新，以提供给所述合理性判决子模块进行测量量矩阵方程组的构建；

周整模糊度估算和补偿子模块，连接至所述参数提取模块以及合理性判决子模块，基于启动后多个定位历元时刻的状态信息量组，对所述测量量的周整模糊度进行估算和判定，补偿周整模糊度来减小误差；并依据不同时刻获得的测量量推算出虚拟高阶测量量，其中所述虚拟高阶测量量至少包括所述测量量的变化速度和加速度；输出补偿周整模糊度后的测量量和所述虚拟高阶测量量至所述合理性判决子模块；

合理性判决子模块，与所述参数提取模块以及所述定位定速模块，将经线性组合处理子模块、非线性组合处理子模块、周整模糊度估算和补偿子模块以及参数提取模块处理后输出的测量量进行加权，并对来自所述定位定速模块的定位定速历史进行拟合插值，依据物理合理性和空间几何结构的封闭性，构建所述矩阵方程组，基于所述矩阵方程组的元素之间的制约关系进行迭代、限定、噪声补偿、平滑滤波以及合理性判决，满足判决条件或达到迭代次数限定则完成本次判决，将补偿和更新后的测量量缓存提供下次定位时刻的合理性判决，并提供给所述定位定速模块；其中，所述矩阵方程组的元素至少包括接收机坐标、卫星坐标、测量量、测量量的变化速度和加速度、噪声能量、误差项。

5.如权利要求1所述的民用双频定位接收机，其特征在于：所述定位定速模块包括：

多维高阶测量方程子模块，连接至所述双频测量量处理模块，将经过所述可靠性增强处理后的测量量用于构建所述多维高阶测量方程，并参与定位定速解算；

状态方程子模块，连接至所述参数提取模块、所述双频测量量处理模块，将所述参数提取模块提取的测量量与经过所述双频测量量处理模块进行可靠性增强处理之后的测量量进行比较、选择和加权，以对参与定位的卫星状态量进行估计，构建所述状态方程，并参与定位定速解算；

噪声估计子模块，与所述参数提取模块、所述双频测量量处理模块以及所述定位定速模块连接，所述参数提取模块和所述双频测量量处理模块的输出，以及上一次定位的噪声估计定义为先验测量量，所述定位定速模块的解算结果和通过该解算结果计算得到的噪声估计定义为后验测量量，将所述先验测量量和后验测量量进行比较、判决和更新，并进行保存，为所述双频测量量处理模块进行下一次定位时刻的可靠性增强处理所用。