CN107064969B - 一种gnss接收机码相位估计与补偿方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于卫星导航领域，具体涉及GNSS(Global Navigation Satellites System)接收机内部多频多系统伪随机码相位测量值与伪距测量值生成的GNSS接收机码相位估计与补偿方法。本发明运用频谱分析仪对第N个射频前端中频滤波器的幅频特性和相频特性进行测量并记录测量结果，射频中频滤波器的幅频特性和相频特性通过查阅对应的射频前端电路的数据手册得到；在计算机上通过线性系统系统辨识的的方式，得到近似的射频前端中频滤波器的传递函数。本发明自相关曲线拟合以及公共误差的测量主要以软件的方式完成，为整个系统的设计提供了灵活性和便捷性。
Description
技术领域
本发明属于卫星导航领域，具体涉及GNSS(Global Navigation SatellitesSystem)接收机内部多频多系统伪随机码相位测量值与伪距测量值生成的GNSS接收机码相位估计与补偿方法。
背景技术
全球导航卫星系统能够为用户提供位置、速度、时间信息，并且具有全天候、全球覆盖、实时、连续、高精度、高可靠性、成本低的特点,广泛的应用到民用和军用领域。在定位和导航方面如船舶远洋导航与进港引导，汽车自主导航，飞机航路引导和进场着舰，自动化精准农业，智慧城市与智能交通等；在授时和校频领域如为电力、邮电、通信网络系统提供精确的时间和频率参考；在大地测量领域如机型地壳运动、工程测量、工程形变测量等。
全球一共有四全球大卫星导航系统以及若干区域卫星导航系统，四大全球卫星导航系统分别是中国的北斗卫星导航系统，俄罗斯的格洛纳斯卫星导航系统，美国的GPS卫星导航系统，和欧洲的伽利略卫星导航系统，北斗卫星导航系统和伽利略卫星导航系统正在建设当中；而区域卫星导航系统主要包括日本的准天顶卫星系统(QZSS)印度的印度区域导航卫星系统(IRNSS)。多频多系统的联合导航定位能够提高可视卫星数量、改善卫星几何分布、提高定位测速精度，随着我国北斗卫星导航系统的发展，多频多系统联合定位已经成为卫星导航的发展趋势之一。
对任何卫星导航系统，对GNSS信号码相位的测量精度直接决定了伪距测量的精度，进而影响到定位和授时的精度。然而，影响GNSS接收机测量GNSS信号内码相位的困难会来自两个方面：第一是射频前端的滤波效应，射频前端滤波器使得接受到的码信号发生形变，进而破坏理想的码信号呈现“三角形”的自相关特性，一方面本地码在跟踪接收码的时候会产生公共误差，另一方面基于理想的自相关特性的码相位鉴别器输出的码相位误差包含偏差，不但使得本地码相位不能锁定自相关峰，而且降低了码相位测量精度，进而影响伪距测量精度，这里需要注意的是，不同的GNSS码信号可能经过了不同的射频前端滤波器，因此不同类型的码信号收到的影响是不一样的，因此对应码信号的自相关曲线以及公共偏差是不相等的；第二是噪声效应，GNSS卫星信号中的噪声很难被射频前端滤波器以及相关运算完全滤除，因此基于I/Q相关值的码相位鉴别器很难输出不受噪声干扰的码相位误差。因此，从受到到噪声干扰和滤波效应的接受码信号中准确的提取码相位信息非常重要。
发明内容
本发明目的在于针对估计GNSS卫星信号伪码相位的技术问题，提出一种基于自相关曲线拟合的码相位估计技术，用来克服射频前端滤波效应和噪声带来的对码相位估计的困难的GNSS接收机码相位估计与补偿方法。
本发明的目的是这样实现的：
(1)运用频谱分析仪对第N个射频前端中频滤波器的幅频特性和相频特性进行测量并记录测量结果，射频中频滤波器的幅频特性和相频特性通过查阅对应的射频前端电路的数据手册得到；在计算机上通过线性系统系统辨识的的方式，得到近似的射频前端中频滤波器的传递函数
(2)用软件仿真的形式生成本地生成将要通过该射频滤波器的GNSS伪码信号，卫星号可以任意选择；完成后，让伪码信号通过传递函数为的滤波器，并且记录滤波之后的码和滤波之前的码在时域上的关系；称滤波之后的码为滤波码，滤波之前的码为原始码；
(3)本地再产生一份对应卫星的伪随机码并且与滤波码进行相关，以确定使相关值最大的本地码的相位，并且记录下来，以此得到原始码、滤波码、本地码在时域上的关系；通过测量本地码与原始码之间的码相位偏差，来得到公共误差；
(4)定义相关值最大处的码相位误差为0，再移动本地码相位与滤波码做相关，以此得到码相位误差在[-1,1]码片范围内的实际自相关值曲线的形状；每次移动码相位的值记为C[chip]，理论上来说C的值越小，则得到的自相关曲线也就越精确，通常C可以取0.001chip；在每一次计算自相关值之后，自相关值要作归一化处理，因此实际自相关曲线的最大值为1；
(5)对其他尚未完成拟合的射频滤波器以及对应的码信号继续执行步骤(1)-(4)，以得GNSS系统内不同码信号实际的自相关曲线以及公共误差；全部完成后则可以进入步骤(6)；
(6)接收机内部采用相干预滤波器提取码相位误差；此相干预滤波器系统模型中的自相关曲线形状由步骤(4)得到；相干预滤波器得到码相位误差后，可以装入跟踪环路中完成码NCO控制量生成；相干预滤波器估计的码相位误差修正对应的公共误差，得到修正后的码相位误差，进而完成伪距测量；
(7)各个系统通过步骤(6)得到的码相位误差组装伪距；并通过得到的伪距进行导航解算，并且输出导航解算的结果。
本发明的有益效果在于：
(1)自相关曲线拟合以及公共误差的测量主要以软件的方式完成，为整个系统的设计提供了灵活性和便捷性。
(2)将自相关曲线拟合技术与公共误差修正技术引入到相干预滤波器设计中来，精确的自相关曲线帮助相干预滤波器准确的估计出码相位误差，此码相位误差进入环路滤波器进行码NCO计算，这可以使得本地码能够更加精确的锁定自相关峰值；相干预滤波器输出的码相位误差修正公共误差后进入伪距测量模块，进一步提高测距精度和时间测量精度,在多卫星导航系统系统联合定位时具有更大的优势。
附图说明
图1为射频前端中频滤波器传递函数的辨识方法。
图2为自相关曲线拟合和PRN码相位公共误差测量的原理图。
图3为码相位公共误差计算原理图。
图4为自相关曲线拟合原理图。
图5为系统的伪码相位生成的原理图。
图6为信号发射时间组装公式。
具体实施方式
下面根据说明书附图对该发明的具体实现方式做进一步说明。
(1)运用频谱分析仪对第N个射频前端中频滤波器的幅频特性和相频特性进行测量并记录测量结果，射频中频滤波器的幅频特性和相频特性同样可以通过查阅对应的射频前端电路的数据手册得到。在计算机上通过线性系统系统辨识的的方式，得到近似的射频前端中频滤波器的传递函数
(2)用软件仿真的形式生成本地生成将要通过该射频滤波器的GNSS伪码信号，卫星号可以任意选择。完成后，让伪码信号通过传递函数为的滤波器，并且记录滤波之后的码和滤波之前的码在时域上的关系。以下简称滤波之后的码为滤波码，滤波之前的码为原始码。
(3)本地再产生一份对应卫星的伪随机码(以下称本地码)，并且与滤波码进行相关，以确定使相关值最大的本地码的相位，并且记录下来，以此得到原始码、滤波码、本地码在时域上的关系。通过测量本地码与原始码之间的码相位偏差，来得到公共误差。
(4)定义相关值最大处的码相位误差为0，再移动本地码相位与滤波码做相关，以此得到码相位误差在[-1,1]码片范围内的实际自相关值曲线的形状。每次移动码相位的值记为C[chip]，理论上来说C的值越小，则得到的自相关曲线也就越精确，通常C可以取0.001chip；在每一次计算自相关值之后，自相关值要作归一化处理，因此实际自相关曲线的最大值为1。
(5)实际射频电路不仅有一个射频滤波器，因此对其他尚未完成拟合的射频滤波器以及对应的码信号继续执行步骤1～4，以得GNSS系统内不同码信号实际的自相关曲线以及公共误差。全部完成后则可以进入步骤6。
(6)接收机内部采用相干预滤波器提取码相位误差。此相干预滤波器系统模型中的自相关曲线形状由步骤(4)得到。相干预滤波器得到码相位误差后，可以装入跟踪环路中完成码NCO控制量生成；相干预滤波器估计的码相位误差修正对应的公共误差，得到修正后的码相位误差，进而完成伪距测量。
(7)各个系统通过步骤(6)得到的码相位误差组装伪距。并通过得到的伪距进行导航解算，并且输出导航解算的结果。
如图1所示首先根据射频电路器件的数据手册，或者采用频谱分析仪实际测量的方式，确定射频前端电路中频滤波器n(n∈[0,N]，N为射频电路所有不同中频滤波器数量总和)的幅频特性
An(ω)＝|Gn(jω)| (1)
以及相频特性
θn(ω)＝argGn(jω) (2)
二者组成射频前端滤波器n的复数幅相特性：
Gn(jω)＝An(ω)*cos(θn(ω))+An(ω)*sin(θn(ω)) (3)
其中，ω为一系列离散的频率点[rad/s]，j为虚数单位，将该频域数据Gn(jω)送入matlab线性系统辨识模块中，则可通过软件模拟出射频前端中频滤波器n的线性传递函数
如图2所示，在得到射频前端中频滤波器n的传递函数之后，再生成通过该滤波器的GNSS伪随机码信号，由于该生成码尚未通过射频滤波器，因此称之为原始码；然后使生成卫星伪随机码通过该滤波器，得到滤波之后的码，称之为滤波码；然后用本地生成的GNSS伪随机码(本地码)与滤波码做相关，而且不断改变本地码相位，得到不同相位的本地码与滤波码之间的相关值，得到相关值之后做归一化并记录在在Scope 1中，记录相关值最大处的码相位误差为0；记录码相位误差为0时的本地码、原始码、滤波码在Scope2上，用来测量码相位公共误差。
如图3所示，Scope 1展示的是码相位误差与相关值之间的关系，由于射频前端的滤波效应，自相关曲线不再是理想的三角形，而且具有两个特性：非对称性和平滑性。因此采用三次样条差值的方法对其进行拟合，取码相位误差为[-1,1]范围及其对应的相关值，作为曲线拟合的输入，采用三次样条差值的方法，对实际的自相关曲线进行拟合。理想的三角形自相关曲线定义为R(δτ)，拟合后的实际曲线定义为Rf(δτ)，δτ为码相位误差[chip]。
如图4所示，Scope 2记录了原始码，滤波码，本地码的部分形态。其中此时本地码相位保证了本地码与滤波码之间的相关值最大。由此可以看出，由于射频前端带宽有限，即使本地码完全与滤波码同步，但是仍然与原始码存在恒定的偏移。通过Scope 2记录的结果，可以测量出对应的恒定偏移的大小。不同射频滤波器的公共误差并不相同，为了方便表达，将其统一记为δτcommon。
如图5所示，为码相位误差估计的结构。总体上采用相干预滤波器来提取相关值中包含的码相位误差信号。
其中，采用相干预滤波器来估计码相位误差。相干预滤波器采用卡尔曼滤波的形式，选择信号幅度A、码相位差δτ[chip]、载波相位差载波频率差δf[Hz]、载波频率一阶倒数作为状态变量，选择接收机内部超前、滞后、及时相关器的同相、正交支路相关值IE,QE,IP,QP,IL,QL作为观测量。
其状态量如下所示：
其中k为当前历元标号。
其观测量如下所示：
Zk＝[IE,k,QE,k,IP,k,QP,k,IL,k,QL,k]T；(5)
其状态模型如下式所示：
其中，Tcoh为对应通道内的相干积分时间[s]，β为对应通道处理的卫星信号码频率与载波频率的比值，Qk为系统状态噪声协方差矩阵。
其观测模型如下式所示：
其中，分别为观测量中的观测噪声协方差。
观测模型中用拟合得到的实际自相关曲线Rf(δτ)代替理想的自相关曲线R(δτ)。由于观测模型的非线性，因此采用扩展卡尔曼滤波器来进行滤波器更新。在相干预滤波器得到码相位误差估计值δτ之后，随即将其装入码跟踪环路，
相干预滤波器估计出码相位误差δτ，随后要按下式修正公共偏差，以得到更加精确的码相位误差估计值，以进一步参与伪距组装。
如图6所示，为GNSS信号码相位与发射时间组装的原理图。导航卫星信号的载波、伪码、电文三级调制的结构本身就标明了其发射时间，发射时间具体的组装公式可以由下式得到：
其中，ts代表信号发射时间[s]，N代表距离帧头的整周码计数；tchip代表码周期[s]；cp代表测量采样点点处的码相位[chip]，其取值范围为[0,PRN码码长)；代表码相位误差的估计值，单位为chip.
在得到导航卫星信号的发射时间之后，可以进一步得到对应的伪距测量值，伪距组装的公式由下式给出：
ηi＝c*(tr-ts,i) (11)
其中，ηi为第i颗卫星的伪距测量值[m]，tr为接收机的测量时刻[s]，根据接收机时钟得到，ts,i为第i颗卫星信号的发射时间[s],c为光速[m/s]。在伪距得到之后，接收机便可以结合对应卫星星历通过导航解算得到接收机的位置和速度。
Claims (1)
1.一种GNSS接收机码相位估计与补偿方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)运用频谱分析仪对第N个射频前端中频滤波器的幅频特性和相频特性进行测量并记录测量结果，射频中频滤波器的幅频特性和相频特性通过查阅对应的射频前端电路的数据手册得到；在计算机上通过线性系统系统辨识的的方式，得到近似的射频前端中频滤波器的传递函数
(2)用软件仿真的形式生成本地将要通过该射频滤波器的GNSS伪码信号，卫星号可以任意选择；完成后，让伪码信号通过传递函数为的滤波器，并且记录滤波之后的码和滤波之前的码在时域上的关系；称滤波之后的码为滤波码，滤波之前的码为原始码；
(3)本地再产生一份对应卫星的伪随机码并且与滤波码进行相关，以确定使相关值最大的本地码的相位，并且记录下来，以此得到原始码、滤波码、本地码在时域上的关系；通过测量本地码与原始码之间的码相位偏差，来得到公共误差；
(4)定义相关值最大处的码相位误差为0，再移动本地码相位与滤波码做相关，以此得到码相位误差在[-1,1]码片范围内的实际自相关值曲线的形状；每次移动码相位的值记为C[chip]，理论上来说C的值越小，则得到的自相关曲线也就越精确，通常C可以取0.001chip；在每一次计算自相关值之后，自相关值要作归一化处理，因此实际自相关曲线的最大值为1；
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