CN108196288A - 基于微惯性、芯片原子钟辅助北斗接收机的重定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于微惯性、芯片原子钟辅助北斗接收机的重定位方法。该方法具体为：芯片原子钟驯服后输出的脉冲被DSP读取；将芯片原子钟提供的电平信号接入到射频前端处理模块和基带信号数字处理模块，采用CSAC/INS提供的辅助信息，结合北斗卫星的历书或星历、本地时间，预判北斗卫星信号的频率范围；然后系统完成信号捕获并进入跟踪状态，通过星历读取卫星信号失锁时卫星的位置和速度，结合载体的位置和速度计算伪距，通过伪距和本地时间，计算出卫星信号的发射时间，并计算出位计数、字计数、子帧计数及Z计数；最后确定当前帧计数的准确性，并解调北斗卫星的导航电文，解算出当前用户的位置信息。本发明缩短了北斗卫星接收机的重定位时间、高效可靠。

Description

基于微惯性、芯片原子钟辅助北斗接收机的重定位方法

技术领域

本发明涉及定位导航授时微系统技术领域，特别是一种基于微惯性、芯片原子钟辅助北斗接收机的重定位方法。

背景技术

卫星导航系统因具有精度高、不存在长期漂移、可以全天候全时段工作、覆盖区域广、近实时输出导航数据、终端成本低廉等优点，无论是在军用还是民用领域，都获得了广泛和深入的应用。以卫星导航系统为核心，定位导航授时技术在统一的时空基准下，能够为各类用户提供精确的定位、导航、授时服务。

现有的各种导航系统，各有其优点和特色，但本身也存在不足之处。惯性导航系统自主性强，功能完备，但其误差随时间积累不断增大。微型惯性传感器与传统的惯性传感器相比，具有体积小、重量轻、成本低、功耗低、可靠性高和寿命长等优势，在车辆导航和控制、机器人、无人机导航、武器制导等领域有着广阔的应用前景。然而目前微型惯性传感器精度还比较低，导致其应用受到一定的限制。全球定位系统能够提供全时、全球、全天候的高精度的测速定位服务，但其存在自主性和可靠性差、易受干扰等问题，因而难以满足实时测量的要求。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于微惯性、芯片原子钟辅助北斗接收机的重定位方法，在北斗卫星接收机失锁时，能快速实现帧同步，缩短重定位时间。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于微惯性、芯片原子钟辅助北斗接收机的重定位方法，包括以下步骤：

步骤1、北斗接收机中芯片原子钟驯服后输出的1pps秒脉冲，经过中断的方式被DSP读取；将芯片原子钟提供的10MHz的HCMOS电平信号，接入到射频前端处理模块和基带信号数字处理模块提供频率，采用CSAC/INS提供的辅助信息，结合北斗卫星的历数或星历、本地时间信息实时预报下一个时刻的多普勒频移，预判北斗卫星信号的频率范围；

步骤2、北斗接收机进行信号捕获并进入跟踪状态，然后通过卫星的星历读取卫星信号失锁后当前卫星的位置和速度信息，结合INS输出的载体当前的位置和速度信息，计算载体的伪距，芯片原子钟读取本地时间，通过载体的伪距和本地时间信息，计算出卫星信号的发射时间，然后计算出位计数、字计数、子帧计数及Z计数，从而实现帧同步；

步骤3、确定当前帧计数的准确性，并解调北斗卫星的导航电文，解算出当前用户的位置信息。

本发明与现有技术相比，其显著优点是：(1)采用CSAC/INS提供的辅助信息，在北斗卫星接收机由于高动态、弱信号等情况下失锁时，能快速实现帧同步，缩短重定位时间；(2)将接收机与微型惯性测量单元、芯片原子钟结合，形成定位导航授时微系统，防止导航定位误差随时间积累而增大，并且提高了可靠性和抗干扰能力。

附图说明

图1是本发明基于微惯性、芯片原子钟辅助北斗接收机的重定位方法中捕获算法的示意图。

图2是本发明中的北斗卫星导航电文图。

图3是本发明中的北斗卫星信号发射时刻组成图。

图4是本发明中的基于微惯性、芯片原子钟辅助北斗接收机的重定位方法中帧同步算法的示意图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。

结合图1，本发明基于微惯性、芯片原子钟辅助北斗接收机的重定位方法，包括以下步骤：

步骤1、北斗接收机中芯片原子钟驯服后输出的1pps秒脉冲，经过中断的方式被DSP读取；将芯片原子钟提供的10MHz的HCMOS电平信号，接入到射频前端处理模块和基带信号数字处理模块提供频率，采用CSAC/INS提供的辅助信息，结合北斗卫星的历数或星历、本地时间信息实时预报下一个时刻的多普勒频移，预判北斗卫星信号的频率范围；

所述采用CSAC/INS提供的辅助信息，结合北斗卫星的历数或星历、本地时间信息实时预报下一个时刻的多普勒频移，预判北斗卫星信号的频率范围，在此范围内进行搜索，从而缩短接收机搜索捕获时间，具体如下：

(1.1)北斗卫星接收机采用温补型石英晶体振荡器作为时间、频率信息的基准，温补型石英晶体振荡器的基准频率信息存在误差，其准确度即频率偏差率F为：

其中，f_BD1是北斗卫星的中频频率，f是温补型石英晶体振荡器的实际工作频率；Δf＝f-f_BD1；温补型石英晶体振荡器的频率偏差率F范围为0.25ppm—200ppm；产生B1频率的温补型石英晶体振荡器，1ppm的频率偏差率会造成1561Hz的频率偏差。

芯片原子钟模块，提供1pps秒脉冲和10MHz晶振信号，驯服后独立提供1pps秒脉冲供给数据处理模块使用；

北斗射频配置：设置NDIV值为2491，RDIV值为16，北斗射频信号分频f₀'通过下式计算：

其中，f_CSAC表示芯片原子钟频率；

B1频点载波频率f_B1：f_B1＝1561.098MHz

BO频率f_LO：f_LO＝NDIV×f₀'＝2491f₀'

故中心频率f_bdcen为：f_bdcen＝1561.098MHz-2491f₀'＝4.223MHz

(1.2)获取当前北斗卫星的历书或者星历信息，结合北斗卫星接收机及芯片原子钟提供的当地时间，解算出第n颗北斗卫星在地心地固坐标下的位置信息根据微惯性系统测量出的数据实时解算得到载体当前时刻的经度λ、纬度L和高度h信息，经过坐标转化得到载体在地心地固坐标系下的位置信息(x_u,y_u,z_u)。

(1.3)结合北斗卫星与载体的位置坐标，得当前第n颗北斗卫星与载体的位置观测向量：

上式中[Δe,Δn,Δu]^T是载体坐标系下的卫星观测向量，[Δx,Δy,Δz]^T是ECEF坐标系下载体到卫星的观测向量。

(1.4)计算第n颗北斗卫星相对于载体的高度角θⁿ：

根据解算得到北斗卫星相对于载体的高度角，剔除不可见卫星，对剩余可见卫星进行伪码、频率的二维搜索。

(1.5)信号从北斗卫星传到北斗接收机的过程中，北斗卫星与载体产生的载波频率频移Δf_carrier为：

Δf_carrier＝f_dopp+Δf_{BD_rec}+Δf_s

其中，f_dopp是北斗卫星和载体之间的相对运动产生的多普勒频移，Δf_{BD_rec}为北斗接收机时钟频率漂移带来的频率误差，因本接收机采用的外秒驯服精度为5E-12，其漂移较小，Δf_{BD_rec}可以忽略不计；同样，Δf_s是北斗卫星时钟频率漂移带来的频率误差，其长期采用新能优良的原子钟，且设有地面校准装置，Δf_{BD_rec}和Δf_s忽略不计，所以载波频率偏移可以近似写成：

Δf_carrier＝f_dopp

(1.6)微惯性系统经过坐标系变换，输出载体的位置信息(x_u,y_u,z_u)和速度信息依据北斗卫星的星历或者历书信息，推算出当前第n颗北斗卫星在地心地固坐标系下位置信息得第n颗北斗卫星与当前载体之间在视线矢量上的相对速度

其中，为第n颗北斗卫星与当前载体之间在视距方向的单位方向矢量，r为第n颗北斗卫星与当前载体之间的几何距离。

(1.7)第n颗北斗卫星与当前载体两者相对运动产生的多普勒频移为：

其中，f_B1为北斗卫星B1波段的载波频率，取值为1561.098MHz，c为光在真空中的传播速度，取值为299792458.0m/s。

(1.8)第n颗北斗卫星信号的载波频率为：

其中，f_IF为经过射频模块处理后的中频数据，为北斗卫星接收机晶振漂移带来的频率误差估计值，因为本系统采用高精度的芯片原子钟代替传统的温补型晶振，外秒驯服精度为5E-12，的值较小可以忽略，因此第n颗北斗卫星信号的载波频率为：

北斗卫星接收机根据当前实时结算出的北斗卫星载波频率，可以不断调整本地复制信号的载波频率，并且可以根据当前北斗卫星载波频率与码速率之间的关系维持码相位的同步，缩小频率搜索区间，提升捕获北斗卫星的速度。

步骤2、北斗接收机进行信号捕获并进入跟踪状态，然后通过卫星的星历读取卫星信号失锁后当前卫星的位置和速度信息，结合INS输出的载体当前的位置和速度信息，计算载体的伪距，芯片原子钟读取本地时间，通过载体的伪距和本地时间信息，计算出卫星信号的发射时间，然后计算出位计数、字计数、子帧计数及Z计数，从而实现帧同步，具体如下：

(2.1)北斗卫星接收机进行卫星信号的捕获，然后将北斗卫星牵引进入跟踪状态；通过北斗卫星信号的位同步、帧同步得到导航电文及获取卫星发射时间的，并对导航电文进行解调，得到当前北斗卫星的位置、速度信息；当北斗卫星信号失锁时，在北斗卫星星历的有效时间内进行帧同步，完成北斗卫星接收机的重定位。

(2.2)在北斗卫星信号失锁时，北斗卫星与载体之间的伪距ρ_n为：

其中，(x_n,y_n,z_n)为北斗卫星在ECEF坐标系下的位置信息，(x_u,y_u,z_u)为当前载体在ECEF坐标系下的位置信息。

(2.3)结合图2，北斗卫星发射时间t^(s)为：

t^(s)＝[t-ρ_n/c]

其中，c为光速，取值为299792458.0m/s，t为从本地芯片原子钟获取的信号接收时刻信息。

(2.4)结合图3，信号的发射时刻计算公式为：

式中，SOW为周内秒计数，W为当前已接收到的帧内导航电文字计数，b为当前导航电文字内的比特位计数，d为码片的周期，CP为当前码相位测量值，CDP为当前的载波周期计数。

帧同步是将上一次解调出的导航电文字与本次解调出的导航电文字做对比分析完成的：如果上一次为字1，而本次为字2，则达到帧同步，并设置相关器中的20ms历元计数器，在软件上启动位计数、字计数、子帧计数及Z计数；达到帧同步后，即进入定位状态。

步骤3、结合图4，确定当前帧计数的准确性，并解调北斗卫星的导航电文，解算出当前用户的位置信息，具体如下：

(3.1)判断北斗卫星帧计数是否正确，若正确，进入稳定跟踪状态；若不正确，退出帧同步状态；

(3.2)定位解算：

其中

其中是北斗接收机位置的估计值，t_u是钟差，是钟差估计值，(Δx,Δy,Δz)为北斗接收机位置误差值，Δt_u为钟差误差值，为距离估计值，c为光速，(x_n,y_n,z_n)是卫星的位置信息；

Δρ₁＝a_x1Δx+a_y1Δy+a_z1Δz

Δρ₂＝a_x2Δx+a_y2Δy+a_z2Δz

Δρ₃＝a_x3Δx+a_y3Δy+a_z3Δz

Δρ₄＝a_x4Δx+a_y4Δy+a_z4Δz

其中

ρ_n为伪距值，为伪距估计值；

通过以上方程联立求解，得出当前载体的位置信息(x,y,z)。

综上所述，本发明将接收机与微型惯性测量单元、芯片原子钟结合，形成定位导航授时微系统，防止导航定位误差随时间积累而增大，并且提高了可靠性和抗干扰能力，为低成本、轻小型导航与制导系统提供了很好的解决方案，成为设计者的最佳选择，也是目前导航技术发展的主要方向之一。

Claims (4)

1.一种基于微惯性、芯片原子钟辅助北斗接收机的重定位方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、北斗接收机中芯片原子钟驯服后输出的1pps秒脉冲，经过中断的方式被DSP读取；将芯片原子钟提供的10MHz的HCMOS电平信号，接入到射频前端处理模块和基带信号数字处理模块提供频率，采用CSAC/INS提供的辅助信息，结合北斗卫星的历数或星历、本地时间信息实时预报下一个时刻的多普勒频移，预判北斗卫星信号的频率范围；

步骤2、北斗接收机进行信号捕获并进入跟踪状态，然后通过卫星的星历读取卫星信号失锁后当前卫星的位置和速度信息，结合INS输出的载体当前的位置和速度信息，计算载体的伪距，芯片原子钟读取本地时间，通过载体的伪距和本地时间信息，计算出卫星信号的发射时间，然后计算出位计数、字计数、子帧计数及Z计数，从而实现帧同步；

步骤3、确定当前帧计数的准确性，并解调北斗卫星的导航电文，解算出当前用户的位置信息。

2.根据权利要求1所述的基于微惯性、芯片原子钟辅助北斗接收机的重定位方法，其特征在于，步骤1中所述的采用CSAC/INS提供的辅助信息，结合北斗卫星的历数或星历、本地时间信息实时预报下一个时刻的多普勒频移，预判北斗卫星信号的频率范围，具体如下：

(1.1)北斗卫星接收机采用温补型石英晶体振荡器作为时间、频率信息的基准，温补型石英晶体振荡器的基准频率信息存在误差，其准确度即频率偏差率F为：

其中，f_BD1是北斗卫星的中频频率，f是温补型石英晶体振荡器的实际工作频率；Δf＝f-f_BD1；温补型石英晶体振荡器的频率偏差率F范围为0.25ppm—200ppm；产生B1频率的温补型石英晶体振荡器，1ppm的频率偏差率会造成1561Hz的频率偏差；

芯片原子钟模块，提供1pps秒脉冲和10MHz晶振信号，驯服后独立提供1pps秒脉冲供给数据处理模块使用；

北斗射频配置：设置NDIV值为2491，RDIV值为16，北斗射频信号分频f₀'通过下式计算：

其中，f_CSAC表示芯片原子钟频率；

B1频点载波频率f_B1：f_B1＝1561.098MHz

BO频率f_LO：f_LO＝NDIV×f₀'＝2491f₀'

故中心频率f_bdcen为：f_bdcen＝1561.098MHz-2491f₀'＝4.223MHz

(1.2)获取当前北斗卫星的历书或者星历信息，结合北斗卫星接收机及芯片原子钟提供的当地时间，解算出第n颗北斗卫星在地心地固坐标下的位置信息(x_s ⁿ,y_s ⁿ,z_s ⁿ)，根据微惯性系统测量出的数据实时解算得到载体当前时刻的经度λ、纬度L和高度h信息，经过坐标转化得到载体在地心地固坐标系下的位置信息(x_u,y_u,z_u)；

(1.3)结合北斗卫星与载体的位置坐标，得当前第n颗北斗卫星与载体的位置观测向量：

上式中[Δe,Δn,Δu]^T是载体坐标系下的卫星观测向量，[Δx,Δy,Δz]^T是ECEF坐标系下载体到卫星的观测向量；

(1.4)计算第n颗北斗卫星相对于载体的高度角θⁿ：

根据解算得到北斗卫星相对于载体的高度角，剔除不可见卫星，对剩余可见卫星进行伪码、频率的二维搜索；

(1.5)信号从北斗卫星传到北斗接收机的过程中，北斗卫星与载体产生的载波频率频移Δf_carrier为：

Δf_carrier＝f_dopp+Δf_{BD_rec}+Δf_s

其中，f_dopp是北斗卫星和载体之间的相对运动产生的多普勒频移，Δf_{BD_rec}为北斗接收机时钟频率漂移带来的频率误差，Δf_s是北斗卫星时钟频率漂移带来的频率误差，Δf_{BD_rec}和Δf_s忽略不计，载波频率偏移近似写成：

Δf_carrier＝f_dopp

(1.6)微惯性系统经过坐标系变换，输出载体的位置信息(x_u,y_u,z_u)和速度信息依据北斗卫星的星历或者历书信息，推算出当前第n颗北斗卫星在地心地固坐标系下位置信息得第n颗北斗卫星与当前载体之间在视线矢量上的相对速度

其中，为第n颗北斗卫星与当前载体之间在视距方向的单位方向矢量，r为第n颗北斗卫星与当前载体之间的几何距离；

(1.7)第n颗北斗卫星与当前载体两者相对运动产生的多普勒频移为：

其中，f_B1为北斗卫星B1波段的载波频率，取值为1561.098MHz，c为光在真空中的传播速度，取值为299792458.0m/s；

(1.8)第n颗北斗卫星信号的载波频率为：

其中，f_IF为经过射频模块处理后的中频数据，为北斗卫星接收机晶振漂移带来的频率误差估计值，的值忽略；因此第n颗北斗卫星信号的载波频率为：

北斗卫星接收机根据当前实时解算出的北斗卫星载波频率，不断调整本地复制信号的载波频率，并且根据当前北斗卫星载波频率与码速率之间的关系维持码相位的同步。

3.根据权利要求1所述的基于微惯性、芯片原子钟辅助北斗接收机的重定位方法，其特征在于，步骤2中所述的北斗接收机进行信号捕获并进入跟踪状态，然后通过卫星的星历读取卫星信号失锁后当前卫星的位置和速度信息，结合INS输出的载体当前的位置和速度信息，计算载体的伪距，芯片原子钟读取本地时间，通过载体的伪距和本地时间信息，计算出卫星信号的发射时间，然后计算出位计数、字计数、子帧计数及Z计数，从而实现帧同步，具体如下：

(2.1)北斗卫星接收机进行卫星信号的捕获，然后将北斗卫星牵引进入跟踪状态；通过北斗卫星信号的位同步、帧同步得到导航电文及获取卫星发射时间的，并对导航电文进行解调，得到当前北斗卫星的位置、速度信息；当北斗卫星信号失锁时，在北斗卫星星历的有效时间内进行帧同步，完成北斗卫星接收机的重定位；

(2.2)在北斗卫星信号失锁时，北斗卫星与载体之间的伪距ρ_n为：

其中，(x_n,y_n,z_n)为北斗卫星在ECEF坐标系下的位置信息，(x_u,y_u,z_u)为当前载体在ECEF坐标系下的位置信息；

(2.3)北斗卫星发射时间t^(s)为：

t^(s)＝[t-ρ_n/c]

其中，c为光速，取值为299792458.0m/s，t为从本地芯片原子钟获取的信号接收时刻信息；

(2.4)信号的发射时刻计算公式为：

式中，SOW为周内秒计数，W为当前已接收到的帧内导航电文字计数，b为当前导航电文字内的比特位计数，d为码片的周期，CP为当前码相位测量值，CDP为当前的载波周期计数；

帧同步是将上一次解调出的导航电文字与本次解调出的导航电文字做对比分析完成的：如果上一次为字1，而本次为字2，则达到帧同步，并设置相关器中的20ms历元计数器，在软件上启动位计数、字计数、子帧计数及Z计数；达到帧同步后，即进入定位状态。

4.根据权利要求1所述的基于微惯性、芯片原子钟辅助北斗接收机的重定位方法，其特征在于，步骤3中所述确定当前帧计数的准确性，并解调北斗卫星的导航电文，解算出当前用户的位置信息，具体如下：

(3.1)判断北斗卫星帧计数是否正确，若正确，进入稳定跟踪状态；若不正确，退出帧同步状态；

(3.2)定位解算：

其中

其中是北斗接收机位置的估计值，t_u是钟差，是钟差估计值，(Δx,Δy,Δz)为北斗接收机位置误差值，Δt_u为钟差误差值，为距离估计值，c为光速，(x_n,y_n,z_n)是卫星的位置信息；

Δρ₁＝a_x1Δx+a_y1Δy+a_z1Δz

Δρ₂＝a_x2Δx+a_y2Δy+a_z2Δz

Δρ₃＝a_x3Δx+a_y3Δy+a_z3Δz

Δρ₄＝a_x4Δx+a_y4Δy+a_z4Δz

其中

ρ_n为伪距值，为伪距估计值；

通过以上方程联立求解，得出当前载体的位置信息(x,y,z)。