CN108415042B - 改善gnss接收机载波相位连续性的相位预测方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了改善GNSS接收机载波相位连续性的相位预测方法及系统，该方法包括：S100根据GNSS接收机的载波相位与多普勒的关系，构建载波相位预测模型；S200根据卫星和GNSS接收机的位置和速度信息，解算正常跟踪通道的卫星相对GNSS接收机的运动多普勒值；S300解算开环跟踪通道的多普勒预测值；S400利用载波相位预测模型，对开环跟踪通道的多普勒预测值进行积分，获得开环跟踪通道的载波相位估计值。本发明可以解决GNSS接收机在部分卫星短时遮挡情况下的载波相位不连续问题，从而达到改善GNSS接收机载波相位连续性、提高定位精度的目的。

Description

改善GNSS接收机载波相位连续性的相位预测方法及系统

技术领域

本发明属于GNSS接收机技术领域，尤其涉及改善GNSS接收机载波相位连续性的相位预测方法及系统。

背景技术

全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System，GNSS)泛指可以全天候、连续地向用户提供位置、速度、时间(Position Velocity and Time，PVT)信息的覆盖全球的卫星系统及其增强系统。自问世以来，GNSS已充分显示了其在导航与定位领域中的霸主地位，在军事和民用的许多领域由于GNSS的出现发生了革命性变化。GNSS接收机通过接收卫星信号，得到各卫星的观测量信息，再利用定位导航算法得到用户接收机的时间和空间信息。随着GNSS应用范围的不断扩大，其应用场景也变得复杂多样，普通接收机技术已无法满足日益苛刻的应用需求。

传统GNSS接收机基于伪距观测量进行定位，单点定位精度在10m左右，基于伪距差分技术的定位精度在1m左右；为了满足高精度定位场景(厘米级定位精度)的应用需求，基于载波相位观测量的精密单点定位(Precise Point Positioning，PPP)和实时动态(Real-time Kinematic，RTK)载波相位差分技术被提出并得到快速发展。在提供高精度定位结果的同时，载波相位观测量相比伪距、多普勒更加脆弱，在GNSS信号受到干扰、遮挡等影响时极易导致载波环失锁，使载波相位发生周跳，而载波相位不连续需要RTK、PPP重新固定模糊度，严重影响高精度定位的连续性，尤其是PPP。因此，提高载波相位观测量的连续性对RTK、PPP技术的推广使用具有重要价值。

目前，国内外的学者们已经分别从观测值层面和信号处理层面采用不同的方法应对载波相位周跳的影响。观测值层面上，提出了例如相位减伪距与电离层残差组合方法和基于贝叶斯概率统计的周跳探测与修复方法，这类方法能对双频系统中小采样间隔数据的周跳做出准确的探测以及修复，但对于采样间隔大的数据不能准确探测，而且在单频系统中无法使用。另外有学者提出了基于小波变换的周跳探测方法，并建立了基于经验模式分解与径向神经网络的组合预测模型的方法对周跳进行修复，这种方法解决了单频载波相位数据一周以上周跳的准确探测和修复，但对于更小的周跳则无能为力。在基带信号处理层面上，Calgary大学学者提出了在卫星信号遭遇短暂失锁时利用载波相位预测来保证载波相位连续性的方法，能实现在卫星失锁的5s～8s内，失锁通道仍保持对载波相位的开环跟踪，使载波相位误差不至于影响周整模糊度的固定，然而，现有的相位预测方法主要基于卫星与接收机的动态来对预测多普勒，没有充分考虑接收机晶振钟漂对多普勒的影响。

相位预测方法能从根源上解决卫星失锁对载波相位连续性的影响，为提高载波相位连续性提供了很好的思路。如果进一步延长载波相位预测时间，将对复杂环境下的GNSS精密定位具有重要意义。

发明内容

本发明的目的是提供改善GNSS接收机载波相位连续性的相位预测方法及系统，该方法即系统可提升GNSS接收机在遮挡、干扰等复杂环境下的连续性高精度定位效果。

本发明提供的改善GNSS接收机载波相位连续性的相位预测方法，包括：

S100根据GNSS接收机的载波相位与多普勒的关系，构建载波相位预测模型，其中，接收机可预测的多普勒包括卫星相对GNSS接收机运动引起的多普勒以及GNSS接收机晶振钟漂引起的多普勒，分别记为运动多普勒和接收机晶振钟漂多普勒；

S200根据卫星和GNSS接收机的位置和速度信息，解算各通道卫星相对GNSS接收机的运动多普勒值；

S300解算开环跟踪通道的多普勒预测值，本步骤进一步包括：

S310将正常跟踪通道环路估计的多普勒测量值减去运动多普勒值，获得正常跟踪通道的晶振钟漂多普勒值；

S320从各正常跟踪通道的晶振钟漂多普勒值分离出偏置项和抖动项，其中，偏置项为对所有正常跟踪通道的晶振钟漂多普勒值进行100～300个历元的滑动平均得到，晶振钟漂多普勒值减去偏置项即抖动项；

S330解算开环跟踪通道的多普勒值预测值，所述开环跟踪通道的多普勒值预测值为开环跟踪通道的运动多普勒值和晶振钟漂多普勒值之和，其中，开环跟踪通道的运动多普勒值根据卫星和GNSS接收机的位置和速度信息解算获得；开环跟踪通道的晶振钟漂多普勒值的偏置项初始值采用开环跟踪通道失锁前保存的偏置项，并以各正常跟踪通道的晶振钟漂多普勒的偏置项在相邻历元间变化量的平均值作为开环跟踪通道在各历元偏置项的变化量；开环跟踪通道的晶振钟漂多普勒值的抖动项为当前其他正常跟踪通道的抖动项的平均值；

S400利用载波相位预测模型，对开环跟踪通道的多普勒预测值进行积分，获得开环跟踪通道的载波相位估计值。

进一步的，所构建的载波相位预测模型为

其中，f_predict表示开环跟踪通道的多普勒预测值；f_move表示运动多普勒值；f_{clk_drift}表示晶振钟漂多普勒；

和

分别表示GNSS接收机历元k+1和k下的载波相位；t表示时刻，t_k和t_k+1分别表示历元k+1和k对应的时刻；

表示载波相位的初始估计误差。

进一步的，所述卫星和GNSS接收机的位置和速度信息由GNSS接收机内置的导航解算模块产生；或者，所述GNSS接收机的位置和速度信息由GNSS接收机自带的外部动态信息辅助模块产生。

进一步的，当所述GNSS接收机不带外部动态信息辅助模块时，GNSS接收机内置的导航解算模块根据至少4颗正常跟踪卫星的数据，解算出卫星和GNSS接收机的位置和速度信息。

进一步的，当所述GNSS接收机带外部动态信息辅助模块时，若用于正常跟踪的卫星数少于4，利用外部动态信息辅助模块解算出GNSS接收机的位置和速度信息；若用于正常跟踪的卫星数不少于4，利用外部动态信息辅助模块和GNSS接收机内置的导航解算模块组合解算出GNSS接收机的位置和速度信息。

进一步的，所述开环跟踪通道的运动多普勒值由GNSS接收机运动引起的多普勒值和卫星运动引起的多普勒值组成，其中，非整秒时刻所需要的卫星运动引起的多普勒值通过对整秒的卫星运动多普勒值进行等加速度外推得到，这里卫星运动多普勒值指卫星运动引起的多普勒值。

进一步的，步骤S400具体为：

当GNSS接收机检测到卫星通道的载波环鉴相器误差大于预设的鉴相器误差阈值时，则判断该卫星通道失锁，找到该卫星通道失锁前载波环鉴相器误差小于预设值的一历元，记为历元B；

从历元B开始，采用步骤S300方法解算该卫星通道各历元的多普勒预测值，直至当前历元；

从当前历元开始，使用多普勒预测值更新该失锁的卫星通道的载波环NCO的频率控制字。

步骤S400中，通过该失锁的卫星通道的载波环鉴相器误差以及卫星信号载噪比判断是否切换到闭合跟踪。

本发明提供的改善GNSS接收机载波相位连续性的相位预测系统，包括：

载波相位预测模型构建模块，用来根据GNSS接收机的载波相位与多普勒的关系，构建载波相位预测模型，其中，接收机可预测的多普勒包括卫星相对GNSS接收机运动引起的多普勒以及GNSS接收机晶振钟漂引起的多普勒，分别记为运动多普勒和晶振钟漂多普勒；

运动多普勒值解算模块，用来根据卫星和GNSS接收机的位置和速度信息，解算各通道卫星相对GNSS接收机的运动多普勒值；

第一多普勒预测值解算模块，用来解算开环跟踪通道的多普勒预测值；

所述多普勒预测值解算模块进一步包括：

晶振钟漂多普勒值获得模块，用来将正常跟踪通道环路估计的多普勒测量值减去运动多普勒值，得正常跟踪通道的晶振钟漂多普勒值；

晶振钟漂多普勒值分解模块，用来从正常跟踪通道的晶振钟漂多普勒值分离出偏置项和抖动项，其中，偏置项为对所有正常跟踪通道的晶振钟漂多普勒值进行100～300个历元的滑动平均得到，晶振钟漂多普勒值减去偏置项即抖动项；

第二多普勒值预测值解算模块，用来解算开环跟踪通道的多普勒值预测值，所述开环跟踪通道的多普勒值预测值为开环跟踪通道的运动多普勒值和晶振钟漂多普勒值之和，其中，开环跟踪通道的运动多普勒值根据卫星和GNSS接收机的位置和速度信息解算获得；开环跟踪通道的晶振钟漂多普勒值的偏置项初始值采用开环跟踪通道失锁前保存的偏置项，并以各正常跟踪通道的晶振钟漂多普勒的偏置项在相邻历元间变化量的平均值作为开环跟踪通道在各历元偏置项的变化量；开环跟踪通道的晶振钟漂多普勒值的抖动项为当前其他正常跟踪通道的抖动项的平均值；

载波相位预测模块，用来利用载波相位预测模型，对开环跟踪通道的多普勒预测值进行积分，获得开环跟踪通道的载波相位估计值。

和现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：

本发明改善GNSS接收机载波相位连续性的相位预测方法，可用于当卫星信号因受遮挡、干扰导致GNSS接收机载波环进入短暂失锁时，对失锁卫星的载波相位进行开环预测，尽可能保证失锁卫星的载波相位在开环期间，载波相位误差足够小，以至于接收机不需要对其重新固定模糊度，进而达到改善载波相位连续性、提高定位精度的目的。

附图说明

图1为本发明载波相位预测原理示意图；

图2为实施例中各正常跟踪通道的GNSS接收机晶振钟漂引起的多普勒随时间变化的示意图，图中，PRN5、PRN6、PRN13、PRN20、PRN25分别代表编号为5、6、13、20、25的卫星；

图3为实施例中各正常跟踪通道间GNSS接收机晶振钟漂引起的多普勒差异项随时间变化的示意图，图中，PRN6-PRN5代表编号为6和5的卫星通道间的多普勒差异项，PRN13-PRN5代表编号为13和5的卫星通道间的多普勒差异项，PRN20-PRN5代表编号为20和5的卫星通道间的多普勒差异项，PRN25-PRN5代表编号为25和5的卫星通道间的多普勒差异项；

图4为实施例中各正常跟踪通道的GNSS接收机晶振钟漂估计多普勒的偏置项；

图5为实施例中各正常跟踪通道的GNSS接收机晶振钟漂估计多普勒的抖动项；

图6为实施例中载波环的载波相位预测过程示意图；

图7为开环跟踪时载波相位误差随时间发散的示意图；

图8为无外部辅助情况下开环跟踪时相位误差的累积密度函数；

图9为有外部辅助情况下开环跟踪时相位误差的累积密度函数。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明和/或现有技术中的技术方案，下面将对照附图说明本发明的具体实施方式。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，并获得其他的实施方式。

下面以GNSS接收机静态场景下的开环载波相位预测为例，结合附图详细说明本发明，附图和具体实施方式对于本发明是示例性的，并不是限制本发明。

本实施例的具体包括：

(1)构建GNSS接收机的载波相位预测模型。

GNSS接收机对观测量信息的获取完全依赖于跟踪环对卫星信号的紧密跟踪，当卫星信号受到一段时间的环境遮挡时，锁相环经历失锁和重捕后，输出的载波相位在失锁前后不再连续，精密定位需要重新固定周整模糊度。真实环境中，GNSS信号短时间(一般10s内)遮挡最为频繁，因此，可以在信号遮挡时对通道卫星的多普勒进行估计，获得多普勒预测值，并由公式(1)对多普勒积分得到GNSS接收机的载波相位预测值：

式(1)中：

和

分别表示历元k+1和k下的载波相位；

f表示通道卫星的多普勒预测值；

表示载波相位的初始估计误差；

t表示时刻，t_k和t_k+1分别表示历元k+1和k对应的时刻。

根据公式(1)可获得GNSS接收机的载波相位和多普勒的关系，从而构建载波相位预测模型，本发明中多普勒主要从两个方面进行预测，即卫星与GNSS接收机的相对运动引起的多普勒以及GNSS接收机晶振钟漂引起的多普勒，分别记为运动多普勒和接收机晶振钟漂多普勒。

因此，本发明所构建的GNSS接收机的载波相位预测模型见式(2)：

式(2)中：

f_predict表示开环跟踪通道得到的多普勒预测值；

f_move表示卫星与GNSS接收机的相对运动引起的运动多普勒，可根据卫星和GNSS接收机的位置速度信息计算；

f_{clk_drift}表示从正常跟踪的信号通道中分离出的GNSS接收机晶振钟漂引起的接收机晶振钟漂多普勒。

(2)求解多普勒预测值。

一般，多普勒主要由四部分组成：①卫星与GNSS接收机间的相对运动引起的多普勒；②卫星和GNSS接收机的晶振钟漂引起的多普勒；③传播路径延迟变化率引起的多普勒；④噪声引起的多普勒。其中，传播路径延迟变化率以及噪声引起的多普勒误差，在载波相位预测时引起的误差较小且很难预测，可以忽略，本发明多普勒仅考虑卫星与GNSS接收机的相对运动引起的运动多普勒以及GNSS接收机晶振钟漂引起的接收机晶振钟漂多普勒。

卫星与GNSS接收机的相对运动引起的运动多普勒的估计公式见式(3)：

式(3)中：

f_d表示运动多普勒值；

p和v分别表示GNSS接收机的位置和速度；

pⁱ和vⁱ分别表示第i颗卫星的位置和速度；

λ表示卫星信号载波的波长；

d表示GNSS接收机晶振钟漂；

c表示光速。

本具体实施方式中，位置和速度的单位分别为：m和m/s，卫星信号载波波长的单位为m，晶振钟漂的单位为s/s，光速的单位为m/s。

卫星和GNSS接收机的位置和速度可由GNSS接收机内置的导航解算模块产生，根据卫星和GNSS接收机的位置和速度可获得各正常跟踪通道的卫星相对GNSS接收机的运动多普勒；若GNSS接收机具外部动态信息辅助模块(如基于IMU的惯导辅助)，则GNSS接收机的位置和速度可由外部动态信息辅助模块产生。

本发明载波相位预测原理见图1所示，根据卫星和GNSS接收机的位置、速度信息计算卫星和GNSS接收机相对运动引起的多普勒f_move。无外部辅助时，需要至少4颗可见卫星计算GNSS接收机的位置和速度；有外部辅助时，当可见卫星数小于4时，使用外部辅助模块提供的位置和速度信息计算f_move；当可见卫星数大于等于4时，使用GNSS和外部辅助信息的组合解算结果得到f_move。

晶振钟漂引起的多普勒由卫星的晶振钟漂引起的多普勒和GNSS接收机的晶振钟漂引起的多普勒两部分组成。卫星晶振钟漂很小，短时间内可以忽略。由于GNSS接收机的晶振钟漂对每个卫星信号通道的多普勒影响理论上是一致的，可以从正常跟踪通道的信号中分离出GNSS接收机晶振钟漂引起的多普勒f_{clk_drift}，进而辅助到需要进行开环跟踪的信号通道。图1中，f_pll表示由各正常跟踪的载波环通道得到的多普勒测量值，f_predict表示开环跟踪通道得到的多普勒预测值。

为了得到开环跟踪通道的多普勒预测值f_predict，需要精确求解f_move和f_{clk_drift}。f_move由GNSS接收机运动引起的多普勒f_{user_move}和卫星运动引起的多普勒f_{sat_move}两个部分组成，可表示为：

f_move＝f_{sat_move}+f_{user_move} (4)

式(4)中，f_{user_move}可根据卫星和GNSS接收机的位置、速度信息计算。

GNSS接收机计算卫星和用户的位置和速度的更新率通常为1Hz，而基带载波环的更新率一般较高，因此将f_move反馈到载波环时需要考虑更新速率匹配的问题。由于卫星与用户的距离非常远，则1s内卫星与GNSS接收机的视线角度变化可以忽略不计，因此主要是要得到高速率的卫星和GNSS接收机的速度。通过提高GNSS接收机测速更新率或者外部辅助(例如惯导)来得到高速率的f_{user_move}，而高速率的f_{sat_move}可以对整秒的卫星运动多普勒进行等加速度外推得到，即：

f_{sat_move}＝f_{sat_move1}+Δf_{sat_move}/R_{loop_update} (5)

式(5)中：

f_{sat_move1}表示整秒时计算的卫星运动引起的多普勒；

Δf_{sat_move}是1s内前后两次历元卫星运动多普勒的变化量；

R_{loop_update}表示载波环路的更新率。

正常跟踪通道的多普勒测量值f_pll减去f_move，即得到各可见卫星通道估计的接收机晶振钟漂引起的多普勒f_{clk_drift}，见图2。一个正常跟踪通道的f_{clk_drift}与其他正常跟踪通道做差，可得到正常跟踪通道间晶振钟漂估计的差异，见图3。从图3可以看出，各正常跟踪通道的f_{clk_drift}估计差异在±0.1Hz左右，这种差异性一方面是由各卫星的运动速度计算误差引起，另一方面是各卫星信号在不同的传播路径上受到的电离层和对流层的影响导致的。如果将这种存在通道间差异性的f_{clk_drift}直接辅助到开环跟踪通道，将导致载波相位误差在短时间内快速发散，因此需要对各正常跟踪通道的f_{clk_drift}做进一步分析和处理。

从图2可以观察到，虽然各正常跟踪通道的f_{clk_drift}在直流偏置上具有一定差异，但是在随时间变化的波动趋势上具有很强的一致性。为此，可以从各正常跟踪通道的原始f_{clk_drift}中分离出缓慢变化的偏置项和快速变化的抖动项，分别记为f_{clk_bias}和f_{clk_jitter}。其中，偏置项f_{clk_bias}是对原始f_{clk_drift}进行200个历元(历元间隔为10ms)滑动平均得到，f_{clk_jitter}则为：

f_{clk_jitter}＝f_{clk_drift}-f_{clk_bias} (6)

本具体实施方式中，对2s内(即200个历元)的原始f_{clk_drift}进行滑动平均获得偏置项。具体实施时，进行滑动平均的时间段的选取取决于晶振钟漂的变化规律，在所选取的时间段内晶振钟漂的变化量应可忽略不计。一般来说，进行滑动平均的时间段为1s～3s即可。

见图4～5所示，各正常跟踪通道f_{clk_bias}具有较大差异性，但变化较为平缓；而各通道f_{clk_jitter}具有极好的变化一致性，但变化快速且无规律。基于两者的这些特性，开环跟踪通道在对f_{clk_drift}进行开环估计时，f_{clk_bias}部分可以使用正常跟踪通道开环之前保存的结果，记为f_{clk_bias_init}。而f_{clk_jitter}部分由其余正常跟踪通道取平均值进行实时辅助，记为

然而，虽然图4中f_{clk_bias}变化较为平缓，但如果开环跟踪一直保持失锁前的值不变，也会引入相位预测误差，制约相位预测的时间长度。由于图4中各正常跟踪通道的f_{clk_bias}变化趋势非常相似，因此在开环过程中，将正常跟踪通道的f_{clk_bias}在相邻历元间变化量的均值

辅助到开环跟踪通道的f_{clk_bias}中，从而确保开环跟踪通道的f_{clk_drift}估计精度。因此，最终开环跟踪通道的晶振钟漂引起的多普勒f_{clk_drift}的表达式如下：

(3)载波相位估计。

载波环中，载波相位的获取是一个相位累加的过程，由式(1)可知，预测载波相位的精度不仅取决于预测多普勒的精度，还取决于载波相位的初始估计误差

这意味着，假如载波环宣告某颗卫星通道进入失锁状态，是否进入失锁状态一般根据载波环的鉴相器误差是否超过阈值来判定，此时再对该通道使用预测的载波相位进行开环跟踪，将引入很大的相位初始估计误差，开环跟踪会很快进入失锁。因此，为了延长开环跟踪的时间，减小开环跟踪的相位估计误差，相位预测的工作需要在失锁的前一段时间就开始启动。本发明中，初始估计误差

通过载波环(即锁相环)的鉴相器确定，鉴相器的输出即GNSS接收机对载波相位的跟踪误差，也即初始估计误差。为保证估计的载波相位的准确性，初始估计误差应越小越好，因此通过判断鉴相器输出的跟踪误差是否小于一定阈值，来决定开始进行开环估计的时刻。

本实施例中，载波相位预测过程原理见图6所示，在所有通道正常跟踪阶段，在GNSS接收机中使用一段固定长度缓存区连续存储每个通道进行多普勒预测需要的中间量，即f_move和f_pll，以及载波环的鉴相器输出误差。缓存区的长度可根据情况而设置，需要保证在这段缓存区中能够找到环路稳定跟踪的历元时刻，此处缓存区时间长度设置为5s。一旦GNSS接收机检测到某一通道的载波环鉴相器误差大于设置的鉴相器误差阈值时，本实施例中鉴相器误差阈值设置为60°时，将该历元时刻记为A，则在缓存区中找到历元A之前的某一个历元B对应的各通道存储值，并保证历元B时刻，失锁卫星通道的初始相位误差足够的小，例如误差小于10°。然后，从历元B开始，按照上述第(2)部分记载的多普勒预测方法预测历元B之后每个历元的多普勒预测值，直至当前历元A。接着，从历元A开始，使用多普勒值预测值更新失锁通道的载波环NCO的频率控制字，而不再使用载波环鉴相器的相位误差反馈修正NCO。同时，在失锁通道进行开环跟踪时，通过载波环鉴相器输出误差以及卫星信号载噪比来判断是否将跟踪模式切换到闭环跟踪。

(4)实验测试验证。

采用Spirent记录回放仪GSS6425采集实验室楼顶开阔天空下静态天线的GPS L1频点数据，然后在软件接收机平台测试验证相位预测方法。为了验证GNSS信号失锁时相位预测效果，人为设定卫星通道的开环。一方面，采用人为设定卫星通道开环方式，可以以输入信号的真实相位为参考，评估开环预测载波相位的误差。人为设定开环方式时，卫星信号仍然可以进入跟踪环，并与本地NCO输出信号一起送入鉴相器，检测NCO输出信号的相位误差，但是不会用相位误差反馈修正NCO。另一方面，采用人为设定卫星通道开环可以方便灵活地设定开环的卫星通道、开环的时刻、每次开环的时长、开环的次数，为定量验证相位预测精度随时间发散程度创造了条件，也便于增加样本数量减小实验结果的随机影响。由于载波相位误差不超过1/4周时，不需要对周整模糊度进行重新固定，因此，1/4周误差被作为评估载波相位误差发散水平的重要指标。在测试实验中，对全程能正常跟踪的6颗卫星中的其中一颗卫星进行开环测试，其余5颗卫星用于开环通道的相位预测，测试通道在开环与闭环之间循环切换，共设置了100个开环过程。

图7给出了开环测试通道在每次开环过程载波相位误差随开环时间的变化情况。从图中可以看出，开环跟踪过程中，载波相位误差开始随时间发散，发散的速度取决于相位预测的精确度。结果表明，多数开环过程都能在15s内保证相位误差不超过1/4周，这对于部分卫星遮挡情形，接收机在环路失锁过程中保持载波相位连续具有重要意义。

为了充分评估相位预测性能，图8和图9给出了不同开环跟踪时间下载波相位误差的累积密度函数(CDFs)。图8是没有外部辅助信息情况下的测试结果，附图9是在外部信息辅助条件下的测试结果。两者的区别在于，当有外部辅助条件时，例如基于IMU的惯导辅助，接收机可以从辅助条件中判断用户是否处于静止状态，而当确定接收机处于静止状态时，公式(3)中的f_{user_move}等于0，进而消除了定位与测速误差对相位预测精度的影响；反之，当无外部辅助时，接收机需要对本地接收机的速度和位置进行估计，其估计误差必将影响相位预测的效果。图中每条曲线表示不同的开环时间，横轴表示在开环时间内的最大相位误差，纵轴表示开环相位误差不超过横轴坐标的比例。从图中可以看到，当无外部辅助时，90％以上的测试结果在15s内能保证相位误差不超过1/4周；有外部辅助时，90％以上的测试结果在30s内能保证相位误差不超过1/4周，外部辅助的引入将相位预测效果提升了近1倍。对比现有的相位预测方法，同样在静态测试条件下，40％的测试结果在8s的开环时间内相位误差不大于1/4周。相比之下，本发明提出的载波相位预测方法在开环跟踪效果上有了大幅的提升。

上述实施例所述是用以具体说明本发明，文中虽通过特定的术语进行说明，但不能以此限定本发明的保护范围，熟悉此技术领域的人士可在了解本发明的精神与原则后对其进行变更或修改而达到等效目的，而此等效变更和修改，皆应涵盖于权利要求范围所界定范畴内。

Claims (9)

1.改善GNSS接收机载波相位连续性的相位预测方法，其特征是，包括：

S100根据GNSS接收机的载波相位与多普勒的关系，构建载波相位预测模型，其中，接收机可预测的多普勒包括卫星相对GNSS接收机运动引起的多普勒以及GNSS接收机晶振钟漂引起的多普勒，分别记为运动多普勒和接收机晶振钟漂多普勒；S200根据卫星和GNSS接收机的位置和速度信息，解算各通道卫星相对GNSS接收机的运动多普勒值；

S300解算开环跟踪通道的多普勒预测值，本步骤进一步包括：

S310将正常跟踪通道环路估计的多普勒测量值减去运动多普勒值，获得正常跟踪通道的接收机晶振钟漂多普勒值；

S320从各正常跟踪通道的晶振钟漂多普勒值分离出偏置项和抖动项，其中，偏置项为对所有正常跟踪通道的晶振钟漂多普勒值进行100～300个历元的滑动平均得到，晶振钟漂多普勒值减去偏置项即抖动项；

S330解算开环跟踪通道的多普勒值预测值，所述开环跟踪通道的多普勒值预测值为开环跟踪通道的运动多普勒值和晶振钟漂多普勒值之和，其中，开环跟踪通道的运动多普勒值根据卫星和GNSS接收机的位置和速度信息解算获得；开环跟踪通道的晶振钟漂多普勒值的偏置项初始值采用开环跟踪通道失锁前保存的偏置项，并以各正常跟踪通道的晶振钟漂多普勒的偏置项在相邻历元间变化量的平均值作为开环跟踪通道在各历元偏置项的变化量；开环跟踪通道的晶振钟漂多普勒值的抖动项为当前其他正常跟踪通道的抖动项的平均值；

S400利用载波相位预测模型，对开环跟踪通道的多普勒预测值进行积分，获得开环跟踪通道的载波相位估计值。

2.如权利要求1所述的改善GNSS接收机载波相位连续性的相位预测方法，其特征是：

所构建的载波相位预测模型为

其中，f_predict表示开环跟踪通道的多普勒预测值；f_move表示运动多普勒值；f_{clk_drift}表示晶振钟漂多普勒；

和

分别表示GNSS接收机历元k+1和k下的载波相位；t表示时刻，t_k和t_k+1分别表示历元k+1和k对应的时刻；

表示载波相位的初始估计误差。

3.如权利要求1所述的改善GNSS接收机载波相位连续性的相位预测方法，其特征是：

所述卫星和GNSS接收机的位置和速度信息由GNSS接收机内置的导航解算模块产生；或者，所述GNSS接收机的位置和速度信息由GNSS接收机自带的外部动态信息辅助模块产生。

4.如权利要求1所述的改善GNSS接收机载波相位连续性的相位预测方法，其特征是：

当所述GNSS接收机不带外部动态信息辅助模块时，GNSS接收机内置的导航解算模块根据至少4颗正常跟踪卫星的数据，解算出卫星和GNSS接收机的位置和速度信息。

5.如权利要求1所述的改善GNSS接收机载波相位连续性的相位预测方法，其特征是：

当所述GNSS接收机带外部动态信息辅助模块时，若用于正常跟踪的卫星数少于4，利用外部动态信息辅助模块解算出GNSS接收机的位置和速度信息；若用于正常跟踪的卫星数不少于4，利用外部动态信息辅助模块和GNSS接收机内置的导航解算模块组合解算出GNSS接收机的位置和速度信息。

6.如权利要求1所述的改善GNSS接收机载波相位连续性的相位预测方法，其特征是：

所述开环跟踪通道的运动多普勒值由GNSS接收机运动引起的多普勒值和卫星运动引起的多普勒值组成，其中，非整秒时刻所需要的卫星运动引起的多普勒值通过对整秒的卫星运动多普勒值进行等加速度外推得到，这里卫星运动多普勒值指卫星运动引起的多普勒值。

7.如权利要求1所述的改善GNSS接收机载波相位连续性的相位预测方法，其特征是：

步骤S400具体为：

当GNSS接收机检测到卫星通道的载波环鉴相器误差大于预设的鉴相器误差阈值时，则判断该卫星通道失锁，找到该卫星通道失锁前载波环鉴相器误差小于预设值的一历元，记为历元B；

从历元B开始，采用步骤S300方法解算该卫星通道各历元的多普勒预测值，直至当前历元；

从当前历元开始，使用多普勒预测值更新该失锁的卫星通道的载波环NCO的频率控制字。

8.如权利要求7所述的改善GNSS接收机载波相位连续性的相位预测方法，其特征是：

通过该失锁的卫星通道的载波环鉴相器误差以及卫星信号载噪比判断是否切换到闭合跟踪。

9.改善GNSS接收机载波相位连续性的相位预测系统，其特征是，包括：

载波相位预测模型构建模块，用来根据GNSS接收机的载波相位与多普勒的关系，构建载波相位预测模型，其中，接收机可预测的多普勒包括卫星相对GNSS接收机运动引起的多普勒以及GNSS接收机晶振钟漂引起的多普勒，分别记为运动多普勒和晶振钟漂多普勒；

运动多普勒值解算模块，用来根据卫星和GNSS接收机的位置和速度信息，解算各通道卫星相对GNSS接收机的运动多普勒值；

第一多普勒预测值解算模块，用来解算开环跟踪通道的多普勒预测值；

所述多普勒预测值解算模块进一步包括：

晶振钟漂多普勒值获得模块，用来将正常跟踪通道环路估计的多普勒测量值减去运动多普勒值，得正常跟踪通道的晶振钟漂多普勒值；

晶振钟漂多普勒值分解模块，用来从正常跟踪通道的晶振钟漂多普勒值分离出偏置项和抖动项，其中，偏置项为对所有正常跟踪通道的晶振钟漂多普勒值进行100～300个历元的滑动平均得到，晶振钟漂多普勒值减去偏置项即抖动项；

第二多普勒值预测值解算模块，用来解算开环跟踪通道的多普勒值预测值，所述开环跟踪通道的多普勒值预测值为开环跟踪通道的运动多普勒值和晶振钟漂多普勒值之和，其中，开环跟踪通道的运动多普勒值根据卫星和GNSS接收机的位置和速度信息解算获得；开环跟踪通道的晶振钟漂多普勒值的偏置项初始值采用开环跟踪通道失锁前保存的偏置项，并以各正常跟踪通道的晶振钟漂多普勒的偏置项在相邻历元间变化量的平均值作为开环跟踪通道在各历元偏置项的变化量；开环跟踪通道的晶振钟漂多普勒值的抖动项为当前其他正常跟踪通道的抖动项的平均值；

载波相位预测模块，用来利用载波相位预测模型，对开环跟踪通道的多普勒预测值进行积分，获得开环跟踪通道的载波相位估计值。

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