CN109541649B - 卫星导航接收机失锁后快速重捕定位方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高动态卫星导航接收机失锁后快速重捕定位的方法，该方法主要包括：利用本地计时脉冲TIC前沿所对应的本地时间和信号发射时刻相减获得伪距。信号未失锁时，记录卫星导航信号的发射时刻值。在信号失锁期间对本地计时脉冲累计获得失锁时间，利用失锁前记录的信号发射时刻值和失锁时间计算出当前TIC的信号发射时刻的粗略值；当信号失锁后达到码同步时，根据获得的码相位对发射时刻粗略值进行校正，获得准确的发射时刻。利用本地时间减去发射时刻就得到了伪距，进行定位解算。该种卫星导航接收机失锁后快速重捕定位方法能够满足卫星导航接收机在高动态条件下的应用需要。

Description

卫星导航接收机失锁后快速重捕定位方法及装置

技术领域

本发明属于导航技术领域，尤其涉及一种卫星导航接收机失锁后快速重捕定位方法及装置。

背景技术

全球卫星导航系统(Global Navigation Satellite System,GNSS)可在全球范围内为用户提供全天候、连续、精确的位置、速度及时间等信息，该系统的应用早已渗透到经济、社会和军事等多方面。目前，空间主要有中国的北斗(BeiDou)、美国的GPS、俄罗斯的GLONASS和欧盟的Galileo这四大全球卫星导航系统。

卫星导航接收机用于接收上述卫星导航系统信号，实现位置定位和授时功能。卫星导航接收机捕获卫星导航信号后，经过跟踪(该步骤中含码同步)，位同步和帧同步后以及星历解析才可以组装出正确的卫星信号发射时刻，解析星历后就可以进行定位。首次定位一般需要几十秒，即使在已获得星历的情况下，完成帧同步至少需要6s。传统的失锁重捕定位方法是：在卫星信号失锁后重捕进行捕获、跟踪、位同步和帧同步。帧同步后得到的毫秒历元计数器值以及码相位可组装出卫星信号发射时刻。然后利用本地时间与卫星信号发射时刻之差得到伪距。根据4颗以上卫星的伪距和星历，接收机实现定位解算。这种方法的缺点在于，帧同步需要时间比较长，导致失锁重捕时间超过6s，不能满足高动态运动物体定位的需求。

发明内容

本发明的技术目的是提供一种卫星导航接收机失锁后快速重捕定位方法及装置，该种卫星导航接收机失锁后快速重捕定位方法能够满足卫星导航接收机在高动态条件下的应用需要。

为解决上述问题，本发明的技术方案为：

一种卫星导航接收机失锁后快速重捕定位方法，包括：

获取当前时刻的本地时间t_local；

获取失锁状态前的卫星信号发射时刻值t_{transmit record}；

获取卫星失锁时间T_lose；

计算当前卫星信号发射时刻的估计值t_{transmit raw}，其中t_{transmit raw}＝t_{transmit record}+T_lose；

计算当前卫星信号发射时刻的估计值的码相位估计值Φ_{transmit raw}，其中，Φ_{transmit raw}＝mod(t_{transmit raw})，mod表示取模运算；

在卫星信号已经码同步状态下，从码环读出当前卫星信号的码相位准确值Φ_transmit；

计算准确的当前卫星信号发射时刻t_transmit；

若|Φ_{transmit raw}-Φ_transmit|≤0.5T_prn；

则t_transmit＝t_{transmit raw}+(Φ_transmit-Φ_{transmit raw})；

若|Φ_{transmit raw}-Φ_transmit|>0.5T_prn，并且Φ_transmit<0.5T_prn；

则t_transmit＝t_{transmit raw}+T_prn+(Φ_transmit-Φ_{transmit raw})；

若|Φ_{transmit raw}-Φ_transmit|>0.5T_prn，并且Φ_transmit≥0.5T_prn；

则t_transmit＝t_{transmit raw}-T_prn+(Φ_transmit-Φ_{transmit raw})；其中T_prn是伪码周期；

计算伪距ρ，ρ＝(t_local-t_transmit)*c，其中c是光速；

利用伪距进行定位解算。

根据本发明一实施例，所述获取失锁状态前的卫星信号发射时刻值t_{transmit record}具体为：在卫星信号未失锁时根据毫秒历元计数器和卫星信号的码相位计算准确的卫星信号发射时刻t_transmit并保存以便获得t_{transmit record}。

根据本发明一实施例，所述获取卫星失锁时间T_lose具体为：在卫星失锁状态下，使用计数器对TIC信号上升沿计数，获得计数值n，则失锁时间为T_lose＝nT_period，其中T_period为TIC信号的周期。

本发明还提供了一种卫星导航接收机的定位方法，包括：

所述卫星导航接收机开机后，经过捕获、跟踪、位同步和帧同步后以及星历解析这个过程实现所述卫星导航接收机的首次定位；

帧同步过程中，收到导航电文帧头时对毫秒历元计数器进行清零；

判断卫星信号是否失锁；

若卫星信号未失锁，则根据毫秒历元计数器和卫星信号的码相位计算准确的当前卫星信号发射时刻t_transmit；其中t_transmit＝m*T_prn+φ，其中m是毫秒历元计数器的值，T_prn是伪码周期，Φ是码相位；

计算伪距ρ，ρ＝(t_local-t_transmit)*c，其中c是光速；

利用伪距进行定位解算；

若卫星信号失锁，则执行上述的卫星导航接收机失锁后快速重捕定位方法。

根据本发明一实施例，在未失锁状态下，更新并记录TIC信号获得的卫星信号发射时刻值t_{transmit record}其中t_{transmit record}＝t_transmit。

本发明还提供了一种卫星导航接收机失锁后快速重捕定位装置，包括：

时间获取模块，被配置为获取当前时刻的本地时间t_local；以及获取失锁状态前的卫星信号发射时刻值t_{transmit record}；以及获取卫星失锁时间T_lose；

计算模块，被配置为计算当前卫星信号发射时刻的估计值t_{transmit raw}，其中t_{transmit raw}＝t_{transmit record}+T_lose；以及计算当前卫星信号发射时刻的估计值的码相位估计值Φ_{transmit raw}，其中，Φ_{transmit raw}＝mod(t_{transmit raw})，mod表示取模运算；以及在卫星信号已经码同步状态下，从码环读出当前卫星信号的码相位准确值Φ_transmit；

判断模块，被配置为计算准确的当前卫星信号发射时刻t_transmit；

若|Φ_{transmit raw}-Φ_transmit|≤0.5T_prn；

则t_transmit＝t_{transmit raw}+(Φ_transmit-Φ_{transmit raw})；

若|Φ_{transmit raw}-Φ_transmit|>0.5T_prn，并且Φ_transmit<0.5T_prn；

则t_transmit＝t_{transmit raw}+T_prn+(Φ_transmit-Φ_{transmit raw})；

若|Φ_{transmit raw}-Φ_transmit|>0.5T_prn，并且Φ_transmit≥0.5T_prn；

则t_transmit＝t_{transmit raw}-T_prn+(Φ_transmit-Φ_{transmit raw})；其中T_prn是伪码周期；

伪距计算模块，被配置为计算伪距ρ，ρ＝(t_local-t_transmit)*c，其中c是光速；

解算模块，被配置为利用伪距进行定位解算。

本发明由于采用以上技术方案，使其与现有技术相比具有以下的优点和积极效果：

本发明一实施例中提供的一种卫星导航接收机失锁后快速重捕定位方法省去了帧同步的步骤，在码同步状态下通过对当前卫星信号发射时刻的估计值的精确修正得到了准确的当前卫星信号发射时刻，之后通过伪距计算公式获得准确的伪距，利用伪距实现了对卫星的定位解算。帧同步需要时间比较长，由于减少了帧同步的步骤，大大缩短了失锁重捕的时间，能够满足高动态运动物体定位的需求。

附图说明

图1为本发明的一种卫星导航接收机失锁后快速重捕定位方法的流程图；

图2为本发明的一种卫星导航接收机的定位方法的流程图；

图3为本发明的一种卫星导航接收机失锁后快速重捕定位装置的结构框图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种卫星导航接收机失锁后快速重捕定位方法及装置作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。

实施例1

参看图1，一种卫星导航接收机失锁后快速重捕定位方法，包括：

获取当前时刻的本地时间t_local；接收机定位后建立计时脉冲信号TIC信号(TimeInterval Counter)计数值与本地时间之间的转换模型，通过该模型，从TIC信号的计数值可得到TIC前沿对应的本地时间t_local。

获取失锁状态前的卫星信号发射时刻值t_{transmit record}，具体为

在卫星信号未失锁时根据毫秒历元计数器和卫星信号的码相位计算准确的卫星信号发射时刻t_transmit并保存获得t_{transmit record}。

获取卫星失锁时间T_lose；使用计数器对TIC信号上升沿计数，获得计数值n，则失锁时间为T_lose＝nT_period，其中T_period为TIC信号的周期。

计算当前卫星信号发射时刻的估计值t_{transmit raw}，其中t_{transmit raw}＝t_{transmit record}+T_lose；

计算当前卫星信号发射时刻的估计值的码相位估计值Φ_{transmit raw}，可由t_{transmit raw}反推的码相位值估计值Φ_{transmit raw}；其中，Φ_{transmit raw}＝mod(t_{transmit raw})，mod表示取模运算；

在卫星信号已经码同步状态下，从码环读出当前卫星信号的码相位准确值Φ_transmit；

计算准确的当前卫星信号发射时刻t_transmit；具体如下：

若|Φ_{transmit raw}-Φ_transmit|≤0.5T_prn；

则t_transmit＝t_{transmit raw}+(Φ_transmit-Φ_{transmit raw})；

若|Φ_{transmit raw}-Φ_transmit|>0.5T_prn，并且Φ_transmit<0.5T_prn；

则t_transmit＝t_{transmit raw}+T_prn+(Φ_transmit-Φ_{transmit raw})；

若|Φ_{transmit raw}-Φ_transmit|>0.5T_prn，并且Φ_transmit≥0.5T_prn；

则t_transmit＝t_{transmit raw}-T_prn+(Φ_transmit-Φ_{transmit raw})；其中T_prn是伪码周期；具体地，如果导航信号为GPS L1信号或者GLN L1或者BD信号，那么伪码周期T_prn为1ms。

计算伪距ρ，ρ＝(t_local-t_transmit)*c，其中c是光速；

利用伪距进行定位解算。

本实施例中提供的一种卫星导航接收机失锁后快速重捕定位方法省去了帧同步的步骤，在码同步状态下通过对当前卫星信号发射时刻的估计值(粗略值)的精确修正得到了准确的当前卫星信号发射时刻，之后通过伪距计算公式获得准确的伪距，利用伪距实现了对卫星的定位解算。现有的方法根据4颗以上卫星的伪距和星历，接收机实现定位解算，现有这种方法的帧同步需要时间比较长，导致失锁重捕时间超过6s，不能满足高动态运动物体定位的需求。本实施例由于减少了帧同步的步骤，大大缩短了失锁重捕的时间，能够满足高动态运动物体定位的需求。换言之，本实施例的方法与传统失锁重捕相比较，采用本方法后接收机重捕后达到码同步(接收机进行信号跟踪就意味着实现了码同步)即可实现定位，无需帧同步，能提高失锁重捕定位指标。并且，本实施例的方法同已有的基于失锁后用户位置外推和卫星位置外推得到伪距从而实现定位的方法比，本发明方案简单易行，计算量小，更适用于硬件资源紧张的场合。并且，本实施例的方法同已有的基于失锁后利用伪距变化率和失锁时间来拟合得到伪距外推值从而实现定位的方法比，本发明方案简单可靠，计算量小。

下面讲一下本方法的原理。

接收机失锁后，由于钟漂无法得到修正，使得接收机本地时间出现误差Δt。根据晶振钟漂的定义，有

其中

被称为稳定度，t_失锁是指失锁的时间值，可计算出

令失锁前和失锁后的本地时间为t_local1和t_local2，本地时间均从TIC脉冲获得，所以

t_local2＝t_locat1+n*T_period+Δt。

令失锁前伪距为ρ₁、重捕时的伪距为ρ₂,伪距变化量为Δρ，由ρ＝(t_local-t_transmit)*c，可求出重捕时信号发射时刻t_transmit2与估计的信号发射时刻t_transmitraw2以及Δρ之间的关系：

Δρ＝|ρ₂-ρ₁|

＝|(t_local2-t_local1)-(t_transmit2-t_transmit1)×c

＝|t_transmit2-(t_transmit1+n×T_period)-Δt|×c

＝|t_transmit2-t_transmitraw2-Δt|×c

Δt是有方向的，最恶劣情况下，Δt与Δρ同向，那么可得：

从该式可看出，失锁前后伪距(换算成时间)的变化加上本地时钟漂移就是估算的信号发射时刻上真实的信号发射时刻之差。只要估算出等式左边，就可以得到估算值与真实值之间的关系，为从估算的信号发射进行校正得到准确的发射时刻做准备。

伪距变化是由于失锁期间接收机和卫星之间的相对运动带来的，所以又可通过下式计算出Δρ：

Δρ＝t_失锁*v其中v是接收机与卫星之间的相对运动速度。

如果频率稳定度为4ppm(这是一个比较低的指标)，载体的相对运动为7.9km/s，失锁时间为10s，那么等式的左边约为0.403ms。

经过上述推导，可知重捕后发射时刻的估算值与真实值之的差不超过半个伪码周期(如果导航信号为GPS L1信号或者GLN L1或者BD信号，那么伪码周期T_prn为1ms)。

因为t_transmit2＝m₂*T_prn+φ_transmit2，又因为接收机已经达到码同步，即此时的码相位Φ_transmit2已经拿到了。只要得到真实发射时刻对应的m₂就能得到准确的发射时刻。

令t_transmitraw2＝n₂*T_prn+φ_transmitraw2

发射时刻估算值与真实值的差异如果小于半个码周期，则有

|t_transmit2-t_transmitraw2|＜0.5T_prn

|(m₂-n₂)*T_prn+(φ_transmit2-φ_transmitraw2)|＜0.5T_prn

历元计数器估算值n₂与真实值m₂以及码相位的估算值Φ_{transmit raw2}与真实值Φ_transmit2仅存在以下3种情况

1、n₂＝m₂，所有的差异仅体现在码相位上，码相位差异不超过半个码周期。

2、n₂＝m₂-1，码相位差异必定超过半个码周期，并且真实值的码相位必定小于半个码周期。

3、n₂＝m₂+1，码相位差异必定超过半个码周期，并且真实的码相位大于半个码周期。

可以利用这个关系，就可以从t_{transmit raw}中获得t_transmit需要的m₂，经过整理就是上述计算准确的当前卫星信号发射时刻t_transmit使用的公式。

上述发明实施例所述方法和装置适用于北斗、GPS、GLONASS、Galileo等卫星导航接收机。

实施例2

参看图2，本发明还提供了一种卫星导航接收机的定位方法，包括：卫星导航接收机开机后，经过捕获、跟踪、位同步和帧同步后以及星历解析这个过程实现卫星导航接收机的首次定位；帧同步过程中，收到导航电文帧头时对毫秒历元计数器进行清零；判断卫星信号是否失锁；若卫星信号未失锁，则根据毫秒历元计数器和卫星信号的码相位计算准确的当前卫星信号发射时刻t_transmit；其中t_transmit＝m*T_prn+φ，其中m是毫秒历元计数器的值，T_prn是伪码周期，Φ是码相位；

计算伪距ρ，ρ＝(t_local-t_transmit)*c，其中c是光速；

利用伪距进行定位解算；

若卫星信号失锁，则执行上述的卫星导航接收机失锁后快速重捕定位方法。

进一步地，在未失锁状态下，更新并记录TIC信号获得的卫星信号发射时刻值t_{transmit record}其中t_{transmit record}＝t_transmit。

实施例3

参看图3，本发明还提供了一种卫星导航接收机失锁后快速重捕定位装置，包括：

时间获取模块，被配置为获取当前时刻的本地时间t_local；以及获取失锁状态前的卫星信号发射时刻值t_{transmit record}；以及获取卫星失锁时间T_lose；

计算模块，被配置为计算当前卫星信号发射时刻的估计值t_{transmit raw}，其中t_{transmit raw}＝t_{transmit record}+T_lose；以及计算当前卫星信号发射时刻的估计值的码相位估计值Φ_{transmit raw}，其中，Φ_{transmit raw}＝mod(t_{transmit raw})，mod表示取模运算；以及在卫星信号已经码同步状态下，从码环读出当前卫星信号的码相位准确值Φ_transmit；

判断模块，被配置为计算准确的当前卫星信号发射时刻t_transmit；

若|Φ_{transmit raw}-Φ_transmit|≤0.5T_prn；

则t_transmit＝t_{transmit raw}+(Φ_transmit-Φ_{transmit raw})；

若|Φ_{transmit raw}-Φ_transmit|>0.5T_prn，并且Φ_transmit<0.5T_prn；

则t_transmit＝t_{transmit raw}+T_prn+(Φ_transmit-Φ_{transmit raw})；

若|Φ_{transmit raw}-Φ_transmit|>0.5T_prn，并且Φ_transmit≥0.5T_prn；

则t_transmit＝t_{transmit raw}-T_prn+(Φ_transmit-Φ_{transmit raw})；其中T_prn是伪码周期；

伪距计算模块，被配置为计算伪距ρ，ρ＝(t_local-t_transmit)*c，其中c是光速；

解算模块，被配置为利用伪距进行定位解算。

本实施例中提供的一种卫星导航接收机失锁后快速重捕定位装置在重捕定位过程中省去了帧同步的步骤，在码同步状态下通过对当前卫星信号发射时刻的估计值的精确修正得到了准确的当前卫星信号发射时刻，之后通过伪距计算公式获得准确的伪距，利用伪距实现了对卫星的定位解算。现有的方法，经过捕获、跟踪、位同步和帧同步后得到4颗以上卫星的伪距接收机实现定位解算，现有这种方法的帧同步需要时间比较长，导致失锁重捕时间超过6s，不能满足高动态运动物体定位的需求。本实施例由于减少了帧同步的步骤，大大缩短了失锁重捕的时间，能够满足高动态运动物体定位的需求。

上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式。即使对本发明作出各种变化，倘若这些变化属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则仍落入在本发明的保护范围之中。

Claims (6)

1.一种卫星导航接收机失锁后快速重捕定位方法，其特征在于，包括：

获取当前时刻的本地时间t_local；

获取失锁状态前的卫星信号发射时刻值t_{transmitrecord}；

获取卫星失锁时间T_lose；

计算当前卫星信号发射时刻的估计值t_transmitraw，其中t_transmitraw＝t_{transmitrecord}+T_lose；

计算当前卫星信号发射时刻的估计值的码相位估计值Φ_transmitraw，其中，Φ_transmitraw＝mod(t_transmitraw)，mod表示取模运算；

在卫星信号已经码同步状态下，从码环读出当前卫星信号的码相位准确值Φ_transmit；

计算准确的当前卫星信号发射时刻t_transmit；

若|Φ_transmitraw-Φ_transmit|≤0.5T_prn；

则t_transmit＝t_transmitraw+(Φ_transmit-Φ_transmitraw)；

若|Φ_transmitraw-Φ_transmit|>0.5T_prn，并且Φ_transmit<0.5T_prn；

则t_transmit＝t_transmitraw+T_prn+(Φ_transmit-Φ_transmitraw)；

若|Φ_transmitraw-Φ_transmit|>0.5T_prn，并且Φ_transmit≥0.5T_prn；

则t_transmit＝t_transmitraw-T_prn+(Φ_transmit-Φ_transmitraw)；其中T_prn是伪码周期；

计算伪距ρ，ρ＝(t_local-t_transmit)*c，其中c是光速；

利用伪距进行定位解算。

2.如权利要求1所述的卫星导航接收机失锁后快速重捕定位方法，其特征在于，所述获取失锁状态前的卫星信号发射时刻值t_{transmitrecord}具体为：

在卫星信号未失锁时根据毫秒历元计数器和卫星信号的码相位计算准确的卫星信号发射时刻t_transmit并保存获得t_{transmitrecord}。

3.如权利要求1所述的卫星导航接收机失锁后快速重捕定位方法，其特征在于，所述获取卫星失锁时间T_lose具体为：在卫星失锁状态下，使用计数器对TIC信号上升沿计数，获得计数值n，则失锁时间为T_lose＝nT_period，其中T_period为TIC信号的周期。

4.一种卫星导航接收机的定位方法，其特征在于，包括：

所述卫星导航接收机开机后，经过捕获、跟踪、位同步和帧同步后以及星历解析这个过程实现所述卫星导航接收机的首次定位；

帧同步过程中，收到导航电文帧头时对毫秒历元计数器进行清零；

判断卫星信号是否失锁；

若卫星信号未失锁，则根据毫秒历元计数器和卫星信号的码相位计算准确的当前卫星信号发射时刻t_transmit；其中t_transmit＝m*T_prn+φ，其中m是毫秒历元计数器的值，T_prn是伪码周期，Φ是码相位；

计算伪距ρ，ρ＝(t_local-t_transmit)*c，其中c是光速；

利用伪距进行定位解算；

若卫星信号失锁，则执行权利要求1-3任意一项所述的卫星导航接收机失锁后快速重捕定位方法。

5.如权利要求4所述的卫星导航接收机的定位方法，其特征在于，在未失锁状态下，更新并记录TIC信号获得的卫星信号发射时刻值t_{transmitrecord}，其中t_{transmitrecord}＝t_transmit。

6.一种卫星导航接收机失锁后快速重捕定位装置，其特征在于，包括：

时间获取模块，被配置为获取当前时刻的本地时间t_local；以及获取失锁状态前的卫星信号发射时刻值t_{transmitrecord}；以及获取卫星失锁时间T_lose；

计算模块，被配置为计算当前卫星信号发射时刻的估计值t_transmitraw，其中t_transmitraw＝t_{transmitrecord}+T_lose；以及计算当前卫星信号发射时刻的估计值的码相位估计值Φ_transmitraw，其中，Φ_transmitraw＝mod(t_transmitraw)，mod表示取模运算；以及在卫星信号已经码同步状态下，从码环读出当前卫星信号的码相位准确值Φ_transmit；

判断模块，被配置为计算准确的当前卫星信号发射时刻t_transmit；

若|Φ_transmitraw-Φ_transmit|≤0.5T_prn；

则t_transmit＝t_transmitraw+(Φ_transmit-Φ_transmitraw)；

若|Φ_transmitraw-Φ_transmit|>0.5T_prn，并且Φ_transmit<0.5T_prn；

则t_transmit＝t_transmitraw+T_prn+(Φ_transmit-Φ_transmitraw)；

若|Φ_transmitraw-Φ_transmit|>0.5T_prn，并且Φ_transmit≥0.5T_prn；

则t_transmit＝t_transmitraw-T_prn+(Φ_transmit-Φ_transmitraw)；其中T_prn是伪码周期；

伪距计算模块，被配置为计算伪距ρ，ρ＝(t_local-t_transmit)*c，其中c是光速；

解算模块，被配置为利用伪距进行定位解算。

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