CN111929709A - 基于信道模拟器的gnss接收机码载波硬件延迟差异测量方法 - Google Patents

基于信道模拟器的gnss接收机码载波硬件延迟差异测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于信道模拟器的GNSS接收机码载波硬件延迟差异测量方法，利用信道模拟器对伪码和载波相位引入时延一致的特点，采用信道模拟器对导航信号模拟源输出的静态信号添加匀加速场景，产生匀加速信号，并输入至被测GNSS接收机进行伪距和载波相位测量，并将测量结果减去信号源理论结果，通过分析伪距和载波相位测量残差随信号多普勒的变化特性来实现码载波硬件延迟差异的测量。解决了目前常规方法无法测量载波相位测量整周模糊度的问题，可运用在卫星导航系统中高精度GNSS接收机的研制和测试鉴定中。

Description

基于信道模拟器的GNSS接收机码载波硬件延迟差异测量方法
技术领域
本发明GNSS接收机测试鉴定领域，具体的涉及一种基于信道模拟器的GNSS接收机码载波硬件延迟差异测量方法。
背景技术
近年来随着各大全球卫星导航系统的迅速发展，相关军民领域的卫星导航产业正不断发展，尤其是高精度应用发展迅速：传统RTK及网络RTK技术目前应用已趋于熟；精密单点定位技术（PPP）不需要大规模的参考站支撑即可实现cm级的高精度定位，运行成本低，应用前景广阔，目前该技术在学术界得到了广泛的研究，另外随着低轨星座的建设，基于低轨星座的PPP技术有望根本性解决传统基于高轨卫星导航星座PPP初始化时间过长的问题，PPP技术广泛应用可期。
在RTK/PPP等高精度应用中，需要同时使用高精度GNSS接收机输出的伪距和载波相位测量数据。在高精度GNSS接收机中，由于载波跟踪通道与伪码跟踪通道实现的差异，码硬件时延与载波硬件时延往往存在差异，码与载波硬件延迟还会引入测量时刻偏差，测量时刻偏差会引入与信号多普勒相关的误差，当信号动态较大时，码载波测量时刻偏差会导致伪距和载波相位引入不同的误差，进而影响RTK/PPP的定位性能。因此有必要对GNSS接收机的码载波硬件延迟差异进行测量校准，目前接收机码延迟测量目前已有成熟的方法，主要采用导航信号模拟源发送零伪距信号的方式进行标定，但载波相位测量由于存在整周模糊度，目前常规方法无法对载波相位时延进行测量。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种基于信道模拟器的GNSS接收机码载波硬件延迟差异测量方法，能够解决目前常规方法无法对码载波硬件延迟差异进行测量的问题。
根据本发明实施例的一种基于信道模拟器的GNSS接收机码载波硬件延迟差异测量方法，包括以下步骤：
S1：采用导航信号模拟源和信道模拟器与被测GNSS接收机组成同源测试场景；
S2：导航信号模拟源模拟生成静态导航信号，信号伪距设置为ρ 0，载波相位初值为φ 0；
S3：信道模拟器对导航信号模拟源输出的静态导航信号添加匀加速场景并输出，其中加速度为a；
S4：GNSS接收机对信道模拟器输出的匀加速导航信号进行伪距载波相位测量处理，得到伪距ρ(k)和载波相位测量序列φ(k)；
S5：根据GNSS接收机测量得到的伪距ρ(k)和载波相位测量序列φ(k)计算GNSS接收机码载波硬件延迟差异dτ ρφ 。
根据本发明实施例的基于信道模拟器的GNSS接收机码载波硬件延迟差异测量方法，至少具有如下技术效果：本发明实施方式利用信道模拟器对伪码和载波相位引入时延一致的特点，采用信道模拟器对导航信号模拟源输出的静态信号添加匀加速场景，产生匀加速信号，并输入至被测GNSS接收机进行伪距和载波相位测量，并将测量结果减去信号源理论结果，通过分析伪距和载波相位测量残差随信号多普勒的变化特性来实现码载波硬件延迟差异的测量，可运用在卫星导航系统中高精度GNSS接收机的研制和测试鉴定中。
根据本发明的一些实施例，所述步骤S1中导航信号模拟源、信道模拟器和被测GNSS接收机的频率基准皆由铷钟提供。
根据本发明的一些实施例，所述步骤S2中ρ 0与φ 0可以设置为任意值。
根据本发明的一些实施例，所述步骤S3中加速度a的值设置在被测GNSS接收机的可跟踪范围之内。
根据本发明的一些实施例，所述步骤S3中，信道模拟器输出信号的伪距表达式为
Figure DEST_PATH_IMAGE001
信道模拟器输出信号的载波相位的表达式为
Figure 35985DEST_PATH_IMAGE002
其中dτ 1为信道模拟器的硬件延迟，dτ 0为信号源的码硬件延迟，ρ nsg 为导航信号源输出信号的的初始伪码相位，φ nsg 为导航信号源输出信号的初始载波相位。
根据本发明的一些实施例，所述步骤S4中的测量频度为1Hz。
根据本发明的一些实施例，所述步骤S4中，GNSS接收机的伪距ρ(k)的表达式为
Figure DEST_PATH_IMAGE003
GNSS接收机的载波相位测量序列φ(k)的表达式为
Figure 981945DEST_PATH_IMAGE004
其中k+t0代表第k次伪距和载波相位测量时刻对应的时间，ε ρ 为伪距测量噪声，ε φ 为载波相位测量噪声，N为整周模糊度，dτ ρ 为接收机伪码，dτ φ 为接收机载波硬件延迟，dτ 1为信道模拟器的硬件延迟，dτ 0为信号源的码硬件延迟，dφ 0为信号源的载波相位硬件延迟。
根据本发明的一些实施例，所述步骤S5的具体计算方法如下：
S5a、将伪距和载波相位测量序列减去信号理论伪距值得到伪距测量残差
Δρ(k)和载波相位测量残差Δφ(k)；
S5b、将伪距测量残差Δρ(k)减去载波相位测量残差Δφ(k)，并进行线性拟合，公式为
Figure DEST_PATH_IMAGE005
得到GNSS接收机码载波硬件延迟差异的测量值
Figure 881417DEST_PATH_IMAGE006
其中l ρφ 为线性拟合后的系数。
根据本发明的一些实施例，所述步骤S5a中，将伪距和载波相位测量序列减去信号理论伪距值得到伪距和载波相位测量残差Δρ(k)和Δφ(k)时，GNSS接收机测量时刻与导航信号源时间可不对齐。
根据本发明的一些实施例，所述步骤S5a和S5b中，
Δρ(k)的表达式为
Figure DEST_PATH_IMAGE007
Δφ(k)的表达式
Figure 663560DEST_PATH_IMAGE008
伪距残差减去载波相位残差得到的Δρφ满足下式：
Figure DEST_PATH_IMAGE009
其中dτ ρφ =dτ ρ -dτ φ 为GNSS接收机码载波硬件延迟差异，Δε为固定常数项加上测量白噪声，ε ρ 为伪距测量噪声，ε φ 为载波相位测量噪声，dτ ρ 为接收机伪码，dτ φ 为接收机载波硬件延迟，dτ 1为信道模拟器的硬件延迟，dτ 0为信号源的码硬件延迟，dφ 0为信号源的载波相位硬件延迟。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为本发明实施例中GNSS接收机码载波硬件延迟差异测量方法的测试原理框图；
图2为本发明实施例中GNSS接收机码载波硬件延迟差异测量方法的流程图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。
参考图2，一种基于信道模拟器的GNSS接收机码载波硬件延迟差异测量方法，包括以下步骤
S1、参考图1，采用导航模拟源、信道模拟器、铷钟与被测GNSS接收机组成同源测试场景，铷钟给其他三个设备提供同源的10MHz频率基准；
S2、导航信号模拟源模拟生成静态导航信号，信号伪距设置为ρ 0，载波相位初值为φ 0，ρ 0与φ 0可以为任意值，记导航信号模拟源伪码和载波硬件延迟分别为dτ 0和dφ 0，则其输出的信号伪距和载波相位为：
Figure 553018DEST_PATH_IMAGE010
S3、信道模拟器对导航信号模拟源输出的静态导航信号添加匀加速场景，加速度为a，记信道模拟器硬件延迟为
Figure 884643DEST_PATH_IMAGE011
，由于信道模拟器是直接对导航信号采集数据直接进行时延模拟，其对伪距和载波引入的时延是一致的，则其输出信号的伪距和载波相位如下述两式所示：
Figure 732513DEST_PATH_IMAGE012
S4、GNSS接收机对信道模拟器输出的匀加速导航信号进行伪距载波相位测量处理，测量频度为1Hz，得到伪距和载波相位测量序列ρ(k)和φ(k)，假设接收机码载波硬件延迟分别为dτ ρ 和dτ φ ，则ρ(k)和φ(k)满足下述表达式：
Figure 392164DEST_PATH_IMAGE013
其中k+t0代表第k次伪距和载波相位测量时刻对应的时间，ε ρ 和ε φ 分别为伪距和载波相位测量噪声，N为整周模糊度。
S5、根据GNSS接收机测量得到的伪距和载波相位测量序列ρ(k)和φ(k)计算GNSS接收机码载波硬件延迟差异dτ ρφ =dτ ρ -dτ φ ，具体计算方法如下：
1）首先将伪距测量序列和载波相位测量序列减去信号理论伪距值，测量时刻GNSS接收机测量时刻与导航信号源时间可不对齐，得到伪距和载波相位测量残差，如下式所示：
Figure 350893DEST_PATH_IMAGE014
将式(5~6)代入式(7~8)可得到下述两式；
Figure 520712DEST_PATH_IMAGE015
2）将Δρ(k)减去Δφ(k)，得到下式：
Figure 539484DEST_PATH_IMAGE016
其中Δε为固定常数项加上测量白噪声。
3）对Δρφ(k)序列进行线性拟合，如下式所示：
Figure 686431DEST_PATH_IMAGE017
显然：
Figure 714430DEST_PATH_IMAGE018
因此相应GNSS接收机码载波硬件延迟差异测量结果如下：
Figure 630433DEST_PATH_IMAGE019
综上所述，本发明利用信道模拟器对伪码和载波相位引入时延一致的特点，采用信道模拟器对导航信号模拟源输出的静态信号添加匀加速场景，产生匀加速信号，并输入至被测GNSS接收机进行伪距和载波相位测量，并将测量结果减去信号源理论结果，通过分析伪距和载波相位测量残差随信号多普勒的变化特性来实现码载波硬件延迟差异的测量，可运用在卫星导航系统中高精度GNSS接收机的研制和测试鉴定中。
上面结合附图对本发明实施例作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，在所述技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (10)

1.一种基于信道模拟器的GNSS接收机码载波硬件延迟差异测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：采用导航信号模拟源和信道模拟器与被测GNSS接收机组成同源测试场景；
S2：导航信号模拟源模拟生成静态导航信号，信号伪距设置为ρ 0，载波相位初值为φ 0；
S3：信道模拟器对导航信号模拟源输出的静态导航信号添加匀加速场景并输出，其中加速度为a；
S4：GNSS接收机对信道模拟器输出的匀加速导航信号进行伪距载波相位测量处理，得到伪距ρ(k)和载波相位测量序列φ(k)；
S5：根据GNSS接收机测量得到的伪距ρ(k)和载波相位测量序列φ(k)计算GNSS接收机码载波硬件延迟差异dτ ρφ 。
2.根据权利要求1所述的基于信道模拟器的GNSS接收机码载波硬件延迟差异测量方法，其特征在于：所述步骤S1中导航信号模拟源、信道模拟器和被测GNSS接收机的频率基准皆由铷钟提供。
3.根据权利要求1所述的基于信道模拟器的GNSS接收机码载波硬件延迟差异测量方法，其特征在于：所述步骤S2中ρ 0与φ 0可以设置为任意值。
4.根据权利要求1所述的基于信道模拟器的GNSS接收机码载波硬件延迟差异测量方法，其特征在于：所述步骤S3中加速度a的值设置在被测GNSS接收机的可跟踪范围之内。
5.根据权利要求1所述的基于信道模拟器的GNSS接收机码载波硬件延迟差异测量方法，其特征在于：所述步骤S3中，信道模拟器输出信号的伪距表达式为
Figure 886476DEST_PATH_IMAGE001
信道模拟器输出信号的载波相位的表达式为
Figure 427178DEST_PATH_IMAGE002
其中dτ 1为信道模拟器的硬件延迟，dτ 0为信号源的码硬件延迟，ρ nsg 为导航信号源输出信号的的初始伪码相位，φ nsg 为导航信号源输出信号的初始载波相位。
6.根据权利要求1所述的基于信道模拟器的GNSS接收机码载波硬件延迟差异测量方法，其特征在于：所述步骤S4中的测量频度为1Hz。
7.根据权利要求1所述的基于信道模拟器的GNSS接收机码载波硬件延迟差异测量方法，其特征在于：所述步骤S4中，GNSS接收机的伪距ρ(k)的表达式为
Figure 149278DEST_PATH_IMAGE003
GNSS接收机的载波相位测量序列φ(k)的表达式为
Figure 750023DEST_PATH_IMAGE004
其中k+t0代表第k次伪距和载波相位测量时刻对应的时间，ε ρ 为伪距测量噪声，ε φ 为载波相位测量噪声，N为整周模糊度，dτ ρ 为接收机伪码，dτ φ 为接收机载波硬件延迟，dτ 1为信道模拟器的硬件延迟，dτ 0为信号源的码硬件延迟，dφ 0为信号源的载波相位硬件延迟。
8.根据权利要求1所述的基于信道模拟器的GNSS接收机码载波硬件延迟差异测量方法，其特征在于：所述步骤S5的具体计算方法如下：
S5a、将伪距和载波相位测量序列减去信号理论伪距值得到伪距测量残差
Δρ(k)和载波相位测量残差Δφ(k)；
S5b、将伪距测量残差Δρ(k)减去载波相位测量残差Δφ(k)，并进行线性拟合，公式为
Figure 682207DEST_PATH_IMAGE005
得到GNSS接收机码载波硬件延迟差异的测量值
Figure 793645DEST_PATH_IMAGE006
其中l ρφ 为线性拟合后的系数。
9.根据权利要求8所述的基于信道模拟器的GNSS接收机码载波硬件延迟差异测量方法，其特征在于：所述步骤S5a中，将伪距和载波相位测量序列减去信号理论伪距值得到伪距和载波相位测量残差Δρ(k)和Δφ(k)时，GNSS接收机测量时刻与导航信号源时间可不对齐。
10.根据权利要求8所述的基于信道模拟器的GNSS接收机码载波硬件延迟差异测量方法，其特征在于：所述步骤S5a和S5b中，
Δρ(k)的表达式为
Figure 291623DEST_PATH_IMAGE007
Δφ(k)的表达式
Figure 328849DEST_PATH_IMAGE008
伪距残差减去载波相位残差得到的Δρφ满足下式：
Figure 482750DEST_PATH_IMAGE009
其中dτ ρφ =dτ ρ -dτ φ 为GNSS接收机码载波硬件延迟差异，Δε为固定常数项加上测量白噪声，ε ρ 为伪距测量噪声，ε φ 为载波相位测量噪声，dτ ρ 为接收机伪码，dτ φ 为接收机载波硬件延迟，dτ 1为信道模拟器的硬件延迟，dτ 0为信号源的码硬件延迟，dφ 0为信号源的载波相位硬件延迟。
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GR01 Patent grant
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Application publication date: 20201113

Assignee: Hunan Institute of advanced technology

Assignor: National University of Defense Technology

Contract record no.: X2022430000005

Denomination of invention: Measurement method of carrier hardware delay difference of GNSS receiver code based on channel simulator

Granted publication date: 20210101

License type: Common License

Record date: 20220628

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