CN112327335B - Gnss接收机和卫星捕获跟踪方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种GNSS接收机和卫星捕获跟踪方法，其中GNSS接收机包括蜂窝通信模块、GNSS模块；GNSS模块包括跟踪引擎、导航解算模块；蜂窝通信模块用于解析信号帧以得到帧边缘，导航解算模块用于根据帧边缘记录第一本地时间，蜂窝通信模块还用于根据帧边缘得到对应的第一GPS时间；蜂窝通信模块还用于根据第一GPS时间和信号传输时延得到优化的GPS时间；导航解算模块还用于得到当前时间；导航解算模块还用于得到卫星的捕获参数；跟踪引擎根据捕获参数进行卫星捕获。本发明能够有效提升卫星捕获速度、减少GNSS接收机的芯片面积和降低GNSS接收机的功耗。

Description

GNSS接收机和卫星捕获跟踪方法
技术领域
本发明属于卫星捕获跟踪技术领域，尤其涉及一种GNSS接收机和卫星捕获跟踪方法。
背景技术
在这个万物互联的时代，位置服务已经是人们日常生活中不可或缺的一部分。对手机、物联网装置和可穿戴设备而言没有定位信息是无法想象的。而在位置服务中，GNSS(Global Navigation Satellite System，全球导航卫星系统)扮演了一个非常重要的角色。
GNSS系统，全称为全球导航卫星系统，包含美国的GPS(Global PositioningSystem，全球定位系统)、俄罗斯的GLONASS(Global Navigation Satellite System，全球导航卫星系统)，中国的BDS(BeiDou Satellite Navigation System，北斗卫星导航系统)和欧盟的Galileo(伽利略)卫星导航系统等。GNSS接收机通过接收多颗卫星发射的无线测距信号来实现实时的定位、授时和导航等功能。
通常而言，GNSS接收机硬件部分主要包含射频前端电路、捕获引擎和跟踪引擎。射频前端电路是用于接收从来自GNSS卫星的信号，该信号后经过放大、滤波、下变频等操作产生适合模拟转换的中频信号后发送给捕获引擎。捕获引擎通常包含一定数量的捕获通道，每个通道用于对特定卫星信号进行搜索捕获。跟踪引擎从捕获引擎搜索到的卫星信号中把中频载波和伪随机码彻底从导航电文上剥离下来。定位解算模块是纯软件模块，利用跟踪引擎解码后得到的卫星信息，最终计算得到终端的位置、速度以及精确的时间信息。
GNSS接收机包括天线、射频前端、基带处理器和处理器，其中，基带处理器包括捕获引擎模块、跟踪引擎模块。以及一个协处理，用于执行基带相关软件处理及定位计算。在典型的GNSS接收机实现中，到达天线的空间信号在前端部分被下变频，滤波和数字化。该过程最终生成所需中频数据，通常表示为实数和复数分量(即I(同相)和Q(正交)分量)。
捕获引擎模块包括实数分量捕获通道、复数分量捕获通道和本地码生成器，实数分量捕获通道包括实数分量累加器、实数分量积分与转储器，复数分量捕获通道包括复数分量累加器、复数分量积分与转储器，实数分量累加器连接所述实数分量积分与转储器，所述实数分量积分与转储器，复数分量累加器连接复数分量积分与转储器，本地码生成器将本地码根据码延迟进行调整，该码延迟表示将本地码与输入信号进行相关运算之前对码进行移位的量，输入信号被分为实数分量数据和复数分量数据，GNSS接收机在本地生成C/A码的副本，并分别与IQ分路的信号进行相关运算来实现码的对齐。根据C/A码的自相关特性，当本地副本和输入信号对齐时，它们的相关运算会生成一个峰值。该峰值相对应的码延迟/多普勒频率给出了初始化跟踪引擎跟踪环路的良好估计。
跟踪引擎模块包括码跟踪通道、载波跟踪通道和辅助载波模块。为了从输入信号中提取信息，GNSS接收机通过复制C/A码并连续调整其码延迟和载波相位来跟踪它们，以确保与输入信号的同步。在最常见的实现中，接收器实现码跟踪环路和载波跟踪环路，以实现与输入信号的同步。
积分与转储(I&D)：累积相关器输出并提供其同相I和正交Q分量的模块。
鉴别器(discriminator)：处理相关器的输出以提供可测量的数量(例如载波相位信息)。
过滤器(Filter)：过滤鉴别器的输出以减少噪声。
NCO：数控振荡器将滤波器输出转换为多普勒频率和码延迟的可用校正因子
其中，积分与转储器，用于累积相关器输出并提供其同相I和正交Q分量的模块。鉴别器用于处理相关器的输出以提供可测量的数量(例如载波相位信息)。过滤器用于过滤鉴别器的输出以减少噪声。数控振荡器用于将滤波器输出转换为多普勒频率和码延迟的可用校正因子。
其中，载波环抖动比码环抖动要少得多，因此可以使用载波环中的测量值来消除码环路视线方向(LOS，Line of sight)的动态特性，降低码循环滤波器的阶数及其带宽。这种架构通常被称为辅助载波模块。
在目前的GNSS接收机(包括芯片及模块)设计中，捕获引擎相对于其他模块(如跟踪引擎)占据了更多的芯片面积，对芯片的总体成本有举足轻重的影响。
此外，捕获引擎主要承载着对卫星信号的搜索，由于其搜索范围大，往往要进行全范围的码域搜索以及大范围的频率扫描。捕获引擎运算量极大，从而消耗了大量的电池容量。而跟踪引擎的功耗则明显低于捕获引擎。
发明内容
本发明要解决的技术问题是为了克服现有技术的GNSS接收机中捕获引擎的占据面积较大、消耗功耗较大的缺陷，提供一种GNSS接收机和卫星捕获跟踪方法。
本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题：
本发明提供一种GNSS接收机，包括蜂窝通信模块、GNSS模块；
GNSS模块包括跟踪引擎、导航解算模块；
蜂窝通信模块用于解析信号帧以得到帧边缘，导航解算模块用于根据帧边缘记录第一本地时间，蜂窝通信模块还用于根据帧边缘得到对应的第一GPS时间，蜂窝通信模块还用于进行频偏估计以得到本地时钟对应的钟漂；
蜂窝通信模块还用于根据第一GPS时间和信号传输时延得到优化的GPS时间，并将优化的GPS时间发送至导航解算模块，信号传输时延为信号从基站传输到GNSS接收机所需要的时间；
导航解算模块还用于根据第一本地时间、优化的GPS时间、第二本地时间得到当前时间，第二本地时间为GNSS模块接收到优化的GPS时间对应的本地时间；
导航解算模块还用于根据当前时间、钟漂、卫星导航电文得到卫星的捕获参数；
跟踪引擎根据捕获参数进行卫星捕获。
较佳地，信号传输时延
Figure BDA0002761326820000041
Figure BDA0002761326820000042
其中，(X1，Y1，Z1)表征基站的位置对应的坐标，(X2，Y2，Z2)表征GNSS接收机的概略位置对应的坐标，c表征光速。
较佳地，当前时间TReceiver＝T2+(Tg2-Tg1)，T2＝T1+deltaT；其中，T2表征优化的GPS时间，Tg2表征第二本地时间，T1表征第一GPS时间。
较佳地，当前时间TReceiver＝To2+(Tg2-Tg1)，T2＝T1+deltaT，To2＝T2+△T；其中，To2表征补偿的GPS时间，T2表征优化的GPS时间，Tg2表征第二本地时间，T1表征第一GPS时间，△T表征系统偏差。
较佳地，导航解算模块根据卫星测距信号和卫星导航电文获取伪距、多普勒原始观测量、卫星的位置；
导航解算模块根据伪距、多普勒原始观测量、卫星的位置获取GNSS接收机的置位、速度和第二GPS时间Tgps；
导航解算模块获取蜂窝信号帧边缘对应的第三GPS时间Tgps_1＝Tgps–(Tg2-Tg1)；
导航解算模块根据蜂窝网络时间和第三GPS时间Tgps_1进行滤波估计以得到系统偏差△T。
较佳地，导航解算模块基于如下线性模型进行滤波估计：
Figure BDA0002761326820000043
τMeasurement(t)＝τ(t)+ετ(t)；
其中，τ是待估计的蜂窝网络时间，
Figure BDA0002761326820000044
表示相应的时间变化率，ω为模型误差，Ts表示测量时间间隔；τMeasurement取值为Tgps_1，ε表示观测误差；
基于线性模型构造一时间相关的卡尔曼滤波器，通过τMeasurement估计τ及
Figure BDA0002761326820000051
获取滤波输出的τ估计误差作为系统偏差△T。
较佳地，导航解算模块根据以下公式估计卫星的码相位：
Ttransmit＝TReceiver-ΔTtravel-ΔTSatClkBias；
其中，Ttransmit表征估计的卫星信号的发射时间，TReceiver表征当前时间，ΔTtravel为卫星信号从卫星传播到GNSS接收机所需要的时间，ΔTSatClkBias为卫星的钟漂信息。
较佳地，导航解算模块基于最小二乘法或者卡尔曼滤波算法确定GNSS接收机的精确的位置、速度及时间信息。
本发明还提供一种卫星捕获跟踪方法，卫星捕获跟踪方法基于一GNSS接收机实现，GNSS接收机包括蜂窝通信模块、GNSS模块；
GNSS模块包括跟踪引擎、导航解算模块；
卫星捕获跟踪方法包括以下步骤：
蜂窝通信模块解析信号帧以得到帧边缘，导航解算模块根据帧边缘记录第一本地时间，蜂窝通信模块根据帧边缘得到对应的第一GPS时间，蜂窝通信模块进行频偏估计以得到本地时钟对应的钟漂；
蜂窝通信模块根据第一GPS时间和信号传输时延得到优化的GPS时间，并将优化的GPS时间发送至导航解算模块，信号传输时延为信号从基站传输到GNSS接收机所需要的时间；
导航解算模块根据第一本地时间、优化的GPS时间、第二本地时间得到当前时间，第二本地时间为GNSS模块接收到优化的GPS时间对应的本地时间；
导航解算模块根据当前时间、钟漂、卫星导航电文得到卫星的捕获参数；
跟踪引擎根据捕获参数进行卫星捕获。
较佳地，信号传输时延
Figure BDA0002761326820000052
Figure BDA0002761326820000053
其中，(X1，Y1，Z1)表征基站的位置对应的坐标，(X2，Y2，Z2)表征GNSS接收机的概略位置对应的坐标，c表征光速。
较佳地，当前时间TReceiver＝T2+(Tg2-Tg1)，T2＝T1+deltaT；其中，T2表征优化的GPS时间，Tg2表征第二本地时间，T1表征第一GPS时间。
较佳地，当前时间TReceiver＝To2+(Tg2-Tg1)，T2＝T1+deltaT，To2＝T2+△T；其中，To2表征补偿的GPS时间，T2表征优化的GPS时间，Tg2表征第二本地时间，T1表征第一GPS时间，△T表征系统偏差。
较佳地，获取系统偏差△T的步骤包括：
导航解算模块根据卫星测距信号和卫星导航电文获取伪距、多普勒原始观测量、卫星的位置；
导航解算模块根据伪距、多普勒原始观测量、卫星的位置获取GNSS接收机的置位、速度和第二GPS时间Tgps；
导航解算模块获取蜂窝信号帧边缘对应的第三GPS时间Tgps_1＝Tgps–(Tg2-Tg1)；
导航解算模块根据蜂窝网络时间和第三GPS时间Tgps_1进行滤波估计以得到系统偏差△T。
较佳地，导航解算模块基于如下线性模型进行滤波估计：
Figure BDA0002761326820000061
τMeasurement(t)＝τ(t)+ετ(t)；
其中，τ是待估计的蜂窝网络时间，
Figure BDA0002761326820000062
表示相应的时间变化率，ω为模型误差，Ts表示测量时间间隔；τMeasurement取值为Tgps_1，ε表示观测误差；
基于线性模型构造一时间相关的卡尔曼滤波器，通过τMeasurement估计τ及
Figure BDA0002761326820000063
获取滤波输出的τ估计误差作为系统偏差△T。
较佳地，得到卫星的捕获参数的步骤包括：
导航解算模块根据以下公式估计卫星的码相位：
Ttransmit＝TReceiver-ΔTtravel-ΔTSatClkBias；
其中，Ttransmit表征估计的卫星信号的发射时间，TReceiver表征当前时间，ΔTtravel为卫星信号从卫星传播到GNSS接收机所需要的时间，ΔTSatClkBias为卫星的钟漂信息。
较佳地，卫星捕获跟踪方法还包括以下步骤：
导航解算模块基于最小二乘法或者卡尔曼滤波算法确定GNSS接收机的精确的位置、速度及时间信息。
本发明的积极进步效果在于：本发明能够有效提升卫星捕获速度、减少GNSS接收机的芯片面积和降低GNSS接收机的功耗。
附图说明
图1为本发明的实施例1的GNSS接收机的结构示意图。
图2为本发明的实施例1的GNSS接收机的GNSS模块的结构示意图。
图3为本发明的实施例3的卫星捕获跟踪方法的流程图。
具体实施方式
下面通过实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。
实施例1
本实施例提供一种GNSS接收机。参照图1，该GNSS接收机9包括蜂窝通信模块5、GNSS模块6。蜂窝通信模块5通过第一天线3与基站1通信。GNSS模块6通过第二天线8与卫星2通信。蜂窝通信模块5和GNSS模块6共用TCXO(Temperature Compensate X'tal(crystal)Oscillator温度补偿晶体振荡器)10作为时钟源。
参照图2，GNSS模块6包括射频前端103、跟踪引擎104及导航解算模块105。射频前端103通过第二天线8接收来自卫星2的信号，并对信号进行放大、滤波、下变频等操作产生中频信号。跟踪引擎104通过辅助信息，直接对信号进行处理，把载波和伪随机码彻底从导航电文上剥离下来，并获取相应的导航电文比特流。导航解算模块105对跟踪引擎获取的导航电文，进行帧同步及解码计算得到卫星相关信息(包括位置、速度、钟差等)，然后根据载波、伪随机码的相关信息得到伪距和多普勒频移观测值，利用最小二乘法或者卡尔曼滤波运算最终计算得到GNSS接收机的位置、速度以及时间信息。
前述跟踪引擎进行卫星捕获时所需要精确辅助信息，包含精确的时间信息、卫星导航电文以及接收机概略的位置信息。蜂窝通信模块5可以提供精确的时间信息，而AGNSS(Aided-GNSS，辅助GNSS)服务器107则可以提供接收机概略的位置信息、卫星导航电文等相关信息。此外，为了提供GNSS接收机快速启动及减少GNSS接收机和AGNSS服务器107数据交互的频度，GNSS接收机把接收机状态、卫星电文信息等存储到非易失性存储器108中。在蜂窝通信网络无信号的环境下，蜂窝通信模块5无法提供精确的时间辅助信息，无法直接通过跟踪引擎进行卫星捕获，此时，则启动软件捕获引擎模块109来实现对卫星的捕获。作为备份解决方案，软件捕获引擎模块109运行在DDR(双倍速率同步动态随机)存储器110中。因此，它不会消耗GNSS芯片的任何RAM(Random Access Memory，随机存取存储器)或ROM(Read-Only Memory，只读存储器)空间。
参照图3，本实施例的GNSS接收机参照以下步骤进行卫星捕获跟踪：
步骤S1、蜂窝通信模块解析信号帧以得到帧边缘，导航解算模块根据所述帧边缘记录第一本地时间，蜂窝通信模块根据所述帧边缘得到对应的第一GPS时间，蜂窝通信模块进行频偏估计以得到本地时钟对应的钟漂。
步骤S2、蜂窝通信模块根据GPS时间和信号传输时延得到优化的GPS时间，并将优化的GPS时间发送至导航解算模块。信号传输时延为信号从基站传输到GNSS接收机所需要的时间。
步骤S3、导航解算模块根据第一本地时间、优化的GPS时间、第二本地时间得到当前时间。第二本地时间为GNSS模块接收到优化的GPS时间对应的本地时间。
步骤S4、导航解算模块根据当前时间、钟漂、卫星导航电文得到卫星的捕获参数。
步骤S5、跟踪引擎根据捕获参数进行卫星捕获。
具体实施时，当GNSS接收机9接收到启动命令后，开始执行GNSS启动流程，并向蜂窝通信模块5请求时间信息，以及请求辅助信息。这里的辅助信息来源分为两个。一个是直接从非易失性存储器108中获取。此方法通常用于GNSS热启动的模式。另一个来源是AGNSS服务器107。在一种可选的实施方式中，如果终端产品为GNSS单模块形态，则AGNSS请求由GNSS模块6直接完成；在另一种可选的实施方式中，如果终端产品为手机、可穿戴式设备等带有AP(应用处理器)的产品，AGNSS服务则由AP完成，AP收到服务器下发的辅助信息后，再通过UART(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，通用异步收发传输器)或者其他方式传输给GNSS模块6。如上所述辅助信息包含粗略的时间信息、位置信息和星历参数等信息。
当蜂窝通信模块5接收到GNSS模块6的时间请求后，在步骤S1中，蜂窝通信模块5解析信号帧以得到帧边缘，并在该信号帧边缘生产中断信号发送给GNSS模块6的导航解算模块105。由于GNSS模块6和蜂窝通信模块5通过硬件直连(如通过GPIO(General-purposeinput/output，通用输入输出)等)，中断信号传输的时间延迟可忽略不计，所以，该中断信号与该信号帧边缘相对应。
GNSS模块6的导航解算模块105接收到该中断信号后，导航解算模块105根据中断信号记录第一本地时间Tg1，并等待软件通路传输过来的时间信息。蜂窝通信模块5根据帧边缘得到对应的第一GPS时间T1，蜂窝通信模块5进行频偏估计以得到本地时钟TCXO对应的钟漂clkDrift及相应的模糊度。
然后，在步骤S2中，蜂窝通信模块5根据第一GPS时间T1和信号传输时延deltaT得到优化的GPS时间T2。其中，T2＝T1+deltaT。
信号传输时延deltaT为信号从基站传输到GNSS接收机9所需要的时间。deltaT的大小取决于接收机和基站的距离。deltaT的具体计算方式参照以下公式：
Figure BDA0002761326820000101
其中，(X1，Y1，Z1)为基站位置对应的坐标，(X2，Y2，Z2)为GNSS接收机9的概略位置对应的坐标，c为光速。deltaT的引入，可以有效提高精度。例如，基站与GNSS接收机9的距离为3km(千米)的时候，忽略deltaT会带来10个码片的误差。
在基站设置完成后，基站位置对应的坐标即为已知。
在一种可选的实施方式中，获取GNSS接收机9的概略位置的方式为：GNSS接收机9测量不同基站的下行导频信号，得到不同基站下行导频的TOA(Time of Arrival，到达时刻)或TDOA(Time Difference of Arrival，到达时间差)，根据该测量结果并结合基站位置的坐标，采用三角公式估计算法，计算得到GNSS接收机9的概略位置，技术细节可以参考《蜂窝网无线定位》(电子工业出版社，2002，范平志、邓平、刘林)。
在一种可选的实施方式中，为了加速GNSS定位时间，蜂窝通信模块5解调时间的操作从蜂窝通信网络完成驻网后就开始进行。
蜂窝通信模块5得到优化的GPS时间T2，则将GPS时间T2传输至GNSS模块6的导航解算模块105。
接下来，在步骤S3中，导航解算模块105根据第一本地时间Tg1、优化的GPS时间T2、第二本地时间Tg2得到当前时间TReceiver，第二本地时间Tg2为GNSS模块6接收到优化的GPS时间T2对应的本地时间。TReceiver＝T2+(Tg2-Tg1)。
此时，GNSS模块6已经得到精确的时间信息(当前时间TReceiver)、本地时钟的钟漂clkDrift、概略的位置信息以及卫星导航电文。这些信息已经足够用于估计卫星的捕获参数，包括码相位及多普勒频移等。
然后，在步骤S4中，导航解算模块105根据以下公式估计卫星的码相位：
Ttransmit＝TReceiver-ΔTtravel-ΔTSatClkBias；
其中：Ttransmit为估计的卫星信号发射时间。由于GNSS卫星C/A码一个周期信号长度为1023个码片，时长为1毫秒。当得到精确的发射时间后，只考虑少于毫秒的部分，就可以计算得到精确的码片位置；
ΔTtravel为卫星信号从卫星传播到接收机所需要的时间，可以通过电文解析到的卫星位置和粗略的接收机位置计算得到。由于通过基站定位获取到的接收机位置误差通常在500米内，故而接收机位置误差引入的码片估计误差最恶劣的情况通常也不足10个码片，此部分可在卫星捕获范围中加以考虑。
ΔTSatClkBias为卫星的钟漂信息，可以直接从卫星的电文中解调得到。
多频勒频移可以通过卫星和接收机的多普勒效应计算得到，同时还需要考虑接收机本地时钟的钟漂影响。卫星的速度可以根据导航电文给出的信息直接计算得到，接收机的速度可以用粗略的估计值代替，模糊度则在多普勒频率搜索范围中加以考虑。
利用上述估计的卫星捕获参数直接启动跟踪引擎进行卫星的捕获。由于估计的参数较为精确，通常跟踪引擎可以快速捕获到卫星信号，并将解调后的信息作为观测量提供给导航解算模块。导航解算模块通过最小二乘法或者卡尔曼滤波算法最终确定接收机精确的位置、速度及时间信息。
基站1的时间精度和GNSS在同一量级。当基站1为CDMA基站和CDMA 2000基站时，时间同步的要求是10us；当基站1为TD-SCDMA基站时，时间同步要求为3u；当基站1为LTE基站时，时间同步要求为1us甚至是微秒量级。对于类似精度量级的基站系统，可以很好的满足本实施例对基站系统的精度要求。以CDMA系统为例，每一个基站都搭载GNSS接收机9，作为时间基准的参考源。GNSS接收机99同时包含蜂窝通信模块5及GNSS模块6。蜂窝通信模块5接收来自基站1的信号帧，并解析得到信号帧边缘对应的时间信息。在蜂窝通信模块5检测到信号帧边缘的同时，产生触发信号，并通过硬件直连与GNSS模块6进行通信，GNSS模块6通过本地时钟记录信号触发的时刻。硬件连接的时延很小，可以忽略不计。GNSS模块6和蜂窝通信模块5共用TCXO作为时钟源。同时，GNSS模块6通过第二天线8接收来自卫星2的测距信号，通过PVT解算可以得到接收机精确的时间信息。GNSS模块6通过本地时钟可以推算出在信号触发时刻对应的GNSS时间，并结合蜂窝通信模块5得到的时间，实时跟踪蜂窝通信模块5的时间误差。
本实施例的GNSS接收机利用蜂窝网络模块提供的时间辅助以及AGNSS服务器提供星历辅助，省略了传统GNSS接收机中的捕获引擎模块，不但可以通过减少GNSS接收机的芯片的面积来降低成本，还可以降低GNSS接收机整体功耗。同时，通过跟踪引擎进行卫星捕获速度更快，从而提升了GNSS定位性能。
实施例2
本实施例提供一种GNSS接收机。本实施例的GNSS接收机与实施例1的GNSS接收机大致相同，区别在于，导航解算模块105在获取当前时间的过程中引入系统偏差△T。
如果基站的基准不是GNSS时间的话，上述估计有可能含有一个系统偏差；或者基站的时钟基准是GNSS时间，但是基站在做GNSS时间与蜂窝网络信号调制进行同步操作时，可能引入一个系统偏差，记为△T。对包含系统偏差的情况下，则采用如下公式获得来当前时间TReceiver：
TReceiver＝To2+(Tg2-Tg1)，T2＝T1+deltaT，To2＝T2+△T；
其中，To2表征补偿的GPS时间，T2表征优化的GPS时间，Tg2表征第二本地时间，T1表征第一GPS时间，△T表征系统偏差。
在得到第一GPS时间T1、优化的GPS时间系统T2、第一本地时间Tg1、第二本地时间Tg2等之后，进一步获取系统偏差△T的过程如下：
GNSS接收机通过接收GNSS卫星测距信号和卫星导航电文，组成伪距、多普勒原始观测量，以及解得卫星的位置信息；根据伪距、多普勒原始观测量、卫星的位置等信息，通过最小二乘算法或卡尔曼滤波算法，计算当前GNSS接收机的位置、速度及第二GPS时间Tgps；
然后，根据本地时间差，推算出蜂窝信号帧边缘对应的第三GPS时间Tgps_1：
Tgps_1＝Tgps–(Tg2-Tg1)；
最后，对同一时刻的蜂窝网络时间及GNSS模块得到的GPS时间(第三GPS时间Tgps_1)进行滤波估计。滤波估计基于如下线性模型：
Figure BDA0002761326820000131
τMeasurement(t)＝τ(t)+ετ(t)；
其中，τ是待估计的蜂窝网络时间(以GPS时来表示)，
Figure BDA0002761326820000132
表示相应的时间变化率，ω为模型误差(通常假定为高斯白噪声)，Ts表示测量时间间隔(或称之为测量频率)。τMeasurement为GNSS模块得到的GPS时(即第三GPS时间Tgps_1)，ε表示观测误差。通过如上模型，构造一个时间相关的卡尔曼滤波器(构造该卡尔曼滤波器的具体方式可参考莫祥林，杜建洪，“一种自适应的OFDM频偏估计方法”，复旦学报(自然科学版)，第44卷第一期，2005)，通过τMeasurement来估计τ及
Figure BDA0002761326820000133
滤波输出的τ估计误差即为需要求解的系统偏差△T。
本实施例的GNSS接收机进行卫星捕获跟踪的其他步骤可参照实施例1实现，此处不再赘述。
实施例3
本实施例提供一种卫星捕获跟踪方法。该卫星捕获跟踪方法基于一种GNSS接收机实现。参照图1，该GNSS接收机9包括蜂窝通信模块5、GNSS模块6。蜂窝通信模块5通过第一天线3与基站1通信。GNSS模块6通过第二天线8与卫星2通信。蜂窝通信模块5和GNSS模块6共用TCXO(Temperature Compensate X'tal(crystal)Oscillator温度补偿晶体振荡器)10作为时钟源。
参照图2，GNSS模块6包括射频前端103、跟踪引擎104及导航解算模块105。射频前端103通过第二天线8接收来自卫星2的信号，并对信号进行放大、滤波、下变频等操作产生中频信号。跟踪引擎104通过辅助信息，直接对信号进行处理，把载波和伪随机码彻底从导航电文上剥离下来，并获取相应的导航电文比特流。导航解算模块105对跟踪引擎获取的导航电文，进行帧同步及解码计算得到卫星相关信息(包括位置、速度、钟差等)，然后根据载波、伪随机码的相关信息得到伪距和多普勒频移观测值，利用最小二乘法或者卡尔曼滤波运算最终计算得到GNSS接收机的位置、速度以及时间信息。
前述跟踪引擎进行卫星捕获时所需要精确辅助信息，包含精确的时间信息、卫星导航电文以及接收机概略的位置信息。蜂窝通信模块5可以提供精确的时间信息，而AGNSS(Aided-GNSS，辅助GNSS)服务器107则可以提供接收机概略的位置信息、卫星导航电文等相关信息。此外，为了提供GNSS接收机快速启动及减少GNSS接收机和AGNSS服务器107数据交互的频度，GNSS接收机把接收机状态、卫星电文信息等存储到非易失性存储器108中。在蜂窝通信网络无信号的环境下，蜂窝通信模块5无法提供精确的时间辅助信息，无法直接通过跟踪引擎进行卫星捕获，此时，则启动软件捕获引擎模块109来实现对卫星的捕获。作为备份解决方案，软件捕获引擎模块109运行在DDR(双倍速率同步动态随机)存储器110中。因此，它不会消耗GNSS芯片的任何RAM(Random Access Memory，随机存取存储器)或ROM(Read-Only Memory，只读存储器)空间。
参照图3，本实施例的GNSS接收机参照以下步骤进行卫星捕获跟踪：
步骤S1、蜂窝通信模块解析信号帧以得到帧边缘，导航解算模块根据所述帧边缘记录第一本地时间，蜂窝通信模块根据所述帧边缘得到对应的第一GPS时间，蜂窝通信模块进行频偏估计以得到本地时钟对应的钟漂。
步骤S2、蜂窝通信模块根据GPS时间和信号传输时延得到优化的GPS时间，并将优化的GPS时间发送至导航解算模块。信号传输时延为信号从基站传输到GNSS接收机所需要的时间。
步骤S3、导航解算模块根据第一本地时间、优化的GPS时间、第二本地时间得到当前时间。第二本地时间为GNSS模块接收到优化的GPS时间对应的本地时间。
步骤S4、导航解算模块根据当前时间、钟漂、卫星导航电文得到卫星的捕获参数。
步骤S5、跟踪引擎根据捕获参数进行卫星捕获。
具体实施时，当GNSS接收机9接收到启动命令后，开始执行GNSS启动流程，并向蜂窝通信模块5请求时间信息，以及请求辅助信息。这里的辅助信息来源分为两个。一个是直接从非易失性存储器108中获取。此方法通常用于GNSS热启动的模式。另一个来源是AGNSS服务器107。在一种可选的实施方式中，如果终端产品为GNSS单模块形态，则AGNSS请求由GNSS模块6直接完成；在另一种可选的实施方式中，如果终端产品为手机、可穿戴式设备等带有AP(应用处理器)的产品，AGNSS服务则由AP完成，AP收到服务器下发的辅助信息后，再通过UART(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，通用异步收发传输器)或者其他方式传输给GNSS模块6。如上所述辅助信息包含粗略的时间信息、位置信息和星历参数等信息。
当蜂窝通信模块5接收到GNSS模块6的时间请求后，在步骤S1中，蜂窝通信模块5解析信号帧以得到帧边缘，并在该信号帧边缘生产中断信号发送给GNSS模块6的导航解算模块105。由于GNSS模块6和蜂窝通信模块5通过硬件直连(如通过GPIO(General-purposeinput/output，通用输入输出)等)，中断信号传输的时间延迟可忽略不计，所以，该中断信号与该信号帧边缘相对应。
GNSS模块6的导航解算模块105接收到该中断信号后，导航解算模块105根据中断信号记录第一本地时间Tg1，并等待软件通路传输过来的时间信息。蜂窝通信模块5根据帧边缘得到对应的第一GPS时间T1，蜂窝通信模块5进行频偏估计以得到本地时钟TCXO对应的钟漂clkDrift及相应的模糊度。
然后，在步骤S2中，蜂窝通信模块5根据第一GPS时间T1和信号传输时延deltaT得到优化的GPS时间T2。其中，T2＝T1+deltaT。
信号传输时延deltaT为信号从基站传输到GNSS接收机9所需要的时间。deltaT的大小取决于接收机和基站的距离。deltaT的具体计算方式参照以下公式：
Figure BDA0002761326820000161
其中，(X1，Y1，Z1)为基站位置对应的坐标，(X2，Y2，Z2)为GNSS接收机9的概略位置对应的坐标，c为光速。deltaT的引入，可以有效提高精度。例如，基站与GNSS接收机9的距离为3km(千米)的时候，忽略deltaT会带来10个码片的误差。
在基站设置完成后，基站位置对应的坐标即为已知。
在一种可选的实施方式中，获取GNSS接收机9的概略位置的方式为：GNSS接收机9测量不同基站的下行导频信号，得到不同基站下行导频的TOA(Time of Arrival，到达时刻)或TDOA(Time Difference of Arrival，到达时间差)，根据该测量结果并结合基站位置的坐标，采用三角公式估计算法，计算得到GNSS接收机9的概略位置，技术细节可以参考《蜂窝网无线定位》(电子工业出版社，2002，范平志、邓平、刘林)。
在一种可选的实施方式中，为了加速GNSS定位时间，蜂窝通信模块5解调时间的操作从蜂窝通信网络完成驻网后就开始进行。
蜂窝通信模块5得到优化的GPS时间T2，则将GPS时间T2传输至GNSS模块6的导航解算模块105。
接下来，在步骤S3中，导航解算模块105根据第一本地时间Tg1、优化的GPS时间T2、第二本地时间Tg2得到当前时间TReceiver，第二本地时间Tg2为GNSS模块6接收到优化的GPS时间T2对应的本地时间。TReceiver＝T2+(Tg2-Tg1)。
此时，GNSS模块6已经得到精确的时间信息(当前时间TReceiver)、本地时钟的钟漂clkDrift、概略的位置信息以及卫星导航电文。这些信息已经足够用于估计卫星的捕获参数，包括码相位及多普勒频移等。
然后，在步骤S4中，导航解算模块105根据以下公式估计卫星的码相位：
Ttransmit＝TReceiver-ΔTtravel-ΔTSatClkBias；
其中：Ttransmit为估计的卫星信号发射时间。由于GNSS卫星C/A码一个周期信号长度为1023个码片，时长为1毫秒。当得到精确的发射时间后，只考虑少于毫秒的部分，就可以计算得到精确的码片位置；
ΔTtravel为卫星信号从卫星传播到接收机所需要的时间，可以通过电文解析到的卫星位置和粗略的接收机位置计算得到。由于通过基站定位获取到的接收机位置误差通常在500米内，故而接收机位置误差引入的码片估计误差最恶劣的情况通常也不足10个码片，此部分可在卫星捕获范围中加以考虑。
ΔTSatClkBias为卫星的钟漂信息，可以直接从卫星的电文中解调得到。
多频勒频移可以通过卫星和接收机的多普勒效应计算得到，同时还需要考虑接收机本地时钟的钟漂影响。卫星的速度可以根据导航电文给出的信息直接计算得到，接收机的速度可以用粗略的估计值代替，模糊度则在多普勒频率搜索范围中加以考虑。
利用上述估计的卫星捕获参数直接启动跟踪引擎进行卫星的捕获。由于估计的参数较为精确，通常跟踪引擎可以快速捕获到卫星信号，并将解调后的信息作为观测量提供给导航解算模块。导航解算模块通过最小二乘法或者卡尔曼滤波算法最终确定接收机精确的位置、速度及时间信息。
基站1的时间精度和GNSS在同一量级。当基站1为CDMA基站和CDMA 2000基站时，时间同步的要求是10us；当基站1为TD-SCDMA基站时，时间同步要求为3u；当基站1为LTE基站时，时间同步要求为1us甚至是微秒量级。对于类似精度量级的基站系统，可以很好的满足本实施例对基站系统的精度要求。以CDMA系统为例，每一个基站都搭载GNSS接收机9，作为时间基准的参考源。GNSS接收机99同时包含蜂窝通信模块5及GNSS模块6。蜂窝通信模块5接收来自基站1的信号帧，并解析得到信号帧边缘对应的时间信息。在蜂窝通信模块5检测到信号帧边缘的同时，产生触发信号，并通过硬件直连与GNSS模块6进行通信，GNSS模块6通过本地时钟记录信号触发的时刻。硬件连接的时延很小，可以忽略不计。GNSS模块6和蜂窝通信模块5共用TCXO作为时钟源。同时，GNSS模块6通过第二天线8接收来自卫星2的测距信号，通过PVT解算可以得到接收机精确的时间信息。GNSS模块6通过本地时钟可以推算出在信号触发时刻对应的GNSS时间，并结合蜂窝通信模块5得到的时间，实时跟踪蜂窝通信模块5的时间误差。
本实施例的卫星捕获跟踪方法利用蜂窝网络模块提供的时间辅助以及AGNSS服务器提供星历辅助，省略了传统GNSS接收机中的捕获引擎模块，不但可以通过减少GNSS接收机的芯片的面积来降低成本，还可以降低GNSS接收机整体功耗。同时，通过跟踪引擎进行卫星捕获速度更快，从而提升了GNSS定位性能。
实施例4
本实施例提供一种卫星捕获跟踪方法。本实施例的卫星捕获跟踪方法与实施例3的卫星捕获跟踪方法大致相同，区别在于，在步骤S3中，在获取当前时间的过程中引入系统偏差△T。
如果基站的基准不是GNSS时间的话，上述估计有可能含有一个系统偏差；或者基站的时钟基准是GNSS时间，但是基站在做GNSS时间与蜂窝网络信号调制进行同步操作时，可能引入一个系统偏差，记为△T。对包含系统偏差的情况下，则采用如下公式获得来当前时间TReceiver：
TReceiver＝To2+(Tg2-Tg1)，T2＝T1+deltaT，To2＝T2+△T；
其中，To2表征补偿的GPS时间，T2表征优化的GPS时间，Tg2表征第二本地时间，T1表征第一GPS时间，△T表征系统偏差。
在得到第一GPS时间T1、优化的GPS时间系统T2、第一本地时间Tg1、第二本地时间Tg2等之后，进一步获取系统偏差△T的过程如下：
GNSS接收机通过接收GNSS卫星测距信号和卫星导航电文，组成伪距、多普勒原始观测量，以及解得卫星的位置信息；
根据伪距、多普勒原始观测量、卫星的位置等信息，通过最小二乘算法或卡尔曼滤波算法，计算当前GNSS接收机的位置、速度及第二GPS时间Tgps；
然后，根据本地时间差，推算出蜂窝信号帧边缘对应的第三GPS时间Tgps_1：
Tgps_1＝Tgps–(Tg2-Tg1)；
最后，对同一时刻的蜂窝网络时间及GNSS模块得到的GPS时间(第三GPS时间Tgps_1)进行滤波估计。滤波估计基于如下线性模型：
Figure BDA0002761326820000191
τMeasurement(t)＝τ(t)+ετ(t)；
其中，τ是待估计的蜂窝网络时间(以GPS时来表示)，
Figure BDA0002761326820000192
表示相应的时间变化率，ω为模型误差(通常假定为高斯白噪声)，Ts表示测量时间间隔(或称之为测量频率)。τMeasurement为GNSS模块得到的GPS时(即第三GPS时间Tgps_1)，ε表示观测误差。通过如上模型，构造一个时间相关的卡尔曼滤波器(构造该卡尔曼滤波器的具体方式可参考莫祥林，杜建洪，“一种自适应的OFDM频偏估计方法”，复旦学报(自然科学版)，第44卷第一期，2005)，通过τMeasurement来估计τ及
Figure BDA0002761326820000193
滤波输出的τ估计误差即为需要求解的系统偏差△T。
本实施例的其他步骤可参照实施例3实现，此处不再赘述。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。

Claims (16)

1.一种GNSS接收机，其特征在于，包括蜂窝通信模块、GNSS模块；
所述GNSS模块包括跟踪引擎、导航解算模块；
所述蜂窝通信模块用于解析信号帧以得到帧边缘，所述导航解算模块用于根据所述帧边缘记录第一本地时间，所述蜂窝通信模块还用于根据所述帧边缘得到对应的第一GPS时间，所述蜂窝通信模块还用于进行频偏估计以得到本地时钟对应的钟漂；
所述蜂窝通信模块还用于根据所述第一GPS时间和信号传输时延得到优化的GPS时间，并将所述优化的GPS时间发送至所述导航解算模块，所述信号传输时延为信号从基站传输到所述GNSS接收机所需要的时间；
所述导航解算模块还用于根据所述第一本地时间、所述优化的GPS时间、第二本地时间得到当前时间，所述第二本地时间为所述GNSS模块接收到所述优化的GPS时间对应的本地时间；
所述导航解算模块还用于根据所述当前时间、所述钟漂、卫星导航电文得到卫星的捕获参数；
所述跟踪引擎根据所述捕获参数进行卫星捕获。
2.如权利要求1所述的GNSS接收机，其特征在于，所述信号传输时延
Figure FDA0003778607960000011
其中，(X1，Y1，Z1)表征所述基站的位置对应的坐标，(X2，Y2，Z2)表征所述GNSS接收机的概略位置对应的坐标，c表征光速。
3.如权利要求2所述的GNSS接收机，其特征在于，所述当前时间TReceiver＝T2+(Tg2-Tg1)，T2＝T1+deltaT；其中，T2表征所述优化的GPS时间，Tg2表征所述第二本地时间，T1表征所述第一GPS时间，Tg1表征所述第一本地时间。
4.如权利要求2所述的GNSS接收机，其特征在于，所述当前时间TReceiver＝To2+(Tg2-Tg1)，T2＝T1+deltaT，To2＝T2+△T；其中，To2表征补偿的GPS时间，T2表征所述优化的GPS时间，Tg2表征所述第二本地时间，T1表征所述第一GPS时间，△T表征系统偏差，Tg1表征所述第一本地时间。
5.如权利要求4所述的GNSS接收机，其特征在于，所述导航解算模块根据卫星测距信号和所述卫星导航电文获取伪距、多普勒原始观测量、所述卫星的位置；
所述导航解算模块根据所述伪距、所述多普勒原始观测量、所述卫星的位置获取所述GNSS接收机的置位、速度和第二GPS时间Tgps；
所述导航解算模块获取蜂窝信号帧边缘对应的第三GPS时间Tgps_1＝Tgps–(Tg2-Tg1)；
所述导航解算模块根据蜂窝网络时间和第三GPS时间Tgps_1进行滤波估计以得到所述系统偏差△T。
6.如权利要求5所述的GNSS接收机，其特征在于，所述导航解算模块基于如下线性模型进行滤波估计：
Figure FDA0003778607960000022
τMeasurement(t)＝τ(t)+ετ(t)；
其中，τ是待估计的蜂窝网络时间，
Figure FDA0003778607960000021
表示相应的时间变化率，ω为模型误差，Ts表示测量时间间隔；τMeasurement取值为Tgps_1，ε表示观测误差；
基于所述线性模型构造一时间相关的卡尔曼滤波器，通过τMeasurement估计τ及
Figure FDA0003778607960000023
获取滤波输出的τ估计误差作为所述系统偏差△T。
7.如权利要求1所述的GNSS接收机，其特征在于，所述导航解算模块根据以下公式估计所述卫星的码相位：
Ttransmit＝TReceiver-ΔTtravel-ΔTSatClkBias；
其中，Ttransmit表征估计的卫星信号的发射时间，TReceiver表征所述当前时间，ΔTtravel为所述卫星信号从所述卫星传播到所述GNSS接收机所需要的时间，ΔTSatClkBias为所述卫星的钟漂信息。
8.如权利要求1所述的GNSS接收机，其特征在于，所述导航解算模块基于最小二乘法或者卡尔曼滤波算法确定所述GNSS接收机的精确的位置、速度及时间信息。
9.一种卫星捕获跟踪方法，其特征在于，所述卫星捕获跟踪方法基于一GNSS接收机实现，所述GNSS接收机包括蜂窝通信模块、GNSS模块；
所述GNSS模块包括跟踪引擎、导航解算模块；
所述卫星捕获跟踪方法包括以下步骤：
所述蜂窝通信模块解析信号帧以得到帧边缘，所述导航解算模块根据所述帧边缘记录第一本地时间，所述蜂窝通信模块根据所述帧边缘得到对应的第一GPS时间，所述蜂窝通信模块进行频偏估计以得到本地时钟对应的钟漂；
所述蜂窝通信模块根据所述第一GPS时间和信号传输时延得到优化的GPS时间，并将所述优化的GPS时间发送至所述导航解算模块，所述信号传输时延为信号从基站传输到所述GNSS接收机所需要的时间；
所述导航解算模块根据所述第一本地时间、所述优化的GPS时间、第二本地时间得到当前时间，所述第二本地时间为所述GNSS模块接收到所述优化的GPS时间对应的本地时间；
所述导航解算模块根据所述当前时间、所述钟漂、卫星导航电文得到卫星的捕获参数；
所述跟踪引擎根据所述捕获参数进行卫星捕获。
10.如权利要求9所述的卫星捕获跟踪方法，其特征在于，所述信号传输时延
Figure FDA0003778607960000031
其中，(X1，Y1，Z1)表征所述基站的位置对应的坐标，(X2，Y2，Z2)表征所述GNSS接收机的概略位置对应的坐标，c表征光速。
11.如权利要求10所述的卫星捕获跟踪方法，其特征在于，所述当前时间TReceiver＝T2+(Tg2-Tg1)，T2＝T1+deltaT；其中，T2表征所述优化的GPS时间，Tg2表征所述第二本地时间，T1表征所述第一GPS时间，Tg1表征所述第一本地时间。
12.如权利要求10所述的卫星捕获跟踪方法，其特征在于，所述当前时间TReceiver＝To2+(Tg2-Tg1)，T2＝T1+deltaT，To2＝T2+△T；其中，To2表征补偿的GPS时间，T2表征所述优化的GPS时间，Tg2表征所述第二本地时间，T1表征所述第一GPS时间，△T表征系统偏差，Tg1表征所述第一本地时间。
13.如权利要求12所述的卫星捕获跟踪方法，其特征在于，获取所述系统偏差△T的步骤包括：
所述导航解算模块根据卫星测距信号和所述卫星导航电文获取伪距、多普勒原始观测量、所述卫星的位置；
所述导航解算模块根据所述伪距、所述多普勒原始观测量、所述卫星的位置获取所述GNSS接收机的置位、速度和第二GPS时间Tgps；
所述导航解算模块获取蜂窝信号帧边缘对应的第三GPS时间Tgps_1＝Tgps–(Tg2-Tg1)；
所述导航解算模块根据蜂窝网络时间和第三GPS时间Tgps_1进行滤波估计以得到所述系统偏差△T。
14.如权利要求13所述的卫星捕获跟踪方法，其特征在于，所述导航解算模块基于如下线性模型进行滤波估计：
Figure FDA0003778607960000041
τMeasurement(t)＝τ(t)+ετ(t)；
其中，τ是待估计的蜂窝网络时间，
Figure FDA0003778607960000042
表示相应的时间变化率，ω为模型误差，Ts表示测量时间间隔；τMeasurement取值为Tgps_1，ε表示观测误差；
基于所述线性模型构造一时间相关的卡尔曼滤波器，通过τMeasurement估计τ及
Figure FDA0003778607960000043
获取滤波输出的τ估计误差作为所述系统偏差△T。
15.如权利要求9所述的卫星捕获跟踪方法，其特征在于，得到所述卫星的捕获参数的步骤包括：
所述导航解算模块根据以下公式估计所述卫星的码相位：
Ttransmit＝TReceiver-ΔTtravel-ΔTSatClkBias；
其中，Ttransmit表征估计的卫星信号的发射时间，TReceiver表征所述当前时间，ΔTtravel为所述卫星信号从所述卫星传播到所述GNSS接收机所需要的时间，ΔTSatClkBias为所述卫星的钟漂信息。
16.如权利要求9所述的卫星捕获跟踪方法，其特征在于，
所述卫星捕获跟踪方法还包括以下步骤：
所述导航解算模块基于最小二乘法或者卡尔曼滤波算法确定所述GNSS接收机的精确的位置、速度及时间信息。
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