CN113075712A - 一种自主可控的多系统高精度导航设备及导航方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种自主可控的多系统高精度导航设备及导航方法，属于定位导航技术领域。本发明的系统包括信道模块、通道模块、时钟模块、电源模块及接口模块。所述电源模块用于为各个模块供电；所述时钟模块用于为所述信道模块和通道模块提供时钟基准；所述信道模块用于分别利用不同信道对GPS信号和北斗信号进行数字转换；导航解算模块用于对GPS信号和北斗信号进行导航解算，进行基于GPS信号和北斗信号的导航定位。本发明通过双系统冗余，提高了定位精度；同时通过优化器件，实现了完全自主可控的全国产化设计。

Description

一种自主可控的多系统高精度导航设备及导航方法
技术领域
本发明涉及通信领域，具体涉及一种全国产化高精度导航设备及导航方法。
背景技术
中国北斗卫星导航系统(BeiDou Navigation Satellite System，BDS)是中国自行研制的全球卫星导航系统。北斗卫星导航系统由空间段、地面段和用户段三部分组成，可在全球范围内全天候、全天时为各类用户提供高精度、高可靠定位、导航、授时服务(RNSS)，并具短报文通信能力(RDSS)。RNSS信号通过B1I、B1C、B2A、B3I四个频点提供给公开的基本导航服务，通过B1A、B3A、B3AE、B3Q四个频点提供授权导航服务信号。
GPS(Global Positioning System)是由美国国防部研制建立的一种具有全方位、全天候、全时段、高精度的卫星导航系统，能为全球用户提供低成本、高精度的三维位置、速度和精确定时等导航信息，是卫星通信技术在导航领域的应用典范，它极大地提高了地球社会的信息化水平，有力地推动了数字经济的发展。目前GPS共L1～L5共5个频点播发服务，其中L3 用于核爆炸等高能红外辐射事件的侦查，L4用于电离层研究，L5为近几年发射的GPS新卫星上增加的频点。
卫星导航接收机的定位精度取决于几何精度因子(DOP)和伪距误差因子(UERE)的乘积。即：
(定位误差)＝(几何精度因子)×(伪距误差因子)
几何精度因子表示卫星和接收装置的相对几何布局对定位解误差的复合影响；伪距误差因子就是卫星的等效距离误差UERE。
伪距误差因子的误差源主要有三类：
与卫星有关的误差，包括卫星钟差和卫星轨道误差等，由系统URE指标给出。
与信号传播有关的误差，包括电离层延迟误差、对流层延迟误差等。
与接收装置有关的误差，测距误差等。
使用两台接收机，同时接收卫星信号，其中一台接收机坐标已知(称为参考站)，另外一台接收机坐标待测(称为流动站)。在这2台接收机距离不太远的时候(几十公里到几百公里，这个距离矢量称为基线)，可以认为电离层和对流层对两台接收机的影响是一样的，卫星钟差影响也相同。由于两台接收机误差之间的相关性，依据差分原理可以减弱主要误差源的影响，部分误差甚至可以完全消除。RTD(码(C/A码、P码)差分技术)定位精度可以达到亚米级，而RTK(载波相位L1、L2差分技术)采用双频可以达到厘米级。采用RTK/RTD技术可以实现GPS、BDS的高精度导航。
但在实际应用中，由于导航卫星播发的卫星信号功率很低(最低 -133dBm)，在复杂恶劣信道环境中，卫星导航信号易受到多种形式的有意 或无意干扰，导致接收机导航定位性能下降，严重情况下甚至无法正常工 作。采用GPS、BDS冗余设计的方法，可以将两种系统互相作为备份，在 其中一个卫星系统受干扰不能正常工作时，另一个卫星系统可以自动切换 完成高精度导航。而且，也不可能在设备使用时附近一直存在着一台坐标 已知的接收机。因此，希望提供一种自主可控的多系统高精度导航设备。
发明内容
本发明的目的是，采用基于SOC芯片的电路设计，实现GPS、BDS双卫星系统的实时RTK高精度导航，通过双系统冗余，增强测量的稳定性；通过优化器件，实现了完全自主可控的全国产化设计。
具体而言，本发明提供一种自主可控的多系统高精度导航设备，其特征在于：所述导航设备包括电源模块、时钟模块、信道模块、导航解算模块、接口模块，
所述电源模块用于为所述时钟模块、信道模块、通道模块、接口模块供电；
所述时钟模块用于为所述信道模块和通道模块提供时钟基准；
所述信道模块用于分别利用不同信道对GPS信号和北斗信号进行接收、放大，下变频，并将下变频后的中频信号经AD采样后送通道模块进行数字域处理；
导航解算模块用于对GPS信号和北斗信号进行导航解算，进行基于 GPS信号和北斗信号的导航定位；
所述接口模块用于与外部进行通讯，
其中，所述导航解算模块分别对GPS信号和BDS信号进行单独解算，
并确定基于两种信号的轨迹类型；基于所述轨道类型进行导航定位。
优选地，所述接口模块还用于对外输出PPS时钟基准，并与外界的导航定位和指令控制模块通讯。
优选地，还包括信道模块，所述信道模块的入口使用四功分器对信号进行分路，分为GPS L1、L2，BDS B1、B3四路信道，每路信道包括滤波模块和放大模块，采用介质滤波器进行滤波，然后进行射频域放大和一次下变频，实现GPS-L1、L2，BDS-B1、B3双系统四频点卫星信号的放大和变频，其中频输出频率为零频。
优选地，通道模块包括SOC芯片，该芯片内嵌SPARC-V8双核处理器，外部FLASH采用NAND芯片，容量为16Mbit，用于存储运行代码和关键参数。
优选地，时钟模块采用高稳晶振提供10MHz时钟，经锁相倍频后，分为两路信号，一路62M时钟送通道模块作为基准时钟，一路40M时钟作为射频芯片的输入时钟。
优选地，电源模块采用DC5V输入，采用DC/DC模块变换为3.3V、1.2V、 2.3V电平，采用LDO模块变换为1.8V。
优选地，采用RS422芯片，对外提供标准1组PPS信号用于作为时钟基准、1组单向接收RCTM信号、1组全双工串口信号用于对外通讯。
优选地，所述导航设备以Ab7203基带一体化SOC芯片为核心，辅以国产化的电源器件、射频器件、时钟器件、存储器件、接口器件制备而成。
优选地，导航解算模块按照权利要求10中所述的方法进行导航解算。
另一方面，本发明提供一种基于GPS信号和北斗的联合导航定位方法，其特征在于，所述方法包括：
以系统采样周期的N倍为基准周期，分别获取M组GPS和BDS的前续采样数据，N为大于等于1的正整数；
对于该M组GPS数据和BDS，分别根据下述公式(1)构建基于时间间隔的方程组：
Figure BDA0002980515870000051
其中，XM、YM、ZM分别为M组数据中最近一个数据对应位置的经度、维度以及高度坐标，a1、b1、c1、a2、b2、c2、……a5、b5、c5为三维轨迹预测参数，xi、yi、zi为第i个数据点对应的解算对应位置点坐标，Δt为取样时间间隔；
对于所述M组GPS数据和BDS数据，分别根据下述公式(2)构建基于时间间隔的第二方程组：
Figure BDA0002980515870000061
其中，d1、f1、g1、w1、
Figure BDA0002980515870000062
……d5、f5、g5、w5、
Figure BDA0002980515870000063
为三维轨迹预测参数，
对于新的GPS数据和BDS数据，分别利用各自的解算模型进行初步解算，获得各自的GPS和BDS初步解算数据坐标(XMG，YMG，ZMG) 和(XMB，YMB，ZMB)；并且将该新的GPS数据和BDS数据的获取时间与上一个周期的GPS数据和BDS数据的获取时间的时间差Δt代入相应的公式 (1)和(2)获得，获得相应的第一预测坐标值(XMGy1，YMGy1，ZMGy1) 和(XMBy1，YMBy1，ZMBy1)，以及第二预测坐标值(XMGy2，YMGy2，ZMGy2) 和(XMBy2，YMBy2，ZMBy2)；
分别计算GPS初步解算坐标(XMG，YMG，ZMG)与GPS第一预测坐标值(XMGy1，YMGy1，ZMGy1)和GPS第二预测坐标值(XMGy2，YMGy2，ZMGy2) 的坐标值的GPS第一方差σg1和GPS第二σg2；
分别计算BDS初步解算坐标(XMB，YMB，ZMB)与BDS第一预测坐标值(XMGy1，YMGy1，ZMGy1)和BDS第二预测坐标值(XMBy2，YMBy2，ZMBy2) 的坐标值的BDS第一和第二方差σb1和σb2；
计算GPS第一方差σg1和GPS第二σg2的比例关系，判断所述比例关系是否大于第一GPS分类阈值，若大于，判定基于GPS的轨迹类型的为GPS 第二轨迹类型，若所述比例关系小于第二GPS分类阈值，则判定基于GPS 的轨迹类型的为GPS第一轨迹类型，若所述比例关系位于第一GPS分类阈值和第二GPS分类阈值之间，则将当前GPS的轨迹类型判定为兼容类型；
计算BDS第一、第二方差σb1和σb2的比例关系，判断所述比例关系是否大于第一BDS分类阈值，若大于，判定基于BDS的轨迹类型的为BDS 第二轨迹类型，若所述比例关系小于第二BDS分类阈值，则判定基于BDS 的轨迹类型的为BDS第一轨迹类型，若所述比例关系位于第一BDS分类阈值和第二BDS分类阈值之间，则将当前BDS的轨迹类型判定为兼容类型；
若两种轨迹类型均为第一类型，则基于GPS第一预测坐标值(XMGy1， YMGy1，ZMGy1)、BDS第一预测坐标值(XMGy1，YMGy1，ZMGy1)以及BDS 初步解算坐标(XMB，YMB，ZMB)和GPS初步解算坐标(XMG，YMG，ZMG) 进行位置确定；若两种轨迹类型均为第二类型，则基于GPS第二预测坐标值(XMGy2，YMGy2，ZMGy2)、BDS第二预测坐标值(XMGy2，YMGy2，ZMGy2) 以及BDS初步解算坐标(XMB，YMB，ZMB)和GPS初步解算坐标(XMG， YMG，ZMG)进行位置确定；若两种轨迹类型均为兼容型，则基于GPS第一预测坐标值(XMGy1，YMGy1，ZMGy1)、BDS第一预测坐标值(XMGy1，YMGy1， ZMGy1)、GPS第二预测坐标值(XMGy2，YMGy2，ZMGy2)、BDS第二预测坐标值(XMGy2，YMGy2，ZMGy2)以及BDS初步解算坐标(XMB，YMB，ZMB) 和GPS初步解算坐标(XMG，YMG，ZMG)进行位置确定；
若BDS的轨迹类型和GPS轨迹类型不相同，则，基于所提取的M组数据点，分别计算各个点处：基于BDS的轨迹类型预测函数所预测的轨迹点与最终确定的轨迹点的方差之和，计算GPS的轨迹类型预测函数所预测的轨迹点与最终确定的轨迹点的方差之和σg3与σB3并判断σg3与σB3之间的关系，若σg3/σB3≥1则将轨迹类型确定为以BDS轨迹类型为准，基于BDS第一或第二预测坐标值以及BDS初步解算坐标(XMB，YMB，ZMB)和GPS 初步解算坐标(XMG，YMG，ZMG)进行最终位置确定，否则以GPS轨迹类型为准，基于GPS第一或第二预测坐标值以及BDS初步解算坐标(XMB， YMB，ZMB)和GPS初步解算坐标(XMG，YMG，ZMG)进行当前M位置点的确定。
另一方面，本发明还提供了一种轨迹分类方法。
本发明与现有技术相比的有益效果为：
(1)本发明通过基于AB7203的国产基带一体化芯片展开设计，辅以其他常见国产电源芯片、射频芯片、AD芯片、FLASH芯片、接口芯片、惯性器件等，实现高精度导航设备设计，与常规的DSP+FPGA的解决方案相比，国产化率100％，完全实现了自主可控。
(2)本发明通过冗余接收GPS、BDS双系统四频点卫星信号，可以同时实现GPS、BDS双系统RTK定位，两种导航模式自动降级使用，BDS RTK、 GPS RTK、BDS RTD、GPS RTD、BDSSP、GPS SP六种定位模式自动无缝降级，极大增强了卫星导航的可用性。
(3)本发明中各个模块均有简单明确的对外接口，功能独立，可根据具体应用环境快速进行功能删减或增加，可以有效提升产品升级换代效率，且各模块均可独立完成调试，可有效提升产品的生产、调试效率。
附图说明
图1为本发明双系统高精度导航设备的结构示意图；
图2为本发明设备中单路信道的信号处理示意图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
本实施例中的自主可控的双系统高精度导航设备包括电源模块、时钟模块、信道模块、通道模块及接口模块。电源模块用于为所述时钟模块、信道模块、通道模块、接口模块供电；时钟模块用于为所述信道模块和通道模块提供时钟基准；信道模块用于分别利用不同信道对GPS信号和北斗信号进行接收、放大，下变频，并将下变频后的中频信号经AD采样后送通道模块进行数字域处理；通道模块用于对GPS信号和北斗信号进行快速捕获、跟踪、解调处理，进行基于GPS信号和北斗信号的导航定位；所述接口模块用于与外部进行通讯。
电源模块可以包括DC/DC电路、LDO电路等，模块输入电压为外部5V，采用DC/DC模块变换为3.3V、1.2V、2.3V电平，采用LDO模块变换为1.8V。
时钟模块包括晶振和PLL电路，采用10M温补晶振，经PLL电路锁相、分频、倍频后输出40M时钟至信道模块、输出62M时钟至通道模块。
信道模块包括4分路器、GPS L1信道、GPS L2信道、BDS B1信道、BDS B3信道，输出GPS L1中频信号、GPS L2中频信号、BDS B1中频信号、BDS B3零中频信号，单路信道的基本原理如图1所示。卫星信号首先经过射频滤波器进行滤波，然后经过放大器放大、混频器混频，利用可控衰减器进行增益控制，再经过放大器后输出给基带滤波器获得中频信号。各个部件采用的都是现有国产部件，这里不再详述。
通道模块包括基带一体化SOC芯片(AB7203，内部包含GPS L1通道、 GPS L2通道、BDS B1通道、BDS B3通道、导航解算处理器等)、A/D转换电路、FLASH存储器、看门狗电路、接口驱动电路等。通道模块实现对 GPS-L1、L2，BDS-B1、B3信号的快速捕获、跟踪、解调等相关处理，接收RCTM差分信息，输出伪距、多普勒和导航电文，完成高精度导航解算，通过通讯接口输出位置、速度、时间等信息至外部接收设备，采用1.6s复位周期看门狗，采用NAND芯片的32Mbit FLASH。
导航解算主要在导航解算处理器内完成，可以对基于GPS和BDS的导航数据分别进行结算并加权平均，也可以采用模糊度解算算法结合两种系统的导航数据进行联合定位解算。
接口模块采用RS422芯片，对外提供标准1组PPS信号用于作为时钟基准、1组单向接收RCTM信号、1组全双工串口信号用于对外通讯。
实施例2
本实施例中，提供一种可以利用实施例1中的导航设备或者其他双系统导航设备实现的新的导航解算方法。
实施例1中虽然给出了系统构成，但是，这种系统构成所采用的解算方式还是延续现有解算方式。
而且虽然采用GPS和BDS两种定位系统进行定位，二者彼此校验，可以提高精度，但是，当这两种定位系统在遇到信号跳变、其中一个信号质量很差或者二者信号质量均很差时，也容易出现定位位置的较大偏差，并且很难确定两种定位方式中的哪一种定位系统的精度更高，影响定位稳定性。另外，采用模糊度解算方法进行解算时，往往计算量较大，计算成本和响应速度受限。而且，若需要将两种系统的数据结合起来进行联合解算，则需要开发或购买昂贵的软件，增加成本。
针对上述问题，本实施例提供一种可以在信号较差、或者信号出现较大幅度偏移的情况下，也能提供相对高定位精度的导航解算方法，其不需要联合计算所需的计算量，不需要进行GPS系统和BDS系统的融合。
具体而言，本实施例提供了一种基于运动轨迹分类预测的高精度导航方法。本实施例采用GPS、BDS与运动轨迹分类预测结合方式进行导航定位。
首先，采用GPS和BDS系统分别进行各自的导航结算(比如在条件允许的情况下采用RTK、RTD差分算法，否则，采用其他导航解算方法)。
比如，对于GPS定位模块而言，虽然GPS L1和GPS L2各具有12个通道，但是实际结算过程中并不会用到每个通道中的数据，通常选取至少4 个最佳的通道数据用于定位结算，GPS定位模块进行解算时，基于不同GPS 定位卫星信号的接收时间以及信号的时间戳可以确定其当前位置。当然，本领域技术人员可以理解，为了提高定位精度，可以采用更多个通道的数据进行结算。单独就GPS定位而言，其数据的解算过程是本领域的常规技术手段，这里不再详述。
通过GPS定位模块的解算获得了基于GPS信号的定位数据(Xs，Ys， Zs，ts)。
接下来，基于BDS系统的定位数据定位结算。首先获取卫星导航电文，根据导航电文中的卫星观测数据确定可用卫星数以及卫星号，根据导航电文中的广播星历数据确定各个卫星的卫星实时位置、卫星仰角以及方向角，并以所述卫星仰角以及所述方向角为依据，进行选星，选星采用现有方式进行即可，沿天顶、东、北方向选出三颗具有最大仰角的卫星，再选出2-4 颗具有较大仰角的备选卫星。可以基于综合模糊评价法进行卫星的选取。
通过BDS定位模块的解算获得基于BDS信号的定位数据(XB，YB， ZB，tB)。
(1)以系统采样周期的N倍为基准周期，分别获取M组GPS和BDS 的前续采样数据，N为大于等于1的正整数。
对于该M组GPS数据和BDS，分别根据下述公式(1)构建基于时间间隔的方程组：
Figure BDA0002980515870000121
其中，XM、YM、ZM分别为M组数据中最近一个数据对应位置的经度、维度以及高度坐标，a1、b1、c1、a2、b2、c2、……a5、b5、c5等为三维轨迹预测参数，在初始状态下，可以给上述参数设置初始化的经验参数。随着定位的进行则通过轨迹拟合方法不断迭代更新上述参数。XM-1、YM-1、ZM-1为上一数据点对应的位置，xi、yi、zi为第i个数据点对应的解算对应位置点坐标，i小于M。
在可校准状态下，分别将多组GPS定位模块获得的GPS数据和BDS 定位模块获得的BDS数据代入到上述公式中，分别获得针对GPS数据和 BDS数据的两套参数，作为初始参数，该参数可以在运行过程中基于误差反馈进行调整。实际上，本发明所提出的轨迹模型中，通过轨迹函数已经将导航系统所安装设备的惯性参量、运行特点等计入考量，通过其中的参数体现，因此，初始参数后续微调即可。
在设备运行后，则利用当前解算获得数据代入上述公式中进而形成对于GPS数据的第一模型轨迹函数和对于BDS数据的第一模型轨迹函数。
当按照上述采样周期接收到任意一个新的GPS数据和BDS数据时，分别利用各自的解算模型进行初步解算，获得各自的GPS和BDS初步解算数据坐标(XMG，YMG，ZMG)和(XMB，YMB，ZMB)。
将该新的GPS数据和BDS数据的获取时间与上一个周期的GPS数据和BDS数据的获取时间的时间差Δt(基于本地系统时钟)分别代入相应的第一模型轨迹函数，获得相应的预测坐标值(XMGy1，YMGy1，ZMGy1)和(XMBy1， YMBy1，ZMBy1)。
更优选地，通过不断调整基准周期N倍的倍数，可以获得不同周期情况下的轨迹信息，基于不同周期下的轨迹信息进行轨迹误差的评估。
(2)对于上述的M组GPS数据和BDS数据，分别根据下述公式(2) 构建基于时间间隔的第二方程组：
Figure BDA0002980515870000131
其中，XM、YM、ZM分别为M组数据中最近一个数据对应位置的经度、维度以及高度坐标，d1、f1、g1、w1、
Figure BDA0002980515870000132
……d5、f5、g5、w5、
Figure BDA0002980515870000133
等为三维轨迹预测参数。在初始状态下，可以给上述参数设置初始化的经验参数。优选地，随着定位的进行则通过轨迹拟合方法基于已确定数据，采用最小二乘法不断迭代更新上述参数。本发明中，通过两种截然不同的约束条件，对轨迹进行分类可以更好地反映出不同轨迹的不同特点。
分别将GPS定位模块获得的GPS数据和BDS定位模块获得的BDS数据代入到上述公式(2)中，分别获得针对GPS数据和BDS数据的两套参数，进而形成对于GPS数据和BDS数据的第二模型轨迹函数。
上面，对于任意一个新的GPS数据和BDS数据，已经初步解算获得了各自的GPS和BDS初步解算数据坐标(XMG，YMG，ZMG)和(XMB，YMB， ZMB)。
将该新的GPS数据和BDS数据的获取时间与上一个周期的GPS数据和BDS数据的获取时间的时间差Δt代入相应的第二模型轨迹函数，获得相应的第二预测坐标值(XMGy2，YMGy2，ZMGy2)和(XMBy2，YMBy2，ZMBy2)。
(3)分别计算GPS初步解算坐标(XMG，YMG，ZMG)与GPS第一预测坐标值(XMGy1，YMGy1，ZMGy1)和GPS第二预测坐标值(XMGy2，YMGy2， ZMGy2)的坐标值的GPS第一方差σg1和GPS第二σg2；
分别计算BDS初步解算坐标(XMB，YMB，ZMB)与BDS第一预测坐标值(XMGy1，YMGy1，ZMGy1)和BDS第二预测坐标值(XMBy2，YMBy2，ZMBy2) 的坐标值的BDS第一和第二方差σb1和σb2；
(4)计算GPS第一方差σg1和GPS第二σg2的比例关系，判断所述比例关系是否大于第一GPS分类阈值，若大于，判定基于GPS的轨迹类型的为GPS第二轨迹类型，若所述比例关系小于第二GPS分类阈值，则判定基于GPS的轨迹类型的为GPS第一轨迹类型，若所述比例关系位于第一GPS 分类阈值和第二GPS分类阈值之间，则将当前GPS的轨迹类型判定为兼容类型。其中，第一GPS分类阈值大于1并且大于第二GPS分类阈值，第二 GPS分类阈值小于1。
计算BDS第一、第二方差σb1和σb2的比例关系，判断所述比例关系是否大于第一BDS分类阈值，若大于，判定基于BDS的轨迹类型的为BDS 第二轨迹类型，若所述比例关系小于第二BDS分类阈值，则判定基于BDS 的轨迹类型的为BDS第一轨迹类型，若所述比例关系位于第一BDS分类阈值和第二BDS分类阈值之间，则将当前BDS的轨迹类型判定为兼容类型。类似的，第一BDS分类阈值大于1，第二BDS分类阈值小于1。
(5)判断步骤(4)中判定的BDS的轨迹类型和GPS轨迹类型是否相同，若相同，则判定该轨迹类型为第一类型、第二类型或兼容类型。若两种轨迹类型均为第一类型，则基于GPS第一预测坐标值(XMGy1，YMGy1， ZMGy1)、BDS第一预测坐标值(XMGy1，YMGy1，ZMGy1)以及BDS初步解算坐标(XMB，YMB，ZMB)和GPS初步解算坐标(XMG，YMG，ZMG)进行位置确定，比如采用加权平均的方法(下同)或质心法。
若两种轨迹类型均为第二类型，则基于GPS第二预测坐标值(XMGy2， YMGy2，ZMGy2)、BDS第二预测坐标值(XMGy2，YMGy2，ZMGy2)以及BDS 初步解算坐标(XMB，YMB，ZMB)和GPS初步解算坐标(XMG，YMG，ZMG) 进行位置确定。
若两种轨迹类型均为兼容型，则基于GPS第一预测坐标值(XMGy1， YMGy1，ZMGy1)、BDS第一预测坐标值(XMGy1，YMGy1，ZMGy1)、GPS第二预测坐标值(XMGy2，YMGy2，ZMGy2)、BDS第二预测坐标值(XMGy2， YMGy2，ZMGy2)以及BDS初步解算坐标(XMB，YMB，ZMB)和GPS初步解算坐标(XMG，YMG，ZMG)进行位置确定。
(6)BDS的轨迹类型和GPS轨迹类型不相同，则，基于所提取的M 组数据点，分别计算各个点处：基于BDS的轨迹类型预测函数所预测的轨迹点与最终确定的轨迹点的方差之和，计算GPS的轨迹类型预测函数所预测的轨迹点与最终确定的轨迹点的方差之和，即：
Figure BDA0002980515870000151
Figure BDA0002980515870000152
上述公式中，Xgi预Ygi预Zgi预分别为按照GPS当前所确定的轨迹类型进行预测所获得的对于第i点的预测轨迹的三维坐标，k为比例系数，这是考虑到定位过程中Z坐标的偏差往往比经纬度坐标更大，若将Z方向偏差全额加入将会影响分析准确度，故而对其进行缩量处理，类似地，XBi预YBi预 ZBi预为按照DBS当前所确定的轨迹类型进行预测所获得的对于第i点的预测轨迹的三维坐标，Xi终、Yi终、Yi终为第i点处按照上述规则已经确定的坐标值，因为这里考虑的是第M个点或者第M+1个点，所以，前序点的位置已经按照上述规则确定。
按照上述方式确定轨迹方差之后，判断σg3与σB3之间的关系，若σg3/σB3≥1则将轨迹类型确定为以BDS轨迹类型为准，基于BDS第一或第二预测坐标值以及BDS初步解算坐标(XMB，YMB，ZMB)和GPS初步解算坐标(XMG， YMG，ZMG)进行最终位置确定；
Figure BDA0002980515870000161
其中li为加权参数，基于系统属性提前测定并设置，优选地，加权参数以运行过程中各个轨迹类型的误差为反馈条件不断调整。否则以GPS轨迹类型为准，基于GPS第一或第二预测坐标值以及BDS初步解算坐标(XMB， YMB，ZMB)和GPS初步解算坐标(XMG，YMG，ZMG)进行当前M位置点的确定。
Figure BDA0002980515870000162
实验测试，在复杂的地理环境和气候条件下(存在各种障碍物以及反射体)进行定位精度测试，测试时，在测试位置附近设置具有标准时钟和标准位置点的参考基准，利用参考基准对导航系统的定位进行检验。
利用不同载体携带导航定位系统按照各种不同方式，在一定范围内进行运动。
经测试，采用本发明方法可以显著降低测量误差，即便在导航信号不稳定或者受到干扰的情况下，也可以维持稳定的测量精度。可以实现干扰状态下，水平精度优于0.01m，垂直精度优于0.02m，无干扰情况下，水平精度优于0.005m，垂直精度优于0.01m。本发明可以充分考虑到运动过程中的振动、摆动、急速变向等情况，提供更加细微的定位变化信息。
本发明的另一个优点是，不需要对GPS和BDS自身的信号数据进行处理，直接采用GPS和BDS各自的解算结果进行进一步处理，不需要关注 GPS和BDS系统自身的系统更新和数据形式调整，兼容性更好，成本更低。
虽然上面结合本发明的优选实施例对本发明的原理进行了详细的描述，本领域技术人员应该理解，上述实施例仅仅是对本发明的示意性实现方式的解释，并非对本发明包含范围的限定。实施例中的细节并不构成对本发明范围的限制，在不背离本发明的精神和范围的情况下，任何基于本发明技术方案的等效变换、简单替换等显而易见的改变，均落在本发明保护范围之内。

Claims (10)

1.一种自主可控的多系统高精度导航设备，其特征在于：所述导航设备包括电源模块、时钟模块、信道模块、导航解算模块、接口模块，
所述电源模块用于为所述时钟模块、信道模块、通道模块、接口模块供电；
所述时钟模块用于为所述信道模块和通道模块提供时钟基准；
所述信道模块用于分别利用不同信道对GPS信号和北斗信号进行接收、放大，下变频，并将下变频后的中频信号经AD采样后送通道模块进行数字域处理；
导航解算模块用于对GPS信号和北斗信号进行导航解算，进行基于GPS信号和北斗信号的导航定位；
所述接口模块用于与外部进行通讯，
其中，所述导航解算模块分别对GPS信号和BDS信号进行单独解算，并分别基于两种信号解算结果确定相应的轨迹类型；基于所述轨迹类型进行导航定位。
2.根据权利要求1所述的自主可控的多系统高精度导航设备，其特征在于：所述接口模块还用于对外输出时钟基准，并与外界的导航定位和指令控制模块通讯。
3.根据权利要求1所述的自主可控的多系统高精度导航设备，其特征在于：还包括信道模块，所述信道模块的入口使用四功分器对信号进行分路，分为GPS L1、L2，BDS B1、B3四路信道，每路信道包括滤波模块和放大模块，采用介质滤波器进行滤波，然后进行射频域放大和一次下变频，实现GPS-L1、L2，BDS-B1、B3双系统四频点卫星信号的放大和变频，其中频输出频率为零频。
4.根据权利要求1所述的自主可控的多系统高精度导航设备，其特征在于：通道模块包括SOC芯片，该芯片内嵌SPARC-V8双核处理器，外部FLASH采用NAND芯片，容量为16Mbit，用于存储运行代码和关键参数。
5.根据权利要求1所述的自主可控的多系统高精度导航设备，其特征在于：时钟模块采用高稳晶振提供10MHz时钟，经锁相倍频后，分为两路信号，一路62M时钟送通道模块作为基准时钟，一路40M时钟作为射频芯片的输入时钟。
6.根据权利要求1所述的自主可控的多系统高精度导航设备，其特征在于：电源模块采用DC5V输入，采用DC/DC模块变换为3.3V、1.2V、2.3V电平，采用LDO模块变换为1.8V。
7.根据权利要求1所述的自主可控的多系统高精度导航设备，其特征在于：采用RS422芯片，对外提供标准1组PPS信号用于作为时钟基准、1组单向接收RCTM信号、1组全双工串口信号用于对外通讯，所述导航设备以Ab7203基带一体化SOC芯片为核心，辅以国产化的电源器件、射频器件、时钟器件、存储器件、接口器件制备而成。
8.根据权利要求1所述的自主可控的多系统高精度导航设备，其特征在于：导航解算模块按照下述过程进行导航解算：
以系统采样周期的N倍为基准周期，分别获取M组GPS和BDS的前续采样数据，N为大于等于1的正整数；
对于该M组GPS数据和BDS，分别根据下述公式(1)构建基于时间间隔的方程组：
Figure FDA0002980515860000031
其中，XM、YM、ZM分别为M组数据中最近一个数据对应位置的经度、维度以及高度坐标，a1、b1、c1、a2、b2、c2、.......a5、b5、c5为三维轨迹预测参数，xi、yi、zi为第i个数据点对应的解算对应位置点坐标，Δt为取样时间间隔；
对于所述M组GPS数据和BDS数据，分别根据下述公式(2)构建基于时间间隔的第二方程组：
Figure FDA0002980515860000032
其中，d1、f1、g1、w1、
Figure FDA0002980515860000033
……d5、f5、g5、w5、
Figure FDA0002980515860000034
为三维轨迹预测参数，
对于新的GPS数据和BDS数据，分别利用各自的解算模型进行初步解算，获得各自的GPS和BDS初步解算数据坐标(XMG，YMG，ZMG)和(XMB，YMB，ZMB)；并且将该新的GPS数据和BDS数据的获取时间与上一个周期的GPS数据和BDS数据的获取时间的时间差Δt代入相应的公式(1)和(2)获得，获得相应的第一预测坐标值(XMGy1，YMGy1，ZMGy1)和(XMBy1，YMBy1，ZMBy1)，以及第二预测坐标值(XMGy2，YMGy2，ZMGy2)和(XMBy2，YMBy2，ZMBy2)；
分别计算GPS初步解算坐标(XMG，YMG，ZMG)与GPS第一预测坐标值(XMGy1，YMGy1，ZMGy1)和GPS第二预测坐标值(XMGy2，YMGy2，ZMGy2)的坐标值的GPS第一方差σg1和GPS第二σg2；
分别计算BDS初步解算坐标(XMB，YMB，ZMB)与BDS第一预测坐标值(XMGy1，YMGy1，ZMGy1)和BDS第二预测坐标值(XMBy2，YMBy2，ZMBy2)的坐标值的BDS第一和第二方差σb1和σb2；
计算GPS第一方差σg1和GPS第二σg2的比例关系，判断所述比例关系是否大于第一GPS分类阈值，若大于，判定基于GPS的轨迹类型的为GPS第二轨迹类型，若所述比例关系小于第二GPS分类阈值，则判定基于GPS的轨迹类型的为GPS第一轨迹类型，若所述比例关系位于第一GPS分类阈值和第二GPS分类阈值之间，则将当前GPS的轨迹类型判定为兼容类型；
计算BDS第一、第二方差σb1和σb2的比例关系，判断所述比例关系是否大于第一BDS分类阈值，若大于，判定基于BDS的轨迹类型的为BDS第二轨迹类型，若所述比例关系小于第二BDS分类阈值，则判定基于BDS的轨迹类型的为BDS第一轨迹类型，若所述比例关系位于第一BDS分类阈值和第二BDS分类阈值之间，则将当前BDS的轨迹类型判定为兼容类型；
若两种轨迹类型均为第一类型，则基于GPS第一预测坐标值(XMGy1，YMGy1，ZMGy1)、BDS第一预测坐标值(XMGy1，YMGy1，ZMGy1)以及BDS初步解算坐标(XMB，YMB，ZMB)和GPS初步解算坐标(XMG，YMG，ZMG)进行位置确定；若两种轨迹类型均为第二类型，则基于GPS第二预测坐标值(XMGy2，YMGy2，ZMGy2)、BDS第二预测坐标值(XMGy2，YMGy2，ZMGy2)以及BDS初步解算坐标(XMB，YMB，ZMB)和GPS初步解算坐标(XMG，YMG，ZMG)进行位置确定；若两种轨迹类型均为兼容型，则基于GPS第一预测坐标值(XMGy1，YMGy1，ZMGy1)、BDS第一预测坐标值(XMGy1，YMGy1，ZMGy1)、GPS第二预测坐标值(XMGy2，YMGy2，ZMGy2)、BDS第二预测坐标值(XMGy2，YMGy2，ZMGy2)以及BDS初步解算坐标(XMB，YMB，ZMB)和GPS初步解算坐标(XMG，YMG，ZMG)进行位置确定；
若BDS的轨迹类型和GPS轨迹类型不相同，则，基于所提取的M组数据点，分别计算各个点处：基于BDS的轨迹类型预测函数所预测的轨迹点与最终确定的轨迹点的方差之和，计算GPS的轨迹类型预测函数所预测的轨迹点与最终确定的轨迹点的方差之和σg3与σB3并判断σg3与σB3之间的关系，若σg3/σB3≥1则将轨迹类型确定为以BDS轨迹类型为准，基于BDS第一或第二预测坐标值以及BDS初步解算坐标(XMB，YMB，ZMB)和GPS初步解算坐标(XMG，YMG，ZMG)进行最终位置确定，否则以GPS轨迹类型为准，基于GPS第一或第二预测坐标值以及BDS初步解算坐标(XMB，YMB，ZMB)和GPS初步解算坐标(XMG，YMG，ZMG)进行当前M位置点的确定。
9.一种基于GPS和北斗信号的联合导航定位过程中的轨迹类型识别方法，其特征在于，所述方法包括以系统采样周期的N倍为基准周期，分别获取M组GPS和BDS的前续采样数据，N为大于等于1的正整数；对于该M组GPS数据和BDS，分别根据公式(1)和(2)构建基于时间间隔的方程组。
10.一种基于GPS和北斗信号的联合导航定位方法，其特征在于，所述方法包括：
以系统采样周期的N倍为基准周期，分别获取M组GPS和BDS的前续采样数据，N为大于等于1的正整数；
对于该M组GPS数据和BDS，分别根据下述公式(1)构建基于时间间隔的方程组：
Figure FDA0002980515860000061
其中，XM、YM、ZM分别为M组数据中最近一个数据对应位置的经度、维度以及高度坐标，a1、b1、c1、a2、b2、c2、……a5、b5、c5为三维轨迹预测参数，xi、yi、zi为第i个数据点对应的解算对应位置点坐标，Δt为取样时间间隔；
对于所述M组GPS数据和BDS数据，分别根据下述公式(2)构建基于时间间隔的第二方程组：
Figure FDA0002980515860000062
其中，d1、f1、g1、w1、
Figure FDA0002980515860000063
……d5、f5、g5、w5、
Figure FDA0002980515860000064
为三维轨迹预测参数，
对于新的GPS数据和BDS数据，分别利用各自的解算模型进行初步解算，获得各自的GPS和BDS初步解算数据坐标(XMG，YMG，ZMG)和(XMB，YMB，ZMB)；并且将该新的GPS数据和BDS数据的获取时间与上一个周期的GPS数据和BDS数据的获取时间的时间差Δt代入相应的公式(1)和(2)获得，获得相应的第一预测坐标值(XMGy1，YMGy1，ZMGy1)和(XMBy1，YMBy1，ZMBy1)，以及第二预测坐标值(XMGy2，YMGy2，ZMGy2)和(XMBy2，YMBy2，ZMBy2)；
分别计算GPS初步解算坐标(XMG，YMG，ZMG)与GPS第一预测坐标值(XMGy1，YMGy1，ZMGy1)和GPS第二预测坐标值(XMGy2，YMGy2，ZMGy2)的坐标值的GPS第一方差σg1和GPS第二σg2；
分别计算BDS初步解算坐标(XMB，YMB，ZMB)与BDS第一预测坐标值(XMGy1，YMGy1，ZMGy1)和BDS第二预测坐标值(XMBy2，YMBy2，ZMBy2)的坐标值的BDS第一和第二方差σb1和σb2；
计算GPS第一方差σg1和GPS第二σg2的比例关系，判断所述比例关系是否大于第一GPS分类阈值，若大于，判定基于GPS的轨迹类型的为GPS第二轨迹类型，若所述比例关系小于第二GPS分类阈值，则判定基于GPS的轨迹类型的为GPS第一轨迹类型，若所述比例关系位于第一GPS分类阈值和第二GPS分类阈值之间，则将当前GPS的轨迹类型判定为兼容类型；
计算BDS第一、第二方差σb1和σb2的比例关系，判断所述比例关系是否大于第一BDS分类阈值，若大于，判定基于BDS的轨迹类型的为BDS第二轨迹类型，若所述比例关系小于第二BDS分类阈值，则判定基于BDS的轨迹类型的为BDS第一轨迹类型，若所述比例关系位于第一BDS分类阈值和第二BDS分类阈值之间，则将当前BDS的轨迹类型判定为兼容类型；
若两种轨迹类型均为第一类型，则基于GPS第一预测坐标值(XMGy1，YMGy1，ZMGy1)、BDS第一预测坐标值(XMGy1，YMGy1，ZMGy1)以及BDS初步解算坐标(XMB，YMB，ZMB)和GPS初步解算坐标(XMG，YMG，ZMG)进行位置确定；若两种轨迹类型均为第二类型，则基于GPS第二预测坐标值(XMGy2，YMGy2，ZMGy2)、BDS第二预测坐标值(XMGy2，YMGy2，ZMGy2)以及BDS初步解算坐标(XMB，YMB，ZMB)和GPS初步解算坐标(XMG，YMG，ZMG)进行位置确定；若两种轨迹类型均为兼容型，则基于GPS第一预测坐标值(XMGy1，YMGy1，ZMGy1)、BDS第一预测坐标值(XMGy1，YMGy1，ZMGy1)、GPS第二预测坐标值(XMGy2，YMGy2，ZMGy2)、BDS第二预测坐标值(XMGy2，YMGy2，ZMGy2)以及BDS初步解算坐标(XMB，YMB，ZMB)和GPS初步解算坐标(XMG，YMG，ZMG)进行位置确定；
若BDS的轨迹类型和GPS轨迹类型不相同，则，基于所提取的M组数据点，分别计算各个点处：基于BDS的轨迹类型预测函数所预测的轨迹点与最终确定的轨迹点的方差之和，计算GPS的轨迹类型预测函数所预测的轨迹点与最终确定的轨迹点的方差之和σg3与σB3并判断σg3与σB3之间的关系，若σg3/σB3≥1则将轨迹类型确定为以BDS轨迹类型为准，基于BDS第一或第二预测坐标值以及BDS初步解算坐标(XMB，YMB，ZMB)和GPS初步解算坐标(XMG，YMG，ZMG)进行最终位置确定，否则以GPS轨迹类型为准，基于GPS第一或第二预测坐标值以及BDS初步解算坐标(XMB，YMB，ZMB)和GPS初步解算坐标(XMG，YMG，ZMG)进行当前M位置点的确定。
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