CN113447963A - 一种罗兰c定位与授时软件接收机及其处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种罗兰C定位与授时软件接收机及其处理方法，其特征在于：包括控制显示模块、硬件射频模块和软件信号处理模块，该软件信号处理模块分别与控制显示模块和硬件射频模块相连接，其中硬件射频模块用于完成信号的接收以及模数转换，并将数字信号传输至软件信号处理模块；软件信号处理模块用于完成信号的捕获、跟踪、定位和定时解算；控制显示模块一方面显示定位和定时结果，另一方面将用户的控制信息传输给软件信号处理模块进行实时处理。本发明能够实现对信号的后处理与分析，开展测量精度和定位授时结果的误差分析，信号质量检测与研究等工作。

Description

一种罗兰C定位与授时软件接收机及其处理方法

技术领域

本发明属于导航信号处理技术领域，涉及一种罗兰C信号接收终端，尤其是一种用于为用户提供位置和时间信息的罗兰C定位与授时软件接收机及其处理方法。

背景技术

随着我国经济以及科技水平的不断提升，定位导航与授时(Position Navigationand Timing，PNT)服务已经融入国民生活的各个方面，如出行导航、道路工程、交通管理和地质测量等。全球卫星导航系统在PNT服务中占据着重要的地位，其中美国的全球定位系统(Global Positioning System，GPS)是目前性能最好的导航系统，我国自主建造的北斗卫星导航系统也逐步开始推广，GNSS具有精度高、全天候等突出优势，无论是在陆地上、海上还是空中，都成为定位导航和授时的首选。然而，由于地球表面GNSS信号功率水平极低，容易受到射频干扰(Radio Frequency Interference，RFI)和电离层异常条件的影响，因此，对GNSS备份系统的研究越来越受到关注。

罗兰C是远程低频高功率无线电导航系统，增强罗兰(enhanced Loran，eLoran)是其增强和向后兼容的版本，通过精确修正ASF和附加数据信道广播GNSS差分信息，使罗兰C达到接近GNSS的精度，并升级为一个独立的GNSS差分增强系统。并且与GNSS相比，罗兰C系统具有更强的抗干扰能力，目前认为罗兰C能够作为卫星导航的最佳备份。

基于罗兰C作为卫星导航备份系统的优势和增强手段，采用数字化信号处理手段的软件接收机，具有扩展灵活、方便升级等优点。现有的罗兰C软件终端由于数字信号有效位数较低，一般为4位，信号波形失真较为严重，导致定位性能普遍较差。该发明通过24位高精度采样和高速信号处理器，实现软件处理程序的快速运行，保证信号的准确测量并有效提升定位精度。

经检索，未发现与本发明相同或相近似的现有技术的公开文献。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种罗兰C定位与授时软件接收机及其处理方法，能够实现对信号的后处理与分析，开展测量精度和定位授时结果的误差分析，信号质量检测等工作。

本发明解决其现实问题是采取以下技术方案实现的：

一种罗兰C定位与授时软件接收机，包括控制显示模块、硬件射频模块和软件信号处理模块，该软件信号处理模块分别与控制显示模块和硬件射频模块相连接，其中硬件射频模块用于完成信号的接收以及模数转换，并将数字信号传输至软件信号处理模块；软件信号处理模块用于完成信号的捕获、跟踪、定位和定时解算；控制显示模块一方面显示定位和定时结果，另一方面将用户的控制信息传输给软件信号处理模块进行实时处理。

而且，所述硬件射频模块包括天线和数据采集模块，采集后的数字信号通过USB芯片打包上传至上位机中的软件信号处理模块。

而且，所述控制显示模块能够控制采集的时长和程序的启动，并将软件处理模块处理后的信息通过用户界面进行显示。

而且，所述软件信号模块包括频域滤波模块、台链识别模块、信号捕获模块、信号跟踪模块、ASF修正和双曲线定位模块、信息解调与解码模块和钟差解算模块。

所述频域滤波模块用于根据罗兰C信号的频域特性，设计线性相位FIR滤波器滤出所需的信号；

所述台链识别模块用于根据特定台链的群重复周期，按照周期在时域内进行累计，从而获得所需台链的信号并提高输出信噪比，完成台链识别；

所述信号捕获模块用于根据罗兰C系统的相位编码和特定台链的编码周期，由本地生成标准编码信号，与接收信号进行相关运算，根据相关峰值的输出，从而获得接收信号的粗略到达时间；

所述信号跟踪模块用于根据捕获输出的结果，分别对接收脉冲信号进行天地波识别、周期识别和相位跟踪的处理，从天地波叠加信号中找到地波信号，并识别其第三周期，对第三周期的正向过零点进行跟踪，并以该过零点的到达时间作为信号的到达时间，从而完成时间的测量；

所述ASF修正和双曲线定位模块用于根据测量得到的主副台信号到达时间计算到达时间差TDOA，利用ASF地图对测量TDOA进行修正，将修正后TDOA代入双曲线方程，计算两条双曲线的交点，从而得到接收点的位置坐标信息。

所述信息解调与解码模块用于对接收信号进行PPM相干解调、RS解码和CRC校验，从而得到信号的发射时间。

所述钟差解算模块用于根据时差测量和双曲线方程求解得到的位置信息和发射时间信息，进而计算本地1PPS与发射端的钟差，并对本地时钟进行调整，从而实现自主定时的控制。

一种罗兰C定位与授时软件接收机的处理方法，包括以下步骤：

步骤1、软件信号处理模块给硬件射频模块发送数字采集指令，硬件射频模块将AD芯片输出数据通过USB芯片上传至上位机内存区域；

步骤2、软件信号处理模块启动数字滤波程序，并检测滤波输出后数据中是否存在有效的罗兰C信号，如果检测成功，则启动捕获程序；

步骤3、软件信号处理模块搜索所有台站信号，捕获成功的信号转入跟踪程序，得到精确的到达时间测量值；

步骤4、定位解算程序读取所有的到达时间测量值，并计算同一台链主副台信号到达时间差，基于双曲线测量方程，计算用户位置信息并输出值显示控制模块进行显示；

步骤5、定时解算程序解算电文信息，得到信号发射时间，基于位置信息，计算得到用户钟差，并对本地时钟进行校正。

本发明的优点和有益效果：

本发明提供一种用于为用户提供位置和时间信息的罗兰C定位与授时软件接收机及其处理方法，基于PC架构的罗兰C定位与授时软件接收机可对长河二号和BPL授时系统覆盖范围内的不同信号进行实时的接收和处理，并输出接收信号质量以及定位和授时结果。同时，接收机的信号采集与回放模块还可以实现对信号的采集、存储与处理，能够实现对信号的后处理与分析，开展测量精度和定位授时结果的误差分析，信号质量检测与研究等工作。

附图说明

图1是本发明的总体组成架构框图；

图2是本发明的控制显示模块处理流程图；

图3是本发明的上位机用户界面。

具体实施方式

以下结合附图对本发明实施例作进一步详述：

本发明为一种罗兰C定位与授时软件接收机，如图1所示，包括控制显示模块、硬件射频模块和软件信号处理模块，该软件信号处理模块分别与控制显示模块和硬件射频模块相连接，其中硬件射频模块用于完成信号的接收以及模数转换，并将数字信号传输至软件信号处理模块；软件信号处理模块用于完成信号的捕获、跟踪、定位和定时解算；控制显示模块一方面显示定位和定时结果，另一方面将用户的控制信息传输给软件信号处理模块进行实时处理。

在本实施例中，所述硬件射频模块包括天线和数据采集模块，采集后的数字信号通过USB芯片打包上传至上位机中的软件信号处理模块。

在本实施例中，所述控制显示模块能够控制采集的时长和程序的启动，并将软件处理模块处理后的信息通过用户界面进行显示。

在本实施例中，所述软件信号模块包括频域滤波模块、台链识别模块、信号捕获模块、信号跟踪模块、ASF修正和双曲线定位模块、信息解调与解码模块和钟差解算模块。

所述频域滤波模块用于根据罗兰C信号的频域特性，设计线性相位FIR滤波器滤出所需的信号；由于线性相位FIR滤波器的群时延为固定常数，所以不会对接收信号包络产生影响。

所述台链识别模块用于根据特定台链的群重复周期，按照周期在时域内进行累计，从而获得所需台链的信号并提高输出信噪比，完成台链识别；

所述信号捕获模块用于根据罗兰C系统的相位编码和特定台链的编码周期，由本地生成标准编码信号，与接收信号进行相关运算，根据相关峰值的输出，从而获得接收信号的粗略到达时间；

所述信号跟踪模块用于根据捕获输出的结果，分别对接收脉冲信号进行天地波识别、周期识别和相位跟踪的处理，从天地波叠加信号中找到地波信号，并识别其第三周期，对第三周期的正向过零点进行跟踪，并以该过零点的到达时间作为信号的到达时间，从而完成时间的测量。

ASF修正和双曲线定位模块用于根据测量得到的主副台信号到达时间计算到达时间差TDOA，利用ASF地图对测量TDOA进行修正，将修正后TDOA代入双曲线方程，计算两条双曲线的交点，从而得到接收点的位置坐标信息。

所述信息解调与解码模块用于对接收信号进行PPM相干解调、RS解码和CRC校验，从而得到信号的发射时间。

所述钟差解算模块用于根据时差测量和双曲线方程求解得到的位置信息和发射时间信息，进而计算本地1PPS与发射端的钟差，并对本地时钟进行调整，从而实现自主定时的控制。

一种罗兰C定位与授时软件接收机的处理方法，如图2所示，包括以下步骤：

步骤1、软件信号处理模块给硬件射频模块发送数字采集指令，硬件射频模块将AD芯片输出数据通过USB芯片上传至上位机内存区域；

步骤2、软件信号处理模块启动数字滤波程序，并检测滤波输出后数据中是否存在有效的罗兰C信号，如果检测成功，则启动捕获程序；

步骤3、软件信号处理模块搜索所有台站信号，捕获成功的信号转入跟踪程序，得到精确的到达时间测量值；

步骤4、定位解算程序读取所有的到达时间测量值，并计算同一台链主副台信号到达时间差，基于双曲线测量方程，计算用户位置信息并输出值显示控制模块进行显示；

步骤5、定时解算程序解算电文信息，得到信号发射时间，基于位置信息，计算得到用户钟差，并对本地时钟进行校正。

如图2所示，显示控制模块包括参数设置软件、输入接口和输出显示三部分组成。具体操作流程为：

a)模式一：实时定位与授时，工作界面如图3(a)所示：

1)选择信号输入通道，本产品提供四路信号输入接口，分别标志位CH1、CH2、CH3和CH4，其中CH1相对其它三路增益提高20dB，用户可根据实际使用环境选择相应通道输入；

2)单击“start”按钮，接收机开始工作，同时按钮变为“stop”，用户可随时点击选择停止；

3)位置信息空白窗口显示两种信息，当显示“当前信号能够进行自主定位”时，用户无需任何操作，等待接收界面显示长河二号三个台链和BPL授时系统信号的信噪比以及当前的定位和授时结果；当显示“当前没有收到完整的台链信号，请选择非自主定位方式，并输入位置”时，用户需点击“stop”和定位方式下拉菜单，选择非自主定位，并在经度和纬度编辑框输入当前的位置坐标(WGS84坐标系)；

4)时间信息空白窗口显示两种信息，当显示“当前信号质量较好，正常提供授时服务”时，其右侧窗口显示的为实时的授时结果以及钟差信息；当显示“当前信号较弱，无法提供授时服务”时，其右侧窗口显示本地时间信息，时间信息每秒更新一次。

b)模式二：信号采集与回放，工作界面如图3(b)所示：

1)Loran-C信号采集功能：输入采集时长，以秒为单元(最小值为20)，选择采集通道并为输出文件命名(注：命名格式只能为英文，不能包含空格等字符，只需输入文件名，无需输入扩展名，系统默认扩展名为.dat)，点击“start”按钮开始采集，数据文件保存路径为程序存放同级目录。

2)Loran-C信号回放处理：点击“文件导入”按钮，弹出资源管理器对话框，选择数据文件打开(若文件导入错误可重新导入，系统自动覆盖)，点击“开始”按钮，处理完成后显示不同台站信号的信噪比以及是否能进行定位和授时，当时间窗口显示能够提供授时服务时，其右侧时间窗口显示电文解算结果。

本发明的主要用途在于：

a)在长河二号系统覆盖区域，实时提供位置和时间信息(UTC)；

b)在BPL长波授时系统覆盖区域，实时提供标准时间信息(UTC)；

c)在GNSS不可用环境，如城市和山区环境，代替GNSS为用户提供定位和授时服务；

d)Loran-C信号的采集与回放，为研究提供有效数据。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

Claims (5)

1.一种罗兰C定位与授时软件接收机，其特征在于：包括控制显示模块、硬件射频模块和软件信号处理模块，该软件信号处理模块分别与控制显示模块和硬件射频模块相连接，其中硬件射频模块用于完成信号的接收以及模数转换，并将数字信号传输至软件信号处理模块；软件信号处理模块用于完成信号的捕获、跟踪、定位和定时解算；控制显示模块一方面显示定位和定时结果，另一方面将用户的控制信息传输给软件信号处理模块进行实时处理。

2.根据权利要求1所述的一种罗兰C定位与授时软件接收机，其特征在于：所述硬件射频模块包括天线和数据采集模块，采集后的数字信号通过USB芯片打包上传至上位机中的软件信号处理模块。

3.根据权利要求1所述的一种罗兰C定位与授时软件接收机，其特征在于：所述控制显示模块能够控制采集的时长和程序的启动，并将软件处理模块处理后的信息通过用户界面进行显示。

4.根据权利要求1所述的一种罗兰C定位与授时软件接收机，其特征在于：所述软件信号模块包括频域滤波模块、台链识别模块、信号捕获模块、信号跟踪模块、ASF修正和双曲线定位模块、信息解调与解码模块和钟差解算模块；

所述频域滤波模块用于根据罗兰C信号的频域特性，设计线性相位FIR滤波器滤出所需的信号；

所述台链识别模块用于根据特定台链的群重复周期，按照周期在时域内进行累计，从而获得所需台链的信号并提高输出信噪比，完成台链识别；

所述信号捕获模块用于根据罗兰C系统的相位编码和特定台链的编码周期，由本地生成标准编码信号，与接收信号进行相关运算，根据相关峰值的输出，从而获得接收信号的粗略到达时间；

所述信号跟踪模块用于根据捕获输出的结果，分别对接收脉冲信号进行天地波识别、周期识别和相位跟踪的处理，从天地波叠加信号中找到地波信号，并识别其第三周期，对第三周期的正向过零点进行跟踪，并以该过零点的到达时间作为信号的到达时间，从而完成时间的测量；

所述ASF修正和双曲线定位模块用于根据测量得到的主副台信号到达时间计算到达时间差TDOA，利用ASF地图对测量TDOA进行修正，将修正后TDOA代入双曲线方程，计算两条双曲线的交点，从而得到接收点的位置坐标信息。

所述信息解调与解码模块用于对接收信号进行PPM相干解调、RS解码和CRC校验，从而得到信号的发射时间。

所述钟差解算模块用于根据时差测量和双曲线方程求解得到的位置信息和发射时间信息，进而计算本地1PPS与发射端的钟差，并对本地时钟进行调整，从而实现自主定时的控制。

5.一种罗兰C定位与授时软件接收机的处理方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1、软件信号处理模块给硬件射频模块发送数字采集指令，硬件射频模块将AD芯片输出数据通过USB芯片上传至上位机内存区域；

步骤2、软件信号处理模块启动数字滤波程序，并检测滤波输出后数据中是否存在有效的罗兰C信号，如果检测成功，则启动捕获程序；

步骤3、软件信号处理模块搜索所有台站信号，捕获成功的信号转入跟踪程序，得到精确的到达时间测量值；

步骤4、定位解算程序读取所有的到达时间测量值，并计算同一台链主副台信号到达时间差，基于双曲线测量方程，计算用户位置信息并输出值显示控制模块进行显示；

步骤5、定时解算程序解算电文信息，得到信号发射时间，基于位置信息，计算得到用户钟差，并对本地时钟进行校正。

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