CN113640838A - 一种多系统联合卫星导航定位授时装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多系统联合卫星导航定位授时装置及方法，针对定位授时及单独授时两种不同的应用场景，利用接收机位置及时间信息唯一确定的信息，实现了定位及授时结果的可靠性的优化与改进。本发明在授时装置位置未精确标定的应用场景下，授时装置分别采用各系统的观测量单独定位，授时装置的位置是唯一的，因此，可以用这四个系统解算得到的四个位置信息互相进行检核，从而得到可靠性更高的位置及时间信息；通过事先标定的方式获取授时装置的精确位置，利用授时装置的精确位置，各系统根据已知的位置信息对粗差较大的卫星信号观测量进行剔除，并独立进行解算接收机钟差，提高单系统授时精度。
Description
技术领域
本发明属于定位授时技术领域，涉及一种多系统联合卫星导航定位授时装置及方法。
背景技术
目前现有授时方案往往侧重于授时功能的实现及授时精度的改进，而对不同信号条件下授时的可靠性的考虑比较欠缺。
GNSS信号是一种微弱信号，极易被干扰，而不同的卫星信号在不同的信号频段进行播发，典型的应用场景下，大量出现某1～2个系统被干扰，定位及授时结果恶化甚至错误。因此，在这种应用场景下，接收机定位及授时服务的可靠性就变得十分有应用意义。
其次，各个不同的GNSS系统独立运行与维护，因此，在某一个系统在特定时段出现服务中断或者精度恶化的情形下，用户仍然希望接收机能提供稳定可靠的定位及授时结果。
现有授时方案将各系统的观测量联合进行解算，存在以下缺陷：
a.某一个GNSS系统出现系统性故障时，会引起授时终端出现定位/授时误差；
b.不同系统的卫星导航信号在不同的频率上进行播发，在某一个频点的信号被干扰时，将会引起该频点的定位/授时精度恶化，甚至引起该频点的授时结果不可用。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术中的问题，提供一种多系统联合卫星导航定位授时装置及方法。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
一种多系统联合卫星导航定位授时方法，包括以下步骤：
接收导航系统的卫星信号，各导航系统的观测量通过定位解算获得各导航系统的位置及UTC时间；
利用定位解算的位置置信度对位置进行互相检核，得到接收机位置的最优估计，输出最优估计定位结果；
通过定位解算得到各导航系统的UTC时间之间的时间偏差估计，基于各导航系统授时结果，根据时间偏差估计解算某一导航系统的UTC时间估计，最终计算出某一导航系统UTC时间的最优估计；
根据用户配置，选择用户指定的授时结果进行输出，输出最优估计时间结果。
上述方法进一步的改进在于：
所述接收导航系统的卫星信号后，对接收到的卫星信号进行观测量粗差剔除处理，剔除观测噪声干扰及多径干扰引起的观测误差，所述导航系统为GPS导航系统、BDS导航系统、Glonass导航系统和Galileo导航系统。
所述对接收到的卫星信号进行观测量粗差剔除处理的具体方法如下：
根据接收机位置估计的历史信息，计算得到测量值与预测值的伪距残差；伪距残差为相应卫星的伪距测量值减去几何距离预测值与接收机钟差预测值之和。
所述利用定位解算的位置置信度对位置信息进行互相检核的具体方法如下：
S1.各导航系统定位解算的位置置信度初始化为0；
S2.计算各导航系统定位解算得到位置的三维距离如下：
PPgb＝||Pgps-Pbds||
PPgr＝||Pgps-Pglo||
PPge＝||Pgps-Pgal||
PPbr＝||Pbds-Pglo||
PPbe＝||Pbds-Pgal||
PPre＝||Pglo-Pgal||
其中，PPij表示GNSS系统i解算得到的接收机位置与GNSS系统j解算得到的接收机位置是三维距离；i，j的取值：g表示GPS，b表示北斗，r表示glonass，e表示Galileo；Pgps为GPS解算位置，Pbds为BDS解算位置，Pglo为Glonass解算位置，Pgal为Galileo解算位置；
S3.根据两个不同系统定位解算位置的三维距离，按照下式计算可信度CLgb、CLgr、CLge、CLbr、CLbe和CLre：
CLij＝1-PPij/max(PPij)
其中，max(PPij)为所有三维距离大小的最大值；CLij取值范围为[0，1]，且取值越大，可信度越高；
S4.分别计算GPS解算位置Pgps、BDS解算位置Pbds、Glonasss解算位置Pglo和Galileo解算位置Pgal的联合可信度PCLgps、PCLbds、PCLglonass和PCLgalileo：
PCLgps＝CLgb+CLgr+CLge
PCLbds＝CLgb+CLbr+CLbe
PCLglonass＝CLgr+CLbr+CLre
PCLgaiileo＝CLge+CLbe+CLre
其中，PCLgps为GPS解算位置Pgps的联合可信度，PCLbds为BDS解算位置Pbds的联合可信度，PCLglonass为Glonasss解算位置Pglo的联合可信度，PCLgalileo为Galileo解算位置Pgal的联合可信度；
若PCLgps＜CLThreshold，将PCLgps设置为0，表明GPS导航系统定位结果存在问题；
若PCLbds＜CLThreshold，将PCLbds设置为O，表明BDS导航系统定位结果存在问题；
若PCLglonass＜CLThreshold，将PCLglonass设置为0，表明Glonasss导航系统定位结果存在问题；
若PCLgalileo＜CLThreshold，将PCLgalileo设置为0，表明Galileo导航系统定位结果存在问题；
所述CLThreshold是定位结果综合可信度的阈值，通过工程实现调试获取最优值。
所述时间偏差估计的计算方法如下：
在两个系统的定位可信度满足要求的情况下，进行各系统解算得到的UTC时间之间差差值的滤波估计，A系统时间与B系统时间之间的时间偏差估计TBAB (k)由下式计算：
其中，α为滤波系数，且α∈[0，1]；当α＝1时，滤波器的输出即为当前解算时刻测量值；因此，解算时刻i，GPS时间与BDS时间之间的时间偏差估计TDgb(k)，GPS时间与Glonass时间之间的时间偏差估计为TDgr (k)，GPS时间与Galileo时间之间的时间偏差估计为TDge (k)，BDS时间与Glonass时间之间的时间偏差估计TDbr (k)，BDS时间与Galileo时间之间的时间偏差估计TDbe (k)，Glonass时间与Galileo时间之间的时间偏差估计TDre (k)。
所述计算UTC时间的最优估计的具体方法如下：
BDS授时结果：
BDS解算得到的UTC时间估计如下：
S1.基于GPS授时结果的BDS时间估计：
S2.基于Glonass授时结果的BDS时间估计：
S3.基于Galileo授时结果的BDS时间估计：
S4.BDS时间估计最优结果
为：
GPS授时结果：
GPS解算得到的UTC时间估计如下：
S1.基于BDS授时结果的GPS时间估计：
S2.基于Glonass授时结果的GPS时间估计：
S3.基于Galileo授时结果的GPS时间估计：
S4.GPS时间估计最优结果
为：
Glonass授时结果：
Glonass解算得到的UTC时间估计如下：
S1.基于GPS授时结果的Glonass时间估计：
S2.基于BDS授时结果的Glonass时间估计：
S3.基于Galileo授时结果的Glonass时间估计：
S4.Glonass时间估计最优结果
为：
Galileo授时结果：
Galileo解算得到的UTC时间估计如下：
S1.基于GPS授时结果的Galileo时间估计：
S2.基于BDS授时结果的Galileo时间估计：
S3.基于Glonass授时结果的Galileo时间估计：
S4.Galileo时间估计最优结果
为：
其中：a,b,c,d标志各系统解算UTC时间的权重系数，取值范围为[0，1]，且a+b+c+d＝1，且，a对应BDS授时结果，b对应GPS授时结果的BDS时间，c对应Glonass授时结果的BDS时间，d对应Galileo授时结果的BDS时间。
一种多系统联合卫星导航定位授时装置，包括：
定位授时模块，授时定位授时模块用于接收导航系统的卫星信号，各导航系统的观测量通过定位解算获得各导航系统的位置及UTC时间；
位置检核模块，授时位置检核模块利用定位解算的位置置信度对位置进行互相检核，得到接收机位置的最优估计，输出最优估计定位结果；
时间检核模块，授时时间检核模块通过定位解算得到各导航系统的UTC时间之间的时间偏差估计，基于各导航系统授时结果，根据时间偏差估计解算某一导航系统的UTC时间估计，最终计算出某一导航系统UTC时间的最优估计；
授时模式选择模块，授时模式选择模块用于根据用户配置，选择用户指定的授时结果进行输出，输出最优估计时间结果。
上述装置进一步的改进在于：
还包括观测量粗差剔除模块，所述观测量粗差剔除模块用于对接收到的卫星信号进行观测量粗差剔除处理，剔除观测噪声干扰及多径干扰引起的观测误差。
一种终端设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如上述方法的步骤。
一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上述方法的步骤。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明各系统独立定位授时，能够有效规避单个系统/频点故障对定位/授时结果的影响；联合定位/授时的优点在于观测量数目的增加，缺点在于对单个系统/单个频点的故障无法有效探测，保障终端的正常工作。本发明将联合定位/授时改进为单系统独立定位/授时解算，并利用终端设备位置不变的特点，进行互相检核，可以有效探测单个系统/频点的故障，同时，对不同系统授时结果的差值进行滤波估计，保证在单个系统/频点故障的情况下，终端仍然正常工作。
进一步的，本发明对标定位置工作模式下，将故障探测模块前移，在定位/授时解算之前即对观测量粗差进行探测与剔除，可以进一步提升授时精度。
附图说明
为了更清楚的说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明授时方法的流程图。
图2为本发明一实施例的授时装置的示意图。
图3为本发明另一实施例的授时装置的示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明实施例的描述中，需要说明的是，若出现术语“上”、“下”、“水平”、“内”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
此外，若出现术语“水平”，并不表示要求部件绝对水平，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
在本发明实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
在卫星导航接收终端实现了GNSS信号的接收以后，即可获得所接收卫星的导航电文及伪距测量值，从而构建伪距观测方程组。接收机三维位置信息x,y,z及接收机钟差δt是伪距观测方程组的四个未知量。典型的接收机采用最小二乘法实现伪距观测方程组的求解，从而获得接收机的位置及时间信息，实现定位及授时。
基于卫星导航的定位、授时性能与接收机的晶振、授时模块的算法，授时装置的观测条件等因素密切相关。同时，有相当一部分授时应用场景下，授时终端并不关注接收机位置信息，而只对授时装置的授时精度及可靠性有严格要求。
另外，全球卫星导航定位系统(GNSS)由美国的GPS，俄罗斯的GLONASS，中国的BeiDou以及欧盟的Galileo组成。多个卫星导航系统的存在为终端提高授时装置的授时可靠性提供了更多的选择。
本发明的提出了一种多系统独立解算及相互检核的方法，针对定位授时及单独授时两种不同的应用场景，利用接收机位置及时间信息唯一确定的信息，实现了定位及授时结果的可靠性的优化与改进。
本发明的原理：
在授时装置位置未精确标定的应用场景下，授时装置分别采用各系统的观测量单独定位，授时装置的位置是唯一的，因此，可以用这四个系统解算得到的四个位置信息互相进行检核，从而得到可靠性更高的位置及时间信息；
通过事先标定的方式获取授时装置的精确位置，利用授时装置的精确位置，各系统根据已知的位置信息对粗差较大的卫星信号观测量进行剔除，并独立进行解算接收机钟差，提高单系统授时精度；
在各系统卫星信号接收正常的情况下，计算各系统之间独立解算得到的接收机钟差信息的差值；在某一个系统卫星信号观测量由于干扰、系统故障、观测条件等因素受到干扰时，可以通过该系统解算的接收机钟差与其它多个系统解算得到的接收机钟差信息之间的差值的变化实现钟差解算误差的探测，有效提高了授时装置的授时可靠性。
(1)单系统定位授时基本原理
伪距观测方程是GNSS定位/授时的基本方程：
其中，ρ(n)为卫星n的伪距，δtu为接收机钟差，δt(n)为卫星n的钟差改正值，I(n)为卫星n的电离层延时，T(n)为卫星n的对流层延时，
为卫星n的伪距观测噪声。
伪距观测方程(1)中的δt(n)、I(n)、T(n)可通过导航电文计算获得，可视为已知量。因此，可定义校正后的伪距观测值为：
其中，r(n)为接收机u到卫星n的几何距离，接收机u的三维位置为(x,y,z)，卫星n在发射时刻的三维位置为(xn，yn，zn)，可表示为：
伪距的计算公式为：
其中，
为接收机时间的估计值，tn为接收机实现卫星n的跟踪及同步以后得到的信号发射时刻。
在任意时刻，当接收机实现了M颗(M>4)卫星的信号接收，即可得到M个伪距方程，通过对着M个非线性方程的线性化及最小二乘求解，即可得到接收机的三维位置为(x，y，z)及接收机时间tu。其中：
定位授时结果的输出既包含硬件接口也包含软件协议接口。典型做法是，接收机硬件上提供1pps硬件接口，在接收机实现定位解算以后，授时模块控制接收机在UTC时刻的整秒时刻输出秒脉冲，同时，采用标准/自定义的软件协议(如NMEA0183)，输出包含接收机的位置及时间信息(如GPGGA语句)，由此上位机解析软件报文，即可获取秒脉冲时刻的时间及位置信息。
接收机通过天线、射频及基带信号处理等模块实现GNSS的信号接收，在信号处理的整个链路上，每一个环节都会引入一定的延迟；而且，对于不同的接收机设计方案，延迟的大小也不一致，需要对延迟进行标定，并且在接收机1pps秒脉冲输出的时候考虑这部分延迟，从而保证了接收机1pps输出端的脉冲发生时刻为UTC整秒时刻。
(2)多系统定位授时基本原理
在GNSS联合定位中，由于不同的GNSS系统时间之间存在差异，再加上在接收机的不同GNSS信道间还存在群波延时差异，因此，将各系统的伪距观测方程联合在一起进行定位解算的过程中需要将各系统的接收机钟差区别对待。这就意味着伪距观测方程组中位置量数目的增加，在单系统定位授时解算过程中，未知量包含(x，y，z，δtu)。而在多系统联合定位中，未知量变为(x，y，z，δtu1，δtu2，…δtuk)，未知量的数目变为(k+3)，其中k为参与定位解算的观测量的系统数量。
卫星导航系统有各自独立的系统时间，式(4)的求解得到接收机钟差信息，并通过式(6)即可得到接收时刻的接收机时间，所获得的接收机时间为对应的各系统接收机时间信息，GPS、BDS、Galileo包含整周数(WN，weeknumber)及周内秒(TOW，time of week),Glonass系统包括天数(DN，day number)及天内秒(TOD，timeofday)。更进一步，接收机可以从各系统播发的电文信息中获取不同卫星系统时的协调时间修正参数，结合式(3)获得的接收机时间信息，即可获得不同卫星系统的UTC时间。由于群波延时及各系统时间的差异，不同系统解算得到的UTC时间往往存在一定偏差。如《单系统定位授时基本原理》所述，在接收机设计过程中，可以通过标定及补偿消除接收机端延迟对授时的影响。然而，由于不同的GNSS系统的系统时间独立维护，因此，不同系统解算得到的UTC时间存在一定偏差，而且这个偏差会随着时间的变化缓慢变化。
如图1所示，本发明实施例公开了一种多系统联合卫星导航定位授时方法，包括以下步骤：
S1接收GPS、BDS、Glonass和Galileo四个导航系统的卫星信号，各导航系统的观测量通过定位解算获得各导航系统的位置信息及UTC时间信息；
S2利用定位解算的位置置信度对位置信息进行互相检核，得到接收机位置的最优估计；
所述利用定位解算的位置置信度对位置信息进行互相检核的具体方法如下：
S1.各导航系统定位解算的位置置信度初始化为0；
S2.计算各导航系统定位解算得到位置的三维距离如下：
PPgb＝||Pgps-Pbds||
PPgr＝||Pgps-Pglo||
PPge＝||Pgps-Pgal||
PPbr＝||Pbds-Pglo||
PPbe＝||Pbds-Pgal||
PPre＝||Pglo-Pgal||
其中，PPij表示GNSS系统i解算得到的接收机位置与GNSS系统j解算得到的接收机位置是三维距离；i，j的取值：g表示GPS，b表示北斗，r表示glonass，e表示Galileo；Pgps为GPS解算位置，Pbds为BDS解算位置，Pglo为Glonass解算位置，Pgal为Galileo解算位置；
S3.根据两个不同系统定位解算位置的三维距离，计算可信度CLgb、CLgr、CLge、CLbr、CLbe和CLre；
由于接收机位置的唯一性，三维距离越大，则表明这两个定位结果一致性低，可信度低，反之，三维距离越小，则表明这两个定位结果一致性高，可信度高；可信度的取值方法可通过工程调试获得。一种实施例为：
CLij＝1-PPij/max(PPij)
其中，max(PPij)为所有三维距离大小的最大值。因此，CLij取值范围为[0，1]，取值越大，可信度越高。
S4.分别计算GPS解算位置Pgps、BDS解算位置Pbds、Glonasss解算位置Pglo和Galileo解算位置Pgal的联合可信度PCLgps、PCLbds、PCLglonass和PCLgalileo：
PCLgps＝CLgb+CLgr+CLge
PCLbds＝CLgb+CLbr+CLbe
PCLglonass＝CLgr+CLbr+CLre
PCLgalileo＝CLge+CLbe+CLre
其中，PCLgps为GPS解算位置Pgps的联合可信度，PCLbds为BDS解算位置Pbds的联合可信度，PCLgtonass为Glonasss解算位置Pglo的联合可信度，PCLgalileo为Galileo解算位置Pgal的联合可信度；
若PCLgps＜CLThreshold，将PCLgps设置为0，表明GPS导航系统定位结果存在问题；
若PCLbds＜CLThreshold，将PCLbds设置为O，表明BDS导航系统定位结果存在问题；
若PCLglonass＜CLThreshold，将PCLglonass设置为0，表明Glonasss导航系统定位结果存在问题；
若PCLgalileo＜CLThreshold，将PCLgalileo设置为0，表明Galileo导航系统定位结果存在问题；
所述CLThreshold是定位结果综合可信度的阈值，通过工程实现调试获取最优值。
S3通过定位解算得到各导航系统的UTC时间之间的时间偏差估计，基于各导航系统授时结果，解算某一导航系统的UTC时间估计，最终计算出某一导航系统UTC时间的最优估计；
所述时间偏差估计的计算方法如下：
在两个系统的定位可信度满足要求的情况下，接收机时间检核模块进行各系统解算得到的UTC时间之间差值的滤波估计。以GPS与BDS单系统定位授时为例，GPS得到的接收机时间(含星期号weekno及周内秒tow)可通过GPS导航电文中播发的GPS时间与UTC时间的转换参数转换为UTC时间，记为UTCgps；同理，也可以获得BDS系统定位授时解算得到的UTC时间UTCbds。每一次定位解算所获得的时间都包含测量误差，因此，可以通过对每一解算时刻系统时间偏差的估计值进行滤波实现测量噪声的抑制。一种典型的实施例如下：
GPS时间与BDS时间之间的时间偏差估计TDgb (k)可由下式计算得到：
其中，α取值范围围[0，1]，这是工程上常用的一种简单低通滤波器的实现方式，当α取1时，滤波器的输出即为当前解算时刻测量值；α越小意味着更好的噪声性能。
同样地，解算时刻i，GPS与Glonass之间的时间偏差估计为TDgr (k)，GPS与Galileo之间的时间偏差估计为TDge (k)。
所述计算UTC时间的最优估计的具体方法如下：
以BDS授时结果为例，BDS解算得到的UTC时间估计处理过程为：
S1.基于GPS授时结果的BDS时间估计：
S2.基于Glonass授时结果的BDS时间估计：
S3.基于Galileo授时结果的BDS时间估计：
S4.BDS时间估计最优结果为：
其中：a,b,c,d标志各系统解算UTC时间的权重系数，取值范围为[0，1]，且a+b+c+d＝1。不同时刻，各系统参与定位解算的卫星数等各不相同，在工程实现上，可以综合考虑影响定位/授时精度的因素，通过调试获得自适应最优值。
需要特意指出的是，在上述例子中，若某一个系统定位失败或定位结果置信度为0，则S4中该系统对应的UTC系统的权重系数设置为0。
S4根据用户配置，选择用户指定的授时结果进行输出。
如图3所示，在本发明的另一个实施例中接收GPS、BDS、Glonass和Galileo四个导航系统的卫星信号后，对接收到的卫星信号进行观测量粗差剔除处理，剔除观测噪声干扰及多径干扰引起的观测误差。所述对接收到的卫星信号进行观测量粗差剔除处理的具体方法如下：
根据接收机位置估计的历史信息，可以计算得到相应卫星的伪距测量值减去几何距离预测值与接收机钟差预测值之和，这种测量值与预测值的差异为伪距残差。伪距残差一方面与接收机位置的准确性有关，一方面与钟差预测值有关。因此，不同卫星的伪距残差往往包含接收机钟差的误差信息两部分，由于历史位置信息及惯性定律，接收机位置信息精度较高，因此，不同卫星的伪距残差趋于一致。观测量的粗差剔除假设绝大部分卫星的伪距测量值可靠，因此，可通过“分群”的方式对粗差进行识别及剔除。
参见图2，本发明实施例公开了一种多系统联合卫星导航定位授时装置，包括：
定位授时模块，授时定位授时模块用于接收GPS、BDS、Glonass和Galileo四个导航系统的卫星信号，各导航系统的观测量通过定位解算获得各导航系统的位置信息及UTC时间信息；
定位授时模块实现GPS、BDS、Glonass、Galileo四系统的卫星信号接收，各系统的观测量通过定位授时模块独立进行定位解算，从而可以获得四个不同的位置及时间信息，分别记为Pgps,Pbds,Pglo,Pgal及
根据本文档第3节描述，接收机对不同系统不同频率的导航信号的延时可以通过出厂标定的方式获取，图2所示延时补偿模块对所估计的UTC时间进行延时补偿，即可得到补偿后各系统解算得到的UTC时间UTCgps,UTCbds,UTCglo,UTCgal。UTC时间是统一的时间标准，因此，四个不同的GNSS系统观测量解算得到的UTC时间理论上是一致的，只包含各系统时间存在的误差以及定位授时解算引起的误差。
位置检核模块，授时位置检核模块利用定位解算的位置置信度对位置信息进行互相检核，得到接收机位置的最优估计；
由于接收机位置信息是唯一的。这样的话，就可以通过位置检核模块对各系统解算得到的接收机位置信息Pgps,Pbds,Pglo,Pgal进行互相检核,得到接收机位置的最优估计，同时，将不准确的位置信息传递给接收机时间检核模块。
时间检核模块，授时时间检核模块通过定位解算得到各导航系统的UTC时间之间的时间偏差估计，基于各导航系统授时结果，解算某一导航系统的UTC时间估计，最终计算出某一导航系统UTC时间的最优估计；
接收机时间检核模块接收来自各系统定位授时模块的四个UTC时间信息及各系统定位精度的置信度，输出为各系统解算得到的UTC时间的最优估计。
授时模式选择模块，授时授时模式选择模块用于根据用户配置，选择用户指定的授时结果进行输出。
参见图3，本发明另一实施例公开了一种多系统联合卫星导航定位授时装置，增加了基于标定位置的观测量粗差剔除模块。观测量粗差剔除模块使得定位授时模块的未知量由4个减少为1个，为观测噪声及多径等干扰引起的观测误差探测与剔除提供了理论基础；在完成粗差剔除以后，授时精度得到了优化与改进。
在标定位置已知的情况下，式(2)式伪距观测方程可进一步表示为：
其中，
为卫星n得到的接收机钟差的估计；当一个系统获取多个卫星观测方程的情况下，即可获得多个接收机钟差的估计。所有卫星都采用一个接收机时间进行伪距的计算，因此，接收机钟差的实际值只有一个，观测量粗差剔除模块即利用这一点对存在较大粗差的卫星进行剔除，从而实现授时精度的改进。
粗差的剔除为授时精度的改进提供的理论基础，同时，系统内所有观测卫星的接收机钟差是一样的，这一前提条件仍然可以单个系统授时可靠性判决的依据及精度的量度。任一解算时刻不同卫星接收机钟差估计的标准差可以作为衡量授时可靠性一个依据，当标准差的大小超过某一个阈值(根据工程实践联系理论基础调试获得)，则认为该系统授时结果无效。
本发明实施例公开了一种终端设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如上述方法的步骤。
本发明实施例提供的终端设备。该实施例的终端设备包括：处理器、存储器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序。所述处理器执行所述计算机程序时实现上述各个方法实施例中的步骤。或者，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述各装置实施例中各模块/单元的功能。
所述计算机程序可以被分割成一个或多个模块/单元，所述一个或者多个模块/单元被存储在所述存储器中，并由所述处理器执行，以完成本发明。
所述终端设备可以是桌上型计算机、笔记本、掌上电脑及云端服务器等计算设备。所述终端设备可包括，但不仅限于，处理器、存储器。
所述处理器可以是中央处理单元(CentralProcessingUnit，CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(DigitalSignalProcessor，DSP)、专用集成电路(ApplicationSpecificIntegratedCircuit，ASIC)、现成可编程门阵列(Field-ProgrammableGateArray，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。
所述存储器可用于存储所述计算机程序和/或模块，所述处理器通过运行或执行存储在所述存储器内的计算机程序和/或模块，以及调用存储在存储器内的数据，实现所述终端设备的各种功能。
本发明实施例公开了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上述方法的步骤。
所述终端设备集成的模块/单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明实现上述实施例方法中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中，所述计算机程序包括计算机程序代码，所述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。所述计算机可读介质可以包括：能够携带所述计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、U盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器(ROM，Read-OnlyMemory)、随机存取存储器(RAM，RandomAccessMemory)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。需要说明的是，所述计算机可读介质包含的内容可以根据司法管辖区内立法和专利实践的要求进行适当的增减，例如在某些司法管辖区，根据立法和专利实践，计算机可读介质不包括电载波信号和电信信号。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种多系统联合卫星导航定位授时方法，其特征在于，包括以下步骤：
接收导航系统的卫星信号，各导航系统的观测量通过定位解算获得各导航系统的位置及UTC时间；
利用定位解算的位置置信度对位置进行互相检核，得到接收机位置的最优估计，输出最优估计定位结果；
通过定位解算得到各导航系统的UTC时间之间的时间偏差估计，基于各导航系统授时结果，根据时间偏差估计解算某一导航系统的UTC时间估计，最终计算出某一导航系统UTC时间的最优估计；
根据用户配置，选择用户指定的授时结果进行输出，输出最优估计时间结果。
2.根据权利要求1所述的多系统联合卫星导航定位授时方法，其特征在于，所述接收导航系统的卫星信号后，对接收到的卫星信号进行观测量粗差剔除处理，剔除观测噪声干扰及多径干扰引起的观测误差，所述导航系统为GPS导航系统、BDS导航系统、Glonass导航系统和Galileo导航系统。
3.根据权利要求1所述的多系统联合卫星导航定位授时方法，其特征在于，所述对接收到的卫星信号进行观测量粗差剔除处理的具体方法如下：
根据接收机位置估计的历史信息，计算得到测量值与预测值的伪距残差；伪距残差为相应卫星的伪距测量值减去几何距离预测值与接收机钟差预测值之和。
4.根据权利要求2所述的多系统联合卫星导航定位授时方法，其特征在于，所述利用定位解算的位置置信度对位置信息进行互相检核的具体方法如下：
S1.各导航系统定位解算的位置置信度初始化为0；
S2.计算各导航系统定位解算得到位置的三维距离如下：
PPgb＝||Pgps-Pbds||
PPgr＝||Pgps-Pglo||
PPge＝||Pgps-Pgal||
PPbr＝||Pbds-Pglo||
PPbe＝||Pbds-Pgal||
PPre＝||Pglo-Pgal||
其中，PPij表示GNSS系统i解算得到的接收机位置与GNSS系统j解算得到的接收机位置是三维距离；i，j的取值：g表示GPS，b表示北斗，r表示glonass，e表示Galileo；Pgps为GPS解算位置，Pbds为BDS解算位置，Pglo为Glonass解算位置，Pgal为Galileo解算位置；
S3.根据两个不同系统定位解算位置的三维距离，按照下式计算可信度CLgb、CLgr、CLge、CLbr、CLbe和CLre：
CLij＝1-PPij/max(PPij)
其中，max(PPij)为所有三维距离大小的最大值；CLij取值范围为[0，1]，且取值越大，可信度越高；
S4.分别计算GPS解算位置Pgps、BDS解算位置Pbds、Glonasss解算位置Pglo和Galileo解算位置Pgal的联合可信度PCLgps、PCLbds、PCLglonass和PCLgalileo：
PCLgps＝CLgb+CLgr+CLge
PCLbds＝CLgb+CLbr+CLbe
PCLglonass＝CLgr+CLbr+CLre
PCLgaiileo＝CLge+CLbe+CLre
其中，PCLgps为GPS解算位置Pgps的联合可信度，PCLbds为BDS解算位置Pbds的联合可信度，PCLglonass为Glonasss解算位置Pglo的联合可信度，PCLgalileo为Galileo解算位置Pgal的联合可信度；
若PCLgps＜CLThreshold，将PCLgps设置为0，表明GPS导航系统定位结果存在问题；
若PCLbds＜CLThreshold，将PCLbds设置为O，表明BDS导航系统定位结果存在问题；
若PCLglonass＜CLThreshold，将PCLglonass设置为0，表明Glonasss导航系统定位结果存在问题；
若PCLgalileo＜CLThreshold，将PCLgalileo设置为0，表明Galileo导航系统定位结果存在问题；
所述CLThreshold是定位结果综合可信度的阈值，通过工程实现调试获取最优值。
5.根据权利要求2所述的多系统联合卫星导航定位授时方法，其特征在于，所述时间偏差估计的计算方法如下：
在两个系统的定位可信度满足要求的情况下，进行各系统解算得到的UTC时间之间差差值的滤波估计，A系统时间与B系统时间之间的时间偏差估计TDAB (k)由下式计算：
其中，α为滤波系数，且α∈[0，1]；当α＝1时，滤波器的输出即为当前解算时刻测量值；因此，解算时刻i，GPS时间与BDS时间之间的时间偏差估计TDgb (k)，GPS时间与Glonass时间之间的时间偏差估计为TDgr (k)，GPS时间与Galileo时间之间的时间偏差估计为TDge (k)，BDS时间与Glonass时间之间的时间偏差估计TDbr (k)，BDS时间与Galileo时间之间的时间偏差估计TDbe (k)，Glonass时间与Galileo时间之间的时间偏差估计TDre (k)。
6.根据权利要求5所述的多系统联合卫星导航定位授时方法，其特征在于，所述计算UTC时间的最优估计的具体方法如下：
BDS授时结果：
BDS解算得到的UTC时间估计如下：
S1.基于GPS授时结果的BDS时间估计：
S2.基于Glonass授时结果的BDS时间估计：
S3.基于Galileo授时结果的BDS时间估计：
S4.BDS时间估计最优结果
为：
GPS授时结果：
GPS解算得到的UTC时间估计如下：
S1.基于BDS授时结果的GPS时间估计：
S2.基于Glonass授时结果的GPS时间估计：
S3.基于Galileo授时结果的GPS时间估计：
S4.GPS时间估计最优结果
为：
Glonass授时结果：
Glonass解算得到的UTC时间估计如下：
S1.基于GPS授时结果的Glonass时间估计：
S2.基于BDS授时结果的Glonass时间估计：
S3.基于Galileo授时结果的Glonass时间估计：
S4.Glonass时间估计最优结果
为：
Galileo授时结果：
Galileo解算得到的UTC时间估计如下：
S1.基于GPS授时结果的Galileo时间估计：
S2.基于BDS授时结果的Galileo时间估计：
S3.基于Glonass授时结果的Galileo时间估计：
S4.Galileo时间估计最优结果
为：
其中：a，b，c，d标志各系统解算UTC时间的权重系数，取值范围为[0，1]，且a+b+c+d＝1，且，a对应BDS授时结果，b对应GPS授时结果的BDS时间，c对应Glonass授时结果的BDS时间，d对应Galileo授时结果的BDS时间。
7.一种多系统联合卫星导航定位授时装置，其特征在于，包括：
定位授时模块，授时定位授时模块用于接收导航系统的卫星信号，各导航系统的观测量通过定位解算获得各导航系统的位置及UTC时间；
位置检核模块，授时位置检核模块利用定位解算的位置置信度对位置进行互相检核，得到接收机位置的最优估计，输出最优估计定位结果；
时间检核模块，授时时间检核模块通过定位解算得到各导航系统的UTC时间之间的时间偏差估计，基于各导航系统授时结果，根据时间偏差估计解算某一导航系统的UTC时间估计，最终计算出某一导航系统UTC时间的最优估计；
授时模式选择模块，授时模式选择模块用于根据用户配置，选择用户指定的授时结果进行输出，输出最优估计时间结果。
8.根据权利要求7所述的多系统联合卫星导航定位授时装置，其特征在于，还包括观测量粗差剔除模块，所述观测量粗差剔除模块用于对接收到的卫星信号进行观测量粗差剔除处理，剔除观测噪声干扰及多径干扰引起的观测误差。
9.一种终端设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1-6任意一项所述方法的步骤。
10.一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1-6任意一项所述方法的步骤。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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