CN114252893A - Gnss载波相位差分定位的软件接收机、定位方法 - Google Patents

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CN114252893A CN202010995345.0A CN202010995345A CN114252893A CN 114252893 A CN114252893 A CN 114252893A CN 202010995345 A CN202010995345 A CN 202010995345A CN 114252893 A CN114252893 A CN 114252893A
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Abstract

本申请提供了一种GNSS载波相位差分定位的软件接收机，包括：信号接收模块，用于接收卫星信号，经数模转换后生成数字信号；信号处理模块，用于对数字信号进行捕获、跟踪前比特同步、跟踪，以获得卫星信号的信号同步参数和信号跟踪结果，信号同步参数包括载波相位、伪码相位和多普勒频率；信息处理模块，用于对信号跟踪结果进行电文解调并提取出电文时间信息；观测量提取模块，跟据信号同步参数和电文时间信息计算卫星信号的原始观测量，根据原始观测量计算对应软件接收机本地提取时间所对应的估计观测量，估计观测量包括伪距、多普勒频率和积分多普勒；定位解算模块，用于根据估计观测量的伪距、多普勒频率和积分多普勒进行载波相位差分定位解算。

Description

GNSS载波相位差分定位的软件接收机、定位方法
技术领域
本说明书一般涉及导航定位技术领域，尤其涉及一种GNSS载波相位差分定位的软件接收机及定位方法。
背景技术
全球卫星导航系统(Global Navigation Satellite System)不断发展，已经形成美国的全球定位系统GPS、中国的北斗导航系统BDS、俄罗斯的格洛纳斯GLONASS、欧洲的伽利略Galileo、日本的准天顶卫星导航系统QZSS、印度的区域卫星导航系统IRNSS等六个导航系统。各卫星导航系统仍不断演进，在原有信号体制上推陈出新，发布新的导航信号频率及制式；同时卫星导航技术的服务领域不断扩大，对高精度定位的需求越来越高，要求GNSS接收机具备差分定位或精密单点定位的能力。这些新的需求都迫使GNSS接收机升级算法来增加功能，提升性能，但是传统的硬件接收机受到滤波带宽、采样率、中断机制等要素的限制，设计专一性强，扩展性较差，导致开发周期不确定，研发成本不可控。
GNSS软件接收机是一种基于软件无线电思想的接收机，对比传统的硬件接收机具有更灵活的开发扩展性和更高效的开发迭代能力。GNSS软件接收机能够将基带信号处理、原始观测量生成、定位解算、差分定位等模块全部由软件实现，使用C/C++语言开发，运行在计算机(Personal Computer)平台上，克服硬件接收机使用硬件架构扩展性不足的问题，能够有效的把控开发周期和成本。
GNSS软件接收机需要使用GNSS天线和射频前端完成射频模拟信号到数字中频信号的变换工作。信号变换后使用中频数据采集卡采集数字信号，采集数据存储到硬盘中，再由软件接收机完成基带信号处理、原始观测量的生成、定位解算等。
载波相位差分定位技术是一种高精度的定位技术，它是建立在处理两个接收机的载波相位测量值的基础上的。为了区别两个接收机，其中一个接收机称为基准站，另一个称为用户接收机。载波相位差分定位需要获得基准站的观测信息，通过对用户接收机和基准站的载波相位测量值差分组合来消除观测值中的测量误差，差分组合有单差、双差、三差等三种模型。载波相位差分定位的精度很高，精度能够达到厘米级。
目前，大多数软件接收机的技术方案，在原始观测量的生成上，只集中关注伪距的质量，而对载波相位的质量未有深入研究；部分技术方案具备载波相位生成和差分的能力，但是能够使用的载波相位数量较少，定位精度达到厘米级的成功率低。
发明内容
为了解决现有技术中的技术问题，本申请提供了一种GNSS载波相位差分定位的软件接收机，具备载波相位差分定位能力，静态下定位精度达到厘米级。
本申请的一实施例中公开了一种GNSS载波相位差分定位的软件接收机，包括：
信号接收模块，用于接收卫星信号，经数模转换后生成数字信号；
信号处理模块，用于对所述数字信号进行捕获、跟踪前比特同步、跟踪，以获得所述卫星信号的信号同步参数和信号跟踪结果，所述信号同步参数包括载波相位、伪码相位和多普勒频率；
信息处理模块，用于对所述信号跟踪结果进行电文解调并提取出电文时间信息；
观测量提取模块，跟据所述信号同步参数和所述电文时间信息计算所述卫星信号的原始观测量，根据所述卫星信号的原始观测量通过内插算法计算所述软件接收机本地提取时间所对应的估计观测量，所述估计观测量包括伪距、多普勒频率和积分多普勒；
定位解算模块，用于根据所述估计观测量的伪距、多普勒频率和积分多普勒进行载波相位差分定位解算。
在一个优选例中，所述软件接收机为多模导航软件接收机，所述信号接收模块用于接收多模卫星信号，按卫星信号频点分路数模转换后生成多路数字信号。
在一个优选例中，所述信号处理模块进一步包括：
捕获模块，用于采用并行码相位的捕获算法对所述数字信号进行捕获，获得伪码相位的粗略估计值和多普勒频率的粗略估计值；
跟踪前比特同步模块，用于采用频率估计算法联合最大似然估计算法对所述数字信号进行跟踪前比特同步，以获得所述数字信号的比特边界；
跟踪模块，用于根据所述的伪码相位的估计值、多普勒频率的粗略估计值生成相干积分，以获得所述信号同步参数和信号跟踪结果。
在一个优选例中，所述跟踪前比特同步模块还用于判断跟踪前比特同步是否成功，若成功，则跟踪模块进行一个比特周期的相干积分获得超前路、即时路和滞后路三路相关累加值，若不成功，则跟踪模块进行一个伪码周期的相干积分以获得超前路、即时路和滞后路三路相关累加值。
在一个优选例中，所述卫星信号包括GPS L1频点和/或北斗B1I频点，其中，当跟踪前比特同步成功时，所述GPS L1频点和/或北斗B1I频点采用的积分时间为20ms；当跟踪前比特同步不成功时，所述GPS L1频点和/或北斗B1I频点采用的积分时间为1ms。
在一个优选例中，当跟踪前比特同步不成功时，在跟踪过程中根据最大似然估计算法完成比特同步，以获得所述数字信号的比特边界，并由进行一个伪码周期的相干积分改为进行一个比特周期的相干积分。
在一个优选例中，所述观测量提取模块进一步用于：
根据所述信号同步参数和所述电文时间信息计算每个伪码周期开始时刻和每个伪码周期开始时刻对应的原始观测量，根据内插算法推算所述软件接收机本地提取时间所对应的所述估计观测量，其中，所述本地提取时间为选定的估计观测量提取生成时刻，其中，所述内插算法包括：
根据所述本地提取时间确定两个伪码周期开始时刻，该两个伪码周期开始时刻分别为和所述本地提取时间最为接近的之前和之后的伪码周期开始时刻；以及
根据该两个伪码周期开始时刻对应的原始观测量内插得到所述本地提取时间对应的估计观测量。
在一个优选例中，所述观测量提取模块进一步用于：
通过信号质量判据来判别原始观测量的质量，从而判别所述估计观测量的质量，所述信号质量判据通过鉴相器输出的相位误差统计值、信号能量参数以及载噪比获得；
其中，所述鉴相器为所述跟踪模块中的载波相位鉴别器，用于鉴别跟踪模块输入信号与输出信号之间相位差异，所述相位误差统计值通过所述鉴相器输出的相位差异绝对值的期望和最大值获得；
所述信号能量参数通过所述跟踪模块输出的相干积分获得。
在一个优选例中，将根据内插算法推算得到的所述估计观测量生成时刻的伪距、多普勒频率及积分多普勒进行组帧，并写入原始观测量文件。
本申请的另一实施例中还公开了一种基于GNSS载波相位差分定位的软件接收机的定位方法包括：
接收多模卫星信号，按照信号频点分路输入并经数模转换后生成多路数字信号；
对所述多路数字信号进行捕获、跟踪前比特同步、跟踪并获得信号同步参数，所述信号同步参数包括载波相位、伪码相位和多普勒频率的精确估计值；
对所述跟踪输出的结果进行电文解调并提取出时间信息和星历参数；
计算选定的本地提取时间对应的伪距、多普勒频率、积分多普勒；
据所述卫星信号的发射时间、多普勒频率、积分多普勒和外部基准站提供的差分信息进行RTK定位解算。
在一个优选例中，所述对所述多路数字信号进行捕获、跟踪前比特同步、跟踪并获得信号同步参数的步骤，进一步包括：
采用并行码相位的捕获算法对所述数字信号进行捕获，获得伪码相位的粗略估计值和多普勒频率的粗略估计值；
采用频率估计算法联合最大似然估计算法对所述数字信号进行跟踪前比特同步，以获得所述数字信号的比特边界；
根据所述的伪码相位的估计值、多普勒频率的粗略估计值生成相干积分，以获得所述信号同步参数和信号跟踪结果。
在一个优选例中，所述方法还包括：判断跟踪前比特同步是否成功，若成功，则进行一个比特周期的相干积分获得超前路、即时路和滞后路三路相关累加值，若不成功，则进行一个伪码周期的相干积分以获得超前路、即时路和滞后路三路相关累加值。
在一个优选例中，当跟踪前比特同步不成功时，在跟踪过程中根据最大似然估计算法完成比特同步，以获得所述数字信号的比特边界，并由进行一个伪码周期的相干积分改为进行一个比特周期的相干积分。
在一个优选例中，所述计算选定的本地提取时间对应的伪距、多普勒频率、积分多普勒的步骤，进一步包括：
根据所述信号同步参数和所述电文时间信息计算每个伪码周期开始时刻和每个伪码周期开始时刻对应的原始观测量，根据内插算法推算所述软件接收机本地提取时间所对应的所述估计观测量，其中，所述本地提取时间为选定的估计观测量提取生成时刻，其中，所述内插算法包括：
根据所述本地提取时间确定两个伪码周期开始时刻，该两个伪码周期开始时刻分别为和所述本地提取时间最为接近的之前和之后的伪码周期开始时刻；以及
根据该两个伪码周期开始时刻对应的原始观测量内插得到所述本地提取时间对应的估计观测量。
在一个优选例中，所述方法还包括：
通过信号质量判据来判别原始观测量的质量，从而判别所述估计观测量的质量，所述信号质量判据通过鉴相器输出的相位误差统计值、信号能量参数以及载噪比获得；
其中，所述鉴相器为所述跟踪模块中的载波相位鉴别器，用于鉴别跟踪模块输入信号与输出信号之间相位差异，所述相位误差统计值通过所述鉴相器输出的相位差异绝对值的期望和最大值获得；
所述信号能量参数通过所述跟踪模块输出的相干积分获得。
相对于现有技术，本申请具有以下有益效果：
相对于目前的软件接收机方案，本发明支持GPS、北斗、伽利略三系统的载波相位生成和差分定位，同时可以适配任意两系统。载波相位观测量的数量和质量完全满足全天候精密差分定位的需求，具有精准、稳定、自主可控的高精度定位能力。
本说明书中记载了大量的技术特征，分布在各个技术方案中，如果要罗列出本申请所有可能的技术特征的组合(即技术方案)的话，会使得说明书过于冗长。为了避免这个问题，本说明书上述发明内容中公开的各个技术特征、在下文各个实施方式和例子中公开的各技术特征、以及附图中公开的各个技术特征，都可以自由地互相组合，从而构成各种新的技术方案(这些技术方案均应该视为在本说明书中已经记载)，除非这种技术特征的组合在技术上是不可行的。例如，在一个例子中公开了特征A+B+C，在另一个例子中公开了特征A+B+D+E，而特征C和D是起到相同作用的等同技术手段，技术上只要择一使用即可，不可能同时采用，特征E技术上可以与特征C相组合，则，A+B+C+D的方案因技术不可行而应当不被视为已经记载，而A+B+C+E的方案应当视为已经被记载。
附图说明
参考以下附图描述本申请的非限制性和非穷举性实施例，其中除非另有说明，否则相同的附图标记在各个视图中指代相同的部分。
图1是根据本说明书第一实施方式中一种GNSS载波相位差分定位的软件接收机的框图。
图2是根据本说明书第一实施方式中一种信号处理模块的框图。
图3是根据本说明书一个实施例中软件接收机的框图。
图4是根据本说明书一个实施例中基于软件接收机进行定位解算的具体步骤的流程图。
图5是根据本说明书一个实施例中对卫星信号进行跟踪前比特同步的流程图。
图6是根据本说明书一个实施例中对卫星信号进行跟踪前比特同步和跟踪的流程图。
图7是根据本说明书一个实施例中原始观测量生成的流程图。
图8是根据本说明书一个实施例中原始观测量生成的时序框图。
图9是根据本说明书第二实施方式中一种基于GNSS载波相位差分定位的软件接收机的定位方法的流程图。
具体实施方式
在以下的叙述中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，本领域的普通技术人员可以理解，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请所要求保护的技术方案。
本申请实施例的部分创新在于：
针对软件接收机与硬件接收机处理机制的不同，设计相应的载波相位生成方式和计算方法，以保证载波相位生成的合理性。本发明，在基带信号处理上可以适配GPS、北斗、伽利略三系统，也可以适配其中任意两种系统的组合。在基带处理上，可以利用跟踪前比特同步，增加可用卫星数量；在载波相位生成上，可以增加质量控制措施，提高载波相位观测值的质量。因此，本发明技术方案具备稳定、精确、可靠的载波相位生成和差分的能力，从而具备厘米级定位能力。
为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本申请的实施方式作进一步地详细描述。
本申请的第一实施方式中公开了一种GNSS载波相位差分定位的软件接收机，图1示出了软件接收机100的框图，包括：信号接收模块101、信号处理模块102、信息处理模块103、观测量提取模块104和定位解算模块105。
信号接收模块101用于接收卫星信号，经数模转换后生成数字信号。在一实施例中，所述软件接收机100为多模导航软件接收机，所述信号接收模块101用于接收多模卫星信号，按卫星信号频点分路数模转换后生成多路数字信号。在一实施例中，所述卫星信号包括GPS L1频点和北斗B1I频点。
信号处理模块102用于对所述数字信号进行捕获、跟踪前比特同步、跟踪，以获得所述卫星信号的信号同步参数和信号跟踪结果，所述信号同步参数包括载波相位、伪码相位和多普勒频率。
在一实施例中，参考图2所示，所述信号处理模块102进一步包括：捕获模块1021、跟踪前比特同步模块1022和跟踪模块1023。捕获模块1021例如用于采用并行码相位的捕获算法对所述数字信号进行捕获，获得伪码相位的粗略估计值和多普勒频率的粗略估计值。跟踪前比特同步模块1022用于采用频率估计算法联合最大似然估计算法对所述数字信号进行比特同步，以获得所述数字信号的比特边界。跟踪模块1023用于根据所述的伪码相位的估计值、多普勒频率的粗略估计值生成相干积分，以获得所述信号同步参数和信号跟踪结果。跟踪前比特同步模块执行的步骤是在跟踪模块支持的步骤之前进行处理，可以有利于获取比特边界，使用长时间的相干积分，降低噪声，提高跟踪灵敏度，增加可用卫星数量。
在一实施例中，如图6所示，所述跟踪前比特同步模块1022还用于在跟踪过程之前判断比特同步是否成功，若成功，则进行一个比特周期(例如20毫秒)的相干积分获得超前路、即时路和滞后路三路相关累加值，若不成功，则进行一个伪码周期(例如1毫秒)的相干积分以获得超前路、即时路和滞后路三路相关累加值。具体的，在一实施例中，所述卫星信号包括GPS L1频点和/或北斗B1I频点，当跟踪前比特同步成功时，所述GPS L1频点和/或北斗B1I频点采用的积分时间为20ms；当跟踪前比特同步不成功时，所述GPS L1频点和/或北斗B1I频点采用的积分时间为1ms。本文中的三路相关累加值也可以替换为五路相关累加值等，本发明不以此为限。
并且，当跟踪前比特同步不成功时，则需要在跟踪过程中根据最大似然估计算法完成比特同步，以获得所述数字信号的比特边界，并由进行一个伪码周期的相干积分改为进行一个比特周期的相干积分。
在一实施例中，信息处理模块103用于对所述信号跟踪结果进行电文解调并提取出电文时间信息。
观测量提取模块104跟据所述信号同步参数和所述电文时间信息计算所述卫星信号的原始观测量，根据所述卫星信号的原始观测量计算对应所述软件接收机的本地提取时间的估计观测量，所述估计观测量包括伪距、多普勒频率和积分多普勒。在一实施例中，所述观测量提取模块104进一步用于：根据所述信号同步参数和所述电文时间信息计算每个伪码周期开始时刻的原始观测量，根据线性内插算法推算对应所述软件接收机的本地提取时间的所述估计观测量，其中，所述本地提取时间为选定的估计观测量生成时刻。在一实施例中，将根据线性内插算法推算得到的所述估计观测量生成时刻的卫星发射时间、多普勒频率及积分多普勒进行组帧，并写入原始观测量文件。
在一实施例中，定位解算模块105用于根据所述估计观测量的伪距、多普勒频率和积分多普勒进行载波相位差分定位解算。
为了能够更好地理解本说明书的技术方案，下面结合一个具体的例子来进行说明，该例子中罗列的细节主要是为了便于理解，不作为对本申请保护范围的限制。
一、多模GNSS软件接收机的构成
本发明一实施例的多模GNSS软件接收机支包括GNSS多模天线、射频前端和通用计算机，软件接收机的组成框图参考图3所示。其中，天线、射频前端用于实现信号接收模块的功能，而信号处理模块、信息处理模块、观测量提取模块、定位解算模块的功能都可以在通用计算机上实现。
GNSS多模天线具备接收GPS、北斗、伽利略等导航系统信号的能力。射频前端采用可配置的双通道数字中频架构，同时接收GPS L1/Galileo E1(1575.42MHz)和北斗B1I(1561.098MHz)两路射频信号。通用计算机采用软件编程实现基带处理和载波相位差分定位，处理流程框图参考图4所示。基带处理分为两个部分：信号处理和信息处理。信号处理是指对载波和伪码的信号处理，获取信号同步参数和信号跟踪结果，包括：伪码相位、载波多普勒频率、载波相位等。信息处理是指从信号跟踪结果的相关值中解调导航电文，例如，从导航电文中提取时间信息和星历参数，从信号同步参数提取伪距、积分多普勒等原始观测量。载波相位差分定位可以通过基带处理提供的原始观测量和外部基准站提供的差分信息完成。
二、信号接收和处理、信息处理、观测量提取、定位解算的具体步骤
1.GNSS多模天线接收GPS L1、BD B1I、GAL E1信号，接收的卫星信号分两路输出，信号经有源低噪声放大后，接入射频前端的两路各自独立的通道。
2.射频前端的两通道一路支持GPS L1/GAL E1频点，另外一路支持BD B1I频点。射频前端首先完成模拟射频信号的正交下变频，产生I、Q两路中频模拟信号；然后完成数模转换和数字下变频，将I、Q中频模拟信号转换为I、Q中频数字信号；最后通过射频前端中的数据采集卡，将转换后的中频数字信号以数据文件的方式存储到硬盘中。
3.通用计算机读入存储的数据文件后，针对不同中频信号的数据格式，可以对信号进行预处理，生成统一的复数数据格式，I、Q两路各占8位。信号预处理后，依次完成捕获、跟踪、电文解调、原始观测量生成、载波相位差分定位解算。
a)卫星捕获
本发明中一实施例中软件接收机采用并行码相位的捕获算法，这种算法利用信号的时域卷积等价频域相乘的性质，见公式(1)，快速完成伪码相位维度的搜索。并行码相位对相位一维的搜索是一次性完成的，但是对频率一维的搜索仍然是串行的。
x(k)*code(k)＝IFFT[FFT*{x(k)}·FFT{code(k)}} (1)
式中，code(k)本地伪码，x(k)数字中频信号，FFT表示傅里叶变换。
b)跟踪前比特同步
如图5所示，跟踪前完成比特同步的目的是提高信号的跟踪灵敏度，增加可用卫星数量；同时能够降低环路噪声，提高载波相位的跟踪质量。针对不同卫星导航系统，跟踪前比特同步的处理不同。GAL E1信号得益于信号体制的设计，在捕获成功后比特已经同步，所以一般无需特意执行同步，可以直接跳过此步骤。GPS L1和BD B1I一个伪码时间的相干积分完成后使用DFT(Discrete Fourier Transformation，离散傅里叶变换)频率旋转联合最大似然估计完成频偏精细估计和比特同步。比特同步成功后，相干积分时间达到一个比特时长，(GPS L1 20ms，BD B1I非GEO 20ms、GEO 2ms)，同时通过DFT频率旋转完成频偏精密估计，进入一个比特时长的跟踪环路；比特同步超时失败后，进入一个伪码周期时长的跟踪跟踪。
DFT频率旋转联合最大似然估计的流程图见图5所示，实现步骤如下：
I.使用DFT方式对一个伪码周期的相干积分完成频率搬移，即变频。相干积分与M个不同搬移频率的复载波相乘表达式如下(2)，得到M路相干累加值。
Figure BDA0002692420650000121
式中
Figure BDA0002692420650000122
方差与Ni一致，各路信号信噪比无变化，m＝0～M-1
II.对每路相干累加值输出分为K组，每组20个数据，组内的20个数据位代表20个bit位，每个数据组进行匹配滤波，每个数据组的匹配滤波器输出的结果表示为式(3)：
Figure BDA0002692420650000123
式中hl匹配滤波器系数，GPS L1是全1，BD B1I非GEO信号是B1IICD中NH序列，k是数据组序号，k＝0～K-1，δ＝0～19表示比特位，m是变频后频点序号。
III.对K组数据的匹配滤波结果，按照比特位对应关系包络累加表达式如(4)：
Figure BDA0002692420650000124
包络累加后的值Hδ，m，进行频率、比特位联合搜索，选取最大值对应的频点以及比特位，作为估计值。
IV.对检验估计结果，最大值对应的频点以及比特位的匹配滤波结果应等于20。检验成功输出成功标志以及估计值，检测失败输出失败标志。
c)跟踪
跟踪的目的是获得卫星信号的精确载波相位和伪码相位等信号同步信息，本软件接收机在载波上使用锁频环(frequency-locked loop FLL)、锁相环(phase-locked loop，PLL)和延迟锁定环(delay-locked loop，DLL)来稳定跟踪卫星信号，软件流程图见6，实现具体步骤如下：
第一，捕获成功后，数字中频信号与包含粗略估计多普勒频率的本地载波相乘，再与具有粗略估计码相位的本地码相乘，有公式(5)：
Figure BDA0002692420650000131
式中，c[kTs+τ]为本地伪码序列，τ为输入伪码与本地伪码的相位差，
Figure BDA0002692420650000137
为捕获模块粗略估计的多普勒频移。
第二，对捕获成功后的数字中频信号进行一个伪码周期时间的相干积分，积分时间为TI。对于GPS L1和BD B1I而言，积分时间在本步骤都是1ms；对GAL E1而言，积分时间是4ms。积分输出结果如公式(6)所示
Figure BDA0002692420650000132
式中，M是积分时间内采样点的总数，
Figure BDA0002692420650000133
Figure BDA0002692420650000134
是相关器输出的复高斯白噪声序列，L是残余码相位和多普勒频偏造成的相关器累积损耗，表达式为：
Figure BDA0002692420650000135
其中
Figure BDA0002692420650000136
是多普勒频偏造成的相干积分损耗。R(τ)是扩频码自相关函数，码相位差在一个码片范围内时，相关值是相位差的线性函数。
第三，信号进入跟踪环路阶段。本发明一实施例中使用锁相环理论完成对码相位、载波频率和载波相位的估计。为了提供准确的载波相位观测量，本发明一实施例使用锁频环和锁相环工作方案来完成信号跟踪，环路工作方案及步骤如下：
I.中频数字信号与本地载波相乘后，再分别与超前(E)、即时(P)和滞后(L)，三路本地伪码相乘；依据第三步获得的同步检验标志，选择累加时间，完成相干累加，得到E、P、L三路相关值，超前、即时、滞后路
II.通过FLL、PLL环路和DLL环路获得对相关器输出信号的三个参数
Figure BDA0002692420650000141
Figure BDA0002692420650000142
的估计，估计方程如下式(7)-(9)。
Figure BDA0002692420650000143
Figure BDA0002692420650000144
Figure BDA0002692420650000145
其中式(10)、(11)表示载波环路，式(12)表示码片环路。这些环路有参数残差鉴别器、滤波器和数控振荡器组成的负反馈环路。本发明技术方案对FLL、PLL环路算法采用经典理论。
III.通过PLL和DLL环路得到载波和频率的校正值，然后计算下一相干积分时间数据起始位置的载波相位和伪距相位如式(10)-(11)：
θcarrier(n+1)＝θcarrier(n)+j·2π*fcarrier(n+1)·Tcoh (10)
τcode(n+1)＝τcode(n)+fcode(n+1)·Tcoh (11)
其中，θcarrier(n)和τcode(n)分别代表第n个相干积分周期处的载波相位和伪码相位，fcarrier(n)是PLL环路修正过的载波频率，fcode是DLL环路修正过的伪码频率。重复i-iii步骤的操作，PLL和DLL环路中的参数残差收敛，实现信号的跟踪。
c)伪距、载波相位提取
本发明一实施例中软件接收机的伪距和载波相位提取方法与传统接收机有很大的区别。传统接收机，所有通道的观测量在观测中断触发下，同时锁存，保证各通道观测量的时间一致性。本发明一实施例的软件接收机的伪距、载波相位的生成时间可以在任意时刻，并计算此时每个卫星的信号发射时刻、多普勒频移、载波相位；软件接收机使用数据片的处理机制，载波相位的观测值可以开机后立即记录，输出准确的载波相位测量值。原始观测量生成的流程图如图7所示，时序框图如图8所示，实现过程如下：
第一，获取接收的第一帧数据起始点的发射时间。帧同步操作时，可以得到TOW(周内秒)以及TOW帧头所在本地记录时间Ntow。本地记录时间是指软件接收机的时间，本地记录时间和卫星上(含卫星发出的电文)记录的时间可能不一致，有固定的偏差。发射时间，如第一帧数据起始点的发射时间、伪码周期数据起始点的发射时间等均指卫星上记录的时间。
第二，获取第n个伪码周期数据起始点的发射时间、积分多普勒、与伪码周期数据起始点发射时间对应的本地记录时间。由第一帧数据的起始点推算每个伪码周期数据起始点的发射时间、积分多普勒、与伪码周期数据起始点发射时间对应的本地记录时间。即如下式(12)-(14)。通过卫星发射时间，能够计算伪距，即入下式(15)。
Figure BDA0002692420650000151
Figure BDA0002692420650000152
Figure BDA0002692420650000153
Figure BDA0002692420650000154
其中
Figure BDA0002692420650000155
是第n个伪码周期数据起始时刻的卫星发射时间，TOW是第一帧的周内秒，Tcode是一个伪码周期，
Figure BDA0002692420650000156
积分多普勒，fd，n是当前时刻的载波环路给出的多普勒频移，
Figure BDA0002692420650000157
是第n个伪码周期数据起始时刻对应的本地记录时间，τcode，n是当前时刻伪码残余相位，fcode，n是当前时刻延时锁定环路给出的码频率修正值，
Figure BDA0002692420650000158
是当前时刻的伪距，c是光速。
第三，选取原始观测量生成时刻(软件接收机)的本地提取时间，即伪距、载波相位的生成提取时间。
第四，计算原始观测量生成时刻
Figure BDA0002692420650000161
的卫星发射时间、多普勒频移、积分多普勒。例如根据信号同步参数和电文时间信息计算每个伪码周期开始时刻的原始观测量，根据线性内插算法推算对应软件接收机的本地提取时间的估计观测量。首先计算
Figure BDA0002692420650000162
到
Figure BDA0002692420650000163
的偏移量，其次根据一阶泰勒展开式(16)，计算
Figure BDA0002692420650000164
的发射时间、多普勒频移、积分多普勒，如式(17)-(19)，然后通过原始观测量生成时刻
Figure BDA0002692420650000165
和卫星发射时间
Figure BDA0002692420650000166
计算伪距入式(20)：
Figure BDA0002692420650000167
Figure BDA0002692420650000168
Figure BDA0002692420650000169
Figure BDA00026924206500001610
Figure BDA00026924206500001611
其中，
Figure BDA00026924206500001612
是载波相位的积分，
Figure BDA00026924206500001613
因为伪距和卫星信号的发射时间有明确的换算关系(如公式15)，所以申请文件中“伪距”的概念包括“卫星信号的发射时间”。
第五，由于软件接收机采用数据片的处理机制，这里的t0时刻是开机时刻。因此，可以增加质量控制方案，来保证输出载波相位观测值的质量。质量控制方案是通过判断信号跟踪质量的好坏，来判定载波相位是否可用。信号跟踪质量的判据例如由环路状态、鉴相器输出相位误差统计值(绝对值期望、最大值)、信号能量参数以及载噪比组成。相位误差的统计值用来判别跟踪质量的总体趋势，信号有无进入稳定状态；信号能量参数用来判别当前时刻跟踪质量，信号有无出现剧烈变化。判据通过后，载波相位测量值置为有效。一实施例中，通过信号质量判据来判别原始观测量的质量，从而判别所述估计原始观测量的质量，信号质量判据信号跟踪质量的判据通过包括鉴相器输出的相位误差统计值、信号能量参数以及载噪比获得；其中，鉴相器为跟踪模块中的载波相位鉴别器，用于鉴别跟踪模块输入信号与输出信号之间相位差异，相位误差统计值是通过所述鉴相器输出的相位差异绝对值的期望和最大值获得；信号能量参数通过所述跟踪模块输出的相干积分获得。
相位误差统计值绝对值期望：
Figure BDA0002692420650000171
信号参数：
Figure BDA0002692420650000172
第六，原始观测量的生成及数据组包。将原始观测量的卫星号、卫星系统、卫星发射时间、载噪比、多普勒频移、积分多普勒整数周、小数周、本地采样时间以及周跳标识组装后写入原始观测量文件。
e)载波相位差分定位解算
载波相位差分定位解算主要借助RTKLIB软件，具体实现步骤：
第一，获取基准站的差分信息。差分信息包含基准站的原始观测量，测量时间段内的卫星星历；
第二，利用RTKLIB高精度定位软件，处理本地原始观测量和基准站差分信息，完成载波相位差分定位。
本申请的第二实施方式还公开了一种基于GNSS载波相位差分定位的软件接收机的定位方法，图9示出了定位方法的流程图，包括：
步骤901，接收多模卫星信号，按照信号频点分路输入并经数模转换后生成多路数字信号。
步骤902，对所述多路数字信号进行捕获、跟踪前比特同步、跟踪并获得信号同步参数，所述信号同步参数包括载波相位、伪码相位和多普勒频率的精确估计值。
步骤903，对所述跟踪输出的结果进行电文解调并提取出时间信息和星历参数。
步骤904，计算选定的本地提取时间对应的伪距、多普勒频率、积分多普勒。
步骤905，据所述卫星信号的发射时间、多普勒频率、积分多普勒和外部基准站提供的差分信息进行RTK定位解算。
第一实施方式是与本实施方式相对应的装置实施方式，第一实施方式中的技术细节可以应用于本实施方式，本实施方式中的技术细节也可以应用于第一实施方式。
需要说明的是，在本专利的申请文件中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。本专利的申请文件中，如果提到根据某要素执行某行为，则是指至少根据该要素执行该行为的意思，其中包括了两种情况：仅根据该要素执行该行为、和根据该要素和其它要素执行该行为。多个、多次、多种等表达包括2个、2次、2种以及2个以上、2次以上、2种以上。
在本说明书提及的所有文献都被认为是整体性地包括在本说明书的公开内容中，以便在必要时可以作为修改的依据。此外应理解，以上所述仅为本说明书的较佳实施例而已，并非用于限定本说明书的保护范围。凡在本说明书一个或多个实施例的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本说明书一个或多个实施例的保护范围之内。
在一些情况下，在权利要求书中记载的动作或步骤可以按照不同于实施例中的顺序来执行并且仍然可以实现期望的结果。另外，在附图中描述的过程不一定要求示出的特定顺序或者连续顺序才能实现期望的结果。在某些实施方式中，多任务处理和并行处理也是可以的或者可能是有利的。

Claims (15)

1.一种GNSS载波相位差分定位的软件接收机，其特征在于，包括：
信号接收模块，用于接收卫星信号，经数模转换后生成数字信号；
信号处理模块，用于对所述数字信号进行捕获、跟踪前比特同步、跟踪，以获得所述卫星信号的信号同步参数和信号跟踪结果，所述信号同步参数包括载波相位、伪码相位和多普勒频率；
信息处理模块，用于对所述信号跟踪结果进行电文解调并提取出电文时间信息；
观测量提取模块，跟据所述信号同步参数和所述电文时间信息计算所述卫星信号的原始观测量，根据所述卫星信号的原始观测量通过内插算法计算所述软件接收机本地提取时间所对应的估计观测量，所述估计观测量包括伪距、多普勒频率和积分多普勒；
定位解算模块，用于根据所述估计观测量的伪距、多普勒频率和积分多普勒进行载波相位差分定位解算。
2.如权利要求1所述的软件接收机，其特征在于，所述软件接收机为多模导航软件接收机，所述信号接收模块用于接收多模卫星信号，按卫星信号频点分路数模转换后生成多路数字信号。
3.如权利要求1所述的软件接收机，其特征在于，所述信号处理模块进一步包括：
捕获模块，用于采用并行码相位的捕获算法对所述数字信号进行捕获，获得伪码相位的粗略估计值和多普勒频率的粗略估计值；
跟踪前比特同步模块，用于采用频率估计算法联合最大似然估计算法对所述数字信号进行跟踪前比特同步，以获得所述数字信号的比特边界；
跟踪模块，用于根据所述的伪码相位的估计值、多普勒频率的粗略估计值生成相干积分，以获得所述信号同步参数和信号跟踪结果。
4.如权利要求3所述的软件接收机，其特征在于，所述跟踪前比特同步模块还用于判断跟踪前比特同步是否成功，若成功，则跟踪模块进行一个比特周期的相干积分获得超前路、即时路和滞后路三路相关累加值，若不成功，则跟踪模块进行一个伪码周期的相干积分以获得超前路、即时路和滞后路三路相关累加值。
5.如权利要求4所述的软件接收机，其特征在于，所述卫星信号包括GPS L1频点和/或北斗B1I频点，其中，当跟踪前比特同步成功时，所述GPS L1频点和/或北斗B1I频点采用的积分时间为20ms；当跟踪前比特同步不成功时，所述GPS L1频点和/或北斗B1I频点采用的积分时间为1ms。
6.如权利要求4所述的软件接收机，其特征在于，当跟踪前比特同步不成功时，在跟踪过程中根据最大似然估计算法完成比特同步，以获得所述数字信号的比特边界，并由进行一个伪码周期的相干积分改为进行一个比特周期的相干积分。
7.如权利要求3所述的软件接收机，其特征在于，所述观测量提取模块进一步用于：
根据所述信号同步参数和所述电文时间信息计算每个伪码周期开始时刻和每个伪码周期开始时刻对应的原始观测量，根据内插算法推算所述软件接收机本地提取时间所对应的所述估计观测量，其中，所述本地提取时间为选定的估计观测量提取生成时刻，其中，所述内插算法包括：
根据所述本地提取时间确定两个伪码周期开始时刻，该两个伪码周期开始时刻分别为和所述本地提取时间最为接近的之前和之后的伪码周期开始时刻；以及
根据该两个伪码周期开始时刻对应的原始观测量内插得到所述本地提取时间对应的估计观测量。
8.如权利要求3所述的软件接收机，其特征在于，所述观测量提取模块进一步用于：
通过信号质量判据来判别原始观测量的质量，从而判别所述估计观测量的质量，所述信号质量判据通过鉴相器输出的相位误差统计值、信号能量参数以及载噪比获得；
其中，所述鉴相器为所述跟踪模块中的载波相位鉴别器，用于鉴别跟踪模块输入信号与输出信号之间相位差异，所述相位误差统计值通过所述鉴相器输出的相位差异绝对值的期望和最大值获得；
所述信号能量参数通过所述跟踪模块输出的相干积分获得。
9.如权利要求7所述的软件接收机，其特征在于，将根据内插算法推算得到的所述估计观测量生成时刻的伪距、多普勒频率及积分多普勒进行组帧，并写入原始观测量文件。
10.一种基于GNSS载波相位差分定位的软件接收机的定位方法，其特征在于，包括：
接收多模卫星信号，按照信号频点分路输入并经数模转换后生成多路数字信号；
对所述多路数字信号进行捕获、跟踪前比特同步、跟踪并获得信号同步参数，所述信号同步参数包括载波相位、伪码相位和多普勒频率的精确估计值；
对所述跟踪输出的结果进行电文解调并提取出时间信息和星历参数；
计算选定的本地提取时间对应的伪距、多普勒频率、积分多普勒；
据所述卫星信号的发射时间、多普勒频率、积分多普勒和外部基准站提供的差分信息进行RTK定位解算。
11.如权利要求10所述的定位方法，其特征在于，所述对所述多路数字信号进行捕获、跟踪前比特同步、跟踪并获得信号同步参数的步骤，进一步包括：
采用并行码相位的捕获算法对所述数字信号进行捕获，获得伪码相位的粗略估计值和多普勒频率的粗略估计值；
采用频率估计算法联合最大似然估计算法对所述数字信号进行跟踪前比特同步，以获得所述数字信号的比特边界；
根据所述的伪码相位的估计值、多普勒频率的粗略估计值生成相干积分，以获得所述信号同步参数和信号跟踪结果。
12.如权利要求10所述的定位方法，其特征在于，所述方法还包括：判断跟踪前比特同步是否成功，若成功，则进行一个比特周期的相干积分获得超前路、即时路和滞后路三路相关累加值，若不成功，则进行一个伪码周期的相干积分以获得超前路、即时路和滞后路三路相关累加值。
13.如权利要求12所述的定位方法，其特征在于，当跟踪前比特同步不成功时，在跟踪过程中根据最大似然估计算法完成比特同步，以获得所述数字信号的比特边界，并由进行一个伪码周期的相干积分改为进行一个比特周期的相干积分。
14.如权利要求10所述的定位方法，其特征在于，所述计算选定的本地提取时间对应的伪距、多普勒频率、积分多普勒的步骤，进一步包括：
根据所述信号同步参数和所述电文时间信息计算每个伪码周期开始时刻和每个伪码周期开始时刻对应的原始观测量，根据内插算法推算所述软件接收机本地提取时间所对应的所述估计观测量，其中，所述本地提取时间为选定的估计观测量提取生成时刻，其中，所述内插算法包括：
根据所述本地提取时间确定两个伪码周期开始时刻，该两个伪码周期开始时刻分别为和所述本地提取时间最为接近的之前和之后的伪码周期开始时刻；以及
根据该两个伪码周期开始时刻对应的原始观测量内插得到所述本地提取时间对应的估计观测量。
15.如权利要求10所述的定位方法，其特征在于，所述方法还包括：
通过信号质量判据来判别原始观测量的质量，从而判别所述估计观测量的质量，所述信号质量判据通过鉴相器输出的相位误差统计值、信号能量参数以及载噪比获得；
其中，所述鉴相器为所述跟踪模块中的载波相位鉴别器，用于鉴别跟踪模块输入信号与输出信号之间相位差异，所述相位误差统计值通过所述鉴相器输出的相位差异绝对值的期望和最大值获得；
所述信号能量参数通过所述跟踪模块输出的相干积分获得。
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