CN115015980A - 一种gnss导航接收机卫星扩展支持方法 - Google Patents

一种gnss导航接收机卫星扩展支持方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种GNSS导航接收机卫星扩展支持方法，包括：获取新增卫星信息；根据所述新增卫星信息推算所述新增卫星的当前的码相位估计值和多普勒频率估计值；将所述新增卫星的当前的码相位估计值和多普勒频率估计值输入跟踪引擎，并根据码相位和多普勒频率的搜索范围调整所述跟踪引擎的控制参数对新增卫星信号进行捕获和跟踪；对所述新增卫星进行电文解码，得到所述新增卫星的广播星历，再结合所述跟踪引擎得到的观测量，对所述新增卫星进行定位解算。本发明在无需重新设计和流片的基础上实现对新增卫星的支持，大大降低了接收机成本。

Description

一种GNSS导航接收机卫星扩展支持方法
技术领域
本发明涉及卫星技术领域，特别是涉及一种GNSS导航接收机卫星扩展支持方法。
背景技术
自从2012年年底，中国北斗导航定位系统完成14颗卫星发射组网后，GNSS芯片、接收机厂商等纷纷完成了对北斗二代卫星导航系统的支持。而北斗三代导航定位系统从2009年启动建设到2020年6月底才完成最后一颗卫星的发射。期间，已经有大量的支持北斗二代卫星的GNSS导航接收机广泛应用人们生活的方方面面，如导航、定位、授时、资产跟踪以及紧急援救等。此外，由于北斗三代的建设周期长，在卫星系统建设期间有很多厂商推出了支持北斗三代卫星的接收机，但是随着三代卫星的持续发射，这些已经量产的芯片或者接收机无法支持后续发射的新卫星，导致实际可以利用的北斗卫星数远远少于天空中可见的北斗卫星数。卫星数量差异会对导航定位的精度会造成显著影响，特别是对于复杂环境，卫星数量是决定定位精度的决定性因素之一。
图1是GNSS接收机的框架示意图，目前，GNSS接收机捕获流程是通过捕获引擎进行卫星信号的搜索，得到信号粗略的C/A码相位和载波的频率，然后进入跟踪阶段。跟踪引擎根据粗略的C/A码相位和载波的频率信息，通过跟踪环路逐步精细对这两个信号参量的估计，从而得到GNSS信号的测量值，并解调出卫星电文。由于新发射卫星的伪随机码不可预知，也无法提前固化至硬件中，因此无法通过捕获引擎来实现对新增卫星的捕获，因此对于新发射卫星而言，导致了捕获引擎不可用，因此GNSS接收机后续工作也无法进行。
传统的支持新增卫星的方法是通过重新设计新的芯片来增加对新增卫星的支持，如果仅仅是为了支持新增的卫星进行芯片的重新设计和流片，付出的代价是高昂的，不但增加了芯片成本，而且面世时间长，对产品的推广和销售造成较大的影响。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种GNSS导航接收机卫星扩展支持方法，在无需重新设计和流片的基础上实现对新增卫星的支持。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种GNSS导航接收机卫星扩展支持方法，包括以下步骤：
(1)获取新增卫星信息；
(2)根据所述新增卫星信息推算所述新增卫星的当前的码相位估计值和多普勒频率估计值；
(3)将所述新增卫星的当前的码相位估计值和多普勒频率估计值输入跟踪引擎，并根据码相位和多普勒频率的搜索范围调整所述跟踪引擎的控制参数对新增卫星信号进行捕获和跟踪；
(4)对所述新增卫星进行电文解码，得到所述新增卫星的广播星历，再结合所述跟踪引擎得到的观测量，利用所述新增卫星进行定位解算。
所述步骤(1)中通过电文解析的方式获取新增卫星信息，所述电文解析的方式是通过获取其他现有卫星播发的所述新增卫星的历书信息，然后通过所述新增卫星的历书信息估算所述新增卫星的位置、速度和钟差。
所述步骤(1)中通过AGNSS辅助的方式获取新增卫星信息，所述AGNSS辅助的方式是通过AGNSS服务器下发所述新增卫星相关的广播星历，然后通过当前的接收机时间来计算所述新增卫星发射时刻的位置、速度以及钟差。
所述步骤(1)中通过历史信息的方式获取新增卫星信息，所述历史信息的方式是获取所述新增卫星之前已经定位解析到且尚未失效的广播星历，然后通过所述广播星历估算所述新增卫星的位置、速度和钟差。
所述步骤(2)中通过Ttransmit_est＝Ttransmit_Ref+ΔTtravel_Ref-ΔTtravel_est推算所述新增卫星的当前的码相位估计值，其中，Ttransmit_est为估计的所述新增卫星的信号发射时间，所述新增卫星的信号发射时间和所述新增卫星的码相位具有对应关系，Ttransmit_Ref为参考卫星的信号发射时间，ΔTtravel_Ref为参考卫星的信号从参考卫星传播到接收机所需要的时间，ΔTtravel_est为所述新增卫星的信号从新增卫星传播到接收机所需要的时间。
所述步骤(2)中通过DopplerestSat＝DopplerRefSat+fsatDoppler_RefSat-fsatDoppler_estSat推算所述新增卫星的当前的多普勒频率估计值，其中，DopplerestSat表示新增卫星的多普勒频率估计值，DopplerRefSat为参考卫星的多普勒频率，fsatDoppler_RefSat为参考卫星和接收机的相对运动引起的多普勒频移，fsatDoppler_estSat为所述新增卫星和接收机的相对运动引起的多普勒频移；所述参考卫星为已经处于跟踪状态且观测质量超过阈值的卫星。
所述步骤(2)中通过Ttransmit＝TReceiver-ΔTtravel推算所述新增卫星的当前的码相位估计值，其中，Ttransmit为估计的所述新增卫星的信号发射时间，所述新增卫星的信号发射时间和所述新增卫星的码相位具有对应关系，TReceiver当前的接收机时间，ΔTtravel为所述新增卫星的信号从新增卫星传播到接收机所需要的时间。
所述步骤(2)中通过Doppler＝-fsatDoppler_i+fclkDrift推算所述新增卫星的当前的多普勒频率估计值，Doppler表示新增卫星的多普勒频率估计值，fsatDoppler_i为所述新增卫星和接收机的相对运动引起的多普勒频移，fclkDrift为接收机钟漂引入的频率偏移。
所述步骤(3)中的所述码相位的搜索范围由接收机时间模糊度、位置模糊度、以及基于先验信息得到的历书对码相位估计的误差表确定，所述多普勒频率的搜索范围由接收机钟漂模糊度、位置模糊度、速度模糊度以及基于先验信息得到的历书对多普勒频率估计的误差表确定。
有益效果
由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：本发明通过电文解析、AGNSS辅助或历史信息获取新增的卫星信息，并根据得到的新增卫星信息推算当前的码相位和多普勒估计值，将其作为跟踪引擎的输入信息以捕获卫星信号，从而实现对新增卫星的测量，整个过程无需重新设计和流片，大大降低了接收机成本。
附图说明
图1是现有技术中的GNSS接收机的框架示意图
图2是本发明实施方式的流程图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
本发明的实施方式涉及一种GNSS导航接收机卫星扩展支持方法，如图2所示，包括：获取新增卫星信息；根据所述新增卫星信息推算所述新增卫星的当前的码相位估计值和多普勒频率估计值；将所述新增卫星的当前的码相位估计值和多普勒频率估计值输入跟踪引擎，并根据码相位和多普勒频率的搜索范围调整所述跟踪引擎的控制参数对新增卫星信号进行捕获和跟踪；对所述新增卫星进行电文解码，得到所述新增卫星的广播星历，再结合所述跟踪引擎得到的观测量，对所述新增卫星进行定位解算。
本实施方式通过跟踪引擎而不是捕获引擎来进行卫星的捕获，从而无需芯片支持新增卫星的码生成器，通过软件即可完成对新增卫星的捕获和跟踪，具体包括以下步骤：
首先，在步骤201中，GNSS接收机开始启动，GNSS接收机启动捕获引擎进行卫星的捕获。粗捕获成功后将相关的信息传输给跟踪引擎进行精捕和跟踪，通过码环和载波环的一系列处理，最终得到卫星的码相位、载波多普勒以及调制在载波上的数据码，即导航电文。其中，新增卫星由于捕获引擎缺失其码生成器而无法在该步骤中进行捕获。
步骤202，获取新增卫星信息。本步骤中新增卫星信息的获取主要可以通过三种途径来实现，一种是通过电文解析得到，另一种是通过AGNSS辅助，第三种是通过历史信息获取。
第一种方式是通过电文解析的方式来获取。由于新增卫星此时尚未被捕获跟踪，其电文不可能通过该卫星的信号解调得到。但是，每颗卫星的信息除了播发自身的广播星历外，还会播发其他卫星的历书信息。历书和广播星历一样，都包含了用于计算卫星位置、速度和钟差的信息。因此可以通过获取其他卫星播发的新增卫星的历书信息，然后通过新增卫星的历书信息估算新增卫星的位置、速度和钟差。历书的主要缺点是，它的精度要低于广播星历。进行估算时就需要额外考虑历书对捕获产生的影响。
第二种方式是AGNSS辅助，其是通过AGNSS服务器下发新增卫星相关的广播星历，然后通过当前的接收机时间来计算卫星发射时刻的位置、速度以及钟差。AGNSS辅助的前提是服务器可以提供对新增卫星的支持，在实际情况下也有可能出现滞后，因此并不能完全依赖于AGNSS辅助。
第三种通过历史信息的方式是指该卫星的广播星历在之前的定位已经解析得到，并存储在FLASH等介质中，在本次GNSS定位过程中该星历尚未失效，可以应用于当次的卫星捕获参数估计和定位解算，即获取新增卫星之前已经定位解析到且尚未失效的广播星历，然后通过所述广播星历估算新增卫星的位置、速度和钟差。
步骤203，根据卫星的信息来推算当前的码相位估计和多普勒频率估计值，这些信息将作为跟踪引擎的输入信息。新增卫星的多普勒频率估计以及码相位估计需要针对不同情况进行处理。如果新增卫星的信息是通过电文解析得到，那么此时接收机一般来说已经处于定位状态。此时的接收机位置、时间和钟漂信息都已经精确知道，码相位估计可以从如下公式计算得到:
Ttransmit＝TReceiver-ΔTtravel (1)
其中：Ttransmit为的所述新增卫星的信号发射时间。不同星座的C/A码长度、持续周期都会有差异，发射时间和码相位有明确的对应关系，可以直接通过发射时间来确定码相位。以GPS为例，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，考虑毫秒以下的部分，就可以计算得到精确的码片位置。
TReceiver为当前的接收机时间，包含了接收机钟差。ΔTtravel是新增卫星信号从新增卫星传播到接收机所需要的时间。此时间通过计算新增卫星和接收机的距离除以光速即可得到。此外，还需要考虑卫星钟差和信号传播过程中引入的其他时间延迟，包括电离层延迟、对流程延迟等。
而此时的多普勒频率估计可以通过如下公式计算：
Doppler＝-fsatDoppler_i+fclkDrift (2)
Doppler为待估计的载波多普勒，即新增卫星的多普勒频率估计值，fsatDoppler_i是新增卫星和接收机的相对运动引起的多普勒频移，fclkDrift为接收机钟漂引入的频率偏移。
如果是通过AGNSS辅助或者历史星历信息来获取新增卫星信息的，则此时的接收机位置和时间尚未精确获知，不能使用上述方法进行估计。在本实施方式中，采用了一种基于参考星的估计方法，即根据已经处于跟踪状态的观测质量较好的卫星参数来进行估计。参考星通常选择信号强度最强的卫星。由公式(1)推算可知：
Ttransmit_est＝Ttransmit_Ref+ΔTtravel_Ref-ΔTtravel_est (3)
其中：
Ttransmit_est为估计的所述新增卫星的信号发射时间；
Ttransmit_Ref为参考卫星的发射时间，其可以通过跟踪引擎给出的码相位、电文等信息计算得到。
ΔTtravel_Ref为参考卫星的信号从参考卫星传播到接收机所需要的时间，其可以根据参考卫星的广播星历以及粗略的接收机位置等信息计算获知。而通过AGNSS辅助或者历史定位信息得到的接收机位置可能存在一定的误差，这部分误差将作为捕获范围的一个输入条件，将在后续步骤中考虑。
ΔTtravel_est为所述新增卫星的信号从新增卫星传播到接收机所需要的时间，其可以根据广播星历以及粗略的接收机位置等信息计算获知。
而载波多普勒估计根据公式(2)也可以推算得到：
DopplerestSat＝DopplerRefSat+fsatDoppler_RefSat-fsatDoppler_estSat (4)
其中：
DopplerestSat为待估卫星的载波多普勒，即新增卫星的多普勒频率估计值；
DopplerRefSat为参考卫星的载波多普勒，其可以从基带获取的量测值得到；
fsatDoppler_RefSat为参考卫星和接收机的相对运动引起的多普勒频移；
fsatDoppler_estSat为新增卫星和接收机的相对运动引起的多普勒频移；
由公式(4)可知，当前尚未精确获知的接收机钟漂在如上运算中被消除了。钟漂是影响载波多普勒的重要因素，因而通过参考卫星估计的方式可以提升载波多普勒估计的精度。
通过上述两种方法估计得到的码相位和载波多普勒与现有的估计方法最大的区别在于使用历书来计算卫星位置以及速度等信息，其精度要差于广播星历。所以在考虑捕获范围的设定时，还需要增加对历书精度的考量。历书推算卫星位置等信息的精度和历书的更新时刻距离当前时刻的时间差有关。在实际方案中，通过大量的验证，计算得到不同仰角卫星在不同龄期情况下导致的码相位误差，汇总得到一个由历书坐标误差导致的码片估计范围的表(见表1)，作为先验信息用于步骤404跟踪引擎捕获时的一个控制参数。
表1：历书龄期与码相位估计误差对应表示例
类型 历书龄期(Age of Almanac) 最大码相位误差(码片)
Type1 <3天 CodephaseErr01
Type2 ≥3天且<1星期 CodephaseErr02
Type3 ≥1星期且<3星期 CodephaseErr03
同样的，可以采用类似方法，得到历书对多普勒频率估计的误差对应表。
根据接收机时间模糊度、钟漂模糊度、位置模糊度、速度模糊度以及通过广播星历或者历书等估算的模糊度等信息，可以设定卫星信号捕获的范围，包括码搜索范围以及多普勒搜索范围。
步骤204，根据上述步骤估算得到的码相位和载波多普勒频率输入跟踪引擎，并根据码相位和频率的搜索范围调整跟踪引擎的控制参数对卫星信号进行捕获。捕获成功后则可以实现对新增卫星的测量，得到卫星码相位、多普勒频率等量测值，并剥离载波得到导航电文。
步骤205，电文解码模块实现对新增卫星导航电文的帧同步、轨道根数解析。根据接收机的时间计算得到当前该卫星的坐标、速度、钟差等信息。定位解算模块根据上述步骤得到的卫星量测值以及坐标、速度、钟差等信息，将该卫星作为一个观测量带入最小二乘或者卡尔曼解算方程，从而最终实现新增卫星参与定位解算的目的。
不难发现，本发明通过AGNSS辅助、电文解析或历史信息获取新增的卫星信息，并根据得到的新增的卫星信息推算当前的码相位和多普勒估计值，将其作为跟踪引擎的输入信息以捕获卫星信号，从而实现对新增卫星的测量，整个过程无需重新设计和流片，大大降低了接收机成本。

Claims (9)

1.一种GNSS导航接收机卫星扩展支持方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)获取新增卫星信息；
(2)根据所述新增卫星信息推算所述新增卫星的当前的码相位估计值和多普勒频率估计值；
(3)将所述新增卫星的当前的码相位估计值和多普勒频率估计值输入跟踪引擎，并根据码相位和多普勒频率的搜索范围调整所述跟踪引擎的控制参数对新增卫星信号进行捕获和跟踪；
(4)对所述新增卫星进行电文解码，得到所述新增卫星的广播星历，再结合所述跟踪引擎得到的观测量，利用所述新增卫星进行定位解算。
2.根据权利要求1所述的GNSS导航接收机卫星扩展支持方法，其特征在于，所述步骤(1)中通过电文解析的方式获取新增卫星信息，所述电文解析的方式是通过获取其他现有卫星播发的所述新增卫星的历书信息，然后通过所述新增卫星的历书信息估算所述新增卫星的位置、速度和钟差。
3.根据权利要求1所述的GNSS导航接收机卫星扩展支持方法，其特征在于，所述步骤(1)中通过AGNSS辅助的方式获取新增卫星信息，所述AGNSS辅助的方式是通过AGNSS服务器下发所述新增卫星相关的广播星历，然后通过当前的接收机时间来计算所述新增卫星发射时刻的位置、速度以及钟差。
4.根据权利要求1所述的GNSS导航接收机卫星扩展支持方法，其特征在于，所述步骤(1)中通过历史信息的方式获取新增卫星信息，所述历史信息的方式是获取所述新增卫星之前已经定位解析到且尚未失效的广播星历，然后通过所述广播星历估算所述新增卫星的位置、速度和钟差。
5.根据权利要求3或4所述的GNSS导航接收机卫星扩展支持方法，其特征在于，所述步骤(2)中通过Ttransmit_est＝Ttransmit_Ref+ΔTtravel_Ref-ΔTtravel_est推算所述新增卫星的当前的码相位估计值，其中，Ttransmit_est为估计的所述新增卫星的信号发射时间，所述新增卫星的信号发射时间和所述新增卫星的码相位具有对应关系，Ttransmit_Ref为参考卫星的信号发射时间，ΔTtravel_Ref为参考卫星的信号从参考卫星传播到接收机所需要的时间，ΔTtravel_est为所述新增卫星的信号从新增卫星传播到接收机所需要的时间。
6.根据权利要求2或3所述的GNSS导航接收机卫星扩展支持方法，其特征在于，所述步骤(2)中通过DopplerestSat＝DopplerRefSat+fsatDoppler_RefSat-fsatDoppler_estSat推算所述新增卫星的当前的多普勒频率估计值，其中，DopplerestSat表示新增卫星的多普勒频率估计值，DopplerRefSat为参考卫星的多普勒频率，fsatDoppler_RefSat为参考卫星和接收机的相对运动引起的多普勒频移，fsatDoppler_estSat为所述新增卫星和接收机的相对运动引起的多普勒频移；所述参考卫星为已经处于跟踪状态且观测质量超过阈值的卫星。
7.根据权利要求2所述的GNSS导航接收机卫星扩展支持方法，其特征在于，所述步骤(2)中通过Ttransmit＝TReceiver-ΔTtravel推算所述新增卫星的当前的码相位估计值，其中，Ttransmit为估计的所述新增卫星的信号发射时间，所述新增卫星的信号发射时间和所述新增卫星的码相位具有对应关系，TReceiver当前的接收机时间，ΔTtravel为所述新增卫星的信号从新增卫星传播到接收机所需要的时间。
8.根据权利要求2所述的GNSS导航接收机卫星扩展支持方法，其特征在于，所述步骤(2)中通过Doppler＝-fsatDoppler_i+fclkDrift推算所述新增卫星的当前的多普勒频率估计值，Doppler表示新增卫星的多普勒频率估计值，fsatDoppler_i为所述新增卫星和接收机的相对运动引起的多普勒频移，fclkDrift为接收机钟漂引入的频率偏移。
9.根据权利要求1所述的GNSS导航接收机卫星扩展支持方法，其特征在于，所述步骤(3)中的所述码相位的搜索范围由接收机时间模糊度、位置模糊度、以及基于先验信息得到的历书对码相位估计的误差表确定，所述多普勒频率的搜索范围由接收机钟漂模糊度、位置模糊度、速度模糊度以及基于先验信息得到的历书对多普勒频率估计的误差表确定。
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