CN115144872A - 一种能够实时估计卫星差分码偏差的双频gnss接收机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种能够实时估计卫星差分码偏差的双频GNSS接收机，包括天线接口、射频模块、基带和数据处理模块、通信模块以及电源和时钟模块。由于现有的卫星DCB产品由IGS提供，且具有24小时的延迟，即需要很高的而成本又不具有实时性，制约了卫星DCB的应用；本发明的能够实时估计卫星差分码偏差(DCB)的双频GNSS接收机包括接收机信号处理和数据处理，所述信号处理用于改变接收机内的跟踪策略得到不同相关间距的伪距和载波相位观测量，所述数据处理用于进行卫星DCB估计。本发明采用载波相位平滑伪距，本地电离层TEC分布和最小二乘算法估计卫星DCB，实现卫星DCB的实时估计，提高卫星DCB的实时性。

Description

一种能够实时估计卫星差分码偏差的双频GNSS接收机
技术领域
本发明涉及检测仪器设备领域，具体涉及一种能够实时估计卫星差分码偏差(DCB)的双频GNSS接收机。
背景技术
GNSS接收机时Global Navigation Satellite System的缩写，中文译名为全球导航卫星系统。GNSS接收机的种类很多，可以分为导航型接收机，测绘型接收机和授时型接收机。GNSS接收机通常包括以下几个部分：天线、射频前端、基带处理、定位解算和接收机外壳。
DCB的研究一直是国内外学者的研究热点，DCB的估计精度也在不断提高，DCB可以分为频内偏差(P1-C1)和频间偏差(P1-P2)两种，频内偏差的计算方法主要有两种，一是直接对码观测量进行作差加和取平均操作直接计算得到；二是应用PPP进行估计。对于频间偏差，主要有软件估计和硬件标定两种，有的接收机厂商会直接对硬件进行标定，并将频间DCB直接存放在接收机输出中，但是，频间偏差会受到硬件使用状态和外部环境的影响，所以在实际的应用中，通常会采用软件方法对频间DCB进行精确估计。软件估计方法通常有两种方式：一种方法是在将DCB和电离层TEC同时估计；另一种则采用已知的电离层参数模型或经验值进行电离层延迟参数修正，之后直接估计出DCB。现有的接收机不具有卫星DCB实时输出功能，卫星DCB都是通过接收机数据后处理实现的，并且有至少有24小时的延迟。
发明内容
根据现有技术存在的问题，本发明公开了一种能够实时估计卫星差分码偏差(DCB)的双频GNSS接收机，由于现有的卫星DCB产品由IGS提供，且具有24小时的延迟，即需要很高的成本而又不具有实时性，制约了卫星DCB的应用。为解决卫星DCB估计成本高实时性差的问题，本发明提出了一种能够实时估计卫星差分码偏差(DCB)的双频GNSS接收机，具体结构包括：天线接口、射频模块、基带和数据处理模块、通信模块以及电源和时钟模块。
所述天线接口与射频模块连接，所述射频模块与基带和数据处理模块连接，所述基带和数据处理模块与通信模块连接，所述电源和时钟模块与射频模块、基带和数据处理模块、通信模块相连接。所述基带和数据处理模块包括基带处理模块、数据处理载波相位平滑伪距模块、数据处理电离层穿刺点IPP分布计算模块、本地电离层TEC建模模块和DCB估计模块。
所述天线接口与天线相连接；
所述射频模块用于接收天线的高频信号、并进行下变频和模数转换得到数字中频信号，并将所述中频信号发送给基带和数据处理模块；
所述基带和数据处理模块用于处理数字中频信号，所述基带处理模块分别应用多组不同的相关间距进行信号跟踪，得到所有卫星的多组双频观测量和卫星导航电文，并将多组双频观测量发送给数据处理载波相位平滑伪距模块和数据处理电离层穿刺点IPP分布计算模块；所述数据处理载波相位平滑伪距模块分别应用载波相位观测量与相应的伪距观测量进行平滑，将平滑后的伪距观测量发送给本地电离层TEC建模模块；所述数据处理电离层IPP分布计算模块应用观测量进行电离层IPP分布计算，将电离层IPP分布计算结果发送给本地电离层TEC建模模块；所述本地电离层TEC建模模块应用平滑后的伪距观测量和电离层IPP分布进行本地TEC建模，并将建模结果发送给DCB估计模块。所述DCB估计模块应用最小二乘算法进行卫星DCB估计，并将估计出的卫星DCB发送给通信模块。
所述通信模块用于接收电脑发送的精密时钟文件、接收机坐标、前一天DCB产品文件和用于接收所述基带和数据处理模块的定位结果并通过串口技术对定位结果进行编码，之后输出。
所述电源和时钟模块用于为射频模块、基带和数据处理模块、通信模块提供电源和时钟基准，时钟模块可以应用本地温补晶振为其他模块提供时钟同时具有外部时钟接口，可以接入外部高稳定性时钟为其他模块提供时钟基准。
为了实现上述发明目的，解决已有技术中存在的问题，本发明采取的技术方案是：一种能够实时估计卫星差分码偏差(DCB)的双频GNSS接收机。接收机的工作过程分为以下几个步骤：
步骤1、连接天线和接收机，给接收机通电，接收机开始工作，电源和时钟模块为接收机提供时钟基准和稳定的电源，射频前端接收天线传输来的高频数据；
步骤2、射频模块接收天线信号，对天线信号并进行下变频和模数转换得到数字中频信号；
步骤3、通信模块接收有电脑发送的精密时钟文件、接收机坐标和前一天DCB产品文件；
步骤4、基带处理和数据处理模块接收数字中频信号、进行基带信号处理和数据处理；
步骤4.1、基带处理模块应用多组相关间距独立跟踪所有卫星，得到所有卫星的多组双频伪距、多组载波相位观测量和一组卫星导航电文；
步骤4.2、数据处理载波相位平滑伪距模块应用多组载波相位观测量与相应的伪距观测量进行平滑，将平滑后的伪距观测量发送给本地电离层TEC建模模块；
步骤4.3、数据处理电离层IPP分布计算模块应用多组卫星伪距和载波相位观测量进行电离层IPP分布计算，发送给本地电离层TEC建模模块；
步骤4.4、本地电离层TEC建模模块应用平滑后的伪距观测量和电离层IPP分布进行本地TEC建模，并将建模结果发送给DCB估计模块；
步骤4.5、DCB估计模块应用最小二乘算法和本地TEC建模结果进行卫星DCB估计，并将估计出卫星DCB发送给通信模块，进行步骤5；
步骤5、输出卫星DCB，通信模块通过RS232串口输出当前的基准间距位置信息，伪距修正信息，流动间距差分位置信息和时间信息。对输出数据以约定好的帧头开始数据报文的编码，以每个数据内容占用4个字节的形式编码发送的数据报文，最后以数据校验位作为尾帧，校验方式使用串口奇偶校验模式，完成数据编码并通过串口进行发送。
本发明的有益效果是：
第一，本发明的一种能够实时估计卫星差分码偏差(DCB)的双频GNSS接收机，使卫星DCB可以直接由单独的接收机实时输出；
第二，本发明的应用不同相关间距对同一个卫星进行同时跟踪，能够得到同一颗卫星的五个相互独立的伪距观测量，提高了卫星的伪距和载波相位观测量数量；
第三，本发明的一种能够实时估计卫星差分码偏差(DCB)的双频GNSS接收机，为卫星DCB实时快速补偿和PPP模糊度快速固定提供了基础。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，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的附图。
图1本发明的一种能够实时估计卫星差分码偏差(DCB)的双频GNSS接收机结构示意图；
图2本发明的一种能够实时估计卫星差分码偏差(DCB)的双频GNSS接收机硬件结构图；
图3本发明的一种能够实时估计卫星差分码偏差(DCB)的双频GNSS接收机原理结构图；
图4本发明的一种能够实时估计卫星差分码偏差(DCB)的双频GNSS接收机外观示意图。
具体实施方式
为使本发明的技术方案和优点更加清楚，下面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的描述：
如图1所示的一种能够实时估计卫星差分码偏差的双频GNSS接收机，该结构适用于导航和测绘，该接收机包括与天线连接的天线接口101、射频模块102、基带和数据处理模块103、通信模块104和时钟模块105，所述天线接口101与射频模块102连接，所述射频模块102与基带和数据处理模块103连接，所述基带和数据处理模块103与通信模块104连接，所述时钟模块105与射频模块102、基带和数据处理模块103、通信模块104相连接。所述基带和数据处理芯片103包括基带处理模块所述基带和数据处理模块包括基带处理模块，数据处理载波相位平滑伪距模块，数据处理电离层穿刺点(Ionospheric puncture point，IPP)计算模块，本地电离层总电子含量(Total electron content，TEC)建模模块和DCB估计模块；
所述射频模块102用于接收天线的高频信号、并进行下变频和模数转换得到数字中频信号，并将所述中频信号发送给基带和数据处理模块103，所述射频前端能够接收GPS系统的L1频率和L2频率的数据进行双频数据下变频和模数转换；
所述基带和数据处理模块103用于处理数字中频信号，所述基带处理模块分别应用五组不同的相关间距进行信号跟踪，得到所有卫星的五组双频观测量和卫星导航电文，并将五组双频观测量发送给数据处理载波相位平滑伪距模块和数据处理电离层穿刺点IPP分布计算模块；所述数据处理载波相位平滑伪距模块分别应用载波相位观测量与相应的伪距观测量进行平滑，将平滑后的伪距观测量发送给本地电离层TEC建模模块；所述数据处理电离层IPP分布计算模块应用观测量进行电离层IPP分布计算，将电离层IPP分布计算结果发送给本地电离层TEC建模模块；所述本地电离层TEC建模模块应用，平滑后的伪距观测量和电离层IPP分布进行本地TEC建模，并将建模结果发送给DCB估计模块。所诉DCB估计模块应用最小二乘算法进行卫星DCB估计，并将估计出的卫星DCB发送给通信模块104。
所述通信模块104用于接收电脑发送的精密时钟文件、接收机坐标、前一天DCB产品文件和用于接收所述基带和数据处理模块103的定位结果并对定位按照预先设定的编码方式进行编码，将编码后的定位结果通过串口技术进行输出。
所述电源和时钟模块105用于为射频模块102、基带和数据处理模块103、通信模块104相连接提供电源和时钟基准，时钟模块105能够应用本地温补晶振为其他模块提供时钟，同时具有外部时钟接口，可以接入外部高稳定性时钟为其他模块提供时钟基准。。
图2本应用不同相关间距伪距观测量的单频差分GNSS接收机硬件结构图，如上诉所述，天线接口为SMA反级性公头，射频前端芯片为内置模数转换功能的两块Max2771，分别接收GPS L1频率和L2频率的信号，基带和数据处理模块为赛灵思公司(Xilinx)的ZYNQ-7020芯片，ZYNQ-7020的FPGA逻辑门电路进行基带处理，包括基准间距基带处理模块和流动间距基带处理模块，ZYNQ-7020的ARM核进行基准间距数据处理和流动间距数据处理，通信模块为RS232串口，时钟模块为10MHz温补晶振，电源为经过LM117芯片稳压的3.3V直流电源。
具体的本发明实例中的射频模块通过两块Max2771芯片对天线接收的GPS系统的L1频率和L2频率高频卫星信号进行下变频变成模拟中频信号，之后对模拟中频信号进行模数转换，输出16.4MHz的同相(I)支路和正交(Q)支路3bit采样数字中频信号到基带和数据处理模块的ZYNQ7020芯片。
本发明实例中的ZYNQ7020芯片包括可编程逻辑门电路(FPGA)和RISC(精简指令集计算机)微处理器(ARM)核，所述FPGA用于基准间距和流动间距基带处理，所述ARM核用于基准间距数据处理、流动间距数据处理和模糊度解算。
本发明实例中的RS232串口用具接收ZYNQ7020芯片的定位结果，对输出数据以约定好的头帧开始数据报文的编码，以每个数据内容占用4个字节的形式编码发送的数据报文，最后以数据校验位作为尾帧，校验方式使用串口奇偶校验模式，完成数据编码并通过串口进行发送。
本发明实例中的10MHz温补晶振为接收机提供基准本地时钟，LM117稳压芯片为其他模块提供直流稳压电源。
下面结合图3对一种能够实现RTK模糊度固定的单频GNSS接收机工作过程做进一步介绍。图3为本发明的接收机的原理结构图，本发明的接收机按照以下步骤工作：
步骤1、连接天线和接收机，给接收机通电，接收机开始工作，电源和时钟模块为接收机提供时钟基准和稳定的电源，射频前端接收天线传输来的高频数据；
步骤2、射频模块接收天线信号，对天线信号并进行下变频和模数转换得到数字中频信号；
步骤3、通信模块接收有电脑发送的精密时钟文件、接收机坐标和前一天DCB产品文件；
步骤4、基带处理模块接收数字中频信号，进行基带信号处理和数据处理；
步骤4.1、基准间距基带处理模块应用五组相关间距独立跟踪所有卫星，得到所有卫星的五组双频伪距、五组载波相位观测量和一组卫星导航电文；
步骤4.2、数据处理载波相位平滑伪距模块应用五组载波相位观测量与相应的伪距观测量进行平滑，将平滑后的伪距观测量发送给本地电离层TEC建模模块；
步骤4.3、数据处理电离层IPP分布计算模块应用五组卫星伪距和载波相位观测量进行电离层IPP分布计算，发送给本地电离层TEC建模模块；
步骤4.4、本地电离层TEC建模模块应用平滑后的伪距观测量和电离层IPP分布进行本地TEC建模，并将建模结果发送给DCB估计模块；
步骤4.5、DCB估计模块应用最小二乘算法和本地TEC建模结果进行卫星DCB估计，并将估计出卫星DCB发送给通信模块，进行步骤5；
步骤5、输出卫星DCB，通信模块通过RS232串口输出当前的基准间距位置信息，伪距修正信息，流动间距差分位置信息和时间信息。对输出数据以约定好的帧头开始数据报文的编码，以每个数据内容占用4个字节的形式编码发送的数据报文，最后以数据校验位作为尾帧，校验方式使用串口奇偶校验模式，完成数据编码并通过串口进行发送。
图4为本发明实例提供的一种接收机实物示意图，该接收机包括接收机外壳，电源接口、通信接口、外部时钟接口和天线接口。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种能够实时估计卫星差分码偏差的双频GNSS接收机，其特征在于：包括：天线接口、射频模块、基带和数据处理模块、通信模块和电源和时钟模块；
所述天线接口与天线相连接；
所述射频模块用于接收天线的高频信号、并进行下变频和模数转换得到数字中频信号、并将所述中频信号传送至基带和数据处理模块；
所述基带和数据处理模块包括基带处理模块、数据处理载波相位平滑伪距模块、数据处理电离层穿刺点IPP分布计算模块、本地电离层TEC建模模块和DCB估计模块；
所述基带处理模块用于处理数字中频信号、采用多组不同的相关间距进行信号跟踪，得到所有卫星的多组双频观测量和卫星导航电文，并将多组双频观测量传送至数据处理载波相位平滑伪距模块和数据处理电离层穿刺点IPP分布计算模块，所述数据处理载波相位平滑伪距模块分别应用载波相位观测量和相应的伪距观测量进行平滑、将平滑后的伪距观测量传送至本地电离层TEC建模模块，所述数据处理电离层穿刺点IPP分布计算模块采用观测量进行电离层IPP分布计算、将电离层IPP分布计算结果传送至本地电离层TEC建模模块，所述本地电离层TEC建模模块采用平滑后的伪距观测量和电离层IPP分布进行本地TEC建模、并将建模结果发送给DCB估计模块，所述DCB估计模块采用最小二乘算法进行卫星DCB估计、并将估计出的卫星DCB发送给通信模块；
所述通信模块接收电脑发送的精密时钟文件、接收机坐标、前一天DCB产品文件，以及接收所述基带和数据处理模块的定位结果并通过串口技术对定位结果进行编码并输出；
所述电源和时钟模块用于为射频模块、基带和数据处理模块、通信模块提供电源和时钟基准，并采用本地温补晶振为其他模块提供时钟。
2.根据权利要求1所述的能够实时估计卫星差分码偏差的双频GNSS接收机，其特征在于：所述基带处理模块采用多组相关间距分别跟踪所有卫星、得到多组双频伪距观测量、双频载波相位观测量和卫星导航电文。
3.根据权利要求2所述的能够实时估计卫星差分码偏差的双频GNSS接收机，其特征在于：所述数据处理载波相位平滑伪距模块分别对多组观测量进行载波相位平滑伪距运算。
4.根据权利要求1所述的能够实时估计卫星差分码偏差的双频GNSS接收机，其特征在于：所述数据处理电离层穿刺点IPP分布计算模块分别针对多组观测量计算相应的IPP分布。
5.根据权利要求1所述的能够实时估计卫星差分码偏差的双频GNSS接收机，其特征在于：所述本地电离层TEC建模模块采用平滑后的伪距观测量和电离层IPP进行本地电离层TEC建模。
6.根据权利要求1所述的能够实时估计卫星差分码偏差的双频GNSS接收机，其特征在于：所述DCB估计模块对卫星差分码偏差进行估计。
7.根据权利要求6所述的能够实时估计卫星差分码偏差的双频GNSS接收机，其特征在于：所述通信模块对接收机估计的卫星差分码偏差进行编码和输出。
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