TW201504659A - 一種提高導航系統時間的秒脈衝精確度的方法和接收機 - Google Patents
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Abstract
本發明實施例公開了一種提高導航系統時間的秒脈衝精確度的接收機和方法。提高導航系統時間的秒脈衝精確度的接收機包括:計算模組,接收衛星資訊,並計算衛星資訊中的衛星的偽距資訊及分類篩選定位衛星,根據確定的定位衛星計算接收機的位置及速度,進而計算鐘差和時脈漂移以獲得導航系統時間,從而輸出導航系統時間的秒脈衝。
Description
本發明係關於一種衛星導航技術領域,特別是一種提高導航系統時間的秒脈衝精確度的方法和接收機。
北斗衛星導航系統(BD Satellite Navigation System)是中國正在實施的自主研發、獨立運行的全球衛星導航系統,與美國的全球定位系統(Global Positioning System,GPS)、俄羅斯的格羅納斯(Glonass)衛星導航系統及歐盟的伽利略(Galileo)衛星導航系統並稱為全球四大衛星導航系統。
習知的接收機根據接收的衛星資訊可計算出使用者的位置資訊、速度資訊以及較為精確的時間資訊,其中,精確的時間資訊為計算得出的導航系統時間。通常,高精確度的導航系統時間資訊是透過脈衝輸出的秒脈衝(Pulse-Per-Second,PPS),而秒脈衝的精確度也成為衡量接收機性能的重要指標之一,並與接收機對衛星信號的跟蹤品質、定位品質密切相關。
本發明提供了一種提高導航系統時間的秒脈衝秒脈衝精確度的接收機,包括:一計算模組,接收一衛星資訊,並計算該衛星資訊中的一衛星的一偽距資訊及分類篩選一定位衛星,根據確定的該定位衛星計算該接收機的一位置及一速度,進而計算一鐘差和一時脈漂移以獲得一導航系統時間,從而輸出該導航系統時間的一秒脈衝。
本發明還提供了一種提高導航系統時間的秒脈衝精確度
的方法,包括:接收一衛星資訊,並計算該衛星資訊中一衛星的一偽距資訊;分類篩選一定位衛星並根據該定位衛星計算一接收機的一位置及一速度;計算一鐘差和一時脈漂移以獲得一導航系統時間,從而輸出該導航系統時間的一秒脈衝。
透過本發明實施例提供的接收機和方法計算鐘差及時脈漂移而計算得到的導航系統時間更為準確,從而提高了導航系統時間的秒脈衝的精確度。
100‧‧‧接收機
101‧‧‧天線
102‧‧‧射頻處理單元
103‧‧‧捕獲單元
104‧‧‧跟踪單元
105‧‧‧解碼器
106‧‧‧計算模組
107‧‧‧使用者應用程式
108‧‧‧基帶處理模組
201‧‧‧偽距處理單元
202‧‧‧篩選單元
203‧‧‧計算單元
204‧‧‧秒脈衝處理單元
300‧‧‧方法流程圖
S310-S340‧‧‧步驟
400‧‧‧方法流程圖
S410-S430‧‧‧步驟
500‧‧‧方法流程圖
S510-S530‧‧‧步驟
600‧‧‧方法流程圖
S610-S630‧‧‧步驟
以下結合附圖和具體實施例對本發明的技術方法進行詳細的描述,以使本發明的特徵和優點更為明顯。其中:
圖1所示為根據本發明一實施例提供的提高導航系統時間秒脈衝精確度的接收機的方塊圖。
圖2所示為圖1中計算模組的一示意方塊圖。
圖3所示為圖2中計算模組的工作流程圖。
圖4所示為圖3中計算鐘差和時脈漂移,並輸出導航系統時間的秒
脈衝步驟的一種示例性計算流程圖。
圖5所示為圖4中計算時脈漂移步驟的一示例性計算流程圖。
圖6所示為圖4中計算鐘差步驟的一示例性計算流程圖。
以下將對本發明的實施例給出詳細的說明。雖然本發明將結合實施例進行闡述,但應理解這並非意指將本發明限定於這些實施例。相反地,本發明意在涵蓋由後附申請專利範圍所界定的本發明精神和範圍內所定義的各種變化、修改和均等物。
此外,在以下對本發明的詳細描述中,為了提供針對本發明的完全的理解,提供了大量的具體細節。然而,於本技術領域中具有通常知識者將理解,沒有這些具體細節,本發明同樣可以實施。在另外的一些實例中,對於大家熟知的方法、程序、元件和電路未作詳細描述,以便於凸顯本發明之主旨。
傳統實現秒脈衝的精確度與本地鐘差tu、接收機本地時脈頻率漂移tu引起的本地時脈頻率f的誤差以及本地時脈計數的誤差有關。換言之,要提高秒脈衝的精確度,則需要降低本地鐘差tu、本地時脈漂移tu或本地時脈計數誤差。本發明主要是降低本地鐘差tu或本地時脈漂移tu的誤差以實現提高秒脈衝的精確度,對於由本地時脈計數所引起的誤差不在本發明的範圍內。為簡便起見,後面將本地鐘差、本地時脈漂移及本地時脈頻率簡稱為鐘差、時脈漂移及時脈頻率。
由於鐘差tu是指接收機本地時間與導航系統時間之間的差值,根據鐘差tu對接收機本地時間修正後即可得到導航系統時間;導航系統時間直接作為秒脈衝輸出的依據。鐘差tu的精確度與衛星的跟蹤品質有關。傳統上,根據四顆或以上的衛星的偽距計算鐘差tu,因此偽距誤差直接影響鐘差tu的精確度。此外,電離層和對流層誤差及接收機本身的定位方法或策略也會使得定位結果存在誤差,這些因素均影響了鐘差tu的精確度。在定位時刻,時脈頻率f=f0*(1+tu),其中,f0為接收機的標稱頻率,所以透過提高時脈漂移tu的精確度可降低時脈頻率f的誤差,從而提高秒脈衝的精確度。本發明針對上述提到的幾種主要的秒脈衝誤差源分別做性能提升,藉由此提高秒脈衝的精確度。
圖1所示為根據本發明一實施例提高導航系統時間的秒脈衝精確度的接收機100的方塊圖。如圖1所示,接收機100包括天線101、射頻處理單元102、計算模組106及基帶處理模組108。
天線101接收來自衛星導航系統中多個衛星的衛星導航信號。射頻處理單元102將接收到的衛星導航信號轉換成基帶處理模組108可以處理的的中頻信號。基帶處理模組108包括捕獲單元103、跟蹤單元104以及解碼器105。基帶處理模組108接收指示衛星導航信號的中頻信號,並根據接收到信號的衛星可見性、性能以及所處環境等因素為其分配資源。其中,分配的資源既包括硬體方面的捕獲通道和跟蹤通道等,也包括軟體方面的中央處理器系統資源等。捕獲單元103和跟蹤單元104對分配有資源的衛星進行捕獲跟蹤,並根據捕獲跟蹤到的各衛星資訊產生對應於各定位衛星的導航電文。解碼器105接收導航電
文,並將導航電文解碼成包括偽距、座標資訊、速度資訊及頻率資訊等衛星資訊。
需要說明的是,接收到的衛星導航信號可來自於多個導航系統,由於多數導航系統的頻率和調變方式不同,因而導航電文格式也不同。所以根據接收機支援的導航系統的類別,需要選擇和設計不同的天線、射頻信號處理單元和基帶處理模組。在本發明一實施例中,針對不同的導航系統(例如,北斗衛星導航系統和全球定位系統系統),接收機的天線101、射頻處理單元102和基帶處理模組108設計成具有不同的硬體結構,以分別接收和處理來自不同導航系統的衛星導航信號。在另一實施例中,針對不同的導航系統(例如,格羅納斯衛星導航系統和伽利略衛星導航系統),接收機的天線101、射頻處理單元102和基帶處理模組108具有相同的硬體結構,但可搭載具有處理不同導航系統功能的軟體,因可以同時接收和處理來自不同導航系統的衛星導航信號。
計算模組106接收包括偽距、座標資訊、速度資訊及頻率資訊等衛星資訊,計算接收機100的位置資訊及速度資訊,同時還可計算導航系統與接收機100間的鐘差tu以及時脈漂移tu。計算模組106計算出接收機100的位置資訊和速度資訊後,將這些資訊轉換成標準的國際海洋電子協會(National Marine Electronics Association,NMEA)信號傳送給使用者應用程式107,以方便使用者獲取和應用接收機100的位置資訊和速度資訊。與此同時,計算模組106還可根據計算得出的鐘差tu以及時脈漂移tu得到更為準確的導航系統時間,以輸出導航系統時間的秒脈衝。在本發明實施例中,主要以單導航系統為例描述計算鐘差、時脈漂移的方法,本技術領域中具有通常知識者應理解的是,本發明實施例中所公開的方法同樣適用於多導航系統。
圖2所示為根據本發明一實施例圖1中計算模組106的一示意方塊圖。如圖2所示,計算模組106中包括偽距處理單元201、篩選單元202、計算單元203以及秒脈衝處理單元204。
其中,偽距處理單元201採用載波平滑碼處理
(Carrier-Smoothed-Code Processing)以提高衛星偽距的精確度。由於接收機的位置測量方程式為:
其中,ρj表示透過碼測得的第j顆衛星到接收機的偽距;(xj,yj,zj)表示第j顆衛星位置;(xu,yu,zu)表示接收機的位置;tu表示接收機相對於導航系統的鐘差;c表示光速;Iono表示電離層延遲;Tropo表示對流層延遲;νρ表示偽距測量誤差,包含了多徑及干擾等引起的誤差。
根據方程式(1)可知衛星偽距的精確度是影響鐘差精確度的關鍵因素之一。習知技術中4顆衛星的偽距測量方程式即可解算出接收機的位置以及鐘差tu,然而當衛星的偽距測量誤差較大時,鐘差tu也會存在較大的誤差。對含有較大多徑誤差的碼觀測值而言,可借助多徑誤差較小的相位觀測值加以平滑,使其基本削弱,例如,Hatch濾波器(圖2中未示出)。由於接收機的載波相位觀測方程式為:
其中,Φj表示第j顆衛星的載波相位;λ表示載波的波長;N表示載波相位的週數,包含不到整週的值;νΦ表示載波相位測量誤差。載波相位觀測量是測定接收機所接收的衛星載波信號與接收機振盪器產生的參考載波信號之間的相位差。相較於由碼測得的偽距ρ,載波相位Φ受干擾或者多徑的影響要小得多,所以可利用載波相位進行平滑碼計算。
具體而言,Hatch濾波器(圖2中未示出)利用偽距測量方程式(1)和載波相位觀測方程式(2)的關係得到平滑後的偽距方程式為:
其中,W表示權重;k表示第k時刻;表示經過平滑碼計算後的第j顆衛星的偽距;ΔΦj表示第j顆衛星載波相位增加量。在本發明一實施例中,權重W為0.1。本技術領域中具有通常知識者應理解的是,權重W的取值可根據實際狀況設定,在此不能視為是對本發明的限制。另外,平滑碼計算還有多種演算法和處理方法,上述對偽距的平滑碼計算是本發明的一個實施例,不應視為是對本發明的限制。
由此,透過平滑碼計算偽距後,提高了衛星偽距的精確度,同時提高了定位的精確度。在一實施例中,可直接根據平滑碼計算後的偽距,聯立方程式求解鐘差tu,這樣計算得到的鐘差tu相較於傳統方法計算的鐘差tu更為準確,由此提高了鐘差tu的精確度。篩選單元202對跟蹤捕獲到的衛星進行鑑別和篩選,主要根據衛星信號的強度、仰角、跟蹤品質以及衛星類型等,結合整體衛星信號環境選擇具體的衛星以解算接收機的位置及速度。關於鑑別與篩選的具體方法,對於本技術領域中具有通常知識者而言是公知的習知技術,這裡不再詳述。
篩選單元202確定具體的用以解算的衛星後,計算單元203結合偽距處理單元201所得到的對應的衛星的偽距以及衛星的頻率資訊,計算得到接收機的位置及速度。在一實施例中,以全球定位系統系統為例,假定GP1-GP4為鑑別與篩選後選定的4顆全球定位系統衛星,其位置座標分別為(x1,y1,z1)-(x4,y4,z4),其中,接收機的位置座標為(xu,yu,zu)。根據4顆全球定位系統衛星的位置以及偽距,可得到4個方程式,透過求解此4個方程式可得到接收機的位置座標
(xu,yu,zu)以及鐘差tu。另外,接收機速度以及時脈漂移也可根據習知技術計算,在此不再詳述。
計算單元203計算出接收機的位置及速度後,也可計算得到鐘差tu與時脈漂移。根據平滑碼計算後的偽距所計算得到鐘差和時脈漂移也可直接用以計算導航系統時間。在一實施例中,除了透過上述方法計算鐘差及、時脈漂移外,還可透過秒脈衝處理單元204計算鐘差tu與時脈漂移,以得到更為準確的導航系統時間。具體計算鐘差tu與時脈漂移的過程會在下述實施例中詳細描述。
圖3所示為圖2中計算模組106計算鐘差和時脈漂移的一方法流程圖300。圖3將結合圖2進行描述。
在步驟S310中,接收衛星偽距及頻率資訊,並對偽距進行平滑碼計算以得到更為準確的偽距值。
在步驟S320中,對接收機跟蹤並捕獲得到的衛星進行鑑別與篩選。
在步驟S330中,根據篩選後衛星的偽距及頻率資訊,計算接收機的位置及速度。
在步驟S340中,計算鐘差和時脈漂移,並計算導航系統時間,從而輸出導航系統時間的秒脈衝。
其中,步驟S340的計算可採用如圖4所示的步驟S410-S430完成。
圖4所示為圖3中步驟S340的一示例性計算流程圖400。
在步驟S410中,首先計算時脈漂移。步驟S410的具體操作將在下文結合圖5進行描述。
在步驟S420中,計算鐘差。根據上述實施例描述可知,經過平滑碼計算後的偽距較傳統方法所測的偽距更為準確。除了透過提升偽距精確度以提升鐘差的精確度外,還可透過如下方法提升鐘差的精確度。具體而言,步驟S420的計算將在下文結合圖6進行描述。
在步驟S430中,計算導航系統時間秒脈衝的秒邊界資
訊。如上所述,確定鐘差與時脈漂移後,對接收機本地時脈進行修正即可獲得導航系統時間。在本發明一實施例中,假定本地時間為接收機本地的時間Tr',時脈計數為Nr,時脈頻率為f,導航系統時間為Tr,則有:Tr=Tr'-tu (4)
由於,f0為接收機標稱頻率,則導航系統時間的秒脈衝的下一秒邊界時間為:Tpps=floor(Tr)+1 (5)
其中floor(Tr)表示返回小於或者等於Tr的最大整數。而秒脈衝下一秒邊界對應的本地時脈計數為:Npps=Nr+(Tpps-Tr)*f (6)
接收機在本地時脈計數到達Npps時,根據設置的形式就可輸出秒邊界,即輸出秒脈衝。
圖5所示為圖4中步驟S410的一示例性計算流程圖500。
在步驟S510中,鑑別並選擇參與時脈漂移計算的衛星。由於捕獲的衛星信號強度影響了時脈漂移的精確度,在實際鑑選的過程中,可將衛星信號的強度作為鑑選的指標之一。在本發明一實施例中,首先計算所有捕獲到衛星的信號強度,然後對所有信號強度做平均值,對於信號強度高於平均值的衛星信號則選用,反之則棄用。對於本技術領域中具有通常知識者而言,篩選鑑別用於計算時脈漂移的衛星的方法為公知的技術手段,這裡透過信號強度選擇只是其中一種篩選的方法,但不以此為限。
在步驟S520中,計算時脈漂移。由於頻率漂移是元件本身引起的,傳統方法透過速度解算可得到。在一個實施例中,在已知較為準確的速度的情況下,也可使用如下方法計算得到接收機的時脈漂移。通常秒脈衝的運用場景往往是靜止場景,在這種情況下獲得準確的
接收機速度為0。另外一些高精確度要求場景下,也可透過其他速度測量元件得到接收機較為的準確速度。則根據衛星速度可較為精確的計算得到衛星到接收機的頻率:
其中,fTj表示衛星發射信號的頻率;aj表示沿從接收機指向衛星的直線方向的單位向量;vj表示衛星速度;表示接收機速度。
然而,接收機真實測得的衛星頻率fj包含了時脈漂移,即有:
由方程式(8)可以得出:
由於方程式(9)表示的是透過單顆衛星計算得出的時脈漂移,在實際計算過程中,往往選擇多顆跟蹤品質較好的衛星做平均以得到某一時刻的時脈漂移,其計算方程式如下:
其中,j表示第j顆衛星;N表示參與計算的衛星個數。由此,透過上述方法計算得到的時脈漂移的精確度得到了提升。透過此方法計算得到時脈漂移可直接用於導航系統時間的計算,也可繼續對此時脈漂移濾波,從而獲得更為精確的時脈漂移。
在步驟S530中,對計算得到的時脈漂移進行濾波。由於本地時脈漂移是元件特性決定的,根據不同的元件特性可對實時脈漂
移進行濾波或者擬合。最常用的濾波可採用滑動平均:
其中,i表示第i時刻;(i)表示第i時刻的即時計算得到的時脈漂移;M表示滑動時間窗的長度,根據元件特性的不同,M取值長度不同。
對時脈漂移濾波時,方程式(11)中的(i)可為透過步驟S520中的方法計算得到的時脈漂移,也可為透過傳統方法所得到的時脈漂移。在一實施例中,如果對透過步驟S520中的方法所計算的時脈漂移濾波,這樣得到的時脈漂移的精確度更高。
圖6所示為圖4中步驟S420的一示例性計算流程圖600。
在步驟S610中,鑑別並選擇參與鐘差計算的衛星。這裡鑑別與選擇的衛星需要考量偽距品質、信號強度、衛星仰角及環路的跟蹤品質等。
在步驟S620中,計算鐘差。確定參與鐘差計算的衛星後,鐘差的估算方程式為:
其中,ρi(k)表示第k時刻第i顆衛星的偽距;Di(k)表示第k時刻第i顆衛星與接收機間的實際距離;Iono表示電離層延遲;Tropo表示對流層延遲。對於本技術領域中具有通常知識者而言,Di(k)的計算是公知的,在此不再贅述。在本發明的實施例中,計算Di(k)時考量了地球自轉的影響。
在一實施例中,在接收機為靜止的情況下,對接收機位置用靜態模型建模以增加接收機位置的精確度,從而提高了Di(k)的精確度。本發明實施例中獲取Di(k)的方法中還包括支援外部輸入的接收機的準確位置。另外,如果方程式(9)中的ρi(k)以經過平滑碼計算
後的(k)替代的話,可進一步提升鐘差的精確度。與時脈漂移一樣,透過方程式(9)計算得到的鐘差可直接用於計算導航系統時間,也可繼續對鐘差濾波,得到更為準確的鐘差。
在步驟S630中,對鐘差濾波。根據本發明的實施例,濾波器可採用加權求和的方式,這種濾波方法下鐘差的估計可表示為:
其中,表示時脈漂移的估計值,可採用圖5中步驟S530濾波後的時脈漂移;k表示第k時刻;ΔT表示第k-1時刻到第k時刻的時間差;W表示權重。被濾波的鐘差可為透過傳統方法所計算得到的鐘差,也可為在經過平滑碼計算後所計算得到鐘差,以及透過方程式(9)所計算得到鐘差。對鐘差濾波也可提升鐘差的精確度。
需要說明的是,上述每一種計算鐘差與時脈漂移的方法之間相互不衝突,對於所列舉的提升鐘差精確度以及時脈漂移精確度的方法可獨立於其他方法使用,也可疊加在一起使用。在實際的測試中,一起疊加使用時效果最佳。
另外,本發明的實施例不僅適用於雙模接收機也適用於單模接收機。而且不僅適用於全球定位系統接收機及北斗接收機,還適用於格羅納斯接收機以及伽利略接收機。
上文具體實施方式和附圖僅為本發明之常用實施例。顯然,在不脫離申請專利範圍所界定的本發明精神和發明範圍的前提下可以有各種增補、修改和替換。本技術領域中具有通常知識者應該理解,本發明在實際應用中可根據具體的環境和工作要求在不背離發明準則的前提下在形式、結構、佈局、比例、材料、元素、元件及其它方面有所變化。因此,在此披露之實施例僅用於說明而非限制,本發明之範圍由後附申請專利範圍及其合法等同物界定,而不限於此前之描述。
201‧‧‧偽距處理單元
202‧‧‧篩選單元
203‧‧‧計算單元
204‧‧‧秒脈衝處理單元
Claims (16)
- 一種提高導航系統時間的秒脈衝精確度的接收機,包括:一計算模組,接收一衛星資訊,並計算該衛星資訊中的一衛星的一偽距資訊及分類篩選一定位衛星,根據確定的該定位衛星計算該接收機的一位置及一速度,進而計算一鐘差和一時脈漂移以獲得一導航系統時間,從而輸出該導航系統時間的一秒脈衝。
- 如申請專利範圍第1項的接收機,其中,該計算模組包括:一偽距處理單元,對接收到的該偽距資訊進行一平滑碼計算,得到平滑碼計算後的一偽距的一估計值為:
- 如申請專利範圍第2項的接收機,其中,該秒脈衝處理單元計算該鐘差時,該鐘差的一估算方程式為:
- 如申請專利範圍第2項的接收機,其中,該秒脈衝處理單元計算該時脈漂移時,該時脈漂移的一方程式為:
- 如申請專利範圍第2項的接收機,其中,該秒脈衝處理單元計算該時脈漂移時,還對該時脈漂移進行一濾波,該時脈漂移濾波後的一估算方程式為:
- 如申請專利範圍第2項的接收機,其中,該秒脈衝處理單元計算該鐘差時,還對該鐘差進行一濾波,該鐘差濾波後的一估算運算式為:
- 如申請專利範圍第2項的接收機,其中,該秒脈衝處理單元輸出該導航系統時間的該秒脈衝時,還根據所確定的該時脈漂移及該鐘差計算該導航系統時間的一下一秒邊界對應的一時脈計數。
- 如申請專利範圍第1項的接收機,還包括:一天線,接收來自一衛星導航系統中多個衛星的一衛星導航信號;一射頻處理單元,處理該衛星導航信號,進而得到一中頻信號;一基帶處理模組,處理該中頻信號,為該衛星導航系統中的一衛星分配資源,並對分配有資源的該衛星進行跟蹤捕獲,以得到該衛星的一衛星資訊,其中,該衛星的該衛星資訊至少包括一偽距、一座標資訊、一速度資訊和一頻率資訊。
- 一種提高導航系統時間的秒脈衝精確度的方法,包括:接收一衛星資訊,並計算該衛星資訊中一衛星的一偽距資訊;分類篩選一定位衛星並根據該定位衛星計算一接收機的一位置及一速度;計算一鐘差和一時脈漂移以獲得一導航系統時間,從而輸出該導航系統時間的一秒脈衝。
- 如申請專利範圍第9項的方法,還包括:對接收到的該偽距資訊進行一平滑碼計算,得到平滑碼計算後的一偽距的一估計值為:
- 如申請專利範圍第10項的方法,其中,計算該鐘差時,該鐘差的一估算方程式為:
- 如申請專利範圍第10項的方法,其中,計算該時脈漂移的一方程式為:
- 如申請專利範圍第10項的方法,其中,計算該時脈漂移時,還包括對該時脈漂移進行一濾波,該時脈漂移濾波後的一估算方程式為:
- 如申請專利範圍第10項的方法,其中,計算該鐘差時,還對該鐘差進行一濾波,該鐘差濾波後的一估算方程式為:
- 如申請專利範圍第10項的方法,其中,輸出該導航系統時間的該秒脈衝時,還根據確定的該時脈漂移及該鐘差計算該導航系統時間的一下一秒邊界對應的一時脈計數。
- 如申請專利範圍第9項的方法,還包括:接收來自一衛星導航系統中多個衛星的一衛星導航信號;處理該衛星導航信號,進而得到一中頻信號;為該衛星導航系統中的該定位衛星分配資源,並對分配有資源的該定位衛星進行跟蹤捕獲,以得到該定位衛星的一衛星 資訊,其中,該定位衛星的該衛星資訊至少包括一偽距、一座標資訊、一速度資訊和一頻率資訊。
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