TWI528045B - 定位模組、定位裝置和衛星定位方法 - Google Patents

Description

定位模組、定位裝置和衛星定位方法

本發明係關於一種衛星導航技術領域，特別是一種定位模組、定位裝置和衛星定位方法。

北斗衛星導航系統(BD Navigation Satellite 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。

現有的接收機，只能夠支援上述一種衛星導航系統，即，只能根據接收到的同一衛星導航系統的衛星信號進行定位，尚未實現能夠支援兩種或兩種以上的衛星導航系統的接收機。

本發明提供了一種定位模組，包括：一衛星選擇模組，從多個衛星導航系統的多個衛星中選擇一定位衛星，並輸出該定位衛星的一頻率資訊和一偽距；以及一卡爾曼濾波器，耦接該衛星選擇模組，接收該定位衛星的該頻率資訊和該偽距，並基於一卡爾曼濾波演算法計算該定位模組的一定位資訊。

本發明還提供了一種定位裝置，包括：一射頻模組，將接收到的一衛星信號與一本地載波信號混頻以產生一中頻信號，其中，該衛星信號來自多個衛星導航系統中的一衛星；一基帶信號處理模組，處理接收到的該中頻信號，以計算該衛星的一頻率資訊和一偽距並對接收到的 該衛星信號進行分類；以及一定位模組，耦接該基帶信號處理模組，根據該衛星信號的分類從多個衛星中選擇一定位衛星，並根據選擇的該定位衛星的一頻率資訊和一該偽距，基於一卡爾曼濾波演算法計算該定位裝置的一定位資訊。

本發明還提供了一種衛星定位方法，包括：接收一衛星信號，其中該衛星信號來自多個衛星導航系統中的一衛星；透過對該衛星信號的一捕獲和一跟蹤，獲取該衛星的一頻率資訊和一偽距並實現對該衛星信號的一分類；根據該衛星的該分類，從多個衛星中選擇一定位衛星；以及根據該定位衛星的一頻率資訊和一偽距，基於一卡爾曼濾波演算法計算一定位裝置的一定位資訊。

本發明提供的定位模組、定位裝置和衛星定位方法，在衛星導航系統中基於卡爾曼濾波演算法進行定位解算，不僅實現了對多種衛星導航系統的支援，還能夠提高定位精度。

S10-S20‧‧‧步驟

S11-S17‧‧‧步驟

S171-S174‧‧‧步驟

10‧‧‧檢測模組

20‧‧‧計算模組

21‧‧‧分配單元

22‧‧‧捕獲追踪單元

23‧‧‧計算單元

500‧‧‧定位裝置

502‧‧‧衛星導航系統

5021-502J‧‧‧衛星

504‧‧‧衛星導航系統

5041-504K‧‧‧衛星

506‧‧‧天線

508‧‧‧射頻模組

510‧‧‧基帶信號處理模組

512‧‧‧定位模組

514‧‧‧使用者應用模組

602‧‧‧衛星選擇模組

604‧‧‧卡爾曼濾波器

612‧‧‧初始狀態計算模組

614‧‧‧卡爾曼濾波計算模組

702-714‧‧‧步驟

702-714‧‧‧步驟

802-808‧‧‧步驟

910‧‧‧軌跡

920‧‧‧軌跡

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的衛星定位方法的流程圖。

圖2所示為根據本發明另一實施例的衛星定位方法的流程圖。

圖3所示為根據本發明一實施例的圖2中雙模式衛星定位方法的流程圖。

圖4所示為根據本發明一實施例的接收機的結構示意圖。

圖5所示為根據本發明一實施例的定位裝置的結構示意圖。

圖6所示為根據本發明一實施例的定位裝置內的定位模組的結構示意圖。

圖7所示為根據本發明一實施例的導航定位系統中基於卡爾曼濾波演算法進行定位的方法流程圖。

圖8所示為根據本發明一實施例的衛星定位方法的流程圖。

圖9所示為基於卡爾曼濾波演算法，單全球定位系統導航系統與雙 導航系統混合定位的軌跡對比示意圖。

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。

本發明實施例的衛星導航系統包括北斗衛星導航系統、全球定位系統、格羅納斯衛星導航系統以及伽利略衛星導航系統。每個衛星導航系統包括若干個衛星。在本發明實施例中，將接收機能夠接收到衛星信號的衛星稱為定位衛星。以北斗衛星導航系統為例，北斗衛星導航系統包括九顆北斗衛星，在2020年的規劃中，北斗衛星導航系統將具有30顆可用衛星。如果接收機能夠接收到六顆北斗衛星的北斗衛星信號，則將此六顆北斗衛星稱為北斗定位衛星。

圖1所示為根據本發明一實施例提供的衛星定位方法的流程圖。

在步驟S10中，檢測接收機接收到的衛星信號是否來自不同的n個衛星導航系統，其中，n為大於1的整數。

在步驟S20中，若接收到來自一個以上的衛星導航系統的衛星信號，則根據各衛星信號對應的導航系統中的定位衛星的衛星資訊計算接收機的定位資訊及接收機相對於各衛星導航系統的時脈偏差對應的位移量。

其中，定位衛星的衛星資訊具體可包括定位衛星的偽距、座標資訊、頻率資訊、多普勒、星曆及速度資訊等。接收機的定位資訊具體可包括位置資訊和速度資訊。

圖2所示為根據本發明另一實施例提供的衛星定位方法的流程圖，本實施例以接收到北斗衛星導航系統的衛星信號和全球定位系統的衛星信號為例進行說明，即，接收機接收到了全球定位系統衛星信號和北斗衛星信號。

在步驟S11中，判斷是否接收到全球定位系統衛星信號，是則執行步驟S12，否則執行步驟S13。

在步驟S12中，判斷是否接收到北斗衛星信號，是則執行步驟S17，否則執行步驟S15。

在步驟S13中，判斷是否接收到北斗衛星信號，是則執行步驟S16，否則執行步驟S14。

在步驟S14中，不能夠實現定位，繼續檢測是否接收到全球定位系統衛星信號。

在步驟S15中，利用全球定位系統衛星信號對接收機進行定位。

在步驟S16中，利用北斗衛星信號對接收機進行定位。

在步驟S17中，利用全球定位系統衛星信號和北斗衛星信號對接收機進行定位。

在上述步驟中，以先判斷是否接收到全球定位系統衛星信號為例進行說明。事實上，判斷是否接收到某一衛星信號的順序不限於此，本技術領域中具有通常知識者可以理解，也可先判斷接收到的信號是否為北斗衛星信號，還可先判斷接收到的衛星信號是否為伽利略衛星信號或格羅納斯衛星信號。

由於北斗衛星信號、全球定位系統衛星信號和伽利略衛星信號均基於碼分多址(Code Division Multiple Access，CDMA)技術，因此在步驟S11、步驟S12和步驟S13中，接收機可透過I支路普通測距碼識別接收到的衛星信號是北斗衛星信號還是全球定位系統衛星信號，也可透過I支路普通測距碼識別伽利略衛星信號。由於格羅納斯衛星信號基於頻分多址(Frequency Division Multiple Access，FDMA) 技術，接收機可透過頻率識別是否為格羅納斯衛星信號。因此衛星導航系統可透過頻率資訊區分，衛星導航系統中的衛星可透過碼資訊區分。

具體而言，表示北斗衛星信號和全球定位系統衛星信號的方程式如下：S ^j =AC ^j D ^j cos(2πf t+θ ^j )

此方程式也適用於伽利略衛星信號。其中A表示調變於I支路的普通測距碼振幅；C表示I支路普通測距碼；D表示I支路上的導航電文資料；f表示衛星信號的載波頻率；t表示衛星信號的發射時間；j表示衛星的ID；S^j表示衛星ID為j的衛星所發射的信號；θ表示各衛星信號的初始載波相位，各個衛星的θ值可能不同。在衛星側，此方程式中的各個參數均為已知；在接收機側，需要透過信號捕獲和跟蹤獲知各個參數。此外，各個衛星導航系統的f值各不相同，但由於北斗衛星信號、全球定位系統衛星信號和伽利略衛星信號均基於碼分多址技術，因此三種系統內的同一信號段的發射頻率是一樣的。而格羅納斯衛星信號是基於頻分多址技術，因此格羅納斯衛星導航系統內的各衛星是透過不同的發射頻率區分的。

每一顆北斗衛星、全球定位系統衛星和伽利略衛星都具有唯一的偽隨機數(pseudo-random number，PRN)產生規則，因此可透過偽隨機數序(方程式S ^j =AC ^j D ^j cos(2πf t+θ ^j )中的C)識別具體是哪一種衛星信號。對接收機而言，可透過重建衛星的偽隨機數序以搜索和識別當前可用的衛星信號。重建過程具體為如下：偽隨機數序的產生規則方法均透過各衛星導航系統的介面控制檔(Interface Control Document，ICD)公佈，因此，接收機需要搜索衛星可能的接收頻率和偽隨機數資訊，在接收到一顆衛星的衛星信號後，可得到I支路上的導航電文資料D和載波相位θ，並且基帶通道會產生和此顆衛星一致的偽隨機數序，並嘗試對此衛星進行捕獲和跟蹤。如果捕獲跟蹤成功，則指示當前的輸入信號中存在這顆衛星信號。此外，只有當本地重建的偽隨機數與輸入信號的偽隨機數一致時，碼分多址出現相關峰，因此，可透過設置相應的捕獲臨限值檢測碼分多址的相關峰，以判斷是否捕獲成 功。

衛星一般會廣播兩種測距碼，分別載入在衛星信號的I支路和Q支路上。以北斗衛星導航系統為例，其中I支路為民用普通測距碼；Q支路為專業領域(例如，軍用)精密測距碼，需要得到授權，接收機才能接收。

對於步驟S15和步驟S16，即只接收到一個衛星導航系統的衛星信號時，例如，只接收到了北斗衛星信號，接收機透過下述方程式(1-1)至(1-n)確定其位置資訊和相對於北斗衛星導航系統的時脈偏差對應的位移量。

其中，ρ ₁~ρ _n 分別表示n個北斗定位衛星的偽距，可透過跟蹤環路測量得到；(x _i ,y _i ,z _i )表示各個北斗定位衛星在定位時刻的座標資訊，其中1 i n，座標資訊能夠透過定位衛星的軌道參數和定位時間計算得到，而軌道參數是在衛星信號跟蹤鎖定之後，透過解調I支路上的導航電文資料D，並根據衛星導航系統的介面控制檔解析和收集得到的。此外，(x _i ,y _i ,z _i )是ECEF座標系中的座標，ECEF座標系以地球質心為原點，Z軸向北沿地球自轉軸方向，X軸指向經緯度的(0，0)位置，右手系Y軸指向90度經線；b _u 表示接收機相對於北斗衛星導航系統的時脈偏差對應的位移量；(x _u ,y _u ,z _u )表示接收機的位置資訊。因此，存在四個未知量(x _u ,y _u ,z _u )和b _u ，至少需要四顆定位衛星的參數就可進行定位解算。

圖3所示為根據本發明一實施例的雙模式衛星定位方法的流程圖，即圖2中步驟S17中透過北斗衛星信號和全球定位系統衛星信號對接收機進行定位的方法。

在步驟S171中，接收機為定位衛星分配資源。

本步驟中，接收機根據接收到衛星信號的定位衛星的 可見性、性能以及所處環境等因素為其分配資源。資源包括硬體方面的捕獲通道、跟蹤通道等，也包括軟體方面的中央處理器系統資源等。

接收機根據接收到信號的定位衛星的星曆等資訊判斷其可見性，即定位衛星是在接收機的視線之上還是在視線之下，如果是在接收機的視線之上，則可為其分配資源，如果在視線之下則不給其分配資源或少分配資源。另外，對於各種衛星信號，由於其編碼格式不同，對其進行掃描所佔用的時間也不同，如果掃描時間太長則會降低定位效率。這些都是接收機綜合考慮的因素。

在步驟S172中，接收機對分配有資源的定位衛星進行跟蹤捕獲，以得到各定位衛星的衛星資訊，包括偽距、座標資訊、速度資訊及頻率資訊等。

本步驟中，由於衛星的偽距測量值可能存在一定的誤差，因此在衛星誤差相當的情況下，增加參與定位的衛星數量能夠減少其它衛星測量誤差對定位結果的影響，即提高定位精度。綜合考慮計算量等多方面的因素，一般限制參與定位的衛星個數為12個。

在步驟S174中，接收機根據步驟S172得到的衛星資訊，計算接收機的位置資訊、速度資訊及接收機相對於各衛星導航系統的時脈偏差對應的位移量。

對於步驟S174，接收機透過下列方程式計算其位置資訊和位移量，在接收機能夠接收到k個衛星導航系統的衛星信號的情況下：

其中，ρ ₁₁~ρ _1m 分別表示第一衛星導航系統的m個定位衛星的偽距；ρ ₂₁~ρ _2n 分別表示第二衛星導航系統的n個定位衛星的偽距；ρ _k1~ρ _kp 分別表示第k衛星導航系統的p個定位衛星的偽距，k為大於等於1的整數，其中，偽距能夠透過跟蹤環路測量得到；(x _1i ,y _1i ,z _1i )表示第一衛星導航系統的各定位衛星在定位時刻的座標資訊，其中1 i m；(x_2j ,y _2j ,z _2j )表示第二衛星導航系統的各定位衛星在定位時刻的座標資訊，其中1 j n；(x _ko ,y _ko ,z _ko )表示第k衛星導航系統的各定位衛星在定位時刻的座標資訊，其中1 o p，各座標資訊能夠透過相應的定位衛星的軌道參數和定位時間計算得到，且1 m+n+p 12；b _u1表示接收機相對於第一衛星導航系統的時脈偏差對應的位移量，即本地時脈相對於衛星導航系統的時脈的時脈偏差對應的位移量；b _u2表示接收機相對於第二衛星導航系統的時脈偏差對應的位移量；b _uk 表示接收機相對於第k衛星導航系統的時脈偏差對應的位移量；(x _u ,y _u ,z _u )表示接收機的位置資訊。

由於本實施例以接收到來自兩個衛星導航系統的衛星信號為例進行說明，即接收到了北斗衛星信號和全球定位系統衛星信號。因此，上述方程式中k=2，只需要方程式(2-11)到(2-2n)就可計算接收機的位置資訊。這種情況下，存在五個未知量(x _u ,y _u ,z _u )、b _u1和b _u2，至少需要五顆定位衛星的參數就可進行定位解算。

可以看出，與接收到來自一個衛星導航系統的衛星信號相比，當接收到來自兩個衛星導航系統的衛星信號時，需要根據增加的衛星導航系統的相對於接收機的時脈偏差對應的位移量，對計算出的定位資訊進行校正，提高定位精度。依次類推，當接收機接收到三個或更多衛星導航系統的衛星信號時，需要增加相應的衛星導航系統相對於 接收機的時脈偏差對應的位移量，以計算接收機的位置資訊。而且，本實施例提供的方法不僅能夠同時支援北斗衛星導航系統和全球定位系統，還能夠支援格羅納斯衛星導航系統和伽利略衛星導航系統，即，能夠支援上述衛星導航系統中的任意一個或多個。

綜上所述，上述方程式(2-11)到(2-kp)還可以下述方程式(2)表示：

其中，ρ _ij 表示第i衛星導航系統的第j定位衛星的偽距；b _ui 表示與接收機相對於第i衛星導航系統的時脈偏差對應的位移量；(x _ij ,y _ij ,z _ij )表示第i衛星導航系統的第j定位衛星在定位時刻的座標資訊；(x _u ,y _u ,z _u )表示接收機在定位時刻的位置資訊。

此外，由於在有些地區，有些衛星導航系統的可用定位衛星數量較少，這樣如果只根據一種衛星信號進行定位，就會降低定位精度。而如果接收機能夠支援多種衛星導航系統，則可用以定位的衛星數量就增加許多，因此定位或測速精度就會大幅提升。

另一方面，在步驟S174中，接收機的速度資訊根據以下方程式進行計算：

其中，f _ij 表示接收機對第i衛星導航系統的第j定位衛星的接收頻率；f _Tij 表示第i衛星導航系統的第j定位衛星的發射頻率，對於同一衛星導航系統中的衛星，可認為其發射頻率相同，例如，北斗衛星的B1信號發射頻率為1.561098e9赫茲，全球定位系統衛星的L1信號的發射頻率為1.57542e9赫茲，因此，若第i衛星導航系統包括3個衛星，則有f _T11=f _T12=f _T13，本實施例將接收頻率和發射頻率並稱為頻率資訊；c表示光速，為2.99792458e8公尺/秒；(v _{ij_x} ,v _{ij_y} ,v _{ij_z} )分別表示第i衛星導航系統的第j定位衛星在定位時刻的速度資訊，能夠透過衛星的星曆和當前時間計算得到；(a _{ij_x} ,a _{ij_y} ,a _{ij_z} )分別表示第i衛星導航系統的第j定位衛星相對於接收機的方向向量，並且a _{ij_x} =(x _ij -x _u )/r、 a _{ij_y} =(y _ij -y _u )/r、a _{ij_z} =(z _ij -z _u )/r，其中，r為接收機相對於第i衛星導航系統的第j定位衛星的距離；(x _ij ,y _ij ,z _ij )為第i衛星導航系統的第j定位衛星在定位時刻的位置資訊；(x _u ,y _u ,z _u )為接收機在定位時刻的位置資訊；(,,)為接收機的速度資訊；為待求解的接收機的本地時脈變化率，即接收機的時脈變化速度，假定衛星導航系統的時脈是穩定的，則時脈變化率只與接收機的時脈有關，為接收機相對於衛星導航系統的時脈偏差的一階導數。

透過上述方程式計算出接收機的位置資訊及速度資訊後，接收機就可輸出導航軌跡。

進一步地，在步驟S172和步驟S174之間，還可包括步驟S173(圖3中未示出)。在步驟S173中，根據衛星資訊對各定位衛星進行識別，並剔除品質不符合要求的定位衛星，即跟蹤品質不符合要求的定位衛星的衛星資訊將不用於計算接收機的定位資訊。

在衛星的偽距和多普勒的測量誤差不大的情況下，增加參與定位的衛星數量能夠提高定位運算的精度。但是，如果衛星的跟蹤品質較差，即偽距和多普勒的測量誤差較大的情況下，增加參與定位的衛星反而會降低精度，這樣的衛星會被認為不符合設定要求，因此有必要對衛星的品質進行識別，剔除品質較差的冗餘衛星。識別冗餘衛星的方法可包括接收機自主完好性監控(Receiver Autonomous Integrity Monitoring，RAIM)方法，也可根據各接收機環路的輸出指標進行判別，例如，載波頻率的變化規律及偽距測量值的變化規律等，但不以此為限。

圖4所示為根據本發明一實施例提供的接收機的結構示意圖。如圖4所示，接收機包括檢測模組10和計算模組20。

檢測模組10檢測是否接收到兩個或兩個以上的衛星導航系統的衛星信號。計算模組20耦接檢測模組10，在檢測模組10檢測到接收到兩個或兩個以上的衛星導航系統的衛星信號時，根據各衛星導航系統中的各個定位衛星的衛星資訊計算接收機的定位資訊和接收機相對於各衛星導航系統的時脈偏差對應的位移量。

進一步地，本發明實施例中的計算模組20可包括分配單元21、捕獲跟蹤單元22以及計算單元23。

其中，分配單元21為各衛星導航系統的定位衛星分配資源。捕獲跟蹤單元22對由分配單元21分配有資源的定位衛星進行跟蹤捕獲，以得到各定位衛星的衛星資訊。衛星資訊具體可包括偽距、座標資訊、速度資訊和頻率資訊。計算單元23根據捕獲跟蹤單元22獲得的衛星資訊計算接收機的定位資訊以及與接收機相對於各衛星導航系統的時脈偏差對應的位移量。

具體地，本發明實施例的檢測模組10根據衛星信號I支路的普通測距碼判斷衛星信號是否為北斗衛星信號、全球定位系統衛星信號或者伽利略衛星信號，根據衛星信號的頻率判斷衛星信號是否為格羅納斯衛星信號。本發明實施例的計算單元23根據上述方程式(2-11)-(2-kp)計算接收機的位置資訊，根據上述方程式(3)計算接收機的速度資訊。

此外，本發明實施例的計算模組20還可包括識別單元(圖4中未示出)，根據所獲得的衛星資訊對各衛星導航系統中的定位衛星進行篩選，以使得跟蹤品質較差的定位衛星的衛星資訊將不用於計算接收機的定位資訊。

本發明實施例提供的衛星定位方法和接收機，透過對接收到的衛星信號進行識別，並獲取衛星信號對應的各個衛星導航系統的衛星資訊，結合衛星導航系統的時脈相對於接收機的時脈偏差對應的位移量進行定位，不僅實現了對多種衛星導航系統的支援，還可提高定位精度。

圖5所示為根據本發明一實施例的多衛星導航系統的定位裝置500的結構示意圖。如圖5所示，定位裝置500(例如，接收機)包括天線506、射頻模組508、基帶信號處理模組510、定位模組512以及使用者應用模組514。在圖5所示的實施例中，定位裝置500接收來自衛星導航系統502和504中的衛星信號。其中衛星導航系統(例如，北斗衛星導航系統)502可包括衛星5021-502J(其中J為大於 1的正整數)，衛星導航系統(例如，全球定位系統)504可包括衛星5041-504K(其中K為大於1的正整數)。儘管圖5中只示出了衛星導航系統502和504，本技術領域中具有通常知識者應當理解的是，本發明的實施例並不局限於兩個衛星導航系統，還可包含更多的衛星導航系統。

在一個實施例中，定位裝置500透過天線506從多個衛星導航系統中接收衛星信號。例如，定位裝置500從衛星導航系統502中的衛星5021-502J和衛星導航系統504中的衛星5041-504K中接收衛星信號。在圖5所示的實施方式中，由於定位裝置500接收來自多個衛星導航系統的衛星信號，因此，天線506可配置為多模天線以接收不同頻率的衛星信號。

射頻模組508透過天線506接收來自多個衛星導航系統的衛星信號，並將接收到的衛星信號與定位裝置500產生的本地載波信號混頻，以產生中頻信號。產生的中頻信號經過放大以及類比/數位轉換，被傳輸到基帶信號處理模組510。

基帶信號處理模組510對接收到的中頻信號進行捕獲、跟蹤和解碼，從而得到衛星的頻率資訊和偽距，並實現衛星的分類，即識別接收到的衛星信號來自於某個衛星定位系統中的某顆衛星。衛星的頻率資訊為定位裝置500在當前時刻接收到的衛星的頻率。對於基於頻分多址調變的導航系統的衛星信號，可透過頻率識別接收到的衛星信號。對於基於碼分多址調變的導航系統的衛星信號，可透過I支路普通測距碼識別接收到的衛星信號。

定位模組512接收來自基帶信號處理模組510的頻率資訊和偽距，並根據基帶信號處理模組510中對衛星進行的分類識別，從衛星5021-502J和5041-504K中選擇合適的定位衛星，並根據所選擇的定位衛星的頻率資訊和偽距，基於卡爾曼濾波演算法計算定位裝置500的定位資訊。隨後，定位裝置500的定位資訊被轉換成NMEA(The National Marine Electronics Association)的標準格式，被輸出到使用者應用模組514。在下文中，將對定位模組512進行詳細說明。

圖6所示為根據本發明一實施例的定位裝置500內的定位模組512的結構示意圖。圖6將結合圖5進行描述。如圖6所示，定位模組512包括衛星選擇模組602和卡爾曼濾波器604。衛星選擇模組602從多個衛星(例如，衛星5021-502J和5041-504K)中選擇定位衛星以使定位模組512進行定位解算，並輸出所選擇的定位衛星的頻率資訊和偽距。卡爾曼濾波器604耦接衛星選擇模組602耦接，接收定位衛星的頻率資訊和偽距，並基於卡爾曼濾波演算法計算定位裝置500的定位資訊。

在一個實施例中，衛星選擇模組602根據衛星信號的信號強度、衛星仰角以及衛星的跟蹤品質等因素選擇定位衛星。在操作中，衛星選擇模組602首先判斷接收到的來自一個衛星導航系統(例如，衛星導航系統502)中的衛星是否足以計算定位裝置500的定位資訊。具體地，衛星選擇模組602根據單個衛星導航系統中的衛星信號強度、衛星個數及精度衰減因數(dilution of precision,DOP)等指標確定衛星導航系統中的衛星是否可以計算符合定位裝置500要求的定位資訊。如果使用一個衛星導航系統(例如，衛星導航系統502)中的衛星就可對定位裝置500進行精確定位，則不需要選擇其它的衛星導航系統中的衛星；否則，還需要選擇來自其它衛星導航系統(例如，衛星導航系統504)中的衛星。例如，衛星選擇模組602接收到來自5顆衛星的衛星信號，其中有4顆衛星是全球定位系統中的衛星，1顆衛星是北斗系統中的衛星。衛星選擇模組602檢測到這4顆全球定位系統衛星具有良好的信號強度等參數，可對定位裝置500實現符合要求的定位，同時考慮到定位裝置500相對於不同導航系統具有不同的時脈偏差，增加另一個導航系統的衛星信號，會增加一個未知數，因此衛星選擇模組602選擇這4顆來自全球定位系統的衛星對定位裝置500進行單導航系統定位。在另一種情況中，假設衛星選擇模組602接收到5顆衛星的衛星信號，其中有3顆是全球定位系統衛星，2顆是北斗衛星。儘管考慮到定位裝置500相對於不同導航系統具有不同的時脈偏差，但是3顆全球定位系統衛星不足以實現對定位裝置500 擇模組602會選擇來自全球定位系統的3顆衛星和來自北斗系統的2顆衛星進行多導航系統的定位，以實現對定位裝置500的精確定位。在又一種情況中，假設衛星選擇模組602接收到6顆衛星的衛星信號，其中有4顆是全球定位系統衛星，2顆是北斗衛星，並且，4顆全球定位系統衛星的信號強度比較弱。在這種情況下，儘管4顆衛星就可實現對定位裝置500的定位，但是利用信號強度較弱的衛星解算的結果會導致定位不精確。因此，衛星選擇模組602還會選擇來自全球定位系統的4顆衛星和來自北斗系統的2顆衛星，進行多導航定位系統的定位，以提高定位精度。

在選擇定位衛星之後，衛星選擇模組602將定位衛星的偽距和頻率資訊傳輸到卡爾曼濾波器604；卡爾曼濾波器604基於卡爾曼濾波演算法進行定位解算。如圖6所示，卡爾曼濾波器604包括初始狀態計算模組612和卡爾曼濾波計算模組614。在下文中，將結合卡爾曼濾波演算法的流程圖對定位模組中的卡爾曼濾波器604進行詳細介紹。

圖7所示為根據本發明一個實施例的導航定位系統中基於卡爾曼濾波演算法進行定位的流程圖。圖7將結合圖6進行描述。

對於定位裝置而言，卡爾曼模型一般有三種：P模型、PV模型及PVA模型。在P模型中，位置狀態被認為是隨機遊走的，常用於靜止場景；在PV模型中，速度被認為是隨機遊走的，一般用於低動態運動環境；在PVA模型中，狀態向量中需增加三個加速度分量，加速度被認為是隨機遊走的，一般用於定位裝置運動加速度變化範圍很大的場景，例如，高速飛行器。在下文中，將以M個導航系統的PV模型為例建立狀態方程式，其中M為大於等於1的正整數。本技術領域中具有通常知識者應當理解的是，基於卡爾曼濾波演算法的狀態方程式和觀測方程式還可在P模型和PVA模型中建立。

在卡爾曼濾波演算法中，狀態方程式被定義為：X _k+1=Φ _k X _k +w _k (4-1)

其中，X為狀態向量；Φ為狀態矩陣；w為狀態雜訊；K為大於等於1的整數。

觀測方程式被定義為：Z _k =H _k X _k +v _k (4-2)

其中，Z為觀測向量；H為測量矩陣；v為測量雜訊。

對於M個導航系統，定義狀態向量X=[p_x,p_y,p_z,v_x,v_y,v_z,b_u1,b_u2,…b_uM,c ]，其中，p_x,p_y,p_z表示定位裝置500在ECEF座標系下的位置；v_x,v_y,v_z表示定位裝置500在ECEF座標系下的速度；b_u1,b_u2,…b_uM表示定位裝置500的本地時間系統相對於導航系統1，2，…，M的時脈偏差；表示本地時間系統的時脈漂移；c表示光速，其中，M表示參與定位的導航系統個數。因此，狀態向量的長度為(7+M)。例如，當有兩個參與定位的導航系統時，狀態向量的長度為9，即狀態向量為X=[p_x,p_y,p_z,v_x,v_y,v_z,b_u1,b_u2,c ]。

因此，對於M個導航系統，其狀態方程式可表示為(4-3)：

其中，p表示定位裝置500在ECEF座標系下的位置(p_x,p_y,p_z)；v表示定位裝置500在ECEF座標系下的速度(v_x,v_y,v_z)；t_u表示本地時間系統與每個導航系統的時脈偏差(b_u1,b_u2,…b_uM)；表示本地時間系統的時脈漂移。

因此，對於M個導航系統，其狀態矩陣Φ為(7+M)×(7+M)階矩陣：

例如，對於雙導航系統，其狀態矩陣Φ為9×9階： 其中，T為定位裝置的定位週期。

根據前文的描述，M個導航系統中，位置觀測方程式可用(4-11)-(4-Mp)表示：

其中，ρ ₁₁~ρ _1m 分別表示第一衛星導航系統的m個定位衛星的偽距；ρ _M1~ρ _Mp 分別表示第M衛星導航系統的p個定位衛星的偽 距，上述偽距能夠透過跟蹤環路測量得到，其中M為大於等於1的整數；(x _1i ,y _1i ,z _1i )表示第一衛星導航系統的各定位衛星在定位時刻的座標資訊，其中1 i m；(x _Mo ,y _Mo ,z _Mo )表示第M衛星導航系統的各定位衛星在定位時刻的座標資訊，其中1 o p，各座標資訊能夠透過相應的定位衛星的軌道參數和定位時間計算得到，且m+...+p=N(N為參與定位的定位衛星個數)；b _u1表示定位裝置500相對於第一衛星導航系統的時脈偏差，即本地時脈相對於衛星導航系統的時脈的偏差；b _uM 表示定位裝置500相對於第M衛星導航系統的時脈偏差；(x _u ,y _u ,z _u )表示定位裝置500的位置資訊。

此外，對於M個導航系統，如果有N顆衛星參與定位，則速度的觀測方程式表示為：d=Hg (5-1)

其中，d表示定位裝置500的速度在定位裝置500到定位衛星的向量上的分量，即：

根據上述方程式(4-11)-(4-Mp)和(5-1)，可得到觀測向量Z：Z=[ρ ₁₁ ,…ρ _1m ,...ρ _M1 ,...ρ _Mp ,d ₁₁ ,…d _1m ,...d _M1 ,...d _Mp ] ^T ，其中，m表示第一導航系統中參與定位的定位衛星個數；p表示第M導航系統中參與定位的定位衛星個數；ρ表示參與定位衛星的偽距；d表示定位裝置500的速度在定位裝置500到衛星的向量上的分量，單位為公尺/秒。觀測向量Z長度為2×(m+…+p)。

由此，基於卡爾曼濾波演算法的M個導航系統的測量矩陣可表示為(2N)×(7+M)階矩陣。N是參與定位的定位衛星個數，且N=m+…+p，其中，m為第一導航系統中參與定位的定位衛星個 數，p為第M導航系統中參與定位的定位衛星個數。M為參與定位的導航系統的個數。以雙導航系統的測量矩陣為例，假設第一衛星導航系統中有m顆定位衛星參與定位，第二衛星導航系統中有p顆衛星參與定位，則測量矩陣為(2×(m+p))×9階矩陣：

其中，，A表示參與定位的導航系統，以雙導航系統為例，A等於1或2；表示定位裝置500位置的估計值在ECEF座標系下的x分量；X_j表示定位衛星位置在ECEF座標系下的x分量；表示定位衛星到定位裝置500的估計距離。

應該理解的是，狀態向量X的元素位置可任意交換，交換後就需要調整相應的狀態矩陣和測量矩陣。同樣地，觀測向量Z中的元素位置也可任意交換，交換後也需要調整相應的狀態矩陣和測量矩陣。

如圖7所示，在步驟702中，卡爾曼濾波器604中的初始狀態計算模組612計算卡爾曼濾波器604的初始狀態向量X₀和初始誤差協方差P₀。當完成初始化後，執行步驟704，否則執行步驟703。

在步驟703中，一般使用最小二乘法初始化卡爾曼濾 波器604。

在步驟704中，卡爾曼濾波計算模組614確定當前時刻的卡爾曼濾波器604的觀測向量Z。如上文所述，觀測向量Z包括有參與定位的定位衛星的偽距和定位裝置的速度在定位裝置到定位衛星的向量上的分量。即，Z=[ρ ₁₁ ,…ρ _1m ,...ρ _M1 ,...ρ _Mp ,d ₁₁ ,…d _1m ,...d _M1 ,...d _Mp ] ^T ，觀測向量Z的長度為2×N，N表示參與定位的定位衛星的個數，且N=m+…+p。其中，m表示第一導航系統中參與定位的定位衛星個數；p表示第M導航系統中參與定位的定位衛星個數；M表示參與定位的導航系統的個數。

在步驟705中，得到初始狀態向量X₀和初始誤差協方差P₀。

在步驟706中，卡爾曼濾波計算模組614根據前一時刻k-1的狀態向量計算當前時刻k的狀態向量的估計值。在一個實施例中，卡爾曼濾波計算模組614根據方程式(6-1)計算當前時刻k的狀態向量的估計值X^- _k：X^- _k=Φ_kX_k-1 (6-1)

在步驟708中，卡爾曼濾波計算模組614根據前一時刻k-1的誤差協方差計算當前時刻k的誤差協方差的估計值。在一個實施例中，卡爾曼濾波計算模組614根據方程式(6-2)計算當前時刻k的誤差協方差的估計值P^- _k：P^- _k=Φ_kP_k-1Φ_k ^T+Q_k (6-2)

其中，Q_k代表過程激勵雜訊協方差。

在步驟710中，卡爾曼濾波計算模組614根據計算出的誤差協方差的估計值P^- _k，並根據方程式(6-3)計算當前時刻的卡爾曼增益K_k：K_k=P^- _kH_k ^T[H_kP_k ^-H_k ^T+P_k]^-1 (6-3)

在步驟712中，卡爾曼濾波器計算模組614根據計算出的卡爾曼增益K_k、當前時刻的狀態向量的估計值X^- _k以及當前時刻的觀測向量Z，按照方程式(6-4)更新當前時刻的狀態向量X_k： X_k=X^- _k+K_k[Z_k-H_kX_k ^-] (6-4)

在步驟714中，卡爾曼濾波器計算模組614根據計算出的卡爾曼增益K_k以及當前時刻的誤差協方差的估計值P^- _k，按照方程式(6-5)更新當前時刻的誤差協方差P_k：P_k=[1-K_kH_k]P_k ^- (6-5)

更新得到的當前時刻的狀態向量X_k在被驗證為有效後，可輸出至使用者應用模組514中。此外，在下一時刻(k+1)，更新後得到的k時刻的狀態向量X_k和誤差協方差P_k還可作為(k+1)時刻的前一時刻的值，以更新(k+1)時刻的狀態向量X_(k+1)和誤差協方差P_(k+1)。這一更新的步驟重複步驟704-714，在此不再詳述。

圖8所示為根據本發明一實施例的衛星定位方法的流程圖。圖8將結合圖5和圖6進行描述。

在步驟802中，定位裝置500從多個導航系統接收衛星信號。更具體地，如圖5所示，定位裝置500透過天線506接收導航系統502和504中的衛星5021-502J和5041-504K的衛星信號。

在步驟804中，定位裝置500計算衛星信號的頻率和偽距並獲得衛星信號的分類資訊。更具體地，定位裝置500中的射頻模組508將接收到的衛星信號與定位裝置500產生的本地載波信號混頻，以產生中頻信號。產生的中頻信號經過放大以及類比/數位轉換，被傳輸到基帶信號處理模組510。基帶信號處理模組510對接收到的中頻信號進行捕獲、跟蹤和解碼，從而得到衛星信號的頻率資訊和偽距以及實現對衛星信號的分類。例如，定位裝置500中的基帶信號處理模組510可透過本地重建衛星的偽隨機數序信號以識別接收到的衛星信號具體是來自哪個導航系統。

在步驟806中，定位裝置500從衛星(例如，衛星5021-502J和5041-504K)中選擇定位衛星以計算定位裝置500的定位資訊，例如，定位裝置的位置資訊和速度資訊。例如，定位裝置500中的衛星選擇模組602根據接收到的衛星信號的信號強度、衛星仰角以及衛星的跟蹤品質等因素選擇定位衛星。

在步驟808中，當衛星選擇模組602選擇定位衛星之後，輸出定位衛星的偽距和頻率資訊至卡爾曼濾波器604。卡爾曼濾波器604根據接收到的定位衛星的偽距和頻率資訊，根據卡爾曼濾波演算法計算定位裝置500的定位資訊。

具體地，卡爾曼濾波器604中的初始狀態計算模組612計算卡爾曼濾波器的初始狀態向量X₀和初始誤差協方差P₀。

當完成初始化後，卡爾曼濾波器604中的卡爾曼濾波計算模組614確定當前時刻的卡爾曼濾波器604的觀測向量Z。

之後，卡爾曼濾波計算模組614根據前一時刻的狀態向量計算當前時刻k的狀態向量的估計值，並根據前一時刻的誤差協方差計算當前時刻k的誤差協方差的估計值P^- _k。在這之後，卡爾曼濾波計算模組614根據計算出的誤差協方差的估計值P^- _k，計算當前時刻的卡爾曼增益K_k。計算出卡爾曼增益K_k之後，卡爾曼濾波器計算模組614根據計算出的卡爾曼增益K_k、當前時刻的狀態向量的估計值X^- _k以及當前時刻的觀測向量Z，更新當前時刻的狀態向量X_k，並根據計算出的卡爾曼增益K_k以及當前時刻的誤差協方差的估計值P^- _k，更新當前時刻的誤差協方差P_k。更新得到的當前時刻的狀態向量X_k在被驗證為有效後，可輸出至使用者應用模組514中。

此外，在下一時刻(k+1)，更新後得到的k時刻的狀態向量X_k和誤差協方差P_k還可作為(k+1)時刻的前一時刻的值，以更新(k+1)時刻的狀態向量X_(k+1)和誤差協方差P_(k+1)。

圖9所示為信號強度比較弱的單全球定位系統導航系統與雙導航系統混合定位的軌跡對比示意圖。如圖9所示，910表示信號強度比較弱的單全球定位系統導航系統中使用卡爾曼濾波演算法定位獲得的軌跡，920表示雙導航系統混合定位中使用卡爾曼濾波演算法獲得的軌跡。從圖9中可見，對於信號比較弱的單導航系統而言，選擇來自其它導航系統的衛星信號，基於卡爾曼濾波演算法進行多導航系統的定位，可獲得比較精確的定位結果。

上文具體實施方式和附圖僅為本發明之常用實施例。 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。

500‧‧‧定位裝置

502‧‧‧衛星導航系統

5021-502J‧‧‧衛星

504‧‧‧衛星導航系統

5041-504K‧‧‧衛星

506‧‧‧天線

508‧‧‧射頻模組

510‧‧‧基帶信號處理模組

512‧‧‧定位模組

514‧‧‧使用者應用模組

Claims (20)

1. 一種定位模組，包括：一衛星選擇模組，從多個衛星導航系統的多個衛星中選擇一定位衛星，並輸出該定位衛星的一頻率資訊和一偽距；以及一卡爾曼濾波器，耦接該衛星選擇模組，接收該定位衛星的該頻率資訊和該偽距，並基於一卡爾曼濾波演算法計算該定位模組的一定位資訊。
2. 如申請專利範圍第1項的定位模組，其中，該卡爾曼濾波器包括：一初始狀態計算模組，根據該定位衛星的該頻率資訊和該偽距，計算該卡爾曼濾波器的一初始狀態向量和一誤差協方差；以及一卡爾曼濾波計算模組，基於該卡爾曼濾波演算法計算一當前時刻的一狀態向量，該狀態向量包括該定位模組的該定位資訊。
3. 如申請專利範圍第2項的定位模組，其中，該狀態向量包括該定位模組的一位置、一速度、一本地時間系統與該多個衛星導航系統的一時脈偏差以及該本地時間系統的一時脈漂移。
4. 如申請專利範圍第2項的定位模組，其中，該狀態向量的一長度為(7+M)，其中，M為該定位衛星所在該多個衛星導航系統的一個數。
5. 如申請專利範圍第2項的定位模組，其中，該卡爾曼濾波計算模組使用該卡爾曼濾波演算法，根據一前一時刻的一狀態向量和該當前時刻的一觀測向量，更新該當前時刻的該狀態向量，其中，該觀測向量包括該定位衛星的該偽距和該定位 模組的一速度在該定位模組到該定位衛星的一向量上的一分量。
6. 如申請專利範圍第5項的定位模組，其中，該觀測向量的一長度為2×N，其中N為該定位衛星的一個數。
7. 一種定位裝置，包括：一射頻模組，將接收到的一衛星信號與一本地載波信號混頻以產生一中頻信號，其中，該衛星信號來自多個衛星導航系統中的一衛星；一基帶信號處理模組，處理接收到的該中頻信號，以計算該衛星的一頻率資訊和一偽距並對接收到的該衛星信號進行分類；以及一定位模組，耦接該基帶信號處理模組，根據該衛星信號的分類從多個衛星中選擇一定位衛星，並根據該定位衛星的一頻率資訊和一偽距，基於一卡爾曼濾波演算法計算該定位裝置的一定位資訊。
8. 如申請專利範圍第7項的定位裝置，其中，該定位模組包括：一衛星選擇模組，從該多個衛星中選擇該定位衛星，並輸出該定位衛星的該頻率資訊和該偽距；以及一卡爾曼濾波器，耦接該衛星選擇模組，接收該定位衛星的該頻率資訊和該偽距，並基於該卡爾曼濾波演算法計算該定位裝置的該定位資訊。
9. 如申請專利範圍第8項的定位裝置，其中，該卡爾曼濾波器包括：一初始狀態計算模組，根據該定位衛星的該頻率資訊和該偽距，計算該卡爾曼濾波器的一初始狀態向量和一誤差協方差 矩陣；以及一卡爾曼濾波計算模組，基於該卡爾曼濾波演算法計算一當前時刻的一狀態向量，該狀態向量包括該定位裝置的該定位資訊。
10. 如申請專利範圍第9項的定位裝置，其中，該狀態向量包括該定位裝置的一位置、一速度、一本地時間系統與該多個衛星導航系統的一時脈偏差以及該本地時間系統的一時脈漂移。
11. 如申請專利範圍第9項的定位裝置，其中，該狀態向量的一長度為(7+M)，其中，M為該定位衛星所在該多個衛星導航系統的一個數。
12. 如申請專利範圍第9項的定位裝置，其中，該卡爾曼濾波計算模組使用該卡爾曼濾波演算法，根據一前一時刻的一狀態向量和該當前時刻的一觀測向量，更新該當前時刻的該狀態向量，其中，該觀測向量包括該定位衛星的該偽距和該定位裝置的一速度在該定位裝置到該定位衛星的一向量上的一分量。
13. 如申請專利範圍第12項的定位裝置，其中，該觀測向量的一長度為2×N，其中N為該定位衛星的一個數。
14. 一種衛星定位方法，包括：接收一衛星信號，其中該衛星信號來自多個衛星導航系統中的一衛星；透過對該衛星信號的一捕獲和一跟蹤，獲取該衛星的一頻率資訊和一偽距並實現對該衛星信號的一分類；根據該衛星信號的該分類，從該多個衛星中選擇一定位衛星；以及 根據該定位衛星的一頻率資訊和一偽距，基於一卡爾曼濾波演算法計算一定位裝置的一定位資訊。
15. 如申請專利範圍第14項的衛星定位方法，其中，根據該定位衛星的該頻率資訊和該偽距，基於該卡爾曼濾波演算法計算該定位裝置的該定位資訊的步驟包括：確定一當前時刻的一卡爾曼濾波器的一觀測向量，該觀測向量包括該定位衛星的該偽距和該定位裝置的一速度在該定位裝置到該定位衛星的一向量上的一分量；以及根據一前一時刻的一狀態向量和該當前時刻的該觀測向量，更新該當前時刻的一狀態向量，其中，該狀態向量包括該定位裝置的一位置、該定位裝置的該速度、該定位裝置的一本地時間系統與該多個衛星導航系統的一時脈偏差，以及該本地時間系統的一時脈漂移。
16. 如申請專利範圍第15項的衛星定位方法，其中，根據該前一時刻的該狀態向量和該當前時刻的該觀測向量更新該當前時刻的該狀態向量的步驟包括：根據該前一時刻的該狀態向量，計算該當前時刻的該狀態向量的一估計值；根據該前一時刻的一誤差協方差，計算該當前時刻的一誤差協方差的一估計值；根據該當前時刻的該誤差協方差的該估計值，計算一卡爾曼增益；以及根據計算的該卡爾曼增益、該當前時刻的該狀態向量的該估計值和該當前時刻的該觀測向量，更新該當前時刻的該狀態向量。
17. 如申請專利範圍第16項的衛星定位方法，其中，根據該定位 衛星的該頻率資訊和該偽距，基於該卡爾曼濾波演算法計算該定位裝置的該定位資訊的步驟還包括：根據計算的該卡爾曼增益和該當前時刻的該誤差協方差的該估計值，更新該當前時刻的該誤差協方差。
18. 如申請專利範圍第15項的衛星定位方法，其中，還包括：根據獲取的該當前時刻的一誤差協方差和該當前時刻的該狀態向量，計算一下一時刻的一狀態向量。
19. 如申請專利範圍第15項的衛星定位方法，其中，該觀測向量的一長度為2×N，其中，N為該定位衛星的一個數。
20. 如申請專利範圍第15項的衛星定位方法，其中，該當前時刻的該狀態向量的一長度為(7+M)，其中，M為該定位衛星所在該多個衛星導航系統的一個數。