专利名称：一种利用多普勒频移平滑伪距的方法
技术领域：
本发明属于GPS接收机定位技术，涉及提高GPS接收机定位精度的方法，尤其涉及 一种利用多普勒频移平滑伪距的方法，它是利用多普勒频移信息对伪距进行平滑以得到误 差较小的伪距的方法。
背景技术：
全球定位系统(GPS)是由美国国防部开发的一种利用卫星星座进行全天候24小 时定位的导航系统。GPS接收机进行定位的基本原理就是接收至少四颗卫星的信号，利用卫 星发射的导航电文计算卫星位置，利用卫星发射的测距码(C/A码和/ 或P码)计算用户至 卫星的包含一定偏差的视线距离，术语称之为伪距，结合卫星位置和伪距解算出用户的位 置、速度和时间(PVT)信息。GPS接收机的定位精度，取决于多种复杂因素的综合作用。复杂因素主要包括卫星 时钟和用户时钟相对于GPS系统时的偏差，星历误差，信号在传输过程中被电离层、对流层 折射引入的误差，多路径效应以及接收机噪声引入的误差等等。通常为了便于分析各种误 差对精度的影响，把各种误差源的影响都纳入到对各颗卫星的伪距测量中，把各种误差源 引入的误差视为伪距测量中的等效误差。GPS接收机可以给出码测量和载波相位测量的两种测量值，通过这两种测量都可 以计算出测量时刻用户到卫星的距离即伪距，伪距是包含测量偏差值的距离。在码测量中， GPS接收机通过复现卫星发射的C/A码，并将复现码与接收到的发射码对齐，由接收机记录 的接收到该信号的时刻与记录在发射信号中的该信号的发射时间之差就是信号从卫星到 用户的传播时间，传播时间乘以真空中的光速，得到所需的伪距值。在载波相位测量中，接 收机测量的是由接收机产生的载波信号相位与接收到的由卫星发射的载波相位之差的瞬 时值(即测量历元的值)。测量的载波相位(复现信号与发射信号的载波相位差)是不足 一个整周期的的载波相位值，而卫星到接收机的距离则是未知的整周期数与不足一个整周 期的相位和，它存在整周模糊度问题。如接收机锁定卫星信号的相位并保持对其连续跟踪， 两次测量的未知整周数是不变的，若接收机某一时刻对卫星失锁，哪怕失锁时间很短暂，都 将出现周跳现象，即未知的整周数发生变换，引入了整周模糊度的问题。显然，通过码测量和载波相位测量得到的伪距，都会受到各种误差源的影响而引 入测量误差。其中时钟偏差、星历误差以及大气层折射对两种测量的影响是一样的，但是接 收机噪声和多径对载波相位测量影响引入的测量误差只有对码测量引入测量误差的百分 之一。不难发现，码测量虽可直接得到伪距，但测量误差较大。而载波相位测量精度较高， 却存在整周模糊度问题。很多科研人员已对解算整周数做了研究，虽然提出了很多方法，但 是要实时得到整周数还是比较麻烦的。如何解决上述码测量和载波相位测量问题，以比较 简单的方法得到精度较高的伪距值，便成为提高GPS接收机定位精度的重要课题。已有技术提出用载波相位平滑码伪距的方法，即用两次测量的相位差计算两次测 量之间的伪距变化量，再用这个伪距变化量去平滑测量的码伪距。该方法在接收机对卫星保持连续跟踪时可以避开载波相位测量中的整周模糊度问题，因为在接收机对卫星保持连 续跟踪时，这个未知的整周数是不变的，可以通过对两次测量的差分消掉。但是一旦中途失 锁，就会造成周跳现象，使得两次测量的相位中所包含的未知整周数不同，而无法通过差分 消掉该未知整周数。在“城市峡谷”的接收环境中，GPS信号被遮挡的现象很常见，出现周跳 现象就要不停地失锁、重捕，滤波器就要不停地初始化，从而使该方法的应用受到限制。多普勒频移是由于卫星相对于用户接收机的相对运动而产生的，多普勒频移值中 包含了卫星与用户的速度信息，从而为利用多普勒频移计算卫星至用户的伪距信息提供了 可能。并且，多普勒频移的测量精度较高，且不受整周模糊度问题的影响。已有技术ISSN: 1009-427X(2003)02-0079-04利用GPS多普勒频移观测量可以获得高精度的速度测量结 果，文中给出GPS载波相位观测方程
发明内容
本发明的目的是为了解决已有技术伪距测量方法的测量误差较大，存在整周模糊 度以及要求连续跟踪的问题，提供一种利用多普勒频移平滑伪距的方法，既不受整周模糊 度的影响，又有高测量精度，并能灵活地用该方法得到精度较高的伪距，从而实现提高定位 精度。本发明方法综合运用码相位测量和多普勒频移信息，利用码相位测量直接得到伪 距，并用多普勒频移信息对伪距进行平滑，从而减小伪距的误差，提高定位的精度。本发明的上述目的技术方案通过下述方法来实现基于由天线、射频处理模块、基 带信号处理模块、导航处理模块以及PVT信息输出模块构成的GPS卫星定位接收系统，其利 用多普勒频移平滑伪距的方法包括如下步骤步骤1 基于由天线接收，并经射频处理模块和基带信号处理模块处理后得到的 码相位测量值计算历元η的测量伪距P (η)；步骤2 在导航处理模块，利用多普勒频移计算历元(η-1)至历元η的伪距变化量 Δ P (η)；步骤3 在导航处理模块，用步骤2中得到的伪距变化量Δ ρ (η)对步骤1中得到 的测量伪距P (η)作平滑处理得到历元η的平滑后的伪距Ps_th(n)。步骤4 在导航处理模块，利用步骤3中得到的平滑后的伪距P Sffl00th(n)解算用户 PVT信息，并通过PVT信息输出模块输出。进一步地，在上述步骤2中，用多普勒频移计算历元(η-1)至历元η的伪距变化量 的算法，其计算公式为 式中，Δ ρ (η)表示两次测量历元间的伪距变化量；fd(n)表示多普勒频移；c表示真空中的光速；fL表示所所接收的L波段信号的标称载波频率；T表示两次测量的时间间隔。所述历元η的多普勒频移值fd(n)经过修正的多普勒频移值为fD’ (η)；它是由多普勒频移fd(n)利用本地时钟频偏对其作修正而得到，用于准确计算两次测量历元间的伪
距变化量 进一步地，所述步骤103中对测量伪距作平滑处理还包括如下步骤步骤401 若是第一次得到测量伪距，则以该测量伪距作为平滑伪距的初值，即 Psmooth(I) = P (1)；若不是第一次得到测量伪距，则执行步骤402;步骤402 用历元(n-1)的平滑伪距P Sffl00th(n-1)和历元η得到的历元(η_1)至历 元η的伪距变化量估计历元η的伪距；步骤403 分别对历元η的测量伪距和估计伪距赋予一定的权重，相加得到历元η
的平滑伪距 ^ smooth
(η)。所述步骤403中的权重在初始化时设置确定，赋予测量伪距的权重与赋予估计伪 距的权重之和为1。初始化时，赋予测量伪距最大权重值1，赋予估计伪距最小权重值0 ；随着平滑处理的深入，将测量伪距的权重值按与用于平滑的历元数量成反比的形 式逐渐减小，相应也就增大了估计伪距的权重。本发明实质性效果1、不存在载波相位测量中解算整周模糊度的复杂问题。2、解决码测量直接得到伪距存在测量误差较大的问题。3、GPS信号在“城市峡谷”的接收环境中遇到常见的遮挡现象，在重新跟踪上该卫 星后仍能继续使用该方法对伪距平滑而保证应用不受到限制。4、能够灵活地用该方法得到精度较高的伪距，从而实现提高定位精度。
图1是GPS接收机构成模块示意框图。图1中I-GPS接收机，Il-GPS接收机的天线，12-射频处理模块，14-基带信号处 理模块，15-导航处理模块，16-PVT信号输出模块，131 13n-GPS导航卫星。图2是本发明根据测量值平滑伪距处理流程图。图3是本发明基于多普勒频移计算伪距变化率的流程图。图4是本发明计算伪平滑距的流程图。
具体实施例方式下面结合附图和具体实施实例对本发明所述方法及其实施作进一步的详细说明。 通过以下的详细论述，本领域的普通技术人员将可以加深对本发明的目的、特点和优点的理解。图1展示出GPS接收机组成模块框图。GPS接收机1由天线11，射频处理模块12， 基带信号处理模块14，导航处理模块15和PVT信息输出模块16组成。天线11接收来自卫 星131、132、133 13η的信号，射频处理模块12对接收的射频信号进行处理得到适合基带 处理的数字中频信号，并送入基带信号处理模块14。基带信号处理模块14进一步对数字中频信号进行处理，从码跟踪环路得到码测量值，从载波跟踪环路得到对本地载波信号的测 量值。在基带信号处理模块14得到的测量值送入导航处理模块15进行导航处理，包括计 算伪距，对伪距进行平滑，用平滑后的伪距定位。最后，由导航处理模块15得到的PVT信息 送入PVT信息输出模块16，以特定格式输出。图2是本发明实施例根据码相位测量值计算伪距并利用多普勒频移对伪距进行 平滑的流程。本实施例将重点描述根据码测量值计算伪距并利用多普勒频移对伪距进行平 滑的过程。首先在步骤201，从基带信号处理模块14提取码测量值和本地载波信号的测量 值；接下步骤202，将提取的码测量值和本地载波信号的测量值送到导航处理模块15中，导 航处理模块1利用码测量值计算伪距；在步骤203中，导航处理模块15还利用载波测量值 计算多普勒频移并转换为伪距变化率；然后，在步骤204中，导航处理模块15利用203得到 的伪距变化率对步骤202得到的伪距进行平滑伪距处理，得到平滑后的伪距。
下面进一步详细说明图2中各个步骤的具体计算过程。步骤202中，伪距是用信 号的传播时间乘以真空中的光速得到，而信号传播时间又是通过计算接收机测量的信号接 收时刻与记录在信号中的发射时刻之差来得到。信号接收时间可以通过本地时钟得到，而 信号的发射时间则从接收到的导航电文中读取并利用码测量值计算到得。卫星时间在导航电文每一子帧的第二个字的高17位给出，记作TOW，TOff以6s为 单位，表示下一子帧的第Ibit的发射时间。但是为了计算出当前测量历元所对应的发射时 间，仅有TOW还不够，还需计算出从当前子帧起始位置到测量历元已消逝的时间。这个时间 的计算就要用到码测量值历元计数(包括20ms历元和Ims历元)，码相位，码NCO相位。 总的发射时间为ts = T0ff*6+20ms 历元计数 *20/1000+lms 历元计数/1000++ 码相位 / (1023000) + 码NCO相位/ (码NCO最大周期)/ (1023000)计算出了测量历元对应的发射时间，就可随之确定测量历元用户接收机至相应卫 星的伪距。图3是本发明基于多普勒频移计算伪距变化率的流程图，给出了伪距变化率的计 算流程。由于卫星与用户接收机之间存在相对运动，使得接收机接收到的信号频率相对于 卫星发射的信号频率发生了多普勒频移。假设以f表示接收机实际接收的信号频率，以fIF 表示卫星发射的信号频率，则多普勒频移为fD = f-fIF而一旦跟踪上卫星，基带信号处理模块的载波跟踪环路将锁定载波信号的频率 和相位，并保持对其跟踪。因此首先在步骤301，从载波跟踪环路中提取测量值，并在步骤 302，计算测量的多普勒频移。设当前历元接收机时钟频偏为df，卫星发射载波的标称频率为fjLl为 1575. 42MHz，L2为1227. 6MHz)，则在步骤303，计算修正后的多普勒频移为fD' = fD-df*fL设卫星与用户在视线方向上的相对速度为V，也就是伪距变化率，真空中的光速为 c，则多普勒频移为 在时间t内，卫星与用户之间的距离变化为Δ s = V*t因此，在步骤304，根据本地时钟频偏修正后的多普勒频移值，计算得到两次测量 历元间的伪距变化量为 图4给出了利用两次测量历元之间的伪距变化量对伪距进行平滑的流程，实施例 采用了 Hatch滤波器则伪距值P Sffl00th(n)按照以下公式计算得到P smooth(n) = mp (n) + (l_m) ( P sm。。th(n_l) + Δ ρ (η))式中η测量历元；m为滤波器参数值。在图4的处理流程中，首先要在步骤401确定滤波器参数即m值。m的大小决定了 由码测量值计算的伪距和由多普勒测量值得到的伪距变化率在伪距平滑中所占的比重。由 于码测量伪距中引入的误差比较大，而多普勒频移的测量不易受到各种误差源的影响，本 实施例在开始时作初始化设置，将滤波器参数m设为1，以后随着用于平滑的测量历元η的 增加，按照与η成反比的形式逐渐减小m值，以减小码伪距的权值，同时也逐渐增大了由多 普勒频移得到的估计伪距的权值。确定滤波器参数后，在步骤402中，用历元η = 1值测量得到的码伪距做初值，即Psmooth(I) = P (1)接着，在步骤403中，利用每次测量的码伪距和伪距变化率对伪距进行平滑处理， 计算平滑伪距。即使中途由于遮挡等原因造成短暂失锁，再次跟踪上该卫星时仍可根据伪 距变化率和失锁时间计算失锁期间的伪距变换量，从而继续对伪距做平滑处理。本发明综合了码测量和多普勒频移各自的优点，利用多普勒频移对码测量伪距进 行平滑，减小了伪距的误差，从而提高了定位的精度。以上详细说明了本发明的工作过程，但这只是为了便于理解而举的一个具体实 例，不应视为是对本发明的限制。任何所属技术领域的普通专用人员均可根据本发明的技 术方案及其实例的描述，做出各种可能的同等改变或替换，但所有这些改变或替换都应属 于本发明的权利要求的保护范围。
权利要求
利用多普勒频移平滑伪距的方法，其特征在于，基于由天线、射频处理模块、基带信号处理模块、导航处理模块以及PVT信息输出模块构成的GPS卫星定位接收系统，其利用多普勒频移平滑伪距的方法包括如下步骤步骤101基于由天线接收，并经射频处理模块和基带信号处理模块处理后得到的码相位测量值计算历元n的测量伪距ρ(n)；步骤102在导航处理模块，利用多普勒频移计算历元(n-1)至历元n的伪距变化量Δρ(n)；步骤103在导航处理模块，用步骤102中得到的伪距变化量Δρ(n)对步骤101中得到的测量伪距ρ(n)作平滑处理得到历元n的平滑后的伪距ρsmooth(n)；步骤104在导航处理模块，利用步骤103中得到的平滑后的伪距ρsmooth(n)解算用户PVT信息，并通过PVT信息输出模块输出。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征还在于，在上述步骤102中，用多普勒频移计算 伪距变化量的算法，其计算公式为 式中，A p (n)表示历元(n-1)至历元n的伪距变化量； fd(n)表示历元n的多普勒频移； c表示真空中的光速；fL表示所所接收的L波段信号的标称载波频率； T表示两次测量历元的时间间隔。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征还在于，所述历元n的多普勒频移值fd(n)经过 修正的多普勒频移值为fD’ (n)；它是由多普勒频移fd(n)利用本地时钟频偏对其作修正而 得到，用于准确计算两次测量历元间的伪距变化量
4.根据权利要求1所述的方法，其特征还在于，所述步骤103中，对测量伪距作平滑处 理包括如下步骤步骤401 若是第一次得到测量伪距值，则以该测量伪距值作为平滑伪距的初值，即 P Sffl00th(l) = P (1)；若不是第一次得到测量伪距，则执行步骤402;步骤402 用历元(n-1)的平滑伪距Ps_th(n-1)和历元n得到的历元(n_l)至历元n 的伪距变化量估计历元n的伪距；步骤403 分别对历元n的测量伪距和估计伪距赋予一定的权重，相加得到历元n的平滑伪距 ^ smooth(n)。
5.根据权利要求1或4所述的方法，其特征在于，所述步骤403中的权重在初始化时设 置确定，赋予测量伪距的权重与赋予估计伪距的权重之和为1 ；初始化时，赋予测量伪距最大权重值1，赋予估计伪距最小权重值0 ； 随着平滑处理的深入，将测量伪距的权重值按与用于平滑的历元数量成反比的形式逐 渐减小，相应也就增大了估计伪距的权重。
全文摘要
本发明公开一种利用多普勒频移平滑伪距的方法，它包括以下步骤利用码相位测量值计算测量历元的伪距；利用多普勒频移计算测量历元的伪距变化率；用上一历元的伪距平滑值和本次测量历元的伪距变化率计算本次历元的伪距估计值；对本次历元的伪距的测量值和估计值赋予不同的权重，得到本次历元的伪距的平滑值。由于利用码相位进行单次伪距测量的误差比较大，利用多普勒频移进行伪距平滑，可以有效减小伪距误差，从而实现提高GPS定位精度的目的。
文档编号G01S5/14GK101865992SQ200910097849
公开日2010年10月20日 申请日期2009年4月17日 优先权日2009年4月17日
发明者何文涛, 徐建华, 赵玉凤, 骆颖韬 申请人:杭州中科微电子有限公司