定位模块、定位装置和卫星定位方法
【专利摘要】本发明公开了一种定位模块、定位装置以及卫星定位方法。该定位模块包括卫星选择模块和连接至卫星选择模块的卡尔曼滤波器。卫星选择模块从多个导航系统的多个卫星中选择定位卫星，并输出定位卫星的频率信息和伪距。卡尔曼滤波器用于接收定位卫星的频率信息和伪距，并基于卡尔曼滤波算法计算定位模块的定位信息。本发明的定位模块、定位装置以及卫星定位方法能够在卫星导航系统中基于卡尔曼滤波算法进行定位解算，不仅实现了对多种卫星导航系统的支持而且还提高了定位精度。
【专利说明】定位模块、定位装置和卫星定位方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及卫星导航【技术领域】，尤其涉及一种定位模块、定位装置和卫星定位方法。
【背景技术】
[0002]北斗卫星导航系统(BD Navigat1n Satellite System)是中国正在实施的自主研发、独立运行的全球卫星导航系统，其与美国的全球定位系统(Global Posit1ningSystem, GPS)、俄罗斯的格罗纳斯(Glonass)卫星导航系统、欧盟的伽利略(Galileo)卫星导航系统并称为全球四大卫星导航系统。
[0003]现有的接收机，只能够支持上述一种卫星导航系统，即只能根据接收到的同一卫星导航系统的卫星信号进行定位，尚未实现能够支持两种或两种以上的卫星导航系统的接收机。
【发明内容】
[0004]本发明要解决的技术问题在于提供一种定位模块、定位装置和卫星定位方法，能够支持两种或两种以上的卫星导航系统，并提高定位精度。
[0005]本发明提供了一种定位模块，该定位模块包括:卫星选择模块，用于从多个导航系统的多个卫星中选择定位卫星，并输出定位卫星的频率信息和伪距；以及卡尔曼滤波器，连接至卫星选择模块，用于接收定位卫星的频率信息和伪距，并基于卡尔曼滤波算法计算定位模块的定位信息。
[0006]本发明还提供了一种定位装置，该定位装置包括:射频模块，用于将接收到的卫星信号与本地载波信号混频以产生中频信号，其中，卫星信号来自多个卫星导航系统中的卫星；基带信号处理模块，用于处理接收到的中频信号，以计算卫星的频率信息和伪距并对接收到的卫星信号进行分类；以及定位模块，连接至基带信号处理模块，用于根据卫星信号的分类从卫星中选择定位卫星，并根据选择的定位卫星的频率信息和伪距，基于卡尔曼滤波算法计算定位装置的定位信息。
[0007]本发明还提供了一种卫星定位方法，该卫星定位方法包括:接收卫星信号，卫星信号来自多个卫星导航系统中的卫星；通过对卫星信号的捕获和跟踪，获取卫星的频率信息和伪距并实现对卫星的分类；根据卫星的分类，从卫星中选择定位卫星；以及根据定位卫星的频率信息和伪距，基于卡尔曼滤波算法计算定位装置的定位信息。
[0008]本发明提供的定位模块、定位装置和卫星定位方法，在卫星导航系统中基于卡尔曼滤波算法进行定位解算，不仅实现了对多种卫星导航系统的支持，还能够提高定位精度。
【专利附图】
【附图说明】
[0009]图1是根据本发明一个实施例的卫星定位方法的流程图；
[0010]图2是根据本发明另一个实施例的卫星定位方法的流程图；
[0011]图3是根据本发明一个实施例的图2中双模式卫星定位方法的流程图；
[0012]图4是根据本发明一个实施例的接收机的结构示意图；
[0013]图5是根据本发明一个实施例的定位装置的结构示意图；
[0014]图6是根据本发明一个实施例的定位装置内的定位模块的结构示意图；
[0015]图7是根据本发明一个实施例的导航定位系统中基于卡尔曼滤波算法进行定位的流程图；
[0016]图8是根据本发明一个实施例的卫星定位方法的流程图；
[0017]图9是基于卡尔曼滤波算法，单GPS导航系统与双导航系统混合定位的轨迹对比示意图。
【具体实施方式】
[0018]下面将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、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0019]本实施例的卫星导航系统包括BD卫星导航系统、GPS系统、Glonass卫星导航系统以及Galileo卫星导航系统。每个卫星导航系统包括若干个卫星。本实施例中，将接收机能够接收到卫星信号的卫星称之为定位卫星。以BD卫星导航系统为例，BD卫星导航系统包括九颗BD卫星，在2020年的规划中，BD卫星导航系统将具有30颗可用卫星。如果接收机能够接收到六颗BD卫星的BD卫星信号，则将该六颗BD卫星称之为BD定位卫星。
[0020]如图1所示，为本发明一个实施例提供的卫星定位方法的流程图，该方法包括以下步骤:
[0021]步骤S10、检测接收机接收到的卫星信号是否来自不同的η个卫星导航系统，其中，η为大于I的整数；
[0022]步骤S20、若接收到来自一个以上的卫星导航系统的卫星信号，则根据各卫星信号对应的各卫星导航系统中的定位卫星的卫星信息来计算接收机的定位信息，以及接收机相对于各卫星导航系统的时钟偏差对应的位移量。
[0023]其中，定位卫星的卫星信息具体可以包括该定位卫星的伪距、坐标信息、频率信息、多普勒、星历、速度信息等。接收机的定位信息具体可以包括位置信息和速度信息。
[0024]如图2所示，为本发明另一实施例提供的卫星定位方法的流程图，本实施例以接收到BD卫星导航系统的卫星信号和GPS系统的卫星信号为例进行说明，即接收机接收到了GPS卫星信号和BD卫星信号。该方法包括以下步骤:
[0025]步骤S11、判断是否接收到GPS卫星信号，是则执行步骤S12，否则执行步骤S13 ；
[0026]步骤S12、判断是否接收到BD卫星信号，是则执行步骤S17，否则执行步骤S15 ；
[0027]步骤S13、判断是否接收到BD卫星信号，是则执行步骤S16，否则执行步骤S14 ；
[0028]步骤S15，利用GPS卫星信号对接收机进行定位；
[0029]步骤S16、利用BD卫星信号对接收机进行定位；
[0030]步骤S17、利用GPS卫星信号和BD卫星信号对接收机进行定位；
[0031]步骤S14、不能够实现定位，继续检测是否接收到卫星信号。
[0032]在上述步骤中，以先判断是否接收到GPS卫星信号为例进行说明。事实上，判断是否接收到某一卫星信号的顺序不限于此，本领域技术人员可以明白:也可以先判断接收到的信号是否是BD卫星信号，或者先判断是否接收到了 BD卫星信号；还可以先判断接收到的卫星?目号是否是Galileo卫星彳目号或Glonass卫星彳目号。
[0033]由于BD卫星信号、GPS卫星信号和Galileo卫星信号均基于码分多址(CodeDivis1n Multiple Access, CDMA)技术，因此在步骤Sll、步骤S12和步骤S13中，接收机可以通过I支路普通测距码来识别接收到的卫星信号是BD卫星信号还是GPS卫星信号，也可以用I支路普通测距码来识别Galileo卫星信号。但是Glonass卫星信号基于频分多址(Frequency Divis1n Multiple Access, FDMA)技术,接收机可以通过频率来识别是否是Glonass卫星信号。卫星导航系统可以通过频率信息来区分，卫星导航系统中的卫星可以通过码信息来区分。
[0034]具体言之，BD卫星信号和GPS卫星信号的数学表达式如下:
[0035]Sj = ACjDjCOS (2 π f t+ Θ J)
[0036]该表达式也适用于Galileo卫星信号。其中A表示调制于I支路的普通测距码幅度，C表示I支路普通测距码，D表示I支路上的导航电文数据，f表示卫星信号的载波频率，t表示卫星信号的发射时间，j表示卫星的ID，S^_表示卫星ID为j的卫星发射的信号，Θ表示各卫星信号的初始载波相位，各个卫星的Θ值可能不同。在卫星侧，该公式中的各个参数均为已知，在接收机侧，需要通过信号捕获和跟踪获知这些参数。此外，各个卫星导航系统的f值各不相同，但由于BD卫星信号、GPS卫星信号和Galileo卫星信号均基于CDMA技术，该三种系统内的同一信号段的发射频率是一样的；而Glonass卫星信号是基于FDMA技术，因此Glonass卫星导航系统内的各卫星是通过不同的发射频率来区分的。
[0037]每一颗BD卫星、GPS卫星和Galileo卫星都具有唯一的伪随机数(pseudo-randomnumber，PRN)产生规则，因此可以通过伪随机数序列(公式Sj = ACjDjCos (2 π f t+ Θ J)中的C)来识别具体是哪一种卫星信号。对接收机而言，可以通过重建卫星的伪随机数序列来搜索和识别当前可用的卫星信号。该重建过程具体为如下:伪随机数序列的产生规则方法均通过各卫星导航系统的界面控制文件(Interface Control Document, 1))公布，因此,接收机需要搜索卫星可能的接收频率和伪随机数信息，在接收到一颗卫星的卫星信号后，可以得到I支路上的导航电文数据D和载波相位Θ，并且基带通道会产生和该颗卫星一致的伪随机数序列，并尝试对该卫星进行捕获和跟踪，如果捕获跟踪成功，则说明当前的输入信号中存在这颗卫星信号。此外，只有当本地重建的PRN与输入信号的PRN —致时，CDMA出现相关峰，因此，可以通过设置相应的捕获门限来检测CDMA的相关峰，以判断是否捕获成功。
[0038]卫星一般会广播两种测距码，分别加载在卫星信号的I支路和Q支路上。以BD卫星导航系统为例，其中I支路为民用普通测距码；0支路为专业领域(如军用)精密测距码，需要得到授权，接收机才能接收。
[0039]对于步骤S15和步骤S16，即只接收到一个卫星导航系统的卫星信号时，例如只接收到了 BD卫星信号，接收机通过下述公式(1-1)至(1-η)来确定其位置信息和接收机相对于BD卫星导航系统的时钟偏差对应的位移量。
【权利要求】
1.一种定位模块，其特征在于，所述定位模块包括: 卫星选择模块，用于从多个导航系统的多个卫星中选择定位卫星，并输出所述定位卫星的频率信息和伪距；以及 卡尔曼滤波器，连接至所述卫星选择模块，用于接收所述定位卫星的频率信息和伪距，并基于卡尔曼滤波算法计算所述定位模块的定位信息。
2.根据权利要求1所述的定位模块，其特征在于，所述卡尔曼滤波器包括: 初始状态计算模块，用于根据所述定位卫星的频率信息和伪距，计算卡尔曼滤波器的初始状态向量和误差协方差；以及 卡尔曼滤波计算模块，用于基于卡尔曼滤波算法计算当前时刻的状态向量，所述状态向量包括所述定位模块的定位信息。
3.根据权利要求2所述的定位模块，其特征在于，所述状态向量包括所述定位模块的位置、所述定位模块的速度、所述定位模块的本地时间系统与所述多个卫星导航系统的时钟偏差以及所述本地时间系统的钟漂。
4.根据权利要求2所述的定位模块，其特征在于，所述状态向量的长度为(7+M)，其中，M为所述定位卫星所在的导航系统的个数。
5.根据权利要求2所述的定位模块，其特征在于，所述卡尔曼滤波计算模块使用卡尔曼滤波算法，根据前一时刻的状态向量和当前时刻的观测向量，更新当前时刻的状态向量，所述观测向量包括所述定位卫星的伪距和所述定位模块的速度在所述定位模块到所述定位卫星的向量上的分量。
6.根据权利要求5所述的定位模块，其特征在于，所述观测向量的长度为2XN，其中N为所述定位卫星的个数。
7.—种定位装置，其特征在于，所述定位装置包括: 射频模块，用于将接收到的卫星信号与本地载波信号混频以产生中频信号，其中，所述卫星信号来自多个卫星导航系统中的卫星； 基带信号处理模块，用于处理接收到的所述中频信号，以计算所述卫星的频率信息和伪距并对接收到的卫星信号进行分类；以及 定位模块，连接至所述基带信号处理模块，用于根据卫星信号的分类从所述卫星中选择定位卫星，并根据选择的定位卫星的频率信息和伪距，基于卡尔曼滤波算法计算所述定位装置的定位信息。
8.根据权利要求7所述的定位装置，其特征在于，所述定位模块包括: 卫星选择模块，用于从所述卫星中选择所述定位卫星，并输出所述定位卫星的频率信息和伪距；以及 卡尔曼滤波器，连接至所述卫星选择模块，用于接收所述定位卫星的频率信息和伪距，并基于卡尔曼滤波算法计算所述定位装置的定位信息。
9.根据权利要求8所述的定位装置，其特征在于，所述卡尔曼滤波器包括: 初始状态计算模块，用于根据所述定位卫星的频率信息和伪距，计算卡尔曼滤波器的初始状态向量和误差协方差矩阵；以及 卡尔曼滤波计算模块，用于基于卡尔曼滤波算法计算当前时刻的状态向量，所述状态向量包括所述定位装置的定位信息。
10.根据权利要求9所述的定位装置，其特征在于，所述状态向量包括所述定位装置的位置、所述定位装置的速度、所述定位装置的本地时间系统与所述多个卫星导航系统的时钟偏差以及本地时间系统的钟漂。
11.根据权利要求9所述的定位装置，其特征在于，所述状态向量的长度为(7+M)，其中，M为所述定位卫星所在的卫星导航系统的个数。
12.根据权利要求9所述的定位装置，其特征在于，所述卡尔曼滤波计算模块使用卡尔曼滤波算法，根据前一时刻的状态向量和当前时刻的观测向量，更新当前时刻的状态向量，其中，所述观测向量包括所述定位卫星的伪距和所述定位装置的速度在所述定位装置到所述定位卫星的向量上的分量。
13.根据权利要求12所述的定位装置，其特征在于，所述观测向量的长度为2XN，其中N为所述定位卫星的个数。
14.一种卫星定位方法，其特征在于，所述卫星定位方法包括: 接收卫星信号，其中所述卫星信号来自多个卫星导航系统中的卫星； 通过对卫星信号的捕获和跟踪，获取所述卫星的频率信息和伪距并实现对卫星的分类； 根据卫星的分类，从所述卫星中选择定位卫星；以及 根据定位卫星的频率信息和伪距，基于卡尔曼滤波算法计算所述定位装置的定位信肩、O
15.根据权利要求14所述的卫星定位方法，其特征在于，所述根据定位卫星的频率信息和伪距，基于卡尔曼滤波算法计算所述定位装置的定位信息的步骤包括: 确定当前时刻的卡尔曼滤波器的观测向量，所述观测向量包括所述定位卫星的伪距和所述定位装置的速度在所述定位装置到所述定位卫星的向量上的分量；及 根据前一时刻的状态向量和当前时刻的观测向量，更新当前时刻的状态向量，所述状态向量包括所述定位装置的位置、所述定位装置的速度、所述定位装置的本地时间系统与所述多个卫星导航系统的时钟偏差以及本地时间系统的钟漂。
16.根据权利要求15所述的卫星定位方法，其特征在于，所述根据前一时刻的状态向量和当前时刻的观测向量更新当前时刻的状态向量的步骤包括: 根据前一时刻的状态向量计算当前时刻的状态向量的估计值； 根据前一时刻的误差协方差计算当前时刻的误差协方差的估计值； 根据当前时刻的误差协方差的估计值，计算卡尔曼增益；以及根据计算的卡尔曼增益、当前时刻的状态向量的估计值和当前时刻的观测向量，更新当前时刻的状态向量。
17.根据权利要求16所述的卫星定位方法，其特征在于，所述根据定位卫星的频率信息和伪距，基于卡尔曼滤波算法计算所述定位装置的定位信息的步骤还包括: 根据计算的卡尔曼增益和当前时刻的误差协方差的估计值，更新当前时刻的误差协方差。
18.根据权利要求15所述的卫星定位方法，其特征在于，所述卫星定位方法还包括: 根据获取的当前时刻的误差协方差和当前时刻的状态向量，计算下一时刻的状态向量。
19.根据权利要求15所述的卫星定位方法，其特征在于，所述观测向量的长度为2XN，其中N为所述定位卫星的个数。
20.根据权利要求15所述的卫星定位方法，其特征在于，所述状态向量的长度为(7+M)，其中，M为所述定位卫星所在的卫星导航系统的个数。
【文档编号】G01S19/33GK104181560SQ201310196978
【公开日】2014年12月3日 申请日期:2013年5月24日 优先权日:2013年5月24日
【发明者】苟娟, 邹景华, 张卫华 申请人:凹凸电子（武汉）有限公司