用于GNSS信号采集回放设备的伪距精度校准方法及系统与流程

本发明涉及伪距精度校准方法及系统。更具体地，涉及一种用于gnss信号采集回放设备的伪距精度校准方法及系统。

背景技术：

随着全球卫星导航系统(globalnavigationsatellitesystem,gnss)的应用及发展，其理论和技术也日臻完善，目前已被广泛地应用于大地测量、远洋渔业、航空航天、武器系统等军民服务领域。

gnss定位是利用一组卫星的伪距、星历、卫星发射时间等观测量，同时利用用户钟差进行定位的技术。全球导航卫星系统定位技术目前已基本取代了地基无线电导航、传统大地测量和天文测量导航定位技术并推动了大地测量与导航定位领域的全新发展。当今，gnss系统不仅是国家安全和经济的基础设施，也是体现现代化大国地位和国家综合国力的重要标志，尤其在政治、经济、军事等方面具有重要的意义。

gnss信号采集回放设备，是一种用于卫星导航信号采集、存储与回放的设备，能够对各种卫星导航系统(gps/bds/glonass/galileo)的导航信号进行实时的高保真采集与存储，并将采集存储的导航信号无失真地进行回放，具有良好的重复录放性和便携性，常用于对接收机的功能及性能指标测试和导航算法研究等。gnss信号采集回放设备，可以在固定或移动环境中长时间实时记录单个或多个射频信号，在实验室、生产线等场所根据需要重复多次播放，为捕获真实世界的gnss信号并在实验室中重放提供了一个简单、高效的解决方案。

gnss信号采集回放设备被广泛用在接收机测试以及校准中，因此gnss信号采集回放设备自身参数的校准非常重要。在gnss信号采集回放设备的各种参数中，其自身采集和回放过程对输入卫星导航信号伪距精度的影响是决定其应用的最重要指标之一。

目前，对gnss信号采集回放设备伪距精度的校准，目前还没有相关的校准方法。因此，需要提供一种用于gnss信号采集回放设备的伪距精度校准方法及系统。

技术实现要素：

本发明的一个目的在于提供一种用于gnss信号采集回放设备的伪距精度校准方法，以实现对gnss信号采集回放设备伪距精度进行校准。

为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种用于gnss信号采集回放设备的伪距精度校准方法，该方法包括：

配置gnss卫星导航信号模拟器的仿真场景；

采集并存储gnss卫星导航模拟信号；

回放gnss卫星导航模拟信号；

对伪距偏差进行数据处理；

对伪距测量不确定度进行数据处理；及

获取伪距精度校准结果。

优选地，配置gnss卫星导航信号模拟器的仿真场景包括：

在gnss卫星导航信号模拟器仿真设置中关闭接收机钟差、卫星钟延迟、卫星时延、电离层及对流层误差、多径误差项的仿真；

将接收机与卫星设置为静止状态；

将伪距设置为固定值；及

将gnss卫星导航信号模拟器输出的信号伪距表示为第一公式：

prs＝r+c·(biasr+ttc),

其中，prs为gnss卫星导航信号模拟器输出的信号伪距，r为固定伪距距离，c为光速，biasr为接收机时延，ttc为gnss卫星导航信号模拟器和伪码初始码相位之间的延迟偏差。

本发明中，为了保证校准过程的准确、稳定，将gnss卫星导航信号模拟器的仿真场景设置为不包含星钟误差、电离层、对流层、多径等误差项，同时，为了避免由于接收机与卫星的相对运动带来多普勒误差影响，将接收机与卫星均设置为静止状态，并将伪距设置为一个固定值。

进一步优选地，采集并存储gnss卫星导航模拟信号包括：

将gnss卫星导航信号模拟器的模拟信号送入gnss信号采集回放设备的采集端口；

设置gnss信号采集回放设备为采集信号状态；

设定gnss信号采集回放设备为单通道采集；

设定gnss信号采集回放设备的采样率为设备最大采样率；

设定gnss信号采集回放设备的量化比特为设备最大量化比特；及

以预设时长采集并存储gnss卫星导航模拟信号。

进一步优选地，预设时长为10分钟。

优选地，回放gnss卫星导航模拟信号包括：

设置gnss信号采集回放设备为回放信号状态；

设定gnss信号采集回放设备的回放功率，回放功率范围为-100dbm～-120dbm；

将回放信号送入gnss接收机进行解算；

在gnss接收机中关闭电离层、对流层、多径误差项的修正；

gnss接收机在信号解算过程中存储伪距和载波相位信息；

将gnss接收机解算的伪距表示为第二公式：

prr＝r+c·(biasr+ttc)+δρ，

其中，δρ为gnss信号采集回放设备引入的伪距偏差。

进一步优选地，对伪距偏差进行数据处理包括：

对伪距进行平滑滤波处理；

将第i次伪距偏差表示为第一公式与第二公式之差：

δρi＝prri-prsi，

其中，prri为根据第二公式表示的第i次伪距，prsi为根据第一公式表示的第i次伪距，δρi为第一公式与第二公式之差；及

将伪距校准结果表示为伪距偏差的均值：

其中，n为伪距偏差数据记录个数，eδρ为伪距偏差的均值。

进一步优选地，对伪距测量不确定度进行数据处理包括：

将gnss信号模拟器的伪距精度设为x1，其引入的不确定度μ1为：

将gnss接收机的固定伪距测量精度设为x2，其引入的不确定度μ2为：

伪距偏差δρ的测量值重复性引入的不确定度μa为：

根据下式计算标准不确定度uc：

及

根据下式计算扩展不确定度μrel：

μrel＝k·μc，

其中，k为扩展因子且k＝2。

进一步优选地，获取伪距精度校准结果δρ，其中δρ＝eδρ+μrel。

本发明的另一个目的在于提供一种用于gnss信号采集回放设备的伪距精度校准系统，该系统包括：

gnss卫星导航信号模拟器，用于提供gnss卫星导航模拟信号；

gnss信号采集回放设备，用于采集、存储并回放gnss卫星导航模拟信号；

gnss接收机，用于存储伪距和载波相位信息，进行信号解算；及

主控计算机，用于配置gnss卫星导航信号模拟器的仿真场景，配置gnss接收机和卫星状态，设置gnss信号采集回放设备的工作状态、采样率和量化比特，对伪距偏差进行数据处理，对伪距测量不确定度进行数据处理，获取伪距精度校准结果。

优选地，伪距测量不确定度来源包括gnss信号模拟器的伪距精度、gnss接收机的伪距精度和采集回放信号伪距偏差的测量重复性引入。

本发明的有益效果如下：

本发明中的一种用于gnss信号采集回放设备的伪距精度校准方法及系统中，利用数据后处理的方式，将gnss卫星导航信号模拟器输出的卫星导航模拟信号送入gnss信号采集回放设备进行采集存储，然后gnss信号采集回放设备将信号再回放给高精度gnss接收机进行解算，输出伪距、载波相位等信息，用于伪距精度校准数据处理及分析。本发明中，得到因gnss信号采集回放设备的采集、存储及回放过程对输入卫星导航信号的伪距引入的误差大小，实现了对gnss信号采集回放设备伪距精度的校准。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1示出本发明实施例中用于gnss信号采集回放设备的伪距精度校准方法步骤图。

图2示出本发明实施例中用于gnss信号采集回放设备的伪距精度校准系统框图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。

本发明中公开一种用于gnss信号采集回放设备的伪距精度校准方法，该方法包括：配置gnss卫星导航信号模拟器的仿真场景；采集并存储gnss卫星导航模拟信号；回放gnss卫星导航模拟信号；对伪距偏差进行数据处理；对伪距测量不确定度进行数据处理；及获取伪距精度校准结果。本发明还公开了一种用于gnss信号采集回放设备的伪距精度校准系统，该系统包括：gnss卫星导航信号模拟器，用于提供gnss卫星导航模拟信号；gnss信号采集回放设备，用于采集、存储并回放gnss卫星导航模拟信号；gnss接收机，用于存储伪距和载波相位信息，进行信号解算；及主控计算机，用于配置gnss卫星导航信号模拟器的仿真场景，配置gnss接收机和卫星状态，设置gnss信号采集回放设备的工作状态、采样率和量化比特，对伪距偏差进行数据处理，对伪距测量不确定度进行数据处理，获取伪距精度校准结果

本发明中利用数据后处理的方式，将gnss卫星导航信号模拟器输出的卫星导航模拟信号送入gnss信号采集回放设备进行采集存储，然后gnss信号采集回放设备将信号再回放给高精度gnss接收机进行解算，输出伪距、载波相位等信息，用于伪距精度校准数据处理及分析，实现了对gnss信号采集回放设备伪距精度的校准。

下面结合具体实施例进行说明

如图1所示，在一个实施例中，一种用于gnss信号采集回放设备的伪距精度校准方法包括以下步骤：

步骤1：gnss卫星导航信号模拟器的仿真场景配置

为了保证校准过程的准确、稳定，将gnss卫星导航信号模拟器的仿真场景设置为不包含星钟误差、电离层、对流层、多径等误差项。同时，为了避免由于接收机与卫星的相对运动带来多普勒误差影响，将接收机与卫星均设置为静止状态，并将伪距设置为一个固定值。

应说明的是，正常伪距pr的计算表达式如下：

pr＝r+c·(δtr-δtsat+biasr+biassat+ttc+n)+riono+rtropo+rm(1)

式(1)中，r是卫星到接收机的真实距离，c是光的速度，δtr是接收机钟差，δtsat是卫星钟差，biasr是接收机时延，biassat是卫星时延，ttc(timetocode)是模拟器1pps和伪码初始码相位之间的延迟偏差，n是噪声，riono是电离层误差，rtropo是对流层误差，rm是多径误差。

在gnss卫星导航信号模拟器仿真设置中关闭各接收机钟差、卫星钟延迟、卫星时延、电离层及对流层误差、多径等误差项的仿真。则模拟器输出的信号伪距表达式如公式(2)所示：

prs＝r+c·(biasr+ttc)(2)

式(2)中，r是为固定伪距距离，c是光的速度，biasr是接收机时延，ttc是模拟器1pps和伪码初始码相位之间的延迟偏差，biasr和ttc可以通过计量校准得到准确的数值。

步骤2：gnss卫星导航模拟信号的采集和存储

将gnss卫星导航信号模拟器(经过校准，伪距偏差已修正)的模拟信号，送入gnss信号采集回放设备的采集端口，设置gnss信号采集回放设备为采集信号状态，设定单通道采集，采样率设置为设备最大采样率，量化比特设置为设备最大量化比特，连续采集并存储10min。

步骤3：信号的回放

将gnss信号采集回放设备设置为回放信号状态，回放功率设置为-100dbm～-120dbm范围内合适的功率值，将回放信号送入高精度gnss接收机(经过校准，伪距偏差已修正)进行解算，对应的在接收机中关闭各电离层、对流层、多径等误差项的修正，避免因误差修正对伪距解算引入额外偏差，接收机在信号解算过程中存储伪距、载波相位等信息。

此时，接收机解算的伪距表达式如式(3)所示：

prr＝r+c·(biasr+ttc)+δρ(3)

其中，δρ为采集回放设备引入的伪距偏差。

步骤4：伪距偏差数据处理

将伪距、载波相位等数据送入高精度后处理软件，利用载波相位等数据对伪距进行平滑滤波处理，得到高精度的伪距数据，用于伪距偏差处理。

第i次伪距偏差表示为公式(3)与公式(2)之差：

δρi＝prri-prsi(4)

伪距校准结果用伪距偏差的均值表示，计算公式如下：

其中，n为伪距偏差数据记录个数。

步骤5：伪距测量不确定度数据处理

对于gnss信号采集回放设备，其伪距校准引入的测量不确定度来源主要有gnss信号模拟器的伪距精度、gnss高精度接收机的伪距精度及采集回放信号伪距偏差δρ的测量重复性引入。

对gnss信号模拟器的伪距精度为x1，其引入的不确定度按b类方法评定，取(均匀分布)则：

对于高精度gnss接收机的固定伪距测量精度在x2，其引入的不确定度按b类方法评定，取(均匀分布)则：

对于伪距偏差δρ的测量值重复性引入的不确定度，按a类不确定度评定：

则合成标准不确定度μc为：

则扩展不确定度rel为：

μrel＝k·μc(10)

其中，k为扩展因子，一般取k＝2。

步骤6：伪距精度校准结果

对于gnss信号采集回放设备的伪距校准结果δρ，由伪距偏差及伪距测量不确定度两部分构成：

δρ＝eδρ+μrel(11)

如图2所示，在本发明另一个实施例中，一种用于gnss信号采集回放设备的伪距精度校准系统，该系统包括：

gnss卫星导航信号模拟器1，用于提供gnss卫星导航模拟信号；

gnss信号采集回放设备2，用于采集、存储并回放gnss卫星导航模拟信号；

gnss接收机3，用于存储伪距和载波相位信息，进行信号解算；及

主控计算机4，用于配置gnss卫星导航信号模拟器的仿真场景，配置gnss接收机和卫星状态，设置gnss信号采集回放设备的工作状态、采样率和量化比特，对伪距偏差进行数据处理，对伪距测量不确定度进行数据处理，获取伪距精度校准结果。

本发明实施例中，gnss接收机为高精度gnss接收机。

应说明的是，本发明实施例中用于gnss信号采集回放设备的伪距精度校准系统，采用前述实施例中用于gnss信号采集回放设备的伪距精度校准系统对gnss信号采集回放设备的伪距精度进行校准，具体校准步骤再次不再赘述。

应理解的是，本发明实施例中，伪距测量不确定度来源包括gnss信号模拟器的伪距精度、gnss接收机的伪距精度和采集回放信号伪距偏差的测量重复性引入。

本发明中，利用数据后处理的方式，将gnss卫星导航信号模拟器输出的卫星导航模拟信号送入gnss信号采集回放设备进行采集存储，然后gnss信号采集回放设备将信号再回放给高精度gnss接收机进行解算，输出伪距、载波相位等信息，用于伪距精度校准数据处理及分析。本发明中，得到因gnss信号采集回放设备的采集、存储及回放过程对输入卫星导航信号的伪距引入的误差大小，实现了对gnss信号采集回放设备伪距精度的校准。

在本申请的描述中，除非另有明确的规定和限定，属于“设置”、“连接”应做广义理解，例如可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以使直接相连，也可以通过中间媒介相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述属于在本申请中的具体含义。

本申请中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

还需说明的是，在本申请文件中，诸如“第一”和“第二”之类的关系术语，仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或者操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或者操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。此外，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、电路、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、电路、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、电路、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。