专利名称：一种载波平滑伪距的方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及卫星定位技术领域，特别是指一种载波平滑伪距的方法及装置。
背景技术：
随着基于定位的服务不断拓展，全球导航卫星系统(GlcAal Navigation Satellite System，GNSS)技术的研究与应用逐步深入。在GNSS中，导航定位接收机是一个重要的组成部分。导航定位接收机通常包括天线、射频模块、基带模块和其他应用模块。 其中，基带模块通常用于完成信号的同步和导航电文解调，产生用于定位的测量值，并根据测量值和解调出的导航电文计算出导航定位接收机的所处位置，然后根据相应的协议发送给应用模块，从而实现为应用模块提供位置、速度或时间信息。GNSS的基本定位原理，是根据四颗或四颗以上卫星的位置，以及各卫星到用户的距离来计算得出用户的位置，即前述的导航定位接收机的位置。其基本计算公式如下P5 == VC-^I 一 A)2 + (V! - yj2 + fei - Si,)2 + bup2 = v%2 - Xuf + (yi - .Vu)2 + ( - ε )2 + K P3 = %/(- 3 — Ij2 十(B - > )2 十(Z3 - Zu)2 + ^u 「00071 你=V^f4 — X.J2 + (}% - Yu)2 + (Z4 - Zu)2 + btt
(1 )其中(xl,yl, zl)、(x2, y2, z2)、(x3, y3, z3)、(x4, y4, z4)分别表示四颗卫星的位置。Pi、P 2、P 3、P4是伪距，表示测量得到的各卫星到用户的距离。通常定位计算出的伪距会受到很多因素的影响从而导致和真实值存在误差，这种误差严重影响最后的定位精度。在单点定位的导航定位接收机中，一般采用码测距码来求伪距，但码伪距通常会受导航定位接收机中热噪声的影响较大。在导航定位接收机中，基本上都要利用精确、平滑的载波相位伪距测量值对粗糙但无模糊度的伪距进行不同程度的平滑，Hatch滤波器就是目前最常使用的一种载波伪距的平滑方法。该方法中，伪距由码测量值和载波共同组合而成，公式如下
1 Μ-1「ηPsjl =—A +-^-[a,.-. +^(A -A-,)」(2 )其中，ρ s,k为载波平滑的伪距，Pk为码伪距，PsK为上一次运算的码伪距，M为平滑时间常数，为载波相位伪距，Φη为上一次载波相位伪距。但Hatch滤波器存在以下问题一、如果平滑伪距初始值有一个较大偏差时，平滑器需要一段较长时间的运行才能逐步消除此偏差；二、要得到载波测量值，需要知道准确的多普勒频率，在大多数导航定位接收机中，最直接的载波相位伪距测量值中，包含了中频频率和多普勒频率的共同作用，必须经过其他运算才能得到积分多普勒数据。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种载波平滑伪距的方法及装置，采用卡尔曼滤波的方法动态控制前述M值，并采用差分伪距代替绝对伪距。为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的本发明提供了一种载波平滑伪距的方法，所述方法包括从跟踪通道读取各卫星的测量值，并根据测量值得到初始伪距；通过周跳检测选择参考卫星；根据参考卫星和其他各卫星的初始伪距，利用差分得到差分码伪距的变化值和差分载波伪距的变化值；根据所述差分码伪距的变化值和差分载波伪距的变化值，利用卡尔曼滤波器进行载波平滑，得到各卫星经过载波平滑后的伪距。优选的，所述得到各卫星经过载波平滑后的伪距以后，本方法还包括根据载波平滑后的伪距和各卫星位置，并最终确定用户所在的位置。优选的，所述通过周跳检测选择参考卫星，具体为对载波测量值进行周跳检测，根据周跳检测结果选择一颗卫星作为参考卫星，其中，所述根据周跳检测结果选择一颗卫星作为参考卫星，具体为在参考卫星还未选择或参考卫星发生周跳的情况下，选择卫星仰角度最大、且未发生周跳的卫星作为参考卫星。优选的，所述利用差分得到差分码伪距的变化值，具体为首先各卫星的码相位伪距和参考卫星的码相位伪距分别进行差分，得到本次中断产生的各卫星的差分码伪距，然后和前一次中断产生的各卫星的差分码伪距进行差分，得到差分码伪距的变化值。优选的，所述利用差分得到差分载波伪距的变化值，具体为如果卫星未发生周跳，则根据卫星的载波周计数和载波数控振荡器(DCO)相位的变化值，以及参考卫星的载波周计数和载波DCO相位的变化值，利用差分得到差分载波伪距的变化值；如果卫星发生一次周跳，则利用过去差分载波伪距以及其一阶和两阶导数推测本次中断的载波差分伪距的变化值。如果卫星发生两次或两次以上周跳，则不进行载波平滑，终止本方法流程。本发明还提供了一种载波平滑伪距的装置，所述装置包括跟踪通道和平滑处理模块；其中，所述跟踪通道，用于获取各卫星的测量值；所述平滑处理模块，用于从跟踪通道读取各卫星的测量值，并根据测量值得到初始伪距，通过周跳检测选择参考卫星，根据参考卫星和其他各卫星的初始伪距，利用差分得到差分码伪距的变化值和差分载波伪距的变化值，根据所述差分码伪距的变化值和差分载波伪距的变化值，利用卡尔曼滤波器进行载波平滑，得到各卫星经过载波平滑后的伪距。优选的，所述装置还包括用户位置确定模块，用于根据载波平滑后的伪距和各卫星的位置，并最终确定用户所在的位置。优选的，所述平滑处理模块通过周跳检测选择参考卫星，具体为所述平滑处理模块对载波测量值进行周跳检测，根据周跳检测结果选择一颗卫星作为参考卫星，其中，所述根据周跳检测结果选择一颗卫星作为参考卫星，具体为在参考卫星还未选择或参考卫星发生周跳的情况下，选择卫星仰角度最大、且未发生周跳的卫星作为参考卫星。优选的，所述平滑处理模块利用差分得到差分码伪距的变化值，具体为首先各卫星的码相位伪距和参考卫星的码相位伪距分别进行差分，得到本次中断产生的各卫星的差分码伪距，然后和前一次中断产生的各卫星的差分码伪距进行差分，得到差分码伪距的变化值。优选的，所述平滑处理模块利用差分得到差分载波伪距的变化值，具体为如果卫星未发生周跳，则根据卫星的载波周计数和载波DCO相位的变化值，以及参考卫星的载波周计数和载波DCO相位的变化值，利用差分得到差分载波伪距的变化值；如果卫星发生一次周跳，则利用过去差分载波伪距以及其一阶和两阶导数推测本次中断的载波差分伪距的变化值。如果卫星发生两次或两次以上周跳，则不进行载波平滑，终止本方法流程。本发明所提供的载波平滑伪距的方法及装置，从跟踪通道读取各卫星的测量值， 并根据测量值得到初始伪距；通过周跳检测选择参考卫星；根据参考卫星和其他各卫星的初始伪距，利用差分得到差分码伪距的变化值和差分载波伪距的变化值；根据所述差分码伪距的变化值和差分载波伪距的变化值，利用卡尔曼滤波器进行载波平滑，得到各卫星经过载波平滑后的伪距。本发明采用卡尔曼滤波的方法能够动态控制M值，从而对初始伪距进行快速修复，并且采用差分伪距代替绝对伪距这样可以直接使用载波相位伪距测量值， 而不需要知道确切的中频频率以及本地时钟频率。本发明载波平滑伪距的方法能够有效的减小伪距误差，从而提高定位精度，因此本发明具有较高商用价值。
图1为本发明一种载波平滑伪距的方法流程示意图；图2为本发明实施例的装置结构示意图；图3为本发明一种载波平滑伪距的装置结构示意图。
具体实施例方式本发明的基本思想是从跟踪通道读取各卫星的测量值，并根据测量值得到初始伪距；通过周跳检测选择参考卫星；根据参考卫星和其他各卫星的初始伪距，利用差分得到差分码伪距的变化值和差分载波伪距的变化值；根据所述差分码伪距的变化值和差分载波伪距的变化值，利用卡尔曼滤波器进行载波平滑，得到各卫星经过载波平滑后的伪距。下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案进一步详细阐述。图1为本发明一种载波平滑伪距的方法流程示意图，如图1所示，所述方法包括以下步骤步骤101，从跟踪通道读取各卫星的测量值，并根据测量值得到初始伪距；具体的，所述测量值包括码测量值和载波测量值。所述根据测量值得到初始伪距，具体为根据各卫星的码测量值和载波测量值，利用现有技术计算得到初始伪距Pi。其中，i表示卫星序号。
步骤102，通过周跳检测选择参考卫星；具体的，所述通过周跳检测选择参考卫星，具体为对载波测量值进行周跳检测， 根据周跳检测结果选择一颗卫星作为参考卫星。其中，所述根据周跳检测结果选择一颗卫星作为参考卫星，具体为在参考卫星还未选择或参考卫星发生周跳的情况下，选择卫星仰角度最大、且未发生周跳的卫星作为参考卫星。步骤103，根据参考卫星和其他各卫星的初始伪距，利用差分得到差分码伪距的变化值和差分载波伪距的变化值；具体的，所述利用差分得到差分码伪距的变化值，具体为首先各卫星的码相位伪距和参考卫星的码相位伪距分别进行差分，得到本次中断产生的各卫星的差分码伪距，然后和前一次中断产生的各卫星的差分码伪距进行差分，得到差分码伪距的变化值。所述利用差分得到差分载波伪距的变化值，具体为如果卫星未发生周跳，则根据卫星的载波周计数和载波数控振荡器(DCO)相位的变化值，以及参考卫星的载波周计数和载波DCO相位的变化值，利用差分得到差分载波伪距的变化值；如果卫星发生一次周跳，则利用过去差分载波伪距以及其一阶和两阶导数推测本次中断的载波差分伪距的变化值；如果卫星发生两次或两次以上周跳，则不进行载波平滑，终止本方法流程。步骤104，根据所述差分码伪距的变化值和差分载波伪距的变化值，利用卡尔曼滤波器进行载波平滑，得到各卫星经过载波平滑后的伪距。进一步的，在步骤104之后，所述方法还包括根据载波平滑后的伪距和各卫星的位置，并最终确定用户所在的位置。具体的，根据载波平滑后的伪距获得卫星信号的发射时间，得到各卫星的位置，以及最终确定用户所在的位置均根据现在有技术完成。本发明的一个实施例如下，但本发明并不局限于这一个实现方式。图2为本发明实施例的装置结构示意图，如图2所示，虚线框内部分是实现本发明的装置，本发明可以用本装置实现，但不局限于图2所示装置。整个装置包括一个天线、 一个射频模块、一组跟踪通道、一个处理器。其中，跟踪通道和处理器组成本发明的捕获电路。天线负责信号的接收，射频模块完成信号的放大，滤波和下变频，以及信号的模数转化， 并向跟踪通道输出两位的中频信号，采样时钟信号。跟踪通道接收射频模块输出的中频信号，处理器通过总线配置跟踪通道的各种初始化参数，跟踪通道完成信号的同步以及生成测量值<、矿、乂其中(/ = 0,1，2[IQ。并以固定周期采样并存储测量值，同时向处理器产生中断，处理器响应中断，通过总线读取测量值，按本发明的方法生成伪距，并用于用户位置求解。具体实现为首先，跟踪通道准备好测量值后，向处理器发送中断。在本实施例中， 本发明在处理器中的实现，但也可由其他具体实现方式，例如处理器外单独的处理装置、 或集成在其他模块中的处理装置。在中断发生后，处理器从跟踪通道读取测量值，所述测量值包括码测量值和载波测量值，根据测量值的定义按一般方式形成初始伪距P i，其中i 表示卫星序号。同时对载波测量值进行周跳检测，根据周跳检测结果选择一颗未发生周跳的卫星作为参考卫星。参考卫星选择后，其他各卫星的测量值与参考卫星的测量值作差分操作。得到差分码伪距和差分载波伪距变化值，然后对差分码伪距与前一次中断产生的差分码伪距再次差分，形成本次中断周期差分码伪距的变化值；然后差分码伪距变化值和差分载波伪距变化值送给卡尔曼滤波器进行载波相位伪距平滑码相位伪距的操作。最后，平滑后的码相位伪距变化值，与参考卫星的发射时间合成，求出各颗卫星的相对准确的发射时间；根据各卫星的发射时间和本地的接收时间求出经载波平滑的伪距。上述过程中(一 )读取测量值，形成各卫星的伪距乂，乂可以表示为p\ =r(t-T,t) + c(Stu(0 — St(s)(t-τ)) + cl(t) + cT(t) + ερ( ) ( 3 )其中，Ht-τ，t)为t-τ时卫星位置与t时接收机位置之间的直线距离， c(5tu(t)-5t(s) (t-τ))为卫星时钟和接收机时钟误差引起的伪距误差，cI(t)+cT(t)为电离层延迟和对流层延迟引起的伪距误差，￡p(t)为测量噪声引起的伪距误差。(二)周跳检测。需要说明的是采用载波平滑码伪距中的一个重要问题是环路在某些时候会失锁或者发生周跳，失锁后该卫星需要重新搜索，而发生周跳后，载波测量值不再准确，不能用来平滑伪距.与之相关的处理包括周跳检测和发生周跳后的处理。本发明中周跳检测可采用各种周跳检测方法，本实施例只是一种简单的方法，本发明并不局限于此一方法。本实施例中周跳检测主要利用速度和位移的相互关系以及两者前后时间段上的时间相关性。对接收通道，接收机和卫星位移、速度和加速度的关系主要反应在载波相位偏移以及载波相位偏移的变化率上，当前时刻载波相位变化值可通过公式估计
π
狀=枕-、+ ￠-'Χ。, + 0.5 X(Dz)2X + Wu,( 4 )
》=^WxiT1+ (5)
IB OD
Φ: = <t、 (6)其中，< 为载波相位伪距的变化值，》为载波相位伪距的变化值的一阶导数，#为载波相位伪距的变化值的二阶导数。假设从硬件中检测到的载波相位变化为^，如果满足Zk- Φ k <(7)其中，Φ th为门限值。则认为卫星未发生周跳，或周跳的周数很小可当作载波相位观测值的噪声处理。(三)选择参考卫星。参考卫星的载波相位是所有卫星的载波参考相位，在一次定位过程中，参考卫星不能发生周跳，如果参考卫星发射周跳，则应该更换参考卫星。第一次定位，可以不采用载波平滑，本次定位过程中，可以求得卫星位置和仰角， 并设参考卫星号为无效值，例如100。此后根据以下伪程序，选择参考卫星(只有在还无参考卫星或参考卫星发生周跳时选择)。If (参考卫星号为100*，或参考卫星发生周跳)
{If (卫星仰角度最大，且未发生周跳)设置该颗卫星为参考卫星；}其中，参考卫星号为100，即初始化值，表示参考卫星还未选择。由此可见，选择参考卫星的条件为在参考卫星还未选择或参考卫星发生周跳的情况下，选择卫星仰角度最大、且未发生周跳的卫星作为参考卫星。(四)计算差分码伪距的变化值和差分载波伪距的变化值。首先计算各颗可见卫星和参考卫星的差分伪距值，其表达式为
权利要求
1.一种载波平滑伪距的方法，其特征在于，所述方法包括从跟踪通道读取各卫星的测量值，并根据测量值得到初始伪距；通过周跳检测选择参考卫星；根据参考卫星和其他各卫星的初始伪距，利用差分得到差分码伪距的变化值和差分载波伪距的变化值；根据所述差分码伪距的变化值和差分载波伪距的变化值，利用卡尔曼滤波器进行载波平滑，得到各卫星经过载波平滑后的伪距。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述得到各卫星经过载波平滑后的伪距以后，本方法还包括根据载波平滑后的伪距和各卫星位置，并最终确定用户所在的位置。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述通过周跳检测选择参考卫星，具体为对载波测量值进行周跳检测，根据周跳检测结果选择一颗卫星作为参考卫星，其中，所述根据周跳检测结果选择一颗卫星作为参考卫星，具体为在参考卫星还未选择或参考卫星发生周跳的情况下，选择卫星仰角度最大、且未发生周跳的卫星作为参考卫星。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述利用差分得到差分码伪距的变化值，具体为首先各卫星的码相位伪距和参考卫星的码相位伪距分别进行差分，得到本次中断产生的各卫星的差分码伪距，然后和前一次中断产生的各卫星的差分码伪距进行差分，得到差分码伪距的变化值。
5.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述利用差分得到差分载波伪距的变化值，具体为如果卫星未发生周跳，则根据卫星的载波周计数和载波数控振荡器(DCO)相位的变化值，以及参考卫星的载波周计数和载波DCO相位的变化值，利用差分得到差分载波伪距的变化值；如果卫星发生一次周跳，则利用过去差分载波伪距以及其一阶和两阶导数推测本次中断的载波差分伪距的变化值。如果卫星发生两次或两次以上周跳，则不进行载波平滑，终止本方法流程。
6.一种载波平滑伪距的装置，其特征在于，所述装置包括跟踪通道和平滑处理模块； 其中，所述跟踪通道，用于获取各卫星的测量值；所述平滑处理模块，用于从跟踪通道读取各卫星的测量值，并根据测量值得到初始伪距，通过周跳检测选择参考卫星，根据参考卫星和其他各卫星的初始伪距，利用差分得到差分码伪距的变化值和差分载波伪距的变化值，根据所述差分码伪距的变化值和差分载波伪距的变化值，利用卡尔曼滤波器进行载波平滑，得到各卫星经过载波平滑后的伪距。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述装置还包括用户位置确定模块，用于根据载波平滑后的伪距和各卫星的位置，并最终确定用户所在的位置。
8.根据权利要求6或7所述的装置，其特征在于，所述平滑处理模块通过周跳检测选择参考卫星，具体为所述平滑处理模块对载波测量值进行周跳检测，根据周跳检测结果选择一颗卫星作为参考卫星，其中，所述根据周跳检测结果选择一颗卫星作为参考卫星，具体为在参考卫星还未选择或参考卫星发生周跳的情况下，选择卫星仰角度最大、且未发生周跳的卫星作为参考卫星。
9.根据权利要求6或7所述的装置，其特征在于，所述平滑处理模块利用差分得到差分码伪距的变化值，具体为首先各卫星的码相位伪距和参考卫星的码相位伪距分别进行差分，得到本次中断产生的各卫星的差分码伪距，然后和前一次中断产生的各卫星的差分码伪距进行差分，得到差分码伪距的变化值。
10.根据权利要求6或7所述的装置，其特征在于，所述平滑处理模块利用差分得到差分载波伪距的变化值，具体为如果卫星未发生周跳，则根据卫星的载波周计数和载波DCO相位的变化值，以及参考卫星的载波周计数和载波DCO相位的变化值，利用差分得到差分载波伪距的变化值；如果卫星发生一次周跳，则利用过去差分载波伪距以及其一阶和两阶导数推测本次中断的载波差分伪距的变化值。如果卫星发生两次或两次以上周跳，则不进行载波平滑。
全文摘要
本发明公开了一种载波平滑伪距的方法，从跟踪通道读取各卫星的测量值，并根据测量值得到初始伪距；通过周跳检测选择参考卫星；根据参考卫星和其他各卫星的初始伪距，利用差分得到差分码伪距的变化值和差分载波伪距的变化值；根据所述差分码伪距的变化值和差分载波伪距的变化值，利用卡尔曼滤波器进行载波平滑，得到各卫星经过载波平滑后的伪距。本发明还公开了一种载波平滑伪距的装置，通过上述方法和装置，能够有效的减小伪距误差，从而提高定位精度，因此本发明具有较高商用价值。
文档编号G01S19/37GK102426372SQ20111033656
公开日2012年4月25日 申请日期2011年10月31日 优先权日2011年10月31日
发明者于敦山, 崔小欣, 路卫军, 黄永灿 申请人:北京中微星通电子有限公司