一种无导航电文时间戳条件下的伪距计算方法与流程

本发明属于卫星导航技术领域，具体涉及一种无导航电文时间戳条件下的伪距计算方法。

背景技术：

卫星导航系统一方面能提供全天候实时的定位、授时服务，在军事、海洋、渔业以及车辆导航等领域发挥着极重要的作用；另一方面由于导航信号自身的脆弱性以及精度的不足需要以多手段进行增强和补充，而地基增强系统是一种有效的方式。这里，地基增强系统指可以发播可调参数导航信号的地面发播基站组网。其有两个特点：第一，地基增强信号功率远高于卫星导航信号，在信号层面增强导航信号性能；第二，地基增强为区域性增强，地基增强信号播发基站位置固定，单站覆盖范围不超过5km。对应于地基增强系统的特点，地基增强信号采用的新体制导航信号有两个特点：第一，为避免高功率信号远近效应干扰，采用猝发时分信号体制；第二，基站坐标固定已知，覆盖范围小于单测距码片距离，因此采用无导航电文的精简格式。

传统的卫星导航信号测距方法，无论是美国的gps、俄罗斯的glonass、欧洲的伽利略、还是中国的北斗均需要基于导航电文信息计算伪距的整秒、整毫秒距离。而猝发新体制导航信号无导航电文调制，如采用传统的伪距计算方法，会存在整毫秒的测距模糊度，本发明提出的伪距计算方法，基于单站覆盖范围不超过15公里的假设，可以消除测距模糊度，得出正确的伪距计算值。

技术实现要素：

有鉴于此，针对导航信号在无电文调制的设计下存在整毫秒测距模糊度的问题，本发明提供一种适用于无电文调制的新体制导航信号的伪距计算方法。该方法能够正确估计信号发射时间，建立发射时间与本地时的线性关系模型，从而有效解决测距模糊度问题，输出正确伪距。

一种无导航电文时间戳条件下的伪距计算方法，包括如下步骤：

步骤一、选取伪距观测的参考通道，并初始化参考通道的发射时间以及本地接收时间tr⁰；

步骤二、估计通道m在第k个观测时刻的发射时间整ms的模糊度估计值qm^k：

其中，和分别表示任意一个通道m和参考通道的伪距在k个观测时刻的码相位时间观测信息；p为构筑的整0.1ms发射参数；

步骤三、基于如下公式计算通道m在k+1个观测时刻的发射时间整ms的模糊度估计值qm^k+1：

code_t'm^k＝code_tm^k+qm^k×codecycle

code_t'm^k+1＝code_tm^k+1+qm^k+1×codecycle

code_t'm^k+1-code_t'm^k＜0.05

其中，code_tm^k+1与code_tm^k代表通道m的伪距在k个观测时刻与k+1个观测时刻的码相位时间观测信息，code_t'm^k和code_t'm^k+1分别表示通道m的伪距在k个观测时刻与k+1个观测时刻的发射时间；code_cycle表示码周期长度0.1ms；

将qm^k+1代入如下公式：

code_t'm^k+1＝code_tm^k+1+qm^k+1×codecycle；

计算k+1个观测时刻的发射时间，完成时间维持计算；

步骤四、计算伪距：

其中，为解算的钟差累积和。

较佳的，所述步骤一中，选取伪距观测的参考通道时，如果未进行本地时间初始化，则以通道号为排序索引，遍历所有导航信号处理通道，筛选伪距观测量输出有效的全部通道作为待计算的伪距集合，选取集合中通道号最小的作为参考通道。

较佳的，所述步骤一中，选取伪距观测的参考通道时，如果已进行本地时间初始化，则以通道号为排序索引，遍历所有导航信号处理通道，筛选伪距观测量输出有效的全部通道作为待计算的伪距集合，选择集合中已完成发射时间模糊度估计，并且通道号最小的作为参考通道。

较佳的，所述步骤一中，参考通道的发射时间初始化为：

其中，code_cycle表示码周期长度0.1ms；p为构筑的整0.1ms发射参数。

较佳的，所述步骤一中，本地接收时间tr⁰初始化为：

其中，表示参考通道在第0个观测历元的发射时间；ttrans估表示传输时间。

较佳的，所述步骤一中，ttrans估取值为0.03ms。

本发明具有如下有益效果：

本发明解决了无导航电文导致情况下的伪距计算问题，为导航信号的简化设计提供了有利保障，与电文调制下的伪距计算相比，算法简洁高效，无需进行比特同步、帧同步计算即可进行伪距的求解；伪距观测周期采用整100ms周期方案，本地接收时间只需进行一次初始化计算，有效节约了伪距计算资源；码相位接收时间修正了收发时钟不同源引起的钟差积累值，有效的解决了负钟差引起伪距结果为负数的问题。

附图说明

图1为本发明的无导航电文时间戳条件下的伪距计算流程；

图2为传统导航信号发射时间无模糊度表示图；

图3为无导航电文信号发射时间模糊度产生原因示意图。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明的方法中，假设导航信号格式为码速率10.23m，码周期1023码片(30km)，占空比10％的导航测距码。首先，在伪距观测量输出有效的通道集合中，选取参考通道，并以参考通道的码观测量信息为基准完成发射时间的整毫秒预估初始化以及本地时间初始化；然后，以参考通道的发射时间为参考，对其他伪距观测量输出初次有效通道的发射时间进行模糊度估计，以保证当前历元所有通道伪距关系满足距离约束关系；对于已经完成发射时间模糊度估计的通道，进行时间维持计算，以保证当前通道对于前后历元伪距变化关系满足距离约束条件；最后，利用无模糊度发射时间及本地接收时间计算伪距，得出最终结果。具体包括：参考伪距选取及时间初始化、发射时间模糊度估计、时间维持、伪距计算四个部分。

本发明的方法有两个适用约束条件：第一，任意时间各基站与接收终端间距离差小于15km；第二，伪距观测量更新周期时间内，任一基站与接收终端距离变化小于15km。

具体方法过程如图1所示：

步骤一、参考伪距选取及时间初始化：

(1)、参考伪距选取分为两种情况进行：第一，未进行本地时间初始化时的参考伪距选取；第二，已进行本地时间初始化，参考通道伪距信息无效时的参考伪距重新选取。

定义二维集合，表示有效待计算的伪距集合，2个维度分别表示通道号信息，以及码相位观测信息，如式(1)所示。

ρualid^k＝{(chm^k，code_tm^k)}(0≤m＜ch_total)(1)

其中，ρvalid^k表示第k个观测时刻伪距观测量输出有效的集合，chm^k表示通道编号，取值范围为0～总通道数，code_tm^k为与chm^k对应的码相位信息。参考伪距选取分为两种情况进行：第一，未进行本地时间初始化时的参考伪距选取；第二，已进行本地时间初始化，参考通道伪距信息无效时的参考伪距重新选取，下面分别介绍实施过程。

情况1：未进行本地时间初始化时方案如下：以通道号为排序索引，遍历所有导航信号处理通道，筛选伪距观测量(码相位整数部分、码相位小数部分)输出有效的全部通道作为待计算的伪距集合，选取集合中通道号最小的作为参考通道。并以参考通道伪距观测信息为基准，初始化发射整毫秒时间以及本地接收时间，即：

chref＝min(chm^k)(0≤m＜ch_total)(2)

上式(2)中，chref为选取的参考通道，是有效伪距集合中通道号最小的通道。

情况2：已进行本地时间初始化，参考通道伪距信息无效时的参考伪距重新选取方案如下：以通道号为排序索引，遍历所有导航信号处理通道，筛选伪距观测量(码相位整数部分、码相位小数部分)输出有效的全部通道作为待计算的伪距集合，选择集合中已完成发射时间模糊度估计(方法参见方案中(2))，并且通道号最小的作为参考通道，具体为：

此时，表示在第k个观测时刻已经按(1)中方法确定参考通道chref，在第(k+n)个观测时刻chref输出的伪距观测信息无效，chref不在(k+n)观测时刻的有效伪距集合中，此时chref重新选取方法如下式(3)～(4)所示：

ρtrans_ms^k+n＝{(ch′m^k+n，code_t′m^k+n)}(0≤m＜ch_total)(3)

其中，ρtrans_ms^k+n表示在第(k+n)个观测时刻，已完成发射时间模糊度估计的伪距集合，code_t′m^k+n表示在code_tm^k上构筑了整ms信息的无模糊度发射时间，并且，ρtrans_ms^k+n是ρvalid^k+n的子集：

chref＝min(ch′m^k+n)(0≤m＜ch_total)(4)

(2)时间初始化，包括初始化发射整毫秒时间以及初始化本地接收时间。图2～图3对比表示了无导航电文情况下整毫秒模糊度产生的原因。图2所示传统导航信号调制有导航电文，发射时间由tow时间(每个子帧递增6s)、以tow为起始时刻的码周计数、以及码相位信息一起构筑组成。因此接收时刻既可以获取码相位、同样可以区分发射的整秒及整毫秒时间。图3中，没有导航电文标志整秒时刻，因此在接收时刻tr，对应无数个可能的发射时间t01，t02，……，t0n，他们之间的最小间隔为码周期长度0.1ms。

初始化发射时间，即强制固定参考通道发射时间整0.1ms，方法如式(5)所示：

其中，code_cycle表示码周期长度0.1ms，p为构筑的整0.1ms发射参数。

初始化本地接收时间，即基于发射时间和估算的传输时间、对本地接收时间初始化，并假定进行时间初始化的历元为0，方法如式(6)所示：

其中，tr⁰为初始化的本地接收时间，ttrans估取值这里0.03ms(相当于

传输距离约等于10km)。

步骤二、发射时间模糊度估计：

发射时间整模糊度估计基于待计算的伪距与参考伪距间的差值小于1/2码周期长度(15km)的假定应用条件。此时，发射时间整毫秒模糊度范围被大大缩减，仅锁定在3种可能取值，即等于参考通道的初始化发射整毫秒值，或等于参考通道的初始化发射整毫秒正负1毫秒值。求解待计算伪距的码相位观测信息与参考通道伪距码相位观测信息的差值，并依据距离差判定准则，从3种可能的发射整毫秒时间中估计出准确发射时间，具体为：

基于待计算的伪距与参考伪距间的差值小于1/2码周期长度(15km)的假定应用场景，发射时间模糊度估计方法如下：

其中，qm^k为待估计的模糊度参数，上式中第3个方程为约束条件，定义待计算伪距码相位与参考码相位差值如式(8)所示，代入(7)式并求解，可得式(9)：

由此得到发射时间模糊度估计值qm^k。

步骤三、时间维持：

伪距观测信息以100ms为周期更新获取，观测信息初次有效时，利用步骤二进行发射时间模糊度估计，此后的每一个观测量更新历元进行时间维持计算。基于100ms间隔时间内，接收终端与基站相对距离变化小于15km的常规假设，本次发射时间与该通道上一观测时刻发射时间差值小于0.1ms。求解待计算的本观测时刻码相位信息与该通道上一观测时刻码相位信息差值，差值判断门限为1/2码长度(0.05ms)，分差值小于-0.05ms，差值大于0.05ms，以及差值在(-0.05ms，0.05ms)区间三种情况，计算发射时间整ms，完成时间维持，具体表示为：

其中，code_tm^k+1与code_tm^k代表同一基站伪距在k个观测时刻与k+1个观测时刻的码相位时间观测信息，code_t'm^k和code_t'm^k+1分别表示同一基站伪距在k个观测时刻与k+1个观测时刻的发射时间；qm^k+1为k+1个观测时刻的发射整ms，由公式(10)计算得到，由此计算k+1个观测时刻的发射时间code_t'm^k+1，完成时间维持计算。

步骤四、伪距计算：

遍历待计算的伪距集合，求解全部通道码相位接收时间与该码相位发送时间的差值，得到信号传播时间；传播时间与光速的乘积即为以距离长度为物理量度的伪距计算值。码相位接收时间即为初始化的本地接收时间与钟漂引起的时间偏移累积之和，码相位发送时间为(3)中计算结果，具体为：

以距离为量纲的伪距等于以时间为量纲的传输时间与传输速度，即光速的乘积。传输时间等于信号接收时间与发射时间的差值，计算方法如下：

其中，为第k+1个观测历元的接收时间，为解算钟差累积和。由于，观测时间间隔100ms是0.1ms的整数倍，因此式(11)可以简化成为(12)式：

以距离表示的伪距计算方法如式(13)式所示：

自此，完成无导航电文调制下的伪距计算。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。