一種導(dǎo)航信號接收機的制作方法
【專利摘要】本實用新型提供了一種導(dǎo)航信號接收機，包括：GNSS接收天線；本地時鐘；存儲器，用于存儲衛(wèi)星星歷信息和上次導(dǎo)航定位信息；第一運算器，用于根據(jù)存儲的衛(wèi)星星歷信息和本地時間計算當前歷元時刻衛(wèi)星星座的分布信息；以及根據(jù)當前歷元時刻衛(wèi)星星座的分布信息和上次導(dǎo)航定位信息計算當前可視衛(wèi)星；控制器，接收用戶選擇指令，從當前可視衛(wèi)星中確定目標衛(wèi)星；信號捕獲電路，用于捕獲目標衛(wèi)星信號；信號跟蹤電路，用于對捕獲的目標衛(wèi)星信號進行跟蹤；第二運算器，根據(jù)跟蹤的目標衛(wèi)星信號解算接收機的位置和速度，并更新至存儲器中。本實用新型接收機能夠大大提高GNSS信號的捕獲性能，不但能縮短捕獲時間，其能穩(wěn)定跟蹤GNSS信號。
【專利說明】
一種導(dǎo)航信號接收機
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本實用新型屬于導(dǎo)航技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種導(dǎo)航信號接收機。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著技術(shù)及其應(yīng)用的推廣，全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(GNSS)接收機已經(jīng)成為機載電子裝備中核心部件之一。GNSS接收機的性能一般通過精度、完好性、連續(xù)性和可用性等四個方面來進行評估。其中完好性主要是對接收機在應(yīng)用的安全性方面的要求，因此在對安全要求較高的應(yīng)用中，完好性是必須要解決的關(guān)鍵問題。
[0003]完好性一般定義為:完好性是一種概率，在特定時期、系統(tǒng)覆蓋區(qū)域內(nèi)的任一點，位置誤差不超出告警門限(Alarm Limit)，不給用戶在告警時限(Time To Alarm)內(nèi)發(fā)出告警信息的概率。
[0004]完好性問題對于航空來說是關(guān)系重大的，因為用戶正以高速航行，如果不能及時的檢測并排除故障衛(wèi)星的話，飛機就很可能會偏離航路。隨著機載系統(tǒng)對安全性能要求的日益提高，飛機上的導(dǎo)航系統(tǒng)也呈現(xiàn)多信息化、智能化、集成化的發(fā)展趨勢。精確性與安全可靠性成為機載導(dǎo)航系統(tǒng)的重要特點。而精確定位定姿、故障檢測隔離，已成為機載導(dǎo)航領(lǐng)域的重要學(xué)科技術(shù)之一，越來越受到人們的重視，近幾年來得到了迅猛的發(fā)展。
[0005]GNSS雖然有傳統(tǒng)陸基無線電導(dǎo)航系統(tǒng)無法比擬的全球覆蓋、高精度等性能，但目前在飛行器導(dǎo)航領(lǐng)域并沒有得到普遍應(yīng)用。不考慮政治方面的影響，從技術(shù)而言，精度、完好性、連續(xù)性及可用性四個方面都沒有可滿足所有飛行階段的需求。從完好性方面看，GNSS系統(tǒng)本身能進行一定程度的完好性監(jiān)測，但告警時間太長，通常需幾個小時。從連續(xù)性和可用性方面看，GPS雖然能保證所有地區(qū)能有4顆以上可視衛(wèi)星，但衛(wèi)星幾何結(jié)構(gòu)仍然存在較差情況，如果加上完好性要求，其可用性會更差。
[0006]GNSS接收機進行完好性監(jiān)測采用RA頂算法，其基本原理是利用衛(wèi)星測量的冗余觀測信息對接收機導(dǎo)航定位結(jié)果進行超差判定，因此單純衛(wèi)星導(dǎo)航接收機完好性能受接收機跟蹤鎖定衛(wèi)星數(shù)量、衛(wèi)星幾何分布及告警門限制約，具體如下:
[0007](I )GNSS接收機完好性受限于可見衛(wèi)星數(shù)
[0008]GNSS接收機通過基帶處理單元可以輸出接收機相對衛(wèi)星的偽距，忽略噪聲后，偽距是接收機三維位置和接收機鐘差的函數(shù)，因此在進行三維導(dǎo)航時至少需要接收機跟蹤4顆衛(wèi)星才能解算出正確的接收機位置和鐘差信息。假設(shè)只有一顆衛(wèi)星出現(xiàn)故障，當觀測到5顆衛(wèi)星時，可以利用偽距間的冗余信息檢測出對于當前飛行階段，GNSS接收機存在不可接受的定位誤差，但是由于沒有其它信息，此時雖然可以給出超差告警，但不能鎖定是哪顆衛(wèi)星出現(xiàn)了故障；只有在同時觀測到6顆以上衛(wèi)星時才能確定出是哪顆衛(wèi)星出現(xiàn)了故障。
[0009](2)GNSS接收機完好性受限于衛(wèi)星幾何分布
[0010]GNSS接收機完好性能除和可見衛(wèi)星數(shù)有關(guān)外，還和可見衛(wèi)星的幾何分布密切相關(guān)。通常在跟蹤4顆以上衛(wèi)星的條件下，當衛(wèi)星與接收機之間構(gòu)成的多面體體積最大時定位性能最佳，這時衛(wèi)星星座的精度因子(DOP)最小。衛(wèi)星幾何分布越理想，接收機定位結(jié)果估計越準確，就越不容易超差，同時對故障衛(wèi)星的監(jiān)測能力也越高。因此GNSS衛(wèi)星幾何分布對接收機完好性有重要影響。
[0011](3)GNSS接收機完好性受限于應(yīng)用精度要求
[0012]GNSS接收機完好性是衡量接收機定位結(jié)果超差時的告警能力，因此完好性與告警門限密切相關(guān)，而告警門限的設(shè)定取決于實際的應(yīng)用精度需求。
[0013]飛行器不同飛行階段對GNSS導(dǎo)航的完好性能要求不同，隨著GNSS導(dǎo)航在飛機精密進近階段的應(yīng)用研究，GNSS導(dǎo)航系統(tǒng)的精度和完好性能要求越來越高。
[0014]在精密進近階段，尤其在3類精密進近階段，對機載GNSS系統(tǒng)的完好性要求較高?？紤]到衛(wèi)星導(dǎo)航的體制局限性，單憑GNSS接收機算法優(yōu)化很難滿足要求。
【實用新型內(nèi)容】
[0015]有鑒于此，本實用新型的一個目的是提供一種導(dǎo)航信號接收方法和接收機，由外部增強信息和輔助信息為GNSS導(dǎo)航系統(tǒng)提供更精確的測量信息和冗余測量信息，通過對捕獲過程和跟蹤過程進行改進，大大縮短了接收機的信號捕獲時間，同時實現(xiàn)對信號的穩(wěn)定跟蹤。
[0016]為了對披露的實施例的一些方面有一個基本的理解，下面給出了簡單的概括。該概括部分不是泛泛評述，也不是要確定關(guān)鍵/重要組成元素或描繪這些實施例的保護范圍。其唯一目的是用簡單的形式呈現(xiàn)一些概念，以此作為后面的詳細說明的序言。
[0017]本實用新型提供了一種接收機，用于接收全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)GNSS信號進行導(dǎo)航定位，包括:
[0018]GNSS接收天線；
[0019]本地時鐘；
[0020]存儲器，用于存儲衛(wèi)星星歷信息和上次導(dǎo)航定位信息；
[0021 ]第一運算器，與本地時鐘和存儲器相連，用于根據(jù)存儲的衛(wèi)星星歷信息和本地時間計算當前歷元時刻衛(wèi)星星座的分布信息；以及根據(jù)當前歷元時刻衛(wèi)星星座的分布信息和上次導(dǎo)航定位信息計算當前可視衛(wèi)星；
[0022]控制器，與所述運算器相連，接收用戶選擇指令，從當前可視衛(wèi)星中確定目標衛(wèi)星；
[0023]信號捕獲電路，與所述GNSS衛(wèi)星導(dǎo)航接收和所述控制器相連，用于捕獲目標衛(wèi)星信號；
[0024]信號跟蹤電路，與所述信號捕獲電路相連，用于對捕獲的目標衛(wèi)星信號進行跟蹤；
[0025]第二運算器，與信號跟蹤電路和存儲器相連，根據(jù)跟蹤的目標衛(wèi)星信號解算接收機的位置和速度，并更新至存儲器中。
[0026]較佳地，所述存儲器中還存儲有一搜索范圍的設(shè)置信息;所述信號捕獲電路還與所述存儲器相連，在所述搜索范圍內(nèi)進行信號捕獲。
[0027]較佳地，還包括慣性導(dǎo)航系統(tǒng)INS接收天線、判別器和第三運算器，其中:
[0028]所述第三運算器，與所述INS接收天線相連，用于利用INS系統(tǒng)信號解算當前歷元時刻接收機的位置信息；
[0029]所述判別器，與所述第三運算器和所述存儲器相連，用于判斷是否接收機當前的位置距離上次導(dǎo)航定位距離在一預(yù)設(shè)范圍之內(nèi)，且存儲的衛(wèi)星星歷信息處于有效期之內(nèi)，如果是，則判斷為熱啟動模式，觸發(fā)儲器中存儲的搜索范圍信息更新，然后再觸發(fā)所述信號捕獲電路執(zhí)行信號捕獲;如果否，則判斷為冷啟動模式，觸發(fā)所述信號捕獲電路執(zhí)行信號捕獲。
[0030]較佳地，所述第三運算器，用于利用INS信號解算當前歷元時刻接收機的位置和速度信息；根據(jù)衛(wèi)星星歷數(shù)據(jù)解算衛(wèi)星的位置和速度信息；結(jié)合解算出的接收機和衛(wèi)星的位置和速度信息計算出接收機至衛(wèi)星視線方向的單位矢量和偽距信息;根據(jù)所述單位矢量和偽距信息計算視線方向上的多普勒頻移和碼相位偏移;根據(jù)所述多普勒頻移和碼相位偏移確定搜索范圍的中心，根據(jù)INS解算的位置和速度信息的不確定度來設(shè)定搜索范圍。
[0031 ]較佳地，還包括INS接收天線，所述信號跟蹤電路包括:
[0032]第四運算器，與所述INS接收天線和所述存儲器相連，用于利用INS系統(tǒng)信號解算當前歷元時刻接收機的位置和速度信息;根據(jù)衛(wèi)星星歷數(shù)據(jù)解算衛(wèi)星的位置和速度信息；根據(jù)解算出的接收機和衛(wèi)星的位置和速度信息計算并預(yù)測視線方向上LOS的多普勒頻移信息;
[0033]反饋電路，與所述第四運算器相連，用于將所述多普勒頻移信息與載波環(huán)的環(huán)路濾波器輸出值相加，將結(jié)果反饋至載波數(shù)字控制振蕩器NCO中，以控制載波頻率的輸出。
[0034]較佳地，所述GNSS接收天線包括GPS接收天線、GLONASS接收天線、GALILEO接收天線和北斗導(dǎo)航接收天線中的一種或者多種。
[0035]較佳地，所述第二運算器將一種或者多種導(dǎo)航接收機接收到的衛(wèi)星信號進行時空歸一化處理后，進行數(shù)據(jù)融合處理后輸出作為GNSS導(dǎo)航信號，據(jù)以解算接收機的位置和速度。
[0036]較佳地，所述INS接收天線采用捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)SINS接收天線。
[0037]較佳地，所述本地時鐘由機載守時設(shè)備提供。
[0038]為了上述以及相關(guān)的目的，一個或多個實施例包括后面將詳細說明并在權(quán)利要求中特別指出的特征。下面的說明以及附圖詳細說明某些示例性方面，并且其指示的僅僅是各個實施例的原則可以利用的各種方式中的一些方式。其它的益處和新穎性特征將隨著下面的詳細說明結(jié)合附圖考慮而變得明顯，所公開的實施例是要包括所有這些方面以及它們的等同。
【附圖說明】
[0039]圖1是本實用新型實施例一種導(dǎo)航信號的接收方法流程圖；
[0040]圖2是本實用新型實施例一種設(shè)定頻率搜索范圍的方法流程圖；
[0041]圖3是本實用新型實施例一種具體的INS系統(tǒng)輔助GNSS信號捕獲的結(jié)構(gòu)圖；
[0042]圖4是本實用新型實施例一種信號跟蹤方法流程圖；
[0043]圖5是本實用新型實施例一種具體的INS系統(tǒng)輔助GNSS信號跟蹤的結(jié)構(gòu)圖；
[0044]圖6是本實用新型實施例一種具體的GNSS接收機工作流程圖；
[0045]圖7是本實用新型實施例一種接收機結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實施方式】
[0046]以下描述和附圖充分地示出本實用新型的具體實施方案，以使本領(lǐng)域的技術(shù)人員能夠?qū)嵺`它們。其他實施方案可以包括結(jié)構(gòu)的、邏輯的、電氣的、過程的以及其他的改變。實施例僅代表可能的變化。除非明確要求，否則單獨的組件和功能是可選的，并且操作的順序可以變化。一些實施方案的部分和特征可以被包括在或替換其他實施方案的部分和特征。本實用新型的實施方案的范圍包括權(quán)利要求書的整個范圍，以及權(quán)利要求書的所有可獲得的等同物。在本文中，本實用新型的這些實施方案可以被單獨地或總地用術(shù)語“實用新型”來表示，這僅僅是為了方便，并且如果事實上公開了超過一個的實用新型，不是要自動地限制該應(yīng)用的范圍為任何單個實用新型或?qū)嵱眯滦蜆?gòu)思。
[0047]
【申請人】注意到，在飛行器運行過程中，各種傳感器都在時刻探測著飛行器自身和外界信息，由于這些信息本身之間是飛行器所處環(huán)境的映射，因此其具有很強的關(guān)聯(lián)性，這種關(guān)聯(lián)性反映到數(shù)據(jù)之上就代表著其數(shù)據(jù)之間具有互補、冗余特性。利用數(shù)據(jù)之間的互補性來提升探測系統(tǒng)性能是數(shù)據(jù)融合的核心目的。
[0048]因此，
【申請人】在本申請中提出利用外部增強系統(tǒng)和傳感器輔助信息提高衛(wèi)星導(dǎo)航接收機輸出導(dǎo)航信息完好性能。由外部增強信息和輔助信息為GNSS導(dǎo)航系統(tǒng)提供更精確的測量信息和冗余測量信息，從而提高機載導(dǎo)航設(shè)備的可用性和完好性。
[0049]
【申請人】通過深入分析導(dǎo)航系統(tǒng)的數(shù)據(jù)來源和關(guān)聯(lián)性，提供一種多源信息融合的導(dǎo)航架構(gòu)，下面將對本實用新型所選擇的多源信息進行分析:
[0050](I)可利用慣性輔助提升機載完好性
[0051]慣性導(dǎo)航具有不受電磁干擾、獨立自主輸出載體導(dǎo)航信息和姿態(tài)信息的能力，其缺點是定位誤差受初始對準精度影響較大，且誤差隨時間有積累。將慣導(dǎo)與衛(wèi)星導(dǎo)航進行組合，可以利用衛(wèi)星導(dǎo)航測量信息沒有誤差積累的優(yōu)點對慣導(dǎo)誤差進行修正，同時當采用緊組合方式時，短時間內(nèi)可以在衛(wèi)星數(shù)低于4顆情況下進行精確導(dǎo)航。慣導(dǎo)獨立輸出的定位結(jié)果給衛(wèi)星導(dǎo)航提供了多種冗余信息，合理利用這些冗余信息不僅可以提高衛(wèi)星導(dǎo)航定位精度，還可以對衛(wèi)星測量偽距精度進行有效評估，從而可以提高機載衛(wèi)星導(dǎo)航接收機的完好性。
[0052]當前衛(wèi)星導(dǎo)航完好性大都是基于單顆衛(wèi)星故障進行研究的，故障衛(wèi)星越多需要的冗余信息越多，而慣導(dǎo)提供的冗余信息為多顆衛(wèi)星故障監(jiān)測提供了理想的解決途徑。
[0053](2)星基輔助提升機載完好性:
[0054]現(xiàn)有的四大GNSS系統(tǒng)分別是:我國正在建設(shè)的北斗第二代導(dǎo)航系統(tǒng)、美國的GPS系統(tǒng)、俄羅斯GLONASS系統(tǒng)和歐洲的GALILEO系統(tǒng)。隨著全球衛(wèi)星導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)的建設(shè)，可見衛(wèi)星數(shù)目逐漸增多，同一歷元時刻可見星從單GPS的10顆左右上升到近40顆。
[0055]星基輔助主要是指利用如GPS、GL0NASS、GALILE0等的其它衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)及偽衛(wèi)星系統(tǒng)來改善北斗系統(tǒng)星座分布、提供冗余測量信息從而可以增強機載北斗接收機的完好性會K。
[0056]單星座導(dǎo)航系統(tǒng)由于衛(wèi)星數(shù)目有限或是某些惡劣環(huán)境中信號受到嚴重干擾等問題，提供的衛(wèi)星定位服務(wù)的精度、可靠性、安全性和可用性無法得到保障。同時，各個衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)單獨工作時可能存在難以覆蓋的空白帶，而且用戶在使用過程中會受到主控國的限制。
[0057]由于例如GPS、GL0NASS、GALILE0和北斗等這幾種星基導(dǎo)航系統(tǒng)在系統(tǒng)構(gòu)置、導(dǎo)航定位機理、工作頻段、調(diào)制方式、信號和星歷數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等在方面是基本相同和近似的，都以發(fā)射擴頻測距碼、測量衛(wèi)星與用戶之間的偽距來完成導(dǎo)航定位，所以就存在利用一部用戶設(shè)備同時接收這四種衛(wèi)星信號的可能性。如果能將多個系統(tǒng)組合使用，由于可用衛(wèi)星數(shù)目增多，不僅能填補單一系統(tǒng)存在的覆蓋空白問題，而且可使系統(tǒng)精度顯著提高。
[0058]所謂星基組合定位，就是用一臺接收機或者多個接收機同時接收和測量多個GNSS系統(tǒng)的衛(wèi)星信號，然后進行數(shù)據(jù)融合處理。例如，目前可此采用GPS/GL0NASS/GALILE0/北斗組合定位，就是用一臺接收機或者多個接收機同時接收和測量GPS、GL0NASS、GALILE0和北斗四種衛(wèi)星信號，然后進行數(shù)據(jù)融合處理。從而實現(xiàn)在世界上任何地方、任何時間精確測出三維位置、三維速度、時間和姿態(tài)參數(shù)，為用戶提供僅用單一衛(wèi)星系統(tǒng)定位無法獲得的性能。它將提高系統(tǒng)完善性、可靠性、定位精度以及導(dǎo)航連續(xù)性。
[0059]對于多星融合實現(xiàn)組合導(dǎo)航，需要進行如下設(shè)計:
[0060]1、共有接收射頻資源設(shè)計:由于各GNSS系統(tǒng)，例如GPS/GL0NASS/GALILE0/北斗之間的載波頻率和碼率上是不同的，需要設(shè)計一個能同時得到各GNSS系統(tǒng)的本振頻率和鐘頻頻率的頻率綜合器。
[0061 ] 2、時空歸一化處理:由于各GNSS系統(tǒng)，例如GPS/GL0NASS/GALILE0/北斗系統(tǒng)的坐標系是不一致的，所以需要實現(xiàn)多星座系統(tǒng)的坐標系統(tǒng)一計算。同時上述四個系統(tǒng)的時間尺度也是不一致的，這也需要系統(tǒng)進行時間對準處理。而且在上述處理過程中不要將單一系統(tǒng)誤差傳遞到最終的組合系統(tǒng)上來。
[0062]利用多衛(wèi)星定位系統(tǒng)進行導(dǎo)航定位都是要基于一定的衛(wèi)星幾何分布，也就是首先需要知道衛(wèi)星的空間位置，判斷可用于導(dǎo)航定位的可見衛(wèi)星數(shù)目和分布情況，再根據(jù)可見衛(wèi)星的偽距或者載波相位等相關(guān)方法來求解用戶位置。
[0063]衛(wèi)星導(dǎo)航定位，是以衛(wèi)星和用戶接收機天線之間的距離觀測量為基準，根據(jù)已知的衛(wèi)星瞬時坐標，來確定用戶接收機天線的位置。衛(wèi)星導(dǎo)航定位方法的實質(zhì)是以星地空間距離為半徑的三球交匯，因此，在一個觀測站上，只需要3個獨立距離觀測量。
[0064]但是，由于各GNSS系統(tǒng)采用的都是單程測距原理，衛(wèi)星鐘與用戶接收機時鐘之間難以保持嚴格同步，受衛(wèi)星鐘和接收機時鐘同步差的共同影響，實際上觀測量不是觀測站到衛(wèi)星之間的真實距離，而是含有誤差的偽距。當然，衛(wèi)星鐘差是可以通過衛(wèi)星導(dǎo)航電文中所提供的相應(yīng)鐘差參數(shù)加以修正的，而接收機的鐘差，由于精度低、隨機性強，難以預(yù)先準確測定。所以，可將接收機的鐘差作為一個未知參數(shù)與觀測站坐標在數(shù)據(jù)處理中一并解出。因此，在一個觀測站上，為了實時求解4個未知參數(shù)(3個用戶坐標x、y、z和一個接收機時鐘誤差St)，至少需要同步觀測4顆衛(wèi)星。
[0065]在多星座組合導(dǎo)航定位中，需要同時接收多個衛(wèi)星星座的導(dǎo)航電文信息，而由于各系統(tǒng)之間存在時間偏差，以及坐標系不同，而且接收機對不同系統(tǒng)信號的時延也不同，所以，在多星座組合導(dǎo)航中需要考慮時空統(tǒng)一問題，進而進行組合導(dǎo)航解算。
[0066]根據(jù)各個衛(wèi)星星座仿真器輸出的可見衛(wèi)星的位置，給定用戶初始近似位置信息，獲得偽距觀測量，按照上述介紹的多星座組合導(dǎo)航定位方法，進而可以求解含有定位誤差的用戶位置，實現(xiàn)多星座組合導(dǎo)航定位。
[0067]在我國不同瑋度地區(qū)，GPS和GLONASS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的可見衛(wèi)星數(shù)目分布在5?8顆，而GALILEO系統(tǒng)分布在8?11顆。因此，與GPS和GLONASS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)相比，GALILEO系統(tǒng)具有一定的優(yōu)勢，相同環(huán)境下能觀測到更多的可見衛(wèi)星。與單星座系統(tǒng)相比，組合系統(tǒng)的可見衛(wèi)星數(shù)目能增加幾倍，在任何時段任何地點都能觀測到18顆及以上的導(dǎo)航衛(wèi)星，這樣將有利于組成更好的衛(wèi)星幾何分布，在任何時段都能滿足定位要求，提高定位精度。
[0068]本實用新型提出通過由飛行器上星基輔助提升導(dǎo)航信號的準確度，基于此，提供一種導(dǎo)航信號的接收方法，如圖1所示，包括步驟:
[0069]步驟SlOl:根據(jù)接收機內(nèi)部存儲的衛(wèi)星星歷信息和本地時間計算當前歷元時刻衛(wèi)星星座的分布信息；
[0070]步驟S102:根據(jù)當前歷元時刻衛(wèi)星星座的分布信息和上次導(dǎo)航定位信息計算當前可視衛(wèi)星；
[0071]步驟S103:選擇一個或者多個可視衛(wèi)星進行信號捕獲和跟蹤；
[0072]步驟S104:根據(jù)所選擇的可視衛(wèi)星的信號解算接收機的位置和速度。
[0073]執(zhí)行步驟S103時，可以選擇獲取多種類型的GNSS導(dǎo)航衛(wèi)星，例如GPS/GL0NASS/GALILEO/北斗。之后，將步驟S104得到的4種GNSS導(dǎo)航衛(wèi)星的信號進行時空歸一化處理，進行數(shù)據(jù)融合處理后輸出作為GNSS系統(tǒng)的輸出信號。通過多種類導(dǎo)航衛(wèi)星組合定位，從而提高定位的準確度。
[0074]較佳地，在執(zhí)行步驟S103中的信號捕獲時，可以設(shè)定頻率搜索范圍，在有限的范圍內(nèi)進行搜索，從而縮短GNSS接收機信號捕獲的時間，提高GNSS接收機信號捕獲的性能。
[0075]較佳地，所述設(shè)定頻率搜索范圍的方法如圖2所示，包括步驟:
[0076]步驟S201:利用慣性導(dǎo)航系統(tǒng)INS信號解算當前歷元時刻接收機的位置和速度信息;
[0077]步驟S202:根據(jù)衛(wèi)星星歷數(shù)據(jù)解算衛(wèi)星的位置和速度信息；
[0078]步驟S203:結(jié)合解算出的接收機和衛(wèi)星的位置和速度信息計算出接收機至衛(wèi)星視線方向的單位矢量和偽距信息；
[0079]步驟S204:根據(jù)所述單位矢量和偽距信息計算視線方向上的多普勒頻移和碼相位偏移；
[0080]步驟S205:根據(jù)所述多普勒頻移和碼相位偏移確定搜索范圍的中心，根據(jù)INS解算的位置和速度信息的不確定度來設(shè)定搜索范圍。
[0081]為了更形象的說明，參見圖3，該圖給出了本實用新型實施例一種具體的INS系統(tǒng)輔助GNSS信號捕獲的結(jié)構(gòu)，充分利用星歷數(shù)據(jù)和INS系統(tǒng)提供的信息，計算頻率搜索空間，控制本地碼/載波數(shù)控振蕩器在此范圍內(nèi)進行搜索，從而縮短GNSS接收機信號捕獲時間，提高GNSS信號捕獲性能。
[0082]較佳地，本實用新型實施例還設(shè)計了一種信號跟蹤方法，應(yīng)用于步驟S103中的信號跟蹤，如圖4所示，包括步驟:
[0083]步驟S401:利用慣性導(dǎo)航系統(tǒng)INS信號解算當前歷元時刻接收機的位置和速度信息;
[0084]步驟S402:根據(jù)衛(wèi)星星歷數(shù)據(jù)解算衛(wèi)星的位置和速度信息；
[0085]步驟S403:根據(jù)解算出的接收機和衛(wèi)星的位置和速度信息計算并預(yù)測視線方向上(line of sight，簡稱LOS)的多普勒頻移信息；
[0086]步驟S404:將所述多普勒頻移信息與載波環(huán)的環(huán)路濾波器輸出值相加，將結(jié)果反饋至載波數(shù)字控制振蕩器(numerically controlled oscillator，簡稱NCO)中，以控制載波頻率的輸出。
[0087]為了更形象的說明，參見圖5，該圖給出了本實用新型實施例一種具體的INS系統(tǒng)輔助GNSS信號跟蹤的結(jié)構(gòu)，充分利用星歷數(shù)據(jù)和INS系統(tǒng)特征，補償GNSS導(dǎo)航系統(tǒng)的信號缺失，通過將本地產(chǎn)生的同相、正交載波信號分別與GNSS中頻信號相乘，實現(xiàn)載波剝離功能，然后根據(jù)環(huán)路濾波器輸出的頻率誤差和INS估計的多普勒頻差不斷調(diào)整復(fù)現(xiàn)本地信號的參數(shù)，從而實現(xiàn)對輸入GNSS信號的穩(wěn)定跟蹤。
[0088]較佳地，在執(zhí)行步驟S103進行信號捕獲之前，還包括步驟S105(圖中未示出):判斷是否接收機當前的位置距離上次導(dǎo)航定位距離在一預(yù)設(shè)范圍之內(nèi)，且存儲的衛(wèi)星星歷信息處于有效期之內(nèi)，如果是，則進入熱啟動模式，否則進入冷啟動模式;在熱啟動模式下，重新計算并更新接收機的信號捕獲的搜索范圍，然后再觸發(fā)接收機執(zhí)行信號捕獲;在冷啟動模式下，觸發(fā)接收機在當前設(shè)置的搜索范圍內(nèi)執(zhí)行信號捕獲。
[0089]本實用新型實施例步驟S105中的熱啟動模式主要是由于信號載噪比低或載體高動態(tài)造成跟蹤環(huán)路失鎖從而使GNSS接收機處于重新捕獲狀態(tài)的場景而設(shè)置。熱啟動模式需要符合2個條件:一是收機當前的位置距離上次導(dǎo)航定位距離不能過遠，距離過遠會導(dǎo)致估算出的可視衛(wèi)星與當前位置的實際可視衛(wèi)星不一致;二是衛(wèi)星星歷信息處于有效期之內(nèi)，否則計算出的衛(wèi)星星座的分布情況與真實分布相差較大，不能達到快速導(dǎo)航定位的效果。
[0090]為了更形象的示出本實用新型實施例GNSS接收機工作流程給出一具體實例，參見圖6，設(shè)置初始參數(shù)后，進行模式判斷，如果是熱啟動模式，則根據(jù)星歷和INS信息重新計算并更新接收機的信號捕獲的搜索范圍，之后觸發(fā)信號捕獲，如果是冷啟動模式，則直接觸發(fā)接收機根據(jù)當前設(shè)置的搜索范圍進行信號捕獲;對捕獲的信號進行跟蹤，當失鎖時重新觸發(fā)信號捕獲;然后對跟蹤的信號進行后續(xù)處理，包括:進行位同步;之后判斷當前模式，如果是熱啟動模式，則計算偽距和偽距率，進行偽距預(yù)處理；如果是冷啟動，則先進行子幀匹配后再計算偽距和偽距率，進行偽距預(yù)處理，同時還進行導(dǎo)航電文解調(diào)，據(jù)以計算衛(wèi)星位置和速度;然后綜合偽距預(yù)處理結(jié)果，和經(jīng)導(dǎo)航電文計算出的衛(wèi)星位置和速度，解算接收機的位置和速度，完成最終的導(dǎo)航定位。
[0091]與上述方法相對應(yīng)，本實用新型實施例還提供了一種接收機，用于接收GNSS信號進行導(dǎo)航定位，如圖7所示，包括:
[0092]GNSS 接收天線 701;
[0093]本地時鐘702;
[0094]存儲器703，用于存儲衛(wèi)星星歷信息和上次導(dǎo)航定位信息；
[0095]第一運算器704，與本地時鐘702和存儲器703相連，用于根據(jù)存儲的衛(wèi)星星歷信息和本地時間計算當前歷元時刻衛(wèi)星星座的分布信息；以及根據(jù)當前歷元時刻衛(wèi)星星座的分布信息和上次導(dǎo)航定位信息計算當前可視衛(wèi)星；
[0096]控制器705，與所述第一運算器704相連，接收用戶選擇指令，從當前可視衛(wèi)星中確定目標衛(wèi)星；
[0097]信號捕獲電路706，與所述GNSS接收天線701和所述控制器705相連，用于捕獲目標衛(wèi)星信號；
[0098]信號跟蹤電路707，與所述信號捕獲電路706相連，用于對捕獲的目標衛(wèi)星信號進行跟蹤；
[0099]第二運算器708，與信號跟蹤電路707和存儲器703相連，根據(jù)跟蹤的目標衛(wèi)星信號解算接收機的位置和速度，并更新至存儲器中。
[0100]較佳地，所述存儲器703中還存儲有一搜索范圍的設(shè)置信息；
[0101]所述信號捕獲電路706還與所述存儲器703相連，在所述搜索范圍內(nèi)進行信號捕獲。
[0102]較佳地，還包括INS接收天線709、判別器710和第三運算器711，其中:
[0103]所述第三運算器711，與所述INS接收天線709相連，用于利用INS系統(tǒng)信號解算當前歷元時刻接收機的位置信息；
[0104]所述判別器710，與所述第三運算器711和所述存儲器703相連，用于判斷是否接收機當前的位置距離上次導(dǎo)航定位距離在一預(yù)設(shè)范圍之內(nèi)，且存儲的衛(wèi)星星歷信息處于有效期之內(nèi)，如果是，則判斷為熱啟動模式，觸發(fā)儲器703中存儲的搜索范圍信息更新，然后再觸發(fā)所述信號捕獲電路706執(zhí)行信號捕獲;如果否，則判斷為冷啟動模式，觸發(fā)所述信號捕獲電路706執(zhí)行信號捕獲。
[0105]較佳地，所述第三運算器711，用于利用INS信號解算當前歷元時刻接收機的位置和速度信息；根據(jù)衛(wèi)星星歷數(shù)據(jù)解算衛(wèi)星的位置和速度信息；結(jié)合解算出的接收機和衛(wèi)星的位置和速度信息計算出接收機至衛(wèi)星視線方向的單位矢量和偽距信息;根據(jù)所述單位矢量和偽距信息計算視線方向上的多普勒頻移和碼相位偏移;根據(jù)所述多普勒頻移和碼相位偏移確定搜索范圍的中心，根據(jù)INS解算的位置和速度信息的不確定度來設(shè)定搜索范圍，并更新至所述存儲器703中。
[0106]較佳地，所述信號跟蹤電路707包括:
[0107]第四運算器7071(圖中未示出)，與所述INS接收天線709和所述存儲器703相連，用于利用INS系統(tǒng)信號解算當前歷元時刻接收機的位置和速度信息;根據(jù)衛(wèi)星星歷數(shù)據(jù)解算衛(wèi)星的位置和速度信息;根據(jù)解算出的接收機和衛(wèi)星的位置和速度信息計算并預(yù)測視線方向上LOS的多普勒頻移信息；
[0108]反饋電路7072(圖中未示出)，與所述第四運算器7071相連，用于將所述多普勒頻移信息與載波環(huán)的環(huán)路濾波器輸出值相加，將結(jié)果反饋至載波數(shù)字控制振蕩器NCO中，以控制載波頻率的輸出。
[0109]較佳地，所述GNSS接收天線701包括GPS接收天線、GLONASS接收天線、GALILEO接收天線和北斗導(dǎo)航接收天線中的一種或者多種。
[0110]較佳地，所述第二運算器708將一種或者多種導(dǎo)航接收機接收到的衛(wèi)星信號進行時空歸一化處理后，進行數(shù)據(jù)融合處理后輸出作為GNSS導(dǎo)航信號，據(jù)以解算接收機的位置和速度。
[0111]較佳地，所述INS接收天線709采用捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)SINS接收天線。
[0112]較佳地，所述本地時鐘由機載守時設(shè)備提供。
[0113]根據(jù)所述公開的實施例，可以使得本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠?qū)崿F(xiàn)或者使用本實用新型。對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說，這些實施例的各種修改是顯而易見的，并且這里定義的總體原理也可以在不脫離本實用新型的范圍和主旨的基礎(chǔ)上應(yīng)用于其他實施例。以上所述的實施例僅為本實用新型的較佳實施例而已，并不用以限制本實用新型，凡在本實用新型的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本實用新型的保護范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項】
1.一種導(dǎo)航信號接收機，用于接收全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)GNSS信號進行導(dǎo)航定位，其特征在于，包括: GNSS接收天線； 本地時鐘； 存儲器，用于存儲衛(wèi)星星歷信息和上次導(dǎo)航定位信息； 第一運算器，與本地時鐘和存儲器相連，用于根據(jù)存儲的衛(wèi)星星歷信息和本地時間計算當前歷元時刻衛(wèi)星星座的分布信息；以及根據(jù)當前歷元時刻衛(wèi)星星座的分布信息和上次導(dǎo)航定位信息計算當前可視衛(wèi)星； 控制器，與所述第一運算器相連，接收用戶選擇指令，從當前可視衛(wèi)星中確定目標衛(wèi)星； 信號捕獲電路，與所述GNSS接收天線和所述控制器相連，用于捕獲目標衛(wèi)星信號； 信號跟蹤電路，與所述信號捕獲電路相連，用于對捕獲的目標衛(wèi)星信號進行跟蹤； 第二運算器，與信號跟蹤電路和存儲器相連，根據(jù)跟蹤的目標衛(wèi)星信號解算接收機的位置和速度，并更新至存儲器中。2.如權(quán)利要求1所述的接收機，其特征在于: 所述存儲器中還存儲有一搜索范圍的設(shè)置信息； 所述信號捕獲電路還與所述存儲器相連，在所述搜索范圍內(nèi)進行信號捕獲。3.如權(quán)利要求1所述的接收機，其特征在于，還包括慣性導(dǎo)航系統(tǒng)INS接收天線、判別器和第三運算器，其中: 所述第三運算器，與所述INS接收天線相連，用于利用INS系統(tǒng)信號解算當前歷元時刻接收機的位置信息； 所述判別器，與所述第三運算器和所述存儲器相連，用于判斷是否接收機當前的位置距離上次導(dǎo)航定位距離在一預(yù)設(shè)范圍之內(nèi)，且存儲的衛(wèi)星星歷信息處于有效期之內(nèi)，如果是，則判斷為熱啟動模式，觸發(fā)儲器中存儲的搜索范圍信息更新，然后再觸發(fā)所述信號捕獲電路執(zhí)行信號捕獲;如果否，則判斷為冷啟動模式，觸發(fā)所述信號捕獲電路執(zhí)行信號捕獲。4.如權(quán)利要求3所述的接收機，其特征在于: 所述第三運算器，用于利用INS信號解算當前歷元時刻接收機的位置和速度信息;根據(jù)衛(wèi)星星歷數(shù)據(jù)解算衛(wèi)星的位置和速度信息；結(jié)合解算出的接收機和衛(wèi)星的位置和速度信息計算出接收機至衛(wèi)星視線方向的單位矢量和偽距信息;根據(jù)所述單位矢量和偽距信息計算視線方向上的多普勒頻移和碼相位偏移;根據(jù)所述多普勒頻移和碼相位偏移確定搜索范圍的中心，根據(jù)INS解算的位置和速度信息的不確定度來設(shè)定搜索范圍。5.如權(quán)利要求1所述的接收機，其特征在于，還包括INS接收天線，所述信號跟蹤電路包括:第四運算器，與所述INS接收天線和所述存儲器相連，用于利用INS系統(tǒng)信號解算當前歷元時刻接收機的位置和速度信息;根據(jù)衛(wèi)星星歷數(shù)據(jù)解算衛(wèi)星的位置和速度信息;根據(jù)解算出的接收機和衛(wèi)星的位置和速度信息計算并預(yù)測視線方向上LOS的多普勒頻移信息；反饋電路，與所述第四運算器相連，用于將所述多普勒頻移信息與載波環(huán)的環(huán)路濾波器輸出值相加，將結(jié)果反饋至載波數(shù)字控制振蕩器NCO中，以控制載波頻率的輸出。6.如權(quán)利要求1所述的接收機，其特征在于: 所述GNSS接收天線包括GPS接收天線、GLONASS接收天線、GALILEO接收天線和北斗導(dǎo)航接收天線中的一種或者多種。7.如權(quán)利要求6所述的接收機，其特征在于: 所述第二運算器將一種或者多種導(dǎo)航接收機接收到的衛(wèi)星信號進行時空歸一化處理后，進行數(shù)據(jù)融合處理后輸出作為GNSS導(dǎo)航信號，據(jù)以解算接收機的位置和速度。8.如權(quán)利要求3或5所述的接收機，其特征在于: 所述INS接收天線采用捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)SINS接收天線。9.如權(quán)利要求1所述的接收機，其特征在于: 所述本地時鐘由機載守時設(shè)備提供。
【文檔編號】G01S19/24GK205643716SQ201620441775
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年5月14日
【發(fā)明人】徐靖然, 唐富春, 高鋒, 譚雙福, 衡國彬
【申請人】四川中衛(wèi)北斗科技有限公司