一種接收機和衛星定位及測速方法
【專利摘要】本發明實施例公開了一種接收機和衛星定位和測速的方法。該接收機包括：基帶單元，用于為多個衛星導航系統中的定位衛星分配資源，并對分配有資源的定位衛星進行跟蹤捕獲，以得到各定位衛星的衛星信息，所述衛星信息包括偽距、坐標信息、速度信息和頻率信息等；計算單元，用于接收所述基帶單元傳送的所述衛星信息，并根據接收到的所述衛星信息，對所述衛星導航系統中的定位衛星進行分類和篩選，再根據接收到的所述衛星信息以及最小二乘法，進行定位解算和速度解算，進而分別獲得接收機的位置信息和速度信息。本發明實施例提供的接收機和衛星定位及測速方法能夠支持兩種及以上的衛星導航系統，并采用最小二乘法的計算思想，有效地提高了接收機的定位精度和測速精度。
【專利說明】一種接收機和衛星定位及測速方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及衛星導航【技術領域】，尤其涉及一種接收機和衛星定位及測速方法。
【背景技術】
[0002]北斗(BeiDou，簡稱BD)衛星導航系統是中國正在實施的自主研發、獨立運行的全球衛星導航系統，其與美國的全球定位系統(Global Posit1ning System,簡稱GPS)、俄羅斯的格羅納斯(Glonass)衛星導航系統、歐盟的伽利略(Galileo)衛星導航系統并稱為全球四大衛星導航系統。
[0003]現有的接收機，只能夠支持上述一種衛星導航系統，即只能根據接收到的同一衛星導航系統的衛星信號進行定位，尚未實現能夠支持兩種或兩種以上的衛星導航系統的接收機。
【發明內容】
[0004]本發明實施例提供一種接收機和衛星定位及測速方法，以使接收機能夠支持兩種或兩種以上的衛星導航系統，并使用最小二乘法的算法思想，提高接收機的定位精度及測速精度。
[0005]本發明提供一種接收機，用于包含多個衛星導航系統的導航應用中，該接收機包括:
[0006]基帶單元，用于為所述多個衛星導航系統中的定位衛星分配資源，并對分配有資源的定位衛星進行跟蹤捕獲，以得到各定位衛星的衛星信息，其中，所述衛星信息包括偽距、坐標/[目息、速度/[目息和頻率/[目息的；
[0007]計算單元，用于接收所述基帶單元傳送的所述衛星信息，并根據接收到的所述衛星信息，對所述多個衛星導航系統中的定位衛星進行分類和篩選，再根據接收到的所述衛星信息以及最小二乘法，進行定位解算和速度解算，進而分別獲得接收機的位置信息和速度?目息。
[0008]本發明提供一種衛星定位及測速方法，用于包含多個衛星導航系統的導航應用中，該衛星定位及測速方法包括:
[0009]接收衛星導航信號，并對接收到的衛星導航信號進行信號處理；為所述多個衛星導航系統中的定位衛星分配資源；對分配有資源的定位衛星進行跟蹤捕獲，以得到所述定位衛星的衛星信息，其中，所述衛星信息包括偽距、坐標信息、速度信息和頻率信息；根據接收到的所述衛星信息，對所述多個衛星導航系統中的定位衛星進行分類和篩選；根據接收到的所述衛星信息以及最小二乘法，進行定位解算，以獲得接收機的位置信息；根據接收到的所述衛星信息以及最小二乘法，進行速度解算，以獲得所述接收機的速度信息。
[0010]本發明實施例提供的接收機和衛星定位及測速方法，通過接收多個導航系統中多個導航衛星的衛星信息，并在位置解算和速度解算中采用最小二乘法的算法思想，從而提高了接收機的定位精度和測速精度。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0011]圖1是本發明一個實施例提供的衛星定位方法的流程圖；
[0012]圖2是本發明另一個實施例提供的衛星定位方法的流程圖；
[0013]圖3是圖2中雙模式衛星定位方法的流程圖；
[0014]圖4是根據本發明一個實施例的接收機的結構示意圖；
[0015]圖5所示為跟據本發明一個實施例的包含多個衛星導航系統的導航應用的結構圖；
[0016]圖6所示為根據本發明一個實施例的計算單元的處理流程圖；
[0017]圖7所示為根據本發明一個實施例的基于最小二乘法進行定位解算的流程圖；
[0018]圖8所示為根據本發明一個實施例的基于最小二乘法進行速度解算的流程圖。
【具體實施方式】
[0019]下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。
[0020]本實施例的衛星導航系統包括但不限于BD衛星導航系統、GPS系統、Glonass衛星導航系統以及Galileo衛星導航系統等。每個衛星導航系統包括若干個衛星。本實施例中，將接收機能夠接收到衛星信號的衛星稱之為定位衛星。以BD衛星導航系統為例，BD衛星導航系統包括九顆BD衛星，在2020年的規劃中，BD衛星導航系統將具有30顆可用衛星。如果接收機能夠接收到六顆BD衛星的BD衛星信號，則將該六顆BD衛星稱之為BD定位衛星。
[0021]如圖1所示，為本發明一個實施例提供的衛星定位方法的流程圖，該方法包括以下步驟:
[0022]步驟S10、檢測接收機接收到的衛星信號是否來自不同的η個衛星導航系統，其中，η為大于I的整數；
[0023]步驟S20、若接收到來自一個以上的衛星導航系統的衛星信號，則根據各衛星信號對應的各衛星導航系統中的定位衛星的衛星信息來計算接收機的位置信息，以及接收機相對于各衛星導航系統的時鐘偏差對應的位移量。
[0024]其中，定位衛星的衛星信息具體可以包括該定位衛星的偽距、坐標信息、頻率信息、多普勒、星歷、速度信息等。接收機的定位信息具體可以包括位置信息和速度信息。
[0025]如圖2所示，為本發明另一實施例提供的衛星定位方法的流程圖，本實施例以接收到BD衛星導航系統的衛星信號和GPS系統的衛星信號為例進行說明，即接收機接收到了GPS衛星信號和BD衛星信號。該方法包括以下步驟:
[0026]步驟S11、判斷是否接收到GPS衛星信號，是則執行步驟S12，否則執行步驟S13 ；
[0027]步驟S12、判斷是否接收到BD衛星信號，是則執行步驟S17，否則執行步驟S15 ；
[0028]步驟S13、判斷是否接收到BD衛星信號，是則執行步驟S16，否則執行步驟S14 ；
[0029]步驟S15，利用GPS衛星信號對接收機進行定位；
[0030]步驟S16、利用BD衛星信號對接收機進行定位；
[0031]步驟S17、利用GPS衛星信號和BD衛星信號對接收機進行定位；
[0032]步驟S14、不能夠實現定位，繼續檢測是否接收到衛星信號。
[0033]在上述步驟中，以先判斷是否接收到GPS衛星信號為例進行說明。事實上，判斷是否接收到某一衛星信號的順序不限于此，本領域技術人員可以明白:也可以先判斷接收到的信號是否是BD衛星信號，或者先判斷是否接收到了 BD衛星信號；還可以先判斷接收到的衛星?目號是否是Galileo衛星彳目號或Glonass衛星彳目號。
[0034]由于BD衛星信號、GPS衛星信號和Galileo衛星信號均基于碼分多址(CodeDivis1n Multiple Access，簡稱CDMA)技術，因此在步驟Sll、步驟S12和步驟S13中，接收機可以通過I支路普通測距碼來識別接收到的衛星信號是BD衛星信號還是GPS衛星信號，也可以用I支路普通測距碼來識別Galileo衛星信號。但是Glonass衛星信號基于頻分多址(Frequency Divis1n Multiple Access,簡稱FDMA)技術,接收機可以通過頻率來識別是否是Glonass衛星信號。衛星導航系統可以通過頻率信息來區分，衛星導航系統中的衛星可以通過碼信息來區分。
[0035]具體言之，BD衛星信號和GPS衛星信號的數學表達式如下:
[0036]Sj = ACjDjCOS (2 π ft+ Θ J)
[0037]該表達式也適用于Galileo衛星信號。其中A表示調制于I支路的普通測距碼幅度，C表示I支路普通測距碼，D表示I支路上的導航電文數據，f表示衛星信號的載波頻率，t表示衛星信號的發射時間，j表示衛星的ID，S^_表示衛星ID為j的衛星發射的信號，Θ表示各衛星信號的初始載波相位，各個衛星的Θ值可能不同。在衛星側，該公式中的各個參數均為已知，在接收機側，需要通過信號捕獲和跟蹤獲知這些參數。此外，各個衛星導航系統的f值各不相同，但由于BD衛星信號、GPS衛星信號和Galileo衛星信號均基于CDMA技術，該三種系統內的同一信號段的發射頻率是一樣的；而Glonass衛星信號是基于FDMA技術，因此Glonass衛星導航系統內的各衛星是通過不同的發射頻率來區分的。
[0038]每一顆BD衛星、GPS衛星和Galileo衛星都具有唯一的偽隨機數(pseudo-randomnumber,簡稱PRN)產生規則，因此可以通過偽隨機數序列(公式Sj = ACjDjcos (2 π ft+ Θ J)中的C)來識別具體是哪一種衛星信號。對接收機而言，可以通過重建衛星的偽隨機數序列來搜索和識別當前可用的衛星信號。該重建過程具體為如下:偽隨機數序列的產生規則方法均通過各衛星導航系統的界面控制文件(Interface Control Document,簡稱1))公布，因此，接收機需要搜索衛星可能的接收頻率和偽隨機數信息，在接收到一顆衛星的衛星信號后，可以得到I支路上的導航電文數據D和載波相位Θ，并且基帶通道會產生和該顆衛星一致的偽隨機數序列，并嘗試對該衛星進行捕獲和跟蹤，如果捕獲跟蹤成功，則說明當前的輸入信號中存在這顆衛星信號。此外，只有當本地重建的PRN與輸入信號的PRN —致時，CDMA出現相關峰，因此，可以通過設置相應的捕獲門限來檢測CDMA的相關峰，以判斷是否捕獲成功。
[0039]衛星一般會廣播兩種測距碼，分別加載在衛星信號的I支路和Q支路上。以BD衛星導航系統為例，其中I支路為民用普通測距碼；0支路為專業領域(如軍用)精密測距碼，需要得到授權，接收機才能接收。
[0040]對于步驟S15和步驟S16，即只接收到一個衛星導航系統的衛星信號時，例如只接收到了 BD衛星信號，接收機通過下述公式(1-1)至(1-m)來確定其位置信息和接收機相對于BD衛星導航系統的時鐘偏差對應的位移量。
【權利要求】
1.一種接收機，用于包含多個衛星導航系統的導航應用中，其特征在于，所述接收機至少包括: 基帶單元，用于為所述多個衛星導航系統中的定位衛星分配資源，并對分配有資源的定位衛星進行跟蹤捕獲，以得到所述定位衛星的衛星信息，其中，所述衛星信息至少包括偽距、坐標/[目息、速度/[目息和頻率/[目息； 計算單元，用于接收所述基帶單元傳送的所述衛星信息，并根據接收到的所述衛星信息，對所述多個衛星導航系統中的定位衛星進行分類和篩選，再根據接收到的所述衛星信息以及最小二乘法，進行定位解算和速度解算，進而分別獲得接收機的位置信息和速度信肩、O
2.根據權利要求1所述的接收機，其特征在于，所述接收機還包括: 天線，用于接收來自所述多個衛星導航系統中多個衛星的衛星導航信號； 射頻信號處理單元，用于處理所述衛星導航信號，進而得到所述基帶單元可以處理的中頻信號。
3.根據權利要求1所述的接收機，其特征在于，所述計算單元對所述多個衛星導航系統中的定位衛星進行分類是根據所接收到的所述衛星信號的I支路普通測距碼判斷該衛星信號是否來自北斗衛星導航系統、全球定位系統或者伽利略衛星導航系統，以及 根據所接收到的所述衛星信號的頻率判斷該衛星信號是否來自格羅納斯衛星導航系統。
4.根據權利要求1所述的接收機，其特征在于，所述計算單元根據所獲得的所述衛星信息對所述多個衛星導航系統中的定位衛星進行篩選，以使得跟蹤質量較差的定位衛星的衛星信息將不用于計算所述接收機的位置信息。
5.根據權利要求1所述的接收機，其特征在于，所述計算單元在進行定位解算時，基于最小二乘法，有如下的觀測方程:
Z = HX+v 其中，X是狀態向量，Z是觀測向量，H是觀測矩陣，V是觀測向量中的噪聲向量； 根據所述觀測方程計算出所述狀態向量X，以得到所述接收機的位置信息。
6.根據權利要求5所述的接收機，其特征在于，所述狀態向量X和所述觀測向量Z分別為:
其中，Abui表示與所述接收機相對于所述第i衛星導航系統的時鐘偏差對應的位移量與起始值的偏差，Λ P ,j是第i個導航系統中第j顆定位衛星到接收機的測量偽距與估計偽距的偏差，M表示參與定位解算的導航系統的個數，Ni表示第i個導航系統中參與定位解算的衛星的個數，(Δχ, Ayu, Azu)為所述接收機位置信息相對于起始值的偏差。
7.根據權利要求6所述的接收機，其特征在于，所述觀測矩陣H為((NJN2+-+Nm) X (3+Μ))的矩陣:
其中，R為V的協方差矩陣，反映每個觀測值的噪聲。 其中，?ixj = (K - X")/? , aiyi = (y? — Jid/h , ?iZj = (z? - yy)/?"，表示第 i 個導航系統中的第j顆衛星的相關參數，其中A，％，氧!分別為接收機位置在ECEF坐標下X，1，z方向的起始值，Pij為第i個導航系統中第j顆定位衛星到接收機的估計距離。
8.根據權利要求5所述的接收機，其特征在于，所述計算單元根據如下的最小二乘法的估算公式求解所述定位解算的觀測方程: X = (H1H)-1HiZ O
9.根據權利要求5所述的接收機，其特征在于，所述計算單元根據如下的加權最小二乘法的估算公式求解所述定位解算的觀測方程:.tnr?^j-t
X= (HTR—1H^T1HtIT1Z 其中，R為V的協方差矩陣，反映每個觀測值的噪聲。
10.根據權利要求8或9所述的接收機，其特征在于，所述計算單元判斷所述狀態向量的估算值_X是否收斂于允許的范圍內；若是，則結束定位解算，并由所述估算值求解出所述接收機的所述位置信息；若不是，則將狀態向量更新為所述估算值_竟，并繼續進行對所述狀態向量的估算。
11.根據權利要求1所述的接收機，其特征在于，所述計算單元在進行速度解算時，有如下的觀測方程
d = Hg 其中，d是觀測向量、g是狀態向量及H是觀測矩陣； 根據所述觀測方程計算出所述狀態向量g，以得到所述接收機的速度信息。
12.根據權利要求11所述的接收機，其特征在于，所述觀測向量d所述狀態向量g及所述觀測矩陣H分別為:
其中，
表示所述接收機對第i衛星導航系統的第j定位衛星的接收頻率，fTiJ表示所述第i衛星導航系統的所述第j定位衛星的發射頻率； C表不光速； (viJ x, Vij y, Vij z)分別表示所述第i衛星導航系統的所述第j定位衛星在定位時刻的速度信息； (JCi,，丨為所述接收機的速度?目息； t為所述接收機的本地時鐘變化率；以及
U (aiJ x, aiJ y, aiJ z)分別表示所述第i衛星導航系統的所述第j定位衛星相對于所述接收機的方向向量，并且 a。—x = (Xij-Xu)/r> aiJ y = (Yij-Yu)/r> Bij z = (Zij-Zu)/r,其中:r為所述接收機相對于所述第i衛星導航系統的所述第j定位衛星的距離， (Xij, Yij, Zij)為所述第i衛星導航系統的所述第j定位衛星在定位時刻的位置信息，以及 (xu, yu, zu)為所述接收機在定位時刻的位置信息。
13.—種衛星定位及測速方法，用于包含多個衛星導航系統的導航應用中，其特征在于，所述衛星定位以及測速方法至少包括以下步驟: 接收衛星導航信號，并對接收到的衛星導航信號進行信號處理； 為所述多個衛星導航系統中的定位衛星分配資源； 對分配有資源的定位衛星進行跟蹤捕獲，以得到所述定位衛星的衛星信息，其中，所述衛星信息至少包括偽距、坐標信息、速度信息和頻率信息； 根據接收到的所述衛星信息，對所述多個衛星導航系統中的定位衛星進行分類和篩選; 根據接收到的所述衛星信息以及最小二乘法，進行定位解算，以獲得接收機的位置信息； 根據接收到的所述衛星信息以及最小二乘法，進行速度解算，以獲得所述接收機的速度?目息。
14.根據權利要求13所述的衛星定位及測速方法，其特征在于，所述根據所述衛星信息，對所述多個衛星導航系統中的定位衛星進行分類和篩選的步驟進一步包括: 根據所述衛星信息，按照不同的衛星導航系統對所述定位衛星進行分類；根據所述衛星信息，對所述多個衛星導航系統中的所述定位衛星進行篩選，以使得跟蹤質量較差的定位衛星的衛星信息將不用于計算所述接收機的所述位置信息。
15.根據權利要求13所述的衛星定位及測速方法，其特征在于，所述根據所述衛星信息以及最小二乘法，進行定位解算，以獲得接收機的位置信息的步驟進一步包括: 確定如下的觀測方程:
Z = HX+v 其中，X是狀態向量，Z是觀測向量，H是觀測矩陣，V是觀測向量中的噪聲向量； 根據所述觀測方程計算出所述狀態向量X，以得到所述接收機的位置信息。
16.根據權利要求15所述的衛星定位及測速方法，其特征在于，所述狀態向量X和所述觀測向量Z分別為:
X= [ Axu，Ayu, Azu, Abul, Abu2,..., AbJ1
其中，Abui表示與所述接收機相對于所述第i衛星導航系統的時鐘偏差對應的位移量與起始值的偏差，Λ P ,j是第i個導航系統中第j顆定位衛星到接收機的測量偽距與估計偽距的偏差，M表示參與定位解算的導航系統的個數，Ni表示第i個導航系統中參與定位解算的衛星的個數，(Δχ, Ayu, Azu)為所述接收機位置信息相對于起始值的偏差，Abui表示與所述接收機相對于所述第i衛星導航系統的時鐘偏差對應的位移量與起始值的偏差。
17.根據權利要求16所述的衛星定位及測速方法，其特征在于，所述觀測矩陣H為((N^N2+-+Nm) X (3+M))的矩陣:
其中，--κ? = (% - XiJAi, aiyi = (y? — y")/%，aizj =(? — y1/f'ij，表示第 ?個導航系統中的第j顆衛星的相關參數，其中Su，，Zu分別為接收機位置在ECEF坐標下X，y，z方向的起始值，Pij為第i個導航系統中第j顆定位衛星到接收機的估計距離。
18.根據權利要求17所述的衛星定位及測速方法，其特征在于，所述定位解算的觀測方程可以根據如下的最小二乘法的估算公式求解: X= (HtH)H
19.根據權利要求17所述的衛星定位及測速方法，其特征在于，所述定位解算的觀測方程可以根據如下的加權最小二乘法的估算公式求解:
X = (HtR-1H)-1HtR-1Z 其中，R為V的協方差矩陣，反映每個觀測值的噪聲。
20.根據權利要求18或19所述的衛星定位及測速方法，其特征在于，所述衛星定位及測速方法還包括判斷所述狀態向量的估算值又是否收斂于允許的范圍內；若是，則結束定位解算，由所述估算值.X求出所述接收機的所述位置信息；若不是，則將狀態向量更新為所述估算值X,并繼續進行對所述狀態向量的估算。
21.根據權利要求13中所述的衛星定位及測速方法，其特征在于，所述根據接收到的所述衛星信號對所述多個衛星導航系統中的定位衛星進行分類的步驟進一步包括: 根據接收到的所述衛星信號的I支路普通測距碼判斷該衛星信號是否來自北斗衛星導航系統、全球定位系統或者伽利略衛星導航系統，以及 根據接收到的所述衛星信號的頻率判斷該衛星信號是否來自格羅納斯衛星導航系統。
22.根據權利要求13所述的衛星定位及測速方法，其特征在于，根據衛星信息以及最小二乘法，進行速度解算，以獲得所述接收機的速度信息的步驟進一步包括: 確定如下的觀測方程 d = Hg 其中，d是觀測向量、g是狀態向量及H是觀測矩陣； 根據所述觀測方程計算出所述狀態向量g，以得到所述接收機的速度信息。
23.根據權利要求22所述的衛星定位及測速方法，其特征在于，所述觀測向量d、所述狀態向量g及所述觀測矩陣H分別為:
其中，
表示所述接收機對所述第i衛星導航系統的所述第j定位衛星的接收頻率，fTiJ表示所述第i衛星導航系統的所述第j定位衛星的發射頻率； C表不光速； (viJ x, Vij y, Vij z)分別表示所述第i衛星導航系統的所述第j定位衛星在定位時刻的速度信息； (Hh為所述接收機的速度信息； /M為所述接收機的本地時鐘變化率；以及 (aiJ x, aiJ y, aiJ z)分別表示所述第i衛星導航系統的所述第j定位衛星相對于所述接收機的方向向量，并且 a。—x = (Xij-Xu)/r> aiJ y = (Yij-Yu)/r> a1J z = (Zij-Zu)/r,其中:r為所述接收機相對于所述第i衛星導航系統的所述第j定位衛星的距離， (Xij, Yij, Zij)為所述第i衛星導航系統的所述第j定位衛星在定位時刻的位置信息，以及 (xu, yu, zu)為所 述接收機在定位時刻的位置信息。
【文檔編號】G01S19/33GK104181561SQ201310199019
【公開日】2014年12月3日 申請日期:2013年5月24日 優先權日:2013年5月24日
【發明者】茍娟, 鄒景華, 張衛華 申請人:凹凸電子（武漢）有限公司