本發(fā)明屬于衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域，具體涉及gnss(globalnavigationsatellitessystem)接收機(jī)內(nèi)部多頻多系統(tǒng)偽隨機(jī)碼相位測量值與偽距測量值生成的gnss接收機(jī)碼相位估計(jì)與補(bǔ)償方法。

背景技術(shù)：

全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)能夠?yàn)橛脩籼峁┪恢?、速度、時(shí)間信息，并且具有全天候、全球覆蓋、實(shí)時(shí)、連續(xù)、高精度、高可靠性、成本低的特點(diǎn),廣泛的應(yīng)用到民用和軍用領(lǐng)域。在定位和導(dǎo)航方面如船舶遠(yuǎn)洋導(dǎo)航與進(jìn)港引導(dǎo)，汽車自主導(dǎo)航，飛機(jī)航路引導(dǎo)和進(jìn)場著艦，自動(dòng)化精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)，智慧城市與智能交通等；在授時(shí)和校頻領(lǐng)域如為電力、郵電、通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)提供精確的時(shí)間和頻率參考；在大地測量領(lǐng)域如機(jī)型地殼運(yùn)動(dòng)、工程測量、工程形變測量等。

全球一共有四全球大衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)以及若干區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，四大全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)分別是中國的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，俄羅斯的格洛納斯衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，美國的gps衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，和歐洲的伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)和伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)正在建設(shè)當(dāng)中；而區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)主要包括日本的準(zhǔn)天頂衛(wèi)星系統(tǒng)(qzss)印度的印度區(qū)域?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(irnss)。多頻多系統(tǒng)的聯(lián)合導(dǎo)航定位能夠提高可視衛(wèi)星數(shù)量、改善衛(wèi)星幾何分布、提高定位測速精度，隨著我國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展，多頻多系統(tǒng)聯(lián)合定位已經(jīng)成為衛(wèi)星導(dǎo)航的發(fā)展趨勢之一。

對任何衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，對gnss信號碼相位的測量精度直接決定了偽距測量的精度，進(jìn)而影響到定位和授時(shí)的精度。然而，影響gnss接收機(jī)測量gnss信號內(nèi)碼相位的困難會來自兩個(gè)方面：第一是射頻前端的濾波效應(yīng)，射頻前端濾波器使得接受到的碼信號發(fā)生形變，進(jìn)而破壞理想的碼信號呈現(xiàn)“三角形”的自相關(guān)特性，一方面本地碼在跟蹤接收碼的時(shí)候會產(chǎn)生公共誤差，另一方面基于理想的自相關(guān)特性的碼相位鑒別器輸出的碼相位誤差包含偏差，不但使得本地碼相位不能鎖定自相關(guān)峰，而且降低了碼相位測量精度，進(jìn)而影響偽距測量精度，這里需要注意的是，不同的gnss碼信號可能經(jīng)過了不同的射頻前端濾波器，因此不同類型的碼信號收到的影響是不一樣的，因此對應(yīng)碼信號的自相關(guān)曲線以及公共偏差是不相等的；第二是噪聲效應(yīng)，gnss衛(wèi)星信號中的噪聲很難被射頻前端濾波器以及相關(guān)運(yùn)算完全濾除，因此基于i/q相關(guān)值的碼相位鑒別器很難輸出不受噪聲干擾的碼相位誤差。因此，從受到到噪聲干擾和濾波效應(yīng)的接受碼信號中準(zhǔn)確的提取碼相位信息非常重要。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明目的在于針對估計(jì)gnss衛(wèi)星信號偽碼相位的技術(shù)問題，提出一種基于自相關(guān)曲線擬合的碼相位估計(jì)技術(shù)，用來克服射頻前端濾波效應(yīng)和噪聲帶來的對碼相位估計(jì)的困難的gnss接收機(jī)碼相位估計(jì)與補(bǔ)償方法。

本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的：

(1)運(yùn)用頻譜分析儀對第n個(gè)射頻前端中頻濾波器的幅頻特性和相頻特性進(jìn)行測量并記錄測量結(jié)果，射頻中頻濾波器的幅頻特性和相頻特性通過查閱對應(yīng)的射頻前端電路的數(shù)據(jù)手冊得到；在計(jì)算機(jī)上通過線性系統(tǒng)系統(tǒng)辨識的的方式，得到近似的射頻前端中頻濾波器的傳遞函數(shù)

(2)用軟件仿真的形式生成本地生成將要通過該射頻濾波器的gnss偽碼信號，衛(wèi)星號可以任意選擇；完成后，讓偽碼信號通過傳遞函數(shù)為的濾波器，并且記錄濾波之后的碼和濾波之前的碼在時(shí)域上的關(guān)系；稱濾波之后的碼為濾波碼，濾波之前的碼為原始碼；

(3)本地再產(chǎn)生一份對應(yīng)衛(wèi)星的偽隨機(jī)碼并且與濾波碼進(jìn)行相關(guān)，以確定使相關(guān)值最大的本地碼的相位，并且記錄下來，以此得到原始碼、濾波碼、本地碼在時(shí)域上的關(guān)系；通過測量本地碼與原始碼之間的碼相位偏差，來得到公共誤差；

(4)定義相關(guān)值最大處的碼相位誤差為0，再移動(dòng)本地碼相位與濾波碼做相關(guān)，以此得到碼相位誤差在[-1,1]碼片范圍內(nèi)的實(shí)際自相關(guān)值曲線的形狀；每次移動(dòng)碼相位的值記為c[chip]，理論上來說c的值越小，則得到的自相關(guān)曲線也就越精確，通常c可以取0.001chip；在每一次計(jì)算自相關(guān)值之后，自相關(guān)值要作歸一化處理，因此實(shí)際自相關(guān)曲線的最大值為1；

(5)對其他尚未完成擬合的射頻濾波器以及對應(yīng)的碼信號繼續(xù)執(zhí)行步驟(1)-(4)，以得gnss系統(tǒng)內(nèi)不同碼信號實(shí)際的自相關(guān)曲線以及公共誤差；全部完成后則可以進(jìn)入步驟(6)；

(6)接收機(jī)內(nèi)部采用相干預(yù)濾波器提取碼相位誤差；此相干預(yù)濾波器系統(tǒng)模型中的自相關(guān)曲線形狀由步驟(4)得到；相干預(yù)濾波器得到碼相位誤差后，可以裝入跟蹤環(huán)路中完成碼nco控制量生成；相干預(yù)濾波器估計(jì)的碼相位誤差修正對應(yīng)的公共誤差，得到修正后的碼相位誤差，進(jìn)而完成偽距測量；

(7)各個(gè)系統(tǒng)通過步驟(6)得到的碼相位誤差組裝偽距；并通過得到的偽距進(jìn)行導(dǎo)航解算，并且輸出導(dǎo)航解算的結(jié)果。

本發(fā)明的有益效果在于：

(1)自相關(guān)曲線擬合以及公共誤差的測量主要以軟件的方式完成，為整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了靈活性和便捷性。

(2)將自相關(guān)曲線擬合技術(shù)與公共誤差修正技術(shù)引入到相干預(yù)濾波器設(shè)計(jì)中來，精確的自相關(guān)曲線幫助相干預(yù)濾波器準(zhǔn)確的估計(jì)出碼相位誤差，此碼相位誤差進(jìn)入環(huán)路濾波器進(jìn)行碼nco計(jì)算，這可以使得本地碼能夠更加精確的鎖定自相關(guān)峰值；相干預(yù)濾波器輸出的碼相位誤差修正公共誤差后進(jìn)入偽距測量模塊，進(jìn)一步提高測距精度和時(shí)間測量精度,在多衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)系統(tǒng)聯(lián)合定位時(shí)具有更大的優(yōu)勢。

附圖說明

圖1為射頻前端中頻濾波器傳遞函數(shù)的辨識方法。

圖2為自相關(guān)曲線擬合和prn碼相位公共誤差測量的原理圖。

圖3為碼相位公共誤差計(jì)算原理圖。

圖4為自相關(guān)曲線擬合原理圖。

圖5為系統(tǒng)的偽碼相位生成的原理圖。

圖6為信號發(fā)射時(shí)間組裝公式。

具體實(shí)施方式

下面根據(jù)說明書附圖對該發(fā)明的具體實(shí)現(xiàn)方式做進(jìn)一步說明。

(1)運(yùn)用頻譜分析儀對第n個(gè)射頻前端中頻濾波器的幅頻特性和相頻特性進(jìn)行測量并記錄測量結(jié)果，射頻中頻濾波器的幅頻特性和相頻特性同樣可以通過查閱對應(yīng)的射頻前端電路的數(shù)據(jù)手冊得到。在計(jì)算機(jī)上通過線性系統(tǒng)系統(tǒng)辨識的的方式，得到近似的射頻前端中頻濾波器的傳遞函數(shù)

(2)用軟件仿真的形式生成本地生成將要通過該射頻濾波器的gnss偽碼信號，衛(wèi)星號可以任意選擇。完成后，讓偽碼信號通過傳遞函數(shù)為的濾波器，并且記錄濾波之后的碼和濾波之前的碼在時(shí)域上的關(guān)系。以下簡稱濾波之后的碼為濾波碼，濾波之前的碼為原始碼。

(3)本地再產(chǎn)生一份對應(yīng)衛(wèi)星的偽隨機(jī)碼(以下稱本地碼)，并且與濾波碼進(jìn)行相關(guān)，以確定使相關(guān)值最大的本地碼的相位，并且記錄下來，以此得到原始碼、濾波碼、本地碼在時(shí)域上的關(guān)系。通過測量本地碼與原始碼之間的碼相位偏差，來得到公共誤差。

(4)定義相關(guān)值最大處的碼相位誤差為0，再移動(dòng)本地碼相位與濾波碼做相關(guān)，以此得到碼相位誤差在[-1,1]碼片范圍內(nèi)的實(shí)際自相關(guān)值曲線的形狀。每次移動(dòng)碼相位的值記為c[chip]，理論上來說c的值越小，則得到的自相關(guān)曲線也就越精確，通常c可以取0.001chip；在每一次計(jì)算自相關(guān)值之后，自相關(guān)值要作歸一化處理，因此實(shí)際自相關(guān)曲線的最大值為1。

(5)實(shí)際射頻電路不僅有一個(gè)射頻濾波器，因此對其他尚未完成擬合的射頻濾波器以及對應(yīng)的碼信號繼續(xù)執(zhí)行步驟1～4，以得gnss系統(tǒng)內(nèi)不同碼信號實(shí)際的自相關(guān)曲線以及公共誤差。全部完成后則可以進(jìn)入步驟6。

(6)接收機(jī)內(nèi)部采用相干預(yù)濾波器提取碼相位誤差。此相干預(yù)濾波器系統(tǒng)模型中的自相關(guān)曲線形狀由步驟(4)得到。相干預(yù)濾波器得到碼相位誤差后，可以裝入跟蹤環(huán)路中完成碼nco控制量生成；相干預(yù)濾波器估計(jì)的碼相位誤差修正對應(yīng)的公共誤差，得到修正后的碼相位誤差，進(jìn)而完成偽距測量。

(7)各個(gè)系統(tǒng)通過步驟(6)得到的碼相位誤差組裝偽距。并通過得到的偽距進(jìn)行導(dǎo)航解算，并且輸出導(dǎo)航解算的結(jié)果。

如圖1所示首先根據(jù)射頻電路器件的數(shù)據(jù)手冊，或者采用頻譜分析儀實(shí)際測量的方式，確定射頻前端電路中頻濾波器n(n∈[0,n]，n為射頻電路所有不同中頻濾波器數(shù)量總和)的幅頻特性

an(ω)＝|gn(jω)|(1)

以及相頻特性

θn(ω)＝arggn(jω)(2)

二者組成射頻前端濾波器n的復(fù)數(shù)幅相特性：

gn(jω)＝an(ω)*cos(θn(ω))+an(ω)*sin(θn(ω))(3)

其中，ω為一系列離散的頻率點(diǎn)[rad/s]，j為虛數(shù)單位，將該頻域數(shù)據(jù)gn(jω)送入matlab線性系統(tǒng)辨識模塊中，則可通過軟件模擬出射頻前端中頻濾波器n的線性傳遞函數(shù)

如圖2所示，在得到射頻前端中頻濾波器n的傳遞函數(shù)之后，再生成通過該濾波器的gnss偽隨機(jī)碼信號，由于該生成碼尚未通過射頻濾波器，因此稱之為原始碼；然后使生成衛(wèi)星偽隨機(jī)碼通過該濾波器，得到濾波之后的碼，稱之為濾波碼；然后用本地生成的gnss偽隨機(jī)碼(本地碼)與濾波碼做相關(guān)，而且不斷改變本地碼相位，得到不同相位的本地碼與濾波碼之間的相關(guān)值，得到相關(guān)值之后做歸一化并記錄在在scope1中，記錄相關(guān)值最大處的碼相位誤差為0；記錄碼相位誤差為0時(shí)的本地碼、原始碼、濾波碼在scope2上，用來測量碼相位公共誤差。

如圖3所示，scope1展示的是碼相位誤差與相關(guān)值之間的關(guān)系，由于射頻前端的濾波效應(yīng)，自相關(guān)曲線不再是理想的三角形，而且具有兩個(gè)特性：非對稱性和平滑性。因此采用三次樣條差值的方法對其進(jìn)行擬合，取碼相位誤差為[-1,1]范圍及其對應(yīng)的相關(guān)值，作為曲線擬合的輸入，采用三次樣條差值的方法，對實(shí)際的自相關(guān)曲線進(jìn)行擬合。理想的三角形自相關(guān)曲線定義為r(δτ)，擬合后的實(shí)際曲線定義為rf(δτ)，δτ為碼相位誤差[chip]。

如圖4所示，scope2記錄了原始碼，濾波碼，本地碼的部分形態(tài)。其中此時(shí)本地碼相位保證了本地碼與濾波碼之間的相關(guān)值最大。由此可以看出，由于射頻前端帶寬有限，即使本地碼完全與濾波碼同步，但是仍然與原始碼存在恒定的偏移。通過scope2記錄的結(jié)果，可以測量出對應(yīng)的恒定偏移的大小。不同射頻濾波器的公共誤差并不相同，為了方便表達(dá)，將其統(tǒng)一記為δτcommon。

如圖5所示，為碼相位誤差估計(jì)的結(jié)構(gòu)。總體上采用相干預(yù)濾波器來提取相關(guān)值中包含的碼相位誤差信號。

其中，采用相干預(yù)濾波器來估計(jì)碼相位誤差。相干預(yù)濾波器采用卡爾曼濾波的形式，選擇信號幅度a、碼相位差δτ[chip]、載波相位差載波頻率差δf[hz]、載波頻率一階倒數(shù)作為狀態(tài)變量，選擇接收機(jī)內(nèi)部超前、滯后、及時(shí)相關(guān)器的同相、正交支路相關(guān)值ie,qe,ip,qp,il,ql作為觀測量。

其狀態(tài)量如下所示：

其中k為當(dāng)前歷元標(biāo)號。

其觀測量如下所示：

zk＝[ie,k,qe,k,ip,k,qp,k,il,k,ql,k]^t；(5)

其狀態(tài)模型如下式所示：

其中，tcoh為對應(yīng)通道內(nèi)的相干積分時(shí)間[s]，β為對應(yīng)通道處理的衛(wèi)星信號碼頻率與載波頻率的比值，qk為系統(tǒng)狀態(tài)噪聲協(xié)方差矩陣。

其觀測模型如下式所示：

其中，分別為觀測量中的觀測噪聲協(xié)方差。

觀測模型中用擬合得到的實(shí)際自相關(guān)曲線rf(δτ)代替理想的自相關(guān)曲線r(δτ)。由于觀測模型的非線性，因此采用擴(kuò)展卡爾曼濾波器來進(jìn)行濾波器更新。在相干預(yù)濾波器得到碼相位誤差估計(jì)值δτ之后，隨即將其裝入碼跟蹤環(huán)路，

相干預(yù)濾波器估計(jì)出碼相位誤差δτ，隨后要按下式修正公共偏差，以得到更加精確的碼相位誤差估計(jì)值，以進(jìn)一步參與偽距組裝。

如圖6所示，為gnss信號碼相位與發(fā)射時(shí)間組裝的原理圖。導(dǎo)航衛(wèi)星信號的載波、偽碼、電文三級調(diào)制的結(jié)構(gòu)本身就標(biāo)明了其發(fā)射時(shí)間，發(fā)射時(shí)間具體的組裝公式可以由下式得到：

其中，ts代表信號發(fā)射時(shí)間[s]，n代表距離幀頭的整周碼計(jì)數(shù)；tchip代表碼周期[s]；cp代表測量采樣點(diǎn)點(diǎn)處的碼相位[chip]，其取值范圍為[0,prn碼碼長)；代表碼相位誤差的估計(jì)值，單位為chip.

在得到導(dǎo)航衛(wèi)星信號的發(fā)射時(shí)間之后，可以進(jìn)一步得到對應(yīng)的偽距測量值，偽距組裝的公式由下式給出：

ηi＝c*(tr-ts,i)(11)

其中，ηi為第i顆衛(wèi)星的偽距測量值[m]，tr為接收機(jī)的測量時(shí)刻[s]，根據(jù)接收機(jī)時(shí)鐘得到，ts,i為第i顆衛(wèi)星信號的發(fā)射時(shí)間[s],c為光速[m/s]。在偽距得到之后，接收機(jī)便可以結(jié)合對應(yīng)衛(wèi)星星歷通過導(dǎo)航解算得到接收機(jī)的位置和速度。