基于北斗二代卫星导航系统的接收机深组合实现方法

摘要

本发明公开了基于北斗二代卫星导航系统的接收机深组合实现方法，通过惯导系统辅助，为接收机载波跟踪环提供精确的速度辅助，再利用载波跟踪环闭环为码跟踪环提供载波辅助，消除载波跟踪环和码跟踪环中的载体的大部分动态因素，从而降低载波跟踪环和码跟踪环的阶数，将噪声带宽降低，实现了克服了紧组合技术无法改善接收机跟踪卫星信号的鲁棒性和测量值的质量，对接收机环路辅助后可将滤波器带宽压窄，提高接收机的高动态适应能力、跟踪灵敏度以及抗干扰性能的技术效果。

说明书

技术领域

本发明涉及卫星与惯性组合导航领域，尤其涉及基于北斗二代卫星导航系统的接收机深组合实现方法。 

背景技术

现有的卫星导航接收机与惯性导航组合导航使用的组合方式主要有松组合、紧组合以及深组合。市场上的卫星导航接收机主要采用的组合方式为松组合或紧组合方式。深组合接收机目前有很多学校和科研单位都在研究，但是大多都还处于试验和验证阶段，还未发现有国内研发的同类深组合卫星导航接收机应用于产品中。 

紧组合接收机的实现方式为：惯导输出定位、测速结果到接收机和卡尔曼滤波器，接收机根据位置、速度和卫星星历可以更加准确的预测出卫星信号的伪距和多普勒频移等，而这些测量预测值与接收机实际测量值形成误差信号，再经卡尔曼滤波器得到惯导子系统定位、定速结果的校正量。卫星导航接收机利用组合导航模块计算出的卫星伪距、伪距率等信息辅助捕获卫星信号，实现卫星信号的快速捕获。同时，准确的BD2（北斗二代）卫星测量预测值还可以用来有效地检测接收机实际测量值的正误，排除那些比如遭多路径影响的错误伪距、由反射波信号引起的异常多普勒频移以及由失锁或失周带来的故障波相位测量值等。 

虽然紧组合接收机能利用组合导航模块计算出的卫星伪距、伪距率等信息辅助捕获卫星信号，实现卫星信号的快速捕获，并且也能检测出一些错误的BD2卫星和传感器测量值，但是对于提高接收机跟踪卫星信号的鲁棒性和改善接收机测量值的质量基本上没有帮助，原因在于紧组合未有效降低跟踪环路的动态应力误差及噪声。为了提高接收机性能，可采用惯导辅助接收机环路实现深组合，进而提高接收机的高动态适应能力、跟踪灵敏度以及测量精度。 

综上所述，本申请发明人在实现本申请实施例中发明技术方案的过程中，发现上述技术至少存在如下技术问题： 

在现有技术中，由于现有的卫星导航接收机与惯性导航组合导航主要使用松组合、紧组合的组合方式，而紧组合未有效降低跟踪环路的动态应力误差及噪声，导致对于提高接收机跟踪卫星信号的鲁棒性和改善接收机测量值的质量基本上没有帮助，所以，现有的卫星导航接收机与惯性导航组合导航方式存在无法提高接收机跟踪卫星信号的鲁棒性和改善接收机测量值的质量，以及接收机的高动态适应能力、跟踪灵敏度以及测量精度较差的技术问题。

发明内容

本发明提供了基于北斗二代卫星导航系统的接收机深组合实现方法，解决了现有的卫星导航接收机与惯性导航组合导航方式存在无法提高接收机跟踪卫星信号的鲁棒性和改善接收机测量值的质量，以及接收机的高动态适应能力、跟踪灵敏度以及测量精度较差的技术问题，实现了克服了紧组合技术无法改善接收机跟踪卫星信号的鲁棒性和测量值的质量，对接收机环路辅助后可将滤波器带宽压窄，提高接收机的高动态适应能力、跟踪灵敏度以及抗干扰性能的技术效果。 

为解决上述技术问题，本申请实施例提供了基于北斗二代卫星导航系统的接收机深组合实现方法，所述方法包括： 

首先，接收机在捕获到北斗二代卫星后将北斗二代系统时间和卫星信息发送到组合导航模块，同时，惯导将所述北斗二代的位置和速度发送到所述组合导航模块；

然后，所述组合导航模块根据所述接收机和所述惯导发送的信息进行伪距和多普勒预测；

然后，所述组合导航模块对预测的伪距、伪距率、加速度和加加速度进行卡尔曼滤波，得出伪距和多普勒频移估计值； 

然后，所述组合导航模块将滤波结果返回到所述接收机，所述接收机利用上一时刻伪距和伪距率信息推算当前时刻的环路DDS值辅助载波环路跟踪，减小环路滤波器的滤波带宽，同时对INS/DR传感器进行偏差校正；

最后，所述组合导航模块利用所述惯导的位置、速度和卡尔曼滤波得出的位置与速度误差估计值拟合出最优位置和速度估计值。

进一步的，所述接收机在捕获到北斗二代卫星后将北斗二代系统时间和卫星信息发送到组合导航模块具体为：所述接收机在捕获到北斗二代卫星后将北斗二代系统时间和卫星信息以第一数据更新率发送到组合导航模块，所述组合导航模块将滤波结果返回到所述接收机具体为：所述组合导航模块将滤波结果以所述第一数据更新率返回到所述接收机。 

进一步的，所述接收机和所述组合导航模块以及所述惯导和所述组合导航模块之间采用TI 公司DSP芯片自带的EMIF接口总线方式进行数据交互。 

进一步的，所述接收机利用上一时刻伪距和伪距率信息推算当前时刻的环路DDS值辅助载波环路跟踪之前还包括：先利用伪距和伪距率预测值采用递推的方法值估计出卫星信号的载波多普勒频率DDS值。 

进一步的，所述卫星信号的载波多普勒频率DDS值的计算方式为： 

  （1）

其中，V为伪距率，a为加速度，j为加加速度，t为时间，w为伪距到多普勒的转换系数。

本申请实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点： 

由于采用了首先接收机在捕获到北斗二代卫星后将北斗二代系统时间和卫星信息发送到组合导航模块，同时，惯导将所述北斗二代的位置和速度发送到所述组合导航模块，然后所述组合导航模块根据所述接收机和所述惯导发送的信息进行伪距和多普勒预测，然后所述组合导航模块对预测的伪距、伪距率、加速度和加加速度进行卡尔曼滤波，得出伪距和多普勒频移估计值，然后所述组合导航模块将滤波结果返回到所述接收机，所述接收机利用上一时刻伪距和伪距率信息推算当前时刻的环路DDS值辅助载波环路跟踪，减小环路滤波器的滤波带宽，同时对INS/DR传感器进行偏差校正，最后所述组合导航模块利用所述惯导的位置、速度和卡尔曼滤波得出的位置与速度误差估计值拟合出最优位置和速度估计值的技术方案，即通过惯导系统辅助，为接收机载波跟踪环提供精确的速度辅助，再利用载波跟踪环闭环为码跟踪环提供载波辅助，消除载波跟踪环和码跟踪环中的载体的大部分动态因素，从而降低载波跟踪环和码跟踪环的阶数，将噪声带宽降低，所以，有效解决了现有的卫星导航接收机与惯性导航组合导航方式存在无法提高接收机跟踪卫星信号的鲁棒性和改善接收机测量值的质量，以及接收机的高动态适应能力、跟踪灵敏度以及测量精度较差的技术问题，进而实现了克服了紧组合技术无法改善接收机跟踪卫星信号的鲁棒性和测量值的质量，对接收机环路辅助后可将滤波器带宽压窄，提高接收机的高动态适应能力、跟踪灵敏度以及抗干扰性能的技术效果。

附图说明

图1是本申请实施例一中基于北斗二代卫星导航系统的接收机深组合实现方法的流程图； 

图2是本申请实施例一中卫星导航接收机深组合的实现原理图。

具体实施方式

本发明提供了基于北斗二代卫星导航系统的接收机深组合实现方法，解决了现有的卫星导航接收机与惯性导航组合导航方式存在无法提高接收机跟踪卫星信号的鲁棒性和改善接收机测量值的质量，以及接收机的高动态适应能力、跟踪灵敏度以及测量精度较差的技术问题，实现了克服了紧组合技术无法改善接收机跟踪卫星信号的鲁棒性和测量值的质量，对接收机环路辅助后可将滤波器带宽压窄，提高接收机的高动态适应能力、跟踪灵敏度以及抗干扰性能的技术效果。 

本申请实施中的技术方案为解决上述技术问题。总体思路如下： 

采用了首先接收机在捕获到北斗二代卫星后将北斗二代系统时间和卫星信息发送到组合导航模块，同时，惯导将所述北斗二代的位置和速度发送到所述组合导航模块，然后所述组合导航模块根据所述接收机和所述惯导发送的信息进行伪距和多普勒预测，然后所述组合导航模块对预测的伪距、伪距率、加速度和加加速度进行卡尔曼滤波，得出伪距和多普勒频移估计值，然后所述组合导航模块将滤波结果返回到所述接收机，所述接收机利用上一时刻伪距和伪距率信息推算当前时刻的环路DDS值辅助载波环路跟踪，减小环路滤波器的滤波带宽，同时对INS/DR传感器进行偏差校正，最后所述组合导航模块利用所述惯导的位置、速度和卡尔曼滤波得出的位置与速度误差估计值拟合出最优位置和速度估计值的技术方案，即通过惯导系统辅助，为接收机载波跟踪环提供精确的速度辅助，再利用载波跟踪环闭环为码跟踪环提供载波辅助，消除载波跟踪环和码跟踪环中的载体的大部分动态因素，从而降低载波跟踪环和码跟踪环的阶数，将噪声带宽降低，所以，有效解决了现有的卫星导航接收机与惯性导航组合导航方式存在无法提高接收机跟踪卫星信号的鲁棒性和改善接收机测量值的质量，以及接收机的高动态适应能力、跟踪灵敏度以及测量精度较差的技术问题，进而实现了克服了紧组合技术无法改善接收机跟踪卫星信号的鲁棒性和测量值的质量，对接收机环路辅助后可将滤波器带宽压窄，提高接收机的高动态适应能力、跟踪灵敏度以及抗干扰性能的技术效果。

为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。 

实施例一： 

在实施例一中，提供了基于北斗二代卫星导航系统的接收机深组合实现方法，请参考图1-图2，所述方法包括：

S10，接收机在捕获到北斗二代卫星后将北斗二代系统时间和卫星信息发送到组合导航模块，同时，惯导将所述北斗二代的位置和速度发送到所述组合导航模块；

S20，所述组合导航模块根据所述接收机和所述惯导发送的信息进行伪距和多普勒预测；

S30，所述组合导航模块对预测的伪距、伪距率、加速度和加加速度进行卡尔曼滤波，得出伪距和多普勒频移估计值； 

S40，所述组合导航模块将滤波结果返回到所述接收机，所述接收机利用上一时刻伪距和伪距率信息推算当前时刻的环路DDS值辅助载波环路跟踪，减小环路滤波器的滤波带宽，同时对INS/DR传感器进行偏差校正；

S50，所述组合导航模块利用所述惯导的位置、速度和卡尔曼滤波得出的位置与速度误差估计值拟合出最优位置和速度估计值。

其中，在实际应用中，最优位置和速度估计值为惯导测量的位置和速度加上卡尔曼滤波得出的用户位置和速度误差估计值。 

相对于紧组合方式，深组合是在紧组合上进行改进，卡尔曼滤波器通过卫星星历推算卫星运动状态与惯导的定位定速结果相拟合，预测出卫星下一个时刻的伪距、伪距率以及加速度、加加速度等信息。接收机根据这些信息进行环路推算并用于环路跟踪。 

深组合的改进：接收机能够充分利用惯导系统提供的辅助数据进行环路辅助，惯导辅助使得接收机在高动态情况和干扰环境下更好地工作及增加抵抗干扰的鲁棒性； 

通过惯导系统辅助，为接收机载波跟踪环提供精确的速度辅助，再利用载波跟踪环闭环为码跟踪环提供载波辅助，消除载波跟踪环和码跟踪环中的载体的大部分动态因素，从而降低载波跟踪环和码跟踪环的阶数，将噪声带宽降低。理想情况下，对于一个经惯导辅助的卫星接收机载波跟踪环路带宽从18HZ压窄到3HZ将获得8dB左右的抗干扰能力提升

其中，在本申请实施例中，所述接收机在捕获到北斗二代卫星后将北斗二代系统时间和卫星信息发送到组合导航模块具体为：所述接收机在捕获到北斗二代卫星后将北斗二代系统时间和卫星信息以第一数据更新率发送到组合导航模块，所述组合导航模块将滤波结果返回到所述接收机具体为：所述组合导航模块将滤波结果以所述第一数据更新率返回到所述接收机。

其中，在实际应用中，所述第一数据更新率具体为：100Hz以上的数据更新率。 

其中，在实际应用中，组合导航模块根据接收机和惯导发送的信息进行伪距和多普勒预测。根据接收机发送的时间和星历，可以推算当前时刻卫星位置和速度，根据惯导信息可知前一时刻载体的位置、速度、加速度以及加加速度，已知载体位置、速度和卫星的位置、速度则可计算出当前时刻的伪距和多普勒，多普勒预测准确则接收机能够稳定跟踪卫星 

其中，在实际应用中，卡尔曼滤波为一种较为常见的滤波方式。数据滤波是去除噪声还原真实数据的一种数据处理技术，Kalman滤波在测量方差已知的情况下能够从一系列存在测量噪声的数据中，估计动态系统的状态. 由于, 它便于计算机编程实现, 并能够对现场采集的数据进行实时的更新和处理，Kalman滤波是目前应用最为广泛的滤波方法，在通信，导航，制导与控制等多领域得到了较好的应用。

其中，在本申请实施例中，所述接收机和所述组合导航模块以及所述惯导和所述组合导航模块之间采用TI 公司DSP芯片自带的EMIF接口总线方式进行数据交互。其中，在本申请实施例中，所述惯导具体为惯性导航系统。 

其中，在本申请实施例中，所述接收机利用上一时刻伪距和伪距率信息推算当前时刻的环路DDS值辅助载波环路跟踪之前还包括：先利用伪距和伪距率预测值采用递推的方法值估计出卫星信号的载波多普勒频率DDS值。 

其中，在实际应用中，接收机和组合导航以及惯导和组合导航之间采用TI 公司DSP芯片自带的EMIF接口总线方式进行数据交互，数据交互频率越快，则预测的数据更加准确，环路跟踪更加稳定，能够适应的动态范围更大。 

其中，在本申请实施例中，所述卫星信号的载波多普勒频率DDS值的计算方式为： 

  （1）

其中，V为伪距率，a为加速度，j为加加速度，t为时间，w为伪距到多普勒的转换系数。

其中，在实际应用中，正确的环路频偏预置值应尽量保证环路滤波器保持当前的动态特征不改变，即应是多普勒频偏估计值扣除环路滤波器保有的多普勒频移量后的值，即： 

  （2）

需要说明的是环路频偏预置值在被更新之前需要一直保持，并在每次滤波器的NCO调整量更新时均加上预置值后再置入跟踪通道的NCO中。

下面举个具体的例子对本申请实施例中的基于北斗二代卫星导航系统的接收机深组合实现方法进行介绍： 

目前此技术已经运用于国内某一军用产品上，动态适应性、跟踪灵敏度、抗干扰性能都得到较好的改善。产品在加加速度为50g条件下不失锁，跟踪灵敏度达到-143dBm，载波环抗干扰相对18HZ带宽得到7dB的提高。

上述本申请实施例中的技术方案，至少具有如下的技术效果或优点： 

由于采用了首先接收机在捕获到北斗二代卫星后将北斗二代系统时间和卫星信息发送到组合导航模块，同时，惯导将所述北斗二代的位置和速度发送到所述组合导航模块，然后所述组合导航模块根据所述接收机和所述惯导发送的信息进行伪距和多普勒预测，然后所述组合导航模块对预测的伪距、伪距率、加速度和加加速度进行卡尔曼滤波，得出伪距和多普勒频移估计值，然后所述组合导航模块将滤波结果返回到所述接收机，所述接收机利用上一时刻伪距和伪距率信息推算当前时刻的环路DDS值辅助载波环路跟踪，减小环路滤波器的滤波带宽，同时对INS/DR传感器进行偏差校正，最后所述组合导航模块利用所述惯导的位置、速度和卡尔曼滤波得出的位置与速度误差估计值拟合出最优位置和速度估计值的技术方案，即通过惯导系统辅助，为接收机载波跟踪环提供精确的速度辅助，再利用载波跟踪环闭环为码跟踪环提供载波辅助，消除载波跟踪环和码跟踪环中的载体的大部分动态因素，从而降低载波跟踪环和码跟踪环的阶数，将噪声带宽降低，所以，有效解决了现有的卫星导航接收机与惯性导航组合导航方式存在无法提高接收机跟踪卫星信号的鲁棒性和改善接收机测量值的质量，以及接收机的高动态适应能力、跟踪灵敏度以及测量精度较差的技术问题，进而实现了克服了紧组合技术无法改善接收机跟踪卫星信号的鲁棒性和测量值的质量，对接收机环路辅助后可将滤波器带宽压窄，提高接收机的高动态适应能力、跟踪灵敏度以及抗干扰性能的技术效果。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。 

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。