应用不同相关间距伪距观测量的单频差分GNSS接收机

摘要

本发明公开了一种应用不同相关间距伪距观测量的单频差分GNSS接收机，包括天线接口、射频模块、基带和数据处理模块、通信模块以及电源和时钟模块，本发明为了解决现有单频定位稳定性差，而伪距差分定位技术至少需要两台接收机和接收机间通信设备的问题。本发明的应用基准间距和流动间距分别跟踪卫星获得相互独立的伪距观测量，应用基准间距伪距进行定位解算和伪距修正量的计算，并发送给流动间距进行伪距差分定位解算。本发明采用不同相关间距的伪距观测量进行差分定位解算，实现单接机的伪距差分定位，提高现有单频接收机的定位可靠性和稳定性，消除了伪距差分定位需要的通信设备。

说明书

技术领域

本发明涉及检测仪器设备领域，具体涉及一种应用不同相关间距伪距观测量的单频差分GNSS接收机。

背景技术

GNSS接收机时Global Navigation Satellite System的缩写，中文译名为全球导航卫星系统。GNSS接收机的种类很多，可以分为导航型接收机，测绘型接收机和授时型接收机。

GNSS接收机通常包括以下几个部分，天线，射频前端，基带处理，定位解算和接收机外壳。现有的接收机跟踪应用单一的相关间距跟踪所有可视卫星，得到一组卫星观测量和导航电文。现有的定位解算主要有三种，单点定位(SPP)，差分定位(DGNSS)，精密单点定位(PPP)，根据应用观测量的不同差分定位又可以分为伪距差分定位(RTD)和载波相位差分定位(RTK)。

GNSS接收机现有的定位算法精度各有不同，SPP的三轴定位精度为10m，其特点为不需要任何其他辅助信息即可实现实时动态定位功能，缺点为定位精度不够高，现有的单接收机单频定位算法只有SPP。DGNSS的三轴定位精度可以达到亚米级，但是需要本地基站或网络基站的辅助信息，同时需要辅助信息的接收设备(通常为无线电通信装备)。PPP的定位精度最高，能够达到厘米到分米的定位精度，但是同样需要接收外部分辅助信息，精密星历，精密钟差等，目前PPP的动态性能还有待提高。

发明内容

本发明针对现有单频GNSS接收机的不足，提出一种应用不同相关间距伪距观测量的单频差分GNSS接收机。由于DGNSS需要额外的辅助信息和通信设备，这就导致差分定位需要投入额外的成本，制约了DGNSS的应用。为解决SPP定位精度偏低，DGNSS需要额外成本的问题，本发明提出了利用不同相关间距的伪距观测量的单频差分GNSS接收机。

本发明实施实例提供的一种应用不同相关间距的伪距观测量单频差分GNSS接收机，适用于导航接收机，该接收机包括与天线连接的天线接口、射频模块、基带和数据处理模块、通信模块以及电源和时钟模块，所述天线接口与射频模块连接，所述射频模块与基带和数据处理模块连接，所述基带和数据处理模块与通信模块连接，所述电源和时钟模块与射频模块、基带和数据处理模块、通信模块相连接。所述基带和数据处理模块包括基准间距基带处理模块、流动间距基带处理模块、基准间距数据处理模块和流动间距数据处理模块；所述通信模块将数据处理计算得到的定位结果通过串口进行编码输出。所述电源和时钟模块为其他模块提供电源基准时钟，时钟包括本地晶振和外部时钟接口；

所述射频模块用于接收天线的高频信号，并进行下变频和模数转换得到数字中频信号，并将所述中频信号发送给基带和数据处理模块。

所述基带和数据处理模块用于处理数字中频信号，所述基准间距基带处理模块应用基准间距进行信号跟踪，得到所有卫星的基准间距伪距观测量和卫星导航电文，并将卫星基准间距伪距观测量发送给基准间距数据处理模块，将卫星导航电文发送给基准间距信号处理模块和流动间距数据处理模块；所述基准间距数据处理模块进行基准间距定位解算和伪距修正量计算，并发送给流动间距数据处理模块；所述流动间距基带处理模块应用流动间距进行信号跟踪，得到所有卫星的流动间距伪距观测量，并发送给流动间距数据处理模块；所述流动间距数据处理模块进行流动间距伪距修正和伪距差分定位，将差分定位结果发送给通信模块。

所述通信模块用于接收所述基带和数据处理模块的定位结果并通过串口技术对定位结果进行编码，之后输出。

所述电源和时钟模块用于为射频模块、基带和数据处理模块、通信模块相连接提供电源和时钟基准，时钟模块可以应用本地温补晶振为其他模块提供时钟同时具有外部时钟接口，可以接入外部高稳定性时钟为其他模块提供时钟基准。

为了实现上述发明目的，解决已有技术中存在的问题，本发明采取的技术方案是：一种应用不同相关间距伪距观测量的单频GNSS接收机。接收机的工作过程分为以下几个步骤：

步骤1、连接天线和接收机，给接收机通电，接收机开始工作，电源和时钟模块为接收机提供时钟基准和稳定的电源，射频前端接收天线传输来的高频数据；

步骤2、射频模块接收天线信号，对天线信号并进行下变频和模数转换得到数字中频信号；

步骤3、基带处理和数据处理，接收数字中频信号，进行基带信号处理和数据处理；

步骤3.1、基准间距基带处理，应用基准间距跟踪所有卫星，得到所有卫星的基准间距伪距观测量和卫星导航电文；

步骤3.2、流动间距基带处理，应用流动间距跟踪所有卫星，得到所有卫星的流动间距伪距观测量；

步骤3.3、基准间距数据处理，应用基准间距伪距观测量和导航电文进行单点定位解算，得到基准间距位置信息，计算卫星伪距修正量；

步骤3.4、流动间距数据处理，应用流动间距伪距观测量，导航电文和伪距修正量进行定位解算，获得流动间距位置；

步骤4、输出伪距差分定位结果，通信模块通过RS232串口输出当前的基准间距位置信息，伪距修正信息，流动间距差分位置信息和时间信息。对输出数据以约定好的帧头开始数据报文的编码，以每个数据内容占用4个字节的形式编码发送的数据报文，最后以数据校验位作为尾帧，校验方式使用串口奇偶校验模式，完成数据编码并通过串口进行发送。

本发明的有益效果是：

第一，本发明的应用不同相关间距的伪距观测量实现了一种能够实现单频伪距差分定位的GNSS接收机，使伪距差分定位需要的接收机数量减少为一个；

第二，本发明的应用基准间距和流动间距分别跟踪同一个卫星，能够得到同一颗卫星相互独立的基准间距伪距观测量和流动间距伪距观测量，在增加接收机数目的前提下增加了单频接收机的伪距观测量数量；

第三，本发明的应用基准间距定位结果计算伪距修正量，并直接传输给流动间距进行数据处理，不需要额外的通信设备，降低了伪距差分定位的成本；

第四，本发明的应用不同相关间距的伪距观测量单频差分GNSS接收机，提升了单接收机单频定位的精度、稳定性和可靠性。由于采用了上述技术方案，本发明提供的一种应用不同相关间距伪距观测量的单频差分GNSS接收机。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1本发明的应用不同相关间距的伪距观测量单频差分GNSS接收机结构示意图；

图2本发明的应用不同相关间距的伪距观测量单频差分GNSS接收机硬件结构图；

图3本发明的应用不同相关间距的伪距观测量单频差分GNSS接收机原理结构图；

图4本发明的应用不同相关间距的伪距观测量单频差分GNSS接收机外观示意图。

具体实施方式

为使本发明的技术方案和优点更加清楚，下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚完整的描述：

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

图1为本发明实施实例提供的一种应用不同相关间距的伪距观测量单频差分GNSS接收机结构示意图，适用于导航接收机，该接收机包括与天线连接的天线接口101、射频模块102、基带和数据处理模块103、通信模块104以及电源和时钟模块105，所述天线接口101与射频模块102连接，所述射频模块102与基带和数据处理模块103连接，所述基带和数据处理模块103与通信模块104连接，所述通信模块104应用串口通信技术将数据处理得到的定位结果通过编码进行输出，所述电源和时钟模块105与射频模块102、基带和数据处理模块103、通信模块104相连接。所述基带和数据处理芯片103包括基准间距基带处理模块、流动间距基带处理模块、基准间距数据处理模块和流动间距数据处理模块；所述电源时钟模块105为其他模块提供电源和时钟，时钟模块包括本地晶振和外部时钟接口；

所述射频模块102用于接收天线的高频信号，并进行下变频和模数转换得到数字中频信号，并将所述中频信号发送给基带和数据处理模块103，所述射频前端能够接收GPS、BDS、Galileo、GLONASS系统的L1频段数据进行单频数据下变频和模数转换；

所述基带和数据处理模块103用于处理数字中频信号，所述基准间距基带处理模块应用基准间距进行信号跟踪，得到所有卫星的基准间距伪距观测量和卫星导航电文，并将卫星基准间距伪距观测量发送给基准间距数据处理模块，将卫星导航电文发送给基准间距信号处理模块和流动间距数据处理模块；所述基准间距数据处理模块进行基准间距定位解算和伪距修正量计算，并发送给流动间距数据处理模块；所述流动间距基带处理模块应用流动间距进行信号跟踪，得到所有卫星的流动间距伪距观测量，并发送给流动间距数据处理模块；所述流动间距数据处理模块进行流动间距伪距修正和伪距差分定位，将差分定位结果发送给通信模块104。

所述通信模块104用于接收所述基带和数据处理模块103的定位结果并对定位按照预先设定的编码方式进行编码，将编码后的定位结果通过串口技术进行输出。

所述电源和时钟模块105用于为射频模块102、基带和数据处理模块103、通信模块104相连接提供电源和时钟基准，时钟模块105能够应用本地温补晶振为其他模块提供时钟，同时具有外部时钟接口，可以接入外部高稳定性时钟为其他模块提供时钟基准。。

图2为本发明实施实例提供的应用不同相关间距的伪距观测量单频差分GNSS接收机硬件结构图。如上诉所述，天线接口为SMA反级性公头，射频模块为内置模数转换功能的Max2769及其外围电路，基带和数据处理模块为赛灵思公司(Xilinx)的ZYNQ-7020芯片，ZYNQ-7020的FPGA逻辑门电路进行基带处理，包括基准间距基带处理模块和流动间距基带处理模块，ZYNQ-7020的ARM核进行基准间距数据处理和流动间距数据处理，通信模块为RS232串口，时钟模块为10MHz温补晶振，外部时钟接口为SMA反极性公头电源为经过LM117芯片稳压的3.3V直流电源。

具体的本发明实例中的射频模块通过Max2769芯片对天线接收的高频卫星信号进行下变频变成模拟中频信号，之后对模拟中频信号进行模数转换，输出16.368MHz的同相(I)支路2bit采样数字中频信号到基带和数据处理模块的ZYNQ7020芯片。

本发明实例中的ZYNQ7020芯片包括可编程逻辑门电路(FPGA)和RISC(精简指令集计算机)微处理器(ARM)核，所述FPGA用于基准间距和流动间距基带处理，所述ARM核用于基准间距和流动间距数据处理。

本发明实例中的RS232串口用具接收ZYNQ7020芯片的定位结果，对输出数据以约定好的头帧开始数据报文的编码，以每个数据内容占用4个字节的形式编码发送的数据报文，最后以数据校验位作为尾帧，校验方式使用串口奇偶校验模式，完成数据编码并通过串口进行发送。

本发明实例中的10MHz温补晶振为接收机提供基准本地时钟，LM117稳压芯片为其他模块提供直流稳压电源。

下面结合图3对应用不同相关间距的伪距观测量单频差分GNSS接收机工作过程做进一步介绍。图3为本发明的接收机的原理结构图，本发明的接收机按照以下步骤工作：

步骤1、连接天线和接收机，给接收机通电，接收机开始工作，射频前端接收天线传输来的高频数据；

步骤2、射频模块接收天线信号，对天线信号并进行下变频和模数转换得到数字中频信号；

步骤3、基带处理和数据处理，接收数字中频信号，进行基带信号处理和数据处理。基带处于用于信号解调，从中频信号中解调出导航电文、码观测量(伪距)和载波观测量，数据处理应用导航电文和码观测量进行伪距差分定位。

步骤3.1、基准间距基带处理，应用基准间距跟踪所有卫星，得到所有卫星的基准间距伪距观测量和卫星导航电文；

步骤3.2、流动间距基带处理，应用流动间距跟踪所有卫星，得到所有卫星的流动间距伪距观测量；

步骤3.3、基准间距数据处理，应用基准间距伪距观测量和导航电文进行单点定位解算，得到基准间距位置信息；计算卫星伪距修正量

步骤3.4、流动间距数据处理，应用流动间距伪距观测量，导航电文和伪距修正量进行定位解算，获得流动间距位置；

步骤4、输出伪距差分定位结果，通信模块通过RS232串口输出当前的基准间距位置信息，伪距修正信息，流动间距差分位置信息和时间信息。

图4为本发明实例提供的一种接收机实物示意图，该接收机包括接收机外壳，电源接口、通信接口、外部时钟接口和天线接口。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。