专利名称：全球导航卫星系统接收器的定位方法
技术领域：
本发明涉及导航接收器，尤其涉及全球导航卫星系统(GNSS)接收器中坐标的测定方法。目前实务上有几种全球导航卫星系统，美国的全球定位系统(GPQ、俄罗斯全球导航卫星系统(Glonass)、欧洲的伽利略((Galileo)导航系统、以及中国的北斗(Beidou)或者罗盘(Compass)定位系统。
背景技术：
导航接收器接收全球导航卫星系统接收器航空器(SVs)发出的信号，测量这些信号的参数，即虚拟距离和载波频率的多普勒频移。虚拟距离的测量通过对无线电信号副载波的相位测定来进行，该包括有一伪随机序列(或伪随机码)的副载波借助于相位调制覆迭到载波上。例如，在全球定位系统中，副载波是片码速率为1.023兆赫(MHz)，周期为1毫秒(ms)的黄金码(Gold codes)。在俄罗斯全球导航卫星系统(Glonass)中，副载波是一最大长度序列(M sequence)，其同样具有1毫秒周期，但是其片码速率是511千赫(kHz)。此外，在全球导航卫星系统中，于同一信号中，航空器发送有关航空器轨道的数据、板上参考振荡频率以及时标(星历数据)。数据借助具有每秒传送位数的相位调制于信号中传输，例如，在全球定位系统和俄罗斯全球导航卫星系统中，每秒传送位数 (bit-per-second, bps)为50。数据被归类成一些有规律的重复格式。在全球定位系统中，数据格式包括“字(word) ” (0. 6秒长)、“子帧 (sub-frame) ”(10 个字，6 秒长)、“帧(frame) ”(30 秒长)、以及“超帧(super-frame) ”(12. 5 分钟长)。每一个子帧的第一个字包括握手字(Handover Word，HOW)，其包含星期时间(Time of Week，T0W)，握手字能够测定测量出的虚拟距离和多普勒频移参考所必须的，具有精确度的接收器中的时间。每一个数据帧的第一、第二和第三子帧包括有星历数据。在俄罗斯全球导航卫星系统中，数据格式包括“行” O秒长)、“帧”(30秒长)以及“超级帧”(2. 5分钟长)。星历数据被放置于每个俄罗斯全球导航卫星系统数据帧的头四行中。每个数据行携带星历数据的几个参数。时序信息在每个数据帧第一行的tk参数中。导航接收器中数据的接收，从数据位边缘的同步开始。纵然虚拟随机噪声码 (Pseudo Random Noise code, PRN Code)的同步定义了码周期(1毫秒)内信号的到达时间，但是，没有给出相应50位速率的数据传输速率的20毫秒位持续时间内位边缘位置的信息。完成数据位同步之后，接收器开始解调数据位，借助于误差校正码对接收到的位进行校验，把校验位嵌入到数据中。最后，数据码流被译码以撷取出数据格式(在全球定位系统中，数据格式为字、子帧、帧、超帧)全球导航卫星系统的航空器在大约20000公里的高度绕地球运行。相应地，信号从航空器到接收器典型的传递时间大约是60-80毫秒。因此，在80毫秒以下范围内，一个完整的(明确的)虚拟距离一定可以被传递(测量)。源于信号撷取过程的虚拟随机噪声码同步完成后，即可得到1毫秒不明确(或不完整)的虚拟距离测量值。1毫秒不明确(或不完整)的虚拟距离测量值意指测量出的虚拟距离在1毫秒部分是正确的，但是并不包括为了虚拟距离完整的表现而必须被加到不完整(不明确)虚拟距离上的未知整数数量的1 毫秒间隔。因此，对于全球导航卫星系统(全球定位系统、俄罗斯全球导航卫星系统)信号， 同步的初始阶段后，可以得到1毫秒虚拟距离。取得在全球导航卫星系统(全球定位系统、俄罗斯全球导航卫星系统)信号中传输的卫星数据位的同步，允许虚拟距离明确表现的间隔延伸到20毫秒。如此一来，在接收器中即可取得20毫秒(仍然是不完整)的虚拟距离。在全球导航卫星系统接收器中，至少从全球导航卫星系统的一个航空器接收时序数据(全球定位系统中为星期时间，俄罗斯全球导航卫星系统中为tk)后，才进行完整的虚拟距离测量。为了能够进行完整的虚拟距离测量，在接收器中进行数据位同步和时序数据的接收需要花费一定的时间。花费时间的多少有赖于接收器的特性和接收信号的环境条件。大概地，取得位同步的时间可能从一秒的一小部分到几秒。相比之下，时序数据通过全球导航卫星系统航空器(全球定位系统中为星期时间，俄罗斯全球导航卫星系统中为tk)的传输有一个重复周期，在全球定位系统中该重复周期为6秒，在俄罗斯全球导航卫星系统中为 30秒。除此之外，有鉴于于接收器中接收开始的随机性和应用，通常，为了改善接收器中数据的可靠性，会进行一些附加数据的检测，即使在无障碍的全球导航卫星系统信号接收环境条件下(强信号)，也可能试验性地花费10-40秒从事时序数据的接收。在有障碍的全球导航卫星系统信号接收环境条件下，例如室内、或者郊外的峡谷，信噪比(signal-to-noise ratio, SNR)下降可能导致为得到完整虚拟距离而花费的时间成倍增加，或者甚至根本就不可能得到完整虚拟距离。与此同时，即便是弱信号，模糊虚拟距离通常可以通过接收器被测量，且星历数据可以从替代来源(alternate sources)中获得。例如在全球导航卫星系统中，接收器旨在追踪交通工具，交通工具即将运行的整段时间内的星历数据可以预先植入接收器中。另一个例子是目前广泛应用的技术，全球导航卫星系统接收器内部星历表的长期(几天时间)预测技术。如此一来，在全球导航卫星系统接收器中采用不完整的(模糊的)虚拟距离对接收器定位是当前重大的一个问题。美国专利第7，535，414号公开了一种解决这个问题的方法，其假设在计算导航接收器的坐标时，通过将不完整虚拟距离测量值的不确定因子列入预估参数的向量来解决不完整虚拟距离测量值的不确定因子问题。并且，使用多普勒测量来获取接收器坐标的初始近似值和被选航空器参考信号的虚拟距离测量不确定因子数值。只有当用以计算虚拟距离的不确定因子整数数值的精确度达至明确，虚拟距离的不确定因子整数数值才能被固定。 这种方法的缺陷可被列举如下其计算比较复杂；需要形成额外的虚拟距离差异测量组合；计算涉及到一个大的矩阵；以及极可能解决不完整虚拟距离的不确定因子需要多套一般的时间测量，这可能导致固定全球导航卫星系统接收器的第一坐标所需的时间增加。与传统的具有完整虚拟距离的全球导航卫星系统接收器坐标计算方法相比，这些缺陷显得此方法相当复杂。美国专利第6，417，801号公开了另外一种方法，其通过将测量时间的修正加入到预估参数的向量，以解决不完整虚拟距离的不确定因子问题。测试所有可能的不确定因子整数组合，通过最小化残差的标准选出适合的一个。然而，该方法尽管简单，也存在显著的缺陷。一方面，必须获得足够准确的全球导航卫星系统接收器的初始坐标信息，例如从移动通信基地台。这意味着全球导航卫星系统接收器接收这数据的复杂性。另一方面，为了找到允许使用该方法计算全球导航卫星系统接收器坐标的这些坐标，需要横跨这套初始坐标进行一个很长的搜索。这搜索包括从一些可能的初始近似值的组合计算出模范虚拟距离值，到真正的全球导航卫星系统接收器坐标值，这是全球导航卫星系统接收器的坐标测定中一个最资源密集型的过程。

发明内容
因此，本发明的一个目的，在于提供一种应用于全球导航卫星系统接收机中的快速、精确的坐标测定方法。其没有上述悉知技术方法中的缺陷，也就是，与具备完整虚拟距离的坐标测定相比，其不需要附加外部信息，不需要冗长的横跨虚拟距离测量的不确定因子的搜索，亦不需要很复杂的计算结构。本发明得到的技术结果是在航空器信号的时间修正数据的译码时间间隔内测定全球导航卫星系统接收器的坐标是不可能的，因此，对于全球导航卫星系统时间标度测量的精确时间标记是不存在的，且该测量是不完整的，也就是，该测量是以1毫秒模数或20毫秒模数完成。本发明的技术方案如下，一种全球导航卫星系统(GNSS)移动接收器的测定坐标方法，其中该接收器接收和处理的多个信号来自于多个航空器，该方法基于所述处理，执行虚拟距离与多普勒频移的测量，撷取星历数据，以及根据所述的测量值来测定全球导航卫星系统接收器的一坐标，包含以下步骤步骤一由该全球导航卫星系统接收器的一初始坐标的一误差δ以定义一模糊模数N;步骤二 随着该模糊模数大于或者等于N，对多个测量的虚拟距离进行计数，当该虚拟距离计数不足以进行该全球导航卫星系统接收器的坐标测定时，由多个多普勒测量值调节该初始坐标，调节之后，基于一初始的全球导航卫星系统接收器坐标、一测量时间的初始近似值以及该星历数据，按后续步骤执行全球导航卫星系统接收器的坐标计算的迭代过程；步骤三计算多个模拟的虚拟距离值、多个虚拟距离残差以及一衍生矩阵，该虚拟距离残差定义为多个测量值与以模数N毫秒取模得到的多个模拟值之间的一偏差，而该衍生矩阵系通过多个调节参数而得；步骤四通过于该多个虚拟距离残差的多个计算值上增加或者减去N毫秒进行该多个虚拟距离残差的最小化，最小化处理后，随着该多个虚拟距离测量值，按后续步骤执行该全球导航卫星系统接收器的坐标计算的迭代过程；步骤五由该模糊模数N限度之内可能的该多个残差的所有组合、由该多个调节参数而得的该衍生矩阵及该多个残差的所有组合中的一最小化修正值集计算该全球导航卫星系统接收器的多个坐标修正值。步骤六通过该多个虚拟距离残差与该衍生矩阵计算全球导航卫星系统接收器坐标的多个修正值；以及
步骤七将该多个修正值加到该全球导航卫星系统接收器的该坐标上；当第一次迭代时，步骤四之后，执行步骤五和步骤七，在后续的迭代中，步骤四之后，执行步骤六和步骤七，当该全球导航卫星系统接收器的该多个坐标修正值变得足够小， 以能满足该全球导航卫星系统接收器坐标计算所需的精确度时，迭代中断；否则，返回到步骤三，然后，当由最后一次迭代所得的该全球导航卫星系统移动接收器的该坐标被认为是起点时，进一步的迭代被完成。为让本发明的上述和其它目的、特征、和优点能更明显易懂，下文特举若干较佳实施例，并配合附图，做详细说明于后。


图1是使用本发明方法的全球导航卫星系统接收器主要部分的模块框图；图2是使用本发明方法的全球导航卫星系统接收器的相关器引擎的模块框图；图3是全球导航卫星系统接收器中傅立叶变换的时序特征图；图4是本发明方法的其中一个实施例的数据流程图；图5是本发明方法操作的逻辑顺序流程图；其中，附图标记说明如下天线1.1模拟前端1.2
参考振荡器1.3数位降频器1.4
信号内存1.5相关器引擎1.6
频域引擎1.7累加内存1.8
处理器1.9数据接口1.10
数控振荡器码2.1虚拟随机噪声码产生器2.2
混码器2.3数控振荡器载波2.4
载波混合器2.5同相累加器2.6
正交累加器2.7观测载波寄存器2.8观测虚拟距离寄存器 2.9
具体实施例方式参阅图1所示的模块原理图，将通过对全球导航卫星系统接收器功能解释的例子对本发明方法的最佳实施例进行进一步的描述。模拟前端1. 2放大、转换为中频、选择以及数字化，也就是将该信号转换为一序列数字取样信号，通过天线1. 1被收集的全球导航卫星系统航空器信号。并且，模拟前端1. 2利用来自参考振荡器1. 3的信号，参考振荡器1. 3 的信号还提供全球导航卫星系统接收器的时标信号。数字降频器1. 4通过处理器1. 9的控制将全球导航卫星系统信号取样转换为基频，通常还执行一些附加的处理，例如信号干扰抑制、改变取样率(例如取样优化)、附加数字滤波。基频转换的取样储存于信号内存1.5 中。取样写入信号内存1. 5的速率必须与所选信号的频宽相匹配，且满足通常被接受的尼奎斯特(Nyquist)定理。因此，对于虚拟随机噪声码的片码率接近1兆赫的全球定位系统 C/A信号，其合成数字取样的速率必须至少不低于2兆赫。取样从信号内存1. 5中被读到相关器引擎1. 6中的速率高于写入信号内存1. 5中的速率。如此一来，对不同信号参数假设的多个相关系数累加的加速即完成，这是对弱的全球导航卫星系统信号进行有效处理过程所需的。相关器引擎1.6中获得的相关系数累加被储存于累加内存1.8中。频域引擎1.7 将序列的相关系数累加变换为信号功率的光谱。本发明的最佳实施例中，所述频域引擎1.7 采用快速傅立叶变换(FFT)。作为所述频域引擎1.7中的一个变换例子，可以使用一个64 点的快速傅立叶变换。功率光谱的中间储存系于累加内存1.8中完成。模块1.9控制全球导航卫星系统接收器的操作和各种算法的执行以及计算步骤，其包括有一个处理器，该处理器具有相关的程序和数据存储器、以及使外部数据能通过数据接口 1. 10进行传送的据接口控制器。在本发明的一个可行的实施例中，相关器引擎1.6包括多个并行的相关器通道。 如图2所示为一个相关器通道的例子。从信号内存1. 5中读取的信号取样2. 10馈入混码器2. 3的输入端。数控振荡器码2. 1和数控振荡器载波2. 4根据来自处理器1. 9，包括有信号复本的频率与相位的控制信号2. 11及2. 12生成本地复本信号成分。数控振荡器码2. 1 产生的复本信号成分通过虚拟随机噪声码产生器2. 2进入混码器2. 3，而数控振荡器载波 2. 4产生的复本信号成分直接进入载波混合器2. 5。混码器2. 3的输出连接到载波混合器 2. 5的第二输入端。载波混合器2. 5中的多个乘法结果馈入同相累加器2. 6和正交累加器 2. 7，生成相关统计信息(累加)2. 13，2. 14。从数控振荡器码2. 1，虚拟随机噪声码产生器 2. 2和载波混合器2. 4中得到的当前值分别锁存入观测虚拟距离寄存器2. 9和观测载波寄存器2.8中，相应地，其输出为虚拟距离2. 16和多普勒测量值2. 15。虚拟距离2. 16是一个以1毫秒取模的不完整虚拟距离。基于相关统计信息(累加)2. 13,2. 14，执行数据位边缘的同步化和数据接收与译码(数据格式的译码)。接收和储存星历数据系通过处理器1. 9 来完成。接收器中全球导航卫星系统信号的同步化阶段参见图3的时序图所示。在图3所示时间标度中，从接收器接通3. 1开始，开始进行如下的阶段信号撷取(虚拟随机噪声码同步)3. 5，数据位同步化3. 6，数据接收和译码3. 7。在航空器信号的数据位同步阶段期间，可得到不完整的1毫秒虚拟距离测量值。 在航空器信号的数据接收和译码阶段期间，即事件3. 3之后，事件3. 4之前，可以得到对这些航空器信号的不完整的20毫秒虚拟距离测量值。事件3. 4之后，能够得到完整的虚拟距离测量值。当获得足够数目的全球导航卫星系统航空器信号不完整虚拟距离测量值，和这些航空器的星历数据出现时，本发明方法即可实现于取得完整虚拟距离之前获得定位解决方案。从图3所示的时序图中可以看出，从接收器接通直到具有完整虚拟距离的第一固定定位的时间间隔(TTFF，Time-t0-First Fix)，即从一个全球导航卫星系统航空器中接收星期时间(全球定位系统)或tk (俄罗斯全球导航卫星系统)信号的事件3. 4之前[cl]， 包括数据位同步(3.6)的时间，其可以达到几秒，以及数据的接收和译码3.7(关于全球导航卫星系统时间信息)的时间，其可以达到，举例而言，10-40秒。另一方面，具有1毫秒虚拟距离的第一固定定位的时间间隔通过到达事件3. 2的时间间隔来定义。鉴于现代的接收器中信号的撷取(虚拟随机噪声码同步)时间可能更短，例如，取决于信号的强度和接收器的位置与时间的先验信息的质量，从1秒的小部分到数秒的单元，很清楚地，使用不完整虚拟距离测量进行坐标测定与使用完整虚拟距离相比，可数倍减少第一固定定位的时间间隔。本发明的重点如图4数据流程图所示。如上所述，测量多普勒效应4. 1是于相关器引擎1. 6中完成。虚拟距离测量值4. 9的测量虚拟距离4. 2基于从相关器引擎1. 6接收到的1毫秒虚拟距离、在步骤3. 6中获得的有关数据位边缘同步的信息以及数据接收和译码步骤3. 7中获得的星期时间(全球定位系统)或tk (俄罗斯全球导航卫星系统)，于处理器1. 9中完成。据此，获得不完整的1毫秒、20毫秒虚拟距离或者完整的虚拟距离。值得注意的是，多普勒效应测量和虚拟距离测量永远伴随着全球导航卫星系统接收器内部时标的时间点。依据先验坐标与时间4. 14的误差，从所有的虚拟距离测量值4. 9中选出适当的虚拟距离测量值4. 16 [c2]。星历数据4. 10从提供星历数据模块4. 3进入虚拟距离残差计算模块4. 5。星历数据4. 10在数据接收与译码步骤3. 7中被接收，或者是从替代来源接收。例如在全球导航卫星系统中，接收器旨在追踪交通工具，交通工具即将运行的整段时间内的星历数据可以预先植入接收器中。另一个例子是目前广泛应用的技术，全球导航卫星系统接收器内部星历表的长期(几天时间)预测技术。更精确的坐标和时间初始近似值4. 11是于初始调节器4. 4中由多普勒测量值 4. 8、星历表数据4. 10和先验坐标与时间4. 14计算而得，该更精确的初始近似值4. 11进一步被储存于模块4. 7中。利用选定虚拟距离测量值4. 16及调节过的坐标与时间初始近似值4. 11，加上星历数据4. 10，完成虚拟距离残差计算4. 5。由来自模块4. 5的虚拟距离残差值4. 12，进行时间与坐标的修正值4. 13的计算 4. 6。于模块4. 7中，完成坐标和时间的修正请求以及储存全球导航卫星系统接收器的坐标和时间。图5的流程图表示出了本发明方法的应用步骤。如前所述，全球导航卫星系统接收器接收并处理来自航空器的信号，从而为全球导航卫星系统的航空器测量不完整的1毫秒、20毫秒虚拟距离、完整的虚拟距离、多普勒频移，并提供星历数据。一般而言，接收器中存在有关先验坐标与时间4. 14的信息，该信息通常伴随着定位误差δ的估计。由已接收并处理过的L个航空器信号，于模块5. 1中完成虚拟距离与多普勒频移的测量，以及星历数据的提供。在模块5. 2中，按如下方法由定位误差δ计算模糊模数N(毫秒)，δ < 150公里时，N = 1 ；150公里彡δ < 3000公里时，N = 20。在模块5. 3中，对于大于或等于N的模糊模数，选择M个虚拟距离。逻辑模块5. 4 进行检测判断虚拟距离数量M是否已足够计算接收器的坐标。在模块5. 5中，使用如下修正向量Δβ，由多普勒测量值调节初始位置。
权利要求
1.一种全球导航卫星系统接收器的测定坐标方法，其中该接收器接收和处理的多个信号来自于多个航空器，该方法执行虚拟距离与多普勒频移的测量，撷取星历数据，以及根据该测量来测定全球导航卫星系统接收器的一坐标，包含以下步骤步骤一由该全球导航卫星系统接收器的一初始坐标的一误差δ以定义一模糊模数N；步骤二 以大于或者等于N的多个模糊模数，对多个测量的虚拟距离进行计数，当该虚拟距离计数不足以进行该全球导航卫星系统接收器的坐标测定时，由多个多普勒测量值调节该初始坐标，调节之后，基于一初始的全球导航卫星系统接收器坐标、一测量时间的初始近似值以及该星历数据，按后续步骤执行全球导航卫星系统接收器的坐标计算的迭代过程；步骤三计算多个模拟的虚拟距离值、多个虚拟距离残差以及一衍生矩阵，该虚拟距离残差为多个测量值与以该模糊模数N毫秒取模得到的多个模拟值之间的一偏差，而该衍生矩阵通过多个调节参数而得；步骤四通过于该多个虚拟距离残差的多个计算值上增加或者减去N毫秒进行该多个虚拟距离残差之最小化，最小化处理后，随着该多个虚拟距离测量值，按后续步骤执行该全球导航卫星系统接收器的坐标计算的迭代过程；步骤五由该模糊模数N限度的内该多个残差的所有组合、由该多个调节参数而得的该衍生矩阵及该多个残差的所有组合中的一最小化修正值集计算该全球导航卫星系统接收器的多个坐标修正值；步骤六透过该多个虚拟距离残差与该衍生矩阵计算全球导航卫星系统接收器坐标的多个修正值；以及步骤七将该多个修正值加到该全球导航卫星系统接收器的该坐标上；其中，当第一次迭代时，步骤四之后，执行步骤五和步骤七，在后续的迭代中，步骤四之后，执行步骤六和步骤七，当该全球导航卫星系统接收器的该多个坐标修正值变得足够小以满足该全球导航卫星系统接收器坐标计算所需的精确度时，迭代中断；否则，返回到步骤__ ο
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，当由最后一次迭代所得的该全球导航卫星系统移动接收器的该坐标被认为是起点时，后续的迭代完成。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于步骤一由该全球导航卫星系统接收器的该初始坐标误差δ定义该模糊模数N，当δ值在150千米以下时，N等于1毫秒；当δ值从150 千米到3000米时，N等于20毫秒。
4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤二如果从该多个多普勒测量值上调节该初始坐标不成功，则完成新的虚拟距离和多普勒测量、以及数据撷取；如果调节成功，则步骤一、步骤二循环执行，直到以该多个个等于或大于N的模糊模数进行虚拟距离测量而得到的坐标测定变得合理。
全文摘要
本发明涉及全球导航卫星系统(GNSS)移动接收器的坐标测定方法，包括处理来自航空器(space vehicles，SVs)的讯号，即进行虚拟距离和都卜勒频移的测量、撷取星历数据，根据所述测量值测定全球导航卫星系统接收器的坐标。
文档编号G01S19/42GK102193095SQ20111003093
公开日2011年9月21日 申请日期2011年1月21日 优先权日2010年1月25日
发明者尼克莱·米凯洛夫, 瑟吉·波斯佩洛夫, 米凯尔·科罗斯多夫 申请人:开曼晨星半导体公司, 晨星半导体股份有限公司, 晨星法国有限公司, 晨星软件研发(深圳)有限公司