专利名称：高灵敏度环境下基于多普勒平滑伪距的卫星导航解算定位方法
技术领域：
本发明涉及一种高灵敏度环境下基于多普勒平滑伪距的卫星导航解算定位方法。
背景技术：
卫星导航定位技术在航天、航空、遥感、通信、测绘等领域已经得到了广泛的应用。 随着不断增长的个人导航和定位服务的要求，GNSS已经从最初的定位功能扩展到了很多领 域，例如授时、交通工具导航、电信、地球科学甚至生命安全。由于具有军民两用特性，GNSS 是一个关系到国家安全与未来战争成败的战略性系统，世界各国都在竞相发展GNSS系统。在一些环境下，卫星信号受到了严重的减弱。造成信号的衰弱有很多原因，自然或 者人工的建筑物的阻碍，对流程、电离层的延迟，反射信号的干扰，信号自身的干扰，信号阻 塞，天线造成的衰减以及处理机对信号造成的衰减等。此外，在传播过程中的反射、衍射，散 射等原因造成的多径效应也会造成信号之间的互相干扰，给定位工作带来很大的麻烦，高 灵敏度技术就是对这种信号环境下的定位解算技术的研究。美国的联邦通信委员会(FCC) 提出的enhancedgil (E-911)以及欧洲提出的E-112法令要求能够在紧急状态下追踪到用 户的具体位置，以方便公共安全应答点派遣救援小组。这对在微弱信号环境下，如室内、山 川或森林等复杂环境的GNSS导航定位提出了更高的要求。伪距是GNSS领域一个非常重要的概念，是GNSS接收机实现定位的必要条件。它 真实的反映了卫星与接收机之间的距离，但受卫星信号传播过程中的各种误差的影响，伪 距的测量值存在着不可避免的误差。除了伪距之外，GNSS接收机从卫星信号中获得的另一 个基本测量量是载波相位。载波相位测量值含有周整模糊度，但是它非常平滑，精度很高， 在高精度定位中起着关键性的作用。通常情况下GNSS接收机采用利用精确、平滑的载波相 位测量值来对粗糙的没有周整模糊度的伪距进行平滑的方法提高定位精度。然而在弱信号 条件下，载波相位测量值存在较大的失真，此时，载波相位平滑伪距的方法无法得到高精度 的定位结果。

发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种高灵敏度环境下基于多普勒平滑 伪距的卫星导航解算定位方法。高灵敏度环境下基于多普勒平滑伪距的卫星导航解算定位方法包括以下步骤1)中断到来时，接收机将复现的多普勒测量值以及伪距值通过网口发送至解算端。2)解算端将接收机复现的数据进行存储更新，并判断当前伪距值的可用性。如果 伪距值可用，设定该历元时刻为初始时刻，并设定平滑窗口宽度；3)下一历元时刻到来时，利用该时刻的多普勒测量值计算伪距修正量，并对伪距 测量值进行修正，用下式估测出初始时刻的伪距估测值力队),，
Pit0),. = Piti) + f(AfR, t0,)式中，、为初始时刻，ti为当前时刻，Δ fK为接收机复现的多普勒测量值，P (ti) 表示ti时刻伪距测量值，f(AfE, t0, ti)表示伪距修正值；4)重复步骤3)，当伪距估测值个数达到平滑窗口宽度时，对伪距估测值在窗口宽 度范围内取均值，用下式计算得到多普勒平滑的初始伪距均值戸&)，
1 wP(^0) = -.式中，W为窗口宽度，卢(^)为初始伪距均值；5)利用任意时刻多普勒测量值计算相对于初始时刻的伪距修正量，并对初始时刻 伪距均值进行平滑修正，用下式计算得到该时刻的伪距平滑值，达到多普勒平滑伪 距的目的，p(tj)sm = P ( 0) - f(AfR, t0, ij)式中，t(l为初始时刻，tj为当前时刻，Δ ·κ为接收机复现的多普勒测量值，f (Δ fK， t0, tj)为伪距修正值，是与Δ 4、、、、有关的函数。所述的伪距修正量f(AfK，t0, tj)等于从初始时刻到该时刻对于多普勒频率测量 值的积分再与波长做乘积，即f(AfR,t0,tj) = λ/τ. J[AfRdt式中，t0为初始时刻，tj为当前时刻，&为波长，Δ fR为接收机复现的多普勒测量值。本发明有效的解决了伪距定位时因伪距中含有星钟误差、大气延时误差、多径误 差、接收机噪声等造成定位精度不高的问题。尤其高灵敏度环境下，在载波相位失真、载波 相位平滑伪距方法失效的情况下，多普勒平滑伪距仍然可以得到较好的定位精度。


图1是本发明多普勒辅助定位解算方法的流程图；图2是本发明与接收机等外部装置连接框图；图3是多普勒辅助平滑性能测试对比图。
具体实施例方式高灵敏度环境下基于多普勒平滑伪距的卫星导航解算定位方法包括以下步骤1)中断到来时，接收机将复现的多普勒测量值以及伪距值通过网口发送至解算端。2)解算端将接收机复现的数据进行存储更新，并判断当前伪距值的可用性。如果 伪距值可用，设定该历元时刻为初始时刻，并设定平滑窗口宽度；3)下一历元时刻到来时，利用该时刻的多普勒测量值计算伪距修正量，并对伪距 测量值进行修正，用下式估测出初始时刻的伪距估测值，P(I0)i = Piti)+ f (AfltJ0Ji)
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式中，、为初始时刻，、为当前时刻，Δ fK为接收机复现的多普勒测量值，ρ (ti) 表示、时刻伪距测量值，f(AfE, t0,、)表示伪距修正值；4)重复步骤3)，当伪距估测值个数达到平滑窗口宽度时，对伪距估测值在窗口宽 度范围内取均值，用下式计算得到多普勒平滑的初始伪距均值P(G)，
1 wPih) =^YjPiQi
Wto式中，W为窗口宽度，为初始伪距均值；5)利用任意时刻多普勒测量值计算相对于初始时刻的伪距修正量，并对初始时刻 伪距均值进行平滑修正，用下式计算得到该时刻的伪距平滑值^(G)im，达到多普勒平滑伪 距的目的，p(tj )sm =p {t0)~ f(AfR, t0, tj )式中，、为初始时刻，、为当前时刻，AfK为接收机复现的多普勒测量值，f (Δ fK， t0, tj)为伪距修正值，是与Δ 4、、、、有关的函数。所述的伪距修正量f(AfK，t0, tj)等于从初始时刻到该时刻对于多普勒频率测量 值的积分再与波长做乘积，即f(AfRJ0Jj) = λ/τ. AfRdt式中，t0为初始时刻，tj为当前时刻，^>为波长，Δ fR为接收机复现的多普勒测量值。
实施例如图1所示，接收机对卫星信号跟踪捕获并对导航电文进行解调，同时复现得到 实时的多普勒、电文、伪距等解算信息。在时钟模块的控制下，中断时刻到来时，接收机将多 普勒测量值送入伪距修正模块，将伪距值送入通道处理模块。经过多普勒平滑修正的伪距 值被送入定位模块，并得到最后的定位结果。本发明中，中断时间为100ms。如图2所示，高灵敏度环境下基于多普勒平滑伪距的解算定位方法包括以下步 骤1.从接收机读取复现的多普勒测量值以及伪距值，并判断当前伪距的可用性。一 般设定伪距的阈值门限为70ms-80ms之间，如接收机复现的伪距不在阈值之间，说明接收 机工作失常，伪距值无效。2.如果伪距可用，设定该历元时刻为初始时刻、，并设定平滑窗口宽度W。在实施 例中，我们选平滑窗口宽度为100s，即选取1000个历元时刻。通常情况下，窗口宽度越大， 则初始时刻伪距估测均值越精确，多普勒平滑伪距值也将越精确。然而，随着窗口宽度增 大，电离层散射效应带来的误差也将增大。实验表明，当窗口宽度选取IOOs时可以得到较 好的效果。3.下一历元时刻、到来时，利用该时刻的多普勒测量值Δ &计算伪距修正量 Δ P (Itl)i，并对伪距测量值P (、)进行修正，从而估测出初始时刻的伪距估测值^队),。此 时有
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p{tQ)t= Piti) +\P{tQ)l其中，Δ ρ (Oi = f(AfE, t0,、)表示伪距修正值是与AfK、tQ、、有关的函数。 在实施例中，接收机处于静态情况下，多普勒测量值AfK取值范围通常在士 3000Hz之间， 计算所得的伪距修正量Δ ρ α。、在5ms以内。4.重复步骤3，当伪距估测值Δ ρ (t0) i数量达到1000个历元时刻时，对其在此 IOOs范围内取均值，得到该通道多普勒平滑的初始伪距均值力队)。此时有
1 999卯。)=丽§如。)'5.利用任意时刻、的多普勒测量值Δ fE计算相对于初始时刻、的伪距修正量 Δ P (t0) j,并对初始时刻伪距均值戸队)进行平滑修正，得到该时刻的伪距平滑值卢A，达 到多普勒平滑伪距的目的。有PiijXm =p(i0)-Ap(t0)J.同上，Δ P (t0)j = f(AfR, t0, tj)表示伪距修正值是与AfK、tQ、tj有关的函数。其中某时刻伪距修正量Δ ρ (t0) j等于从初始时刻、到该时刻、对于多普勒频率 测量值Δ fK的积分再与波做乘积。此时有ApCt0I. 二 fWR,tQ,tj) = λ/τ。l^fRdt实施例中，当卫星相对于接收机做相向运动时，Δ fK定义为正。；定义为丁，c为光速，fT为卫星射频载波频率。当卫星模式为GPS信 JtJt
号Ll载波时，^ 0.190m，L2载波时， 0.244m ；当卫星模式为BD-2信号Bl载波时， ^h 0.192w ；当卫星模式为 GL0NASS 信号时，；I7j 0.1 87w。从图3可以看出，多普勒平滑伪距对于定位精度有显著的提高。红色实线表示未 经多普勒平滑的伪距定位结果，可以看出在X，1，Z三个分量上，最大定位误差均在士20m左 右。蓝色虚线表示经过多普勒平滑的伪距定位结果，此时，最大定位误差在士 Im以内。
权利要求
1.一种高灵敏度环境下基于多普勒平滑伪距的卫星导航解算定位方法，其特征在于包 括以下步骤1)中断到来时，接收机将复现的多普勒测量值以及伪距值通过网口发送至解算端。2)解算端将接收机复现的数据进行存储更新，并判断当前伪距值的可用性。如果伪距 值可用，设定该历元时刻为初始时刻，并设定平滑窗口宽度；3)下一历元时刻到来时，利用该时刻的多普勒测量值计算伪距修正量，并对伪距测量 值进行修正，用下式估测出初始时刻的伪距估测值^，式中，、为初始时刻，、为当前时刻，Δ fK为接收机复现的多普勒测量值，ρ (ti)表示 、时刻伪距测量值，f(AfE, t0,、)表示伪距修正值；4)重复步骤3)，当伪距估测值个数达到平滑窗口宽度时，对伪距估测值在窗口宽度范 围内取均值，用下式计算得到多普勒平滑的初始伪距均值戸队)，1 wp(f0)=ψΣ P(tO)i式中，W为窗口宽度，厂仏)为初始伪距均值；5)利用任意时刻多普勒测量值计算相对于初始时刻的伪距修正量，并对初始时刻伪距 均值进行平滑修正，用下式计算得到该时刻的伪距平滑值^(G)im，达到多普勒平滑伪距的 目的，~pi.tj)sm=P{t0)-fWR,t0,tj)式中，、为初始时刻，、为当前时刻，Δ fK为接收机复现的多普勒测量值，f(AfE, t0, tj)为伪距修正值，是与Δ 4、、、、有关的函数。
2.根据权利要求1所述的一种高灵敏度环境下基于多普勒辅助的卫星导航解算定位 方法，其特征在于所述的伪距修正量 ·(Δ ·κ，t0, tj)等于从初始时刻到该时刻对于多普勒 频率测量值的积分再与波长做乘积，即/(AZrJ0Jj)^ Xfr-iAfRdt式中，to为初始时刻，tj为当前时刻，；^为波长，Δ ·κ为接收机复现的多普勒测量值。
全文摘要
本发明公开了一种高灵敏度环境下基于多普勒平滑伪距的卫星导航解算定位方法。本发明通过接收机复现的多普勒测量值对伪距测量值进行平滑，解决了弱信号条件下载波相位平滑伪距时载波相位严重失真的问题。在每一新历元时刻根据该时刻至初始时刻接收机复现的多普勒频偏对伪距做修正，得到初始时刻伪距修正值。当初始时刻伪距修正值数量达到窗口宽度要求时，对其求均值得到起始时刻伪距修正均值。最后在起始时刻伪距修正均值基础上进行任意时刻至起始时刻的多普勒频偏修正，最终得到任意时刻的高精度伪距。本发明适用于GPS、GLONASS等多种系统卫星导航定位解算系统。
文档编号G01S19/13GK102004259SQ20101028555
公开日2011年4月6日 申请日期2010年9月17日 优先权日2010年9月17日
发明者任周丰, 李云飞, 李立言, 王悦, 赵民建, 钟杰 申请人:浙江大学