一種高動態衛星導航接收機精確測速方法
【專利摘要】本發明公開了衛星導航接收機領域的一種高動態衛星導航接收機精確測速方法，用以解決目前衛星導航接收機領域研究中存在的問題。該方法包括：首先，提取衛星載波與本地載波的頻率差值；然后，對提取的載波頻率差值進行濾波處理；接著，利用最小二乘法求解接收機載體速度；最后，運行速度RAIM算法。本發明針對傳統高動態衛星導航接收機測速技術中存在的衛星信號跟蹤失鎖、頻率抖動、測量速度算法復雜、測量結果隨機誤差大等實際應用的局限性，創造性地提出了一種高動態衛星導航接收機精確測速方法。
【專利說明】一種高動態衛星導航接收機精確測速方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及衛星導航接收機領域，特別涉及一種用于高動態衛星導航接收機精確測速方法。
【背景技術】
[0002]北斗衛星導航系統(BeiDouNavigation Satellite System, BDS)是中國正在實施的自主發展、獨立運行的全球衛星導航系統。北斗衛星導航系統和美國全球定位系統(Global Positioning System, GPS)、俄羅斯格洛納斯(Global Navigation SatelliteSystem, GL0NASS)及歐盟伽利略(GALILEO)系統一起，是聯合國衛星導航委員會已認定的
供應商。
[0003]衛星導航接收機可以確定載體的位置、速度和時間，廣泛應用于導航、測量與授時等領域。其中，測速技術需要提取衛星信號載波多普勒頻率值。提取的衛星多普勒頻率值會由于載波跟蹤環路的熱噪聲而存在隨機抖動；另外由于衛星運動、衛星健康狀況或者信號干擾、遮擋等原因會引起衛星信號跟蹤失鎖、頻率抖動，提取的多普勒頻率會有較大誤差和錯誤，從而引起計算的速度誤差變大。現在有些導航接收機采用一些濾波算法平滑處理，但會影響接收機的動態性能，使接收機在高速、高加速度運動場景時，測速誤差變大。
[0004]測速是衛星 導航接收機的重要功能，是移動目標導航基本需求，尤其對于高動態飛行器導航，常用慣性導航與衛星導航接收機組合的工作模式。在這種應用場合衛星導航接收機的測速結果實時修正慣性導航的結果，消除慣性導航的積累誤差，對接收機的測速精度具有較高的要求，一般要求測速誤差小于0.2m/s。
【發明內容】
[0005]本發明的目的在于，提出一種高動態衛星導航接收機精確測速方法，用以解決目前導航系統測速研究存在的問題。
[0006]為實現上述目的，本發明提出了一種高動態衛星導航接收機精確測速方法。衛星導航接收機包括射頻部分和基帶部分:射頻部分完成導航信號的放大、濾波及變頻功能；基帶部分又可分為基帶信號處理部分和基帶信息處理部分，信號處理部分包括對各個導航衛星信號的捕獲、跟蹤、解調功能，信息處理部分根據信號處理電路得到的信息完成位置、速度與時間的解算，其中基帶部分包括一個嵌入式CPU來運行信息處理程序，其特征是所述方法包括下列步驟:
[0007]步驟1:通過直接讀取載波跟蹤環頻率誤差量的方法提取衛星載波與本地載波的頻率差值；
[0008]步驟2:設計一種多檔α-β-Y濾波器對提取的衛星載波頻率差值進行濾波處理；
[0009]步驟3:將濾波后的各頻率差值，組成求解接收機速度的方程組，利用最小二乘法求解出接收機速度；[0010]步驟4:設計一種針對速度求解的接收機自主完好性監測(Receiver AutonomousIntegrity Monitoring, RAIM)算法,排除速度解算方程組中的錯誤方程,確保解算速度不出現錯誤。
[0011]所述多檔α-β-gamma濾波器由α-β-gamma濾波器模塊、狀態判決模塊、檔位切換模塊、輸出切換模塊組成；
[0012]所述α-β-Υ濾波器模塊輸入端口與所述檔位切換模塊輸出端口相連，所述α-β-Y濾波器模塊輸出端口與所述輸出切換模塊輸入端口相連，用于對提取的衛星載波頻率差值進行濾波處理；
[0013]所述狀態判決模塊輸入端口與所述輸出切換模塊相連，用于反饋濾波結果；
[0014]所述狀態判決模塊輸出端口分別與所述檔位切換模塊、輸出切換模塊相連，用于判斷接收機狀態是否滿足切換到其他檔位進行濾波的條件。
[0015]所述使用多檔α-β-Y濾波器的具體步驟:
[0016]步驟21:對衛星載波頻率差值，通過第I檔α-β-gamma濾波器開始濾波；
[0017]步驟22:分析濾波結果及導航結算結果，判斷接收機狀態是否滿足切換到其他檔位進行濾波的條件，并將其反饋至檔位切換模塊；
[0018]步驟23:根據狀態判決模塊的反饋，在檔位切換模塊估算當前信息的方差，判決適合使用哪個檔位的濾波器；
[0019]步驟24:將衛星載波頻率差值，通過檔位切換模塊確定的合適檔位濾波器進行濾波處理；
[0020]步驟25:循環步驟22至步驟24，直至收斂到穩定工作狀態時，由輸出切換模塊輸出濾波結果。
[0021]所述速度求解的RAIM算法的具體步驟:
[0022]步驟41:先用位置解算使用的那幾顆衛星的多普勒觀測量做一次速度最小二乘解算，然后開始執行速度RAIM算法；
[0023]步驟42:如果解算的衛星數小于或等于4顆，則速度RAM算法無法檢測故障星，直接輸出計算的速度結果；
[0024]步驟43:若衛星數超過4顆，則根據速度最小二乘法的計算結果，算出多普勒殘余誤差向量ε及速度RAIM算法統計檢測量Tx ;
[0025]步驟44:將Tx與對應的檢測門限Td比較，若Tx≤Td,沒有故障星，RAIM算法完成，并輸出定位測速結果；
[0026]步驟45:若TX>TD，則判斷衛星數是否超過5顆。若星數未超過5顆，無法排除故障星，RAIM算法結束，同時輸出測速結果不可用的標志，提醒使用者；
[0027]步驟46:若星數超過5顆，則可以找到發生故障的衛星，多普勒殘余最大的方程判斷為錯誤方程；
[0028]步驟47:將錯誤方程剔除后，用剩余的衛星做速度最小二乘解算，然后重復前面的步驟，直至速度RAIM算法統計檢測量Tx小于檢測門限TD，或方程組的個數小于5，輸出解
晳奸里
[0029]本發明的有益效果為:
[0030]1.找到一種適合于高動態運動物體的衛星載波多普勒提取的濾波算法:[0031]通過此方法可以濾除熱噪聲引起的隨機抖動，實現對多普勒頻率的平滑，同時可以適應高動態移動引起的頻率變化，并且該算法要盡量簡潔，節約資源，便于嵌入式中央處理器(Central Processing Unit, CPU)實現。
[0032]2.對速度解算方程進行檢測，排除錯誤方程，使解算速度不出現錯誤跳動:
[0033]接收機輸出的解算速度出現大的錯誤，一般是由于定位位置錯誤或則提取的衛星多普勒頻率錯誤引起，本發明設計一種針對速度的RAIM算法，排除速度解算方程組中的錯誤方程，使解算速度不出現錯誤。
[0034]3.利用本發明測速性能可以達到以下指標:
[0035]測速范圍:0~3000m/s ;加速度:〈40g ;加加速度:〈10g/s ;測速誤差:〈0.2m/s。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0036]圖1是多檔位α - β - Y濾波器結構框圖。
[0037]圖2是沒有速度RAM算法的測試結果。
[0038]圖3是加上速度RAM算法的測試結果。
【具體實施方式】
[0039]下面結合附圖， 對優選實施例作詳細說明。應該強調的是，下述說明僅僅是示例性的，而不是為了限制本發明的范圍及其應用。
[0040]本發明解決問題的思路是:首先，提取衛星載波與本地載波的頻率差值；然后，對提取的載波頻率差值進行濾波處理；接著，利用最小二乘法求解接收機載體速度；最后，運行速度RAM算法。
[0041]下面結合【專利附圖】
【附圖說明】本發明的具體實現方式。該發明包括如下的步驟:
[0042]步驟1:通過直接讀取載波跟蹤環頻率誤差量的方法提取衛星載波與本地載波的
頻率差值。
[0043]目前的衛星導航系統信號均為直序擴頻二進制相移鍵控(BinaryPhase ShiftKeying, BPSK)調制方式的信號，在接收機基帶信號處理部分需要實現對各顆衛星信號的載波跟蹤和偽碼跟蹤。其中在載波跟蹤環可以得到本地合成載波與接收載波的頻率誤差。此誤差包含接收機移動、衛星本身移動、地球自轉和接收機鐘漂等引起的誤差。由載波跟蹤環路讀取的載波頻率誤差值，具有實時準確的特點，適合于高動態場景應用，本算法就是直接采用從載波跟蹤環提取的方法得到衛星載波與本地載波的頻率差值。通過導航電文讀取衛星自身的鐘差修正與地球自轉引起的頻差修正。
[0044]步驟2:設計一種多檔α-β-Y濾波器對提取的衛星載波頻率差值進行濾波處理。
[0045]由于載波環路熱噪聲的存在會引起抖動，為了提升測量精度，對觀測量進行平滑濾波是必不可少的環節。而通過濾波器的平滑提高精度，總會以參數變化率的失真作為代價。對于高動態接收機來說，精度與變化速度同等重要，故需要尋求一種，對減小抖動和快速變化兼顧的濾波方法，同時還要保證良好的實時性和盡量少的計算量。本算法基于α-β-Y濾波器，嘗試通過擴展改進，得到滿足快速收斂速度與平滑精度雙重要求的濾波器。[0046]α-β-Y濾波器由α-β濾波器擴展而來，其實質上是運動方程為勻加速直線運動的卡爾曼濾波器的穩態形式。其計算形式十分簡單，需要存儲的數據量也很少，有著很高的實時性，濾波效果也比較理想，因此在各領域都有著廣泛的應用，尤其適合應用于高動態導航接收機的觀測量平滑。
[0047](I) α-β-Y濾波器基本原理
[0048]假設變量X作勻加速變化，則狀態量X是包含X及其一二階導數的三維向量:
[0049]M = (λ\Χ, X)1(I)
[0050]狀態方程為:
[0051]Xk+1=OXk+rqk (2)
[0052]其中:
【權利要求】
1.一種高動態衛星導航接收機精確測速方法，其中，衛星導航接收機包括射頻部分和基帶部分:射頻部分完成導航信號的放大、濾波及變頻功能；基帶部分又可分為基帶信號處理部分和基帶信息處理部分，信號處理部分包括對各個導航衛星信號的捕獲、跟蹤以及解調功能，信息處理部分根據信號處理電路得到的信息完成位置、速度與時間的解算，其中基帶部分包括一個嵌入式CPU來運行信息處理程序， 其特征是所述方法包括下列步驟: 步驟1:通過直接讀取載波跟蹤環頻率誤差量的方法提取衛星載波與本地載波的頻率差值; 步驟2:設計一種多檔α-β-gamma濾波器對提取的衛星載波頻率差值進行濾波處理；步驟3:將濾波后的各頻率差值，組成求解接收機速度的方程組，利用最小二乘法求解出接收機速度； 步驟4:設計一種RAIM算法，排除速度解算方程組中的錯誤方程，確保解算速度不出現錯誤。
2.根據權利要求1所述的一種高動態衛星導航接收機精確測速方法，其特征是所述多檔α-β-Υ濾波器由α-β-Υ濾波器模塊、狀態判決模塊、檔位切換模塊、輸出切換模塊組成； 所述α-β-Y濾波器模塊輸入端口與所述檔位切換模塊輸出端口相連，所述α-β-Y濾波器模塊輸出端口與所述輸出切換模塊輸入端口相連，用于對提取的衛星載波頻率差值進行濾波處理； 所述狀態判決模塊輸入端口與所述輸出切換模塊相連，用于反饋濾波結果； 所述狀態判決模塊輸出端口分別與所述檔位切換模塊、輸出切換模塊相連，用于判斷接收機狀態是否滿足切換到其他檔位進行濾波的條件。
3.根據權利要求1所述的一種高動態衛星導航接收機精確測速方法，其特征是所述使用多檔α-β-Y濾波器的具體步驟: 步驟21:對衛星載波頻率差值，通過第1檔^-0-￥濾波器開始濾波； 步驟22:分析濾波結果及導航結算結果，判斷接收機狀態是否滿足切換到其他檔位進行濾波的條件，并將其反饋至檔位切換模塊； 步驟23:根據狀態判決模塊的反饋，在檔位切換模塊估算當前信息的方差，判決適合使用哪個檔位的濾波器； 步驟24:將衛星載波頻率差值，通過檔位切換模塊確定的合適檔位濾波器進行濾波處理； 步驟25:循環步驟22至步驟24，直至收斂到穩定工作狀態時，由輸出切換模塊輸出濾波結果。
4.根據權利要求1所述的一種高動態衛星導航接收機精確測速方法，其特征是所述速度求解的RAM算法的具體步驟: 步驟41:先用位置解算使用的那幾顆衛星的多普勒觀測量做一次速度最小二乘解算，然后開始執行速度RAIM算法； 步驟42:如果解算的衛星數小于或等于4顆，則速度RAM算法無法檢測故障星，直接輸出計算的速度結果；步驟43:若衛星數超過4顆，則根據速度最小二乘法的計算結果，算出多普勒殘余誤差向量ε及速度RAIM算法統計檢測量Tx ; 步驟44:將Tx與對應的檢測門限Td比較，若Tx≤Td,沒有故障星，RAIM算法完成，并輸出定位測速結果； 步驟45:若TX>TD，則判斷衛星數是否超過5顆。若星數未超過5顆，無法排除故障星，RAIM算法結束，同時輸出測速結果不可用的標志，提醒使用者； 步驟46:若星數超過5顆，則可以找到發生故障的衛星，多普勒殘余最大的方程判斷為錯誤方程； 步驟47:將錯誤方程剔除后，用剩余的衛星做速度最小二乘解算，然后重復前面的步驟，直至速度RAIM算法統計檢測量Tx小于檢測門限TD，或方程組的個數小于5，輸出解算結果ο
【文檔編號】G01S19/52GK104020482SQ201410270409
【公開日】2014年9月3日 申請日期:2014年6月17日 優先權日:2014年6月17日
【發明者】齊建中, 宋青平 申請人:北方工業大學
專業數控銑床產品供應商
20年生產經驗，實力工廠，精工品質，質量有保障
