CN116840859B - 基于动态估计的卫星导航接收机通道保持方法 - Google Patents

基于动态估计的卫星导航接收机通道保持方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于动态估计的卫星导航接收机通道保持方法，包括：卫星导航接收机收到北斗短报文设备的报文发送启动信号，设置保持定时器，并初始化通道保持操作；开展信号短时动态估计操作，计算信号通道的多普勒频移估计参数；开展信号通道载波环路频率控制数据生成操作，此时载波环路开环，直接利用多普勒频移估计参数计算环路频率控制参数；卫星导航接收机收到北斗短报文设备的报文发送完毕信号或保持定时器计时结束，载波环路重新闭环；信号通道恢复对卫星导航信号跟踪，停止通道保持操作。本发明可辅助卫星导航接收机性能改进工作，通过接收机与卫星间的运动状态估计，预测北斗短报文发射期间的通道环路调整参数，实现接收机通道保持。

Description

基于动态估计的卫星导航接收机通道保持方法
技术领域
本发明涉及卫星导航接收机应用领域，具体地，涉及一种基于动态估计的卫星导航接收机通道保持方法。
背景技术
全球卫星导航***（Global Navigation Satellite System，GNSS）是能够为载体提供连续、高精度位置、速度和时间信息的无线电导航定位***，其包括一个或多个卫星星座，如中国北斗卫星导航***、美国全球定位***（Global Positioning System，GPS）、俄罗斯格洛纳斯卫星导航***等，因而被广泛应用于各类军民用领域。
北斗短报文服务是由中国北斗卫星导航***提供的区域卫星短报文通信服务，具有超视距、大容量、使用便捷等优点，被广泛用于各类军民用载体的超视距信息传输。
在同时具有卫星导航和北斗短报文服务能力的载体上，由于北斗短报文发射频率与常用卫星导航信号接收频率接近（如GPS L1信号，两信号中心频率间仅有约40MHz频率间隔），因此当北斗短报文发射时将使卫星导航接收机因阻塞干扰而无法正常接收信号，导致接收机通道失锁。
在北斗短报文发射时间较短（小于100ms），发射时刻可提前预知的情况下，为使卫星导航接收机能够稳定工作，本文提出一种方法，针对高频短时北斗短报文发射导致的卫星导航接收机无法接收信号而导致接收机通道失锁问题，利用接收机与卫星间的一维运动状态估计，预测北斗短报文发射期间的接收机通道环路调整参数，实现接收机通道保持。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于动态估计的卫星导航接收机通道保持方法。
根据本发明提供的一种基于动态估计的卫星导航接收机通道保持方法，包括如下步骤：
步骤S1：卫星导航接收机收到北斗短报文设备的报文发送启动信号，设置保持定时器，并初始化通道保持操作；
步骤S2：开展信号短时动态估计操作，计算信号通道的多普勒频移估计参数；
步骤S3：开展信号通道载波环路频率控制数据生成操作，此时载波环路开环，利用多普勒频移估计参数计算环路频率控制参数；
步骤S4：卫星导航接收机收到北斗短报文设备的报文发送完毕信号或保持定时器计时结束，载波环路重新闭环；
步骤S5：信号通道恢复对卫星导航信号跟踪，停止通道保持操作。
优选地，所述步骤S1中，所述报文发送启动信号有效后，实际报文发送需要延迟时间τ实施，在时间τ内卫星导航接收机完成设置保持定时器及后续通道保持初始化和后续参数计算工作。
优选地，步骤S1中，所述保持定时器设定计时时长为T，其中T大于报文最大可能发送持续时间T tMAX与实际报文发送延迟时间τ之和。
优选地，步骤S1中，设定卫星导航接收机当前有n个信号通道正常工作，各通道跟踪参数更新时间间隔均为T s，其中第i个通道在开始通道保持前按kT s间隔保留之前测量得到的三次信号多普勒频移，并分别设定为f id(0)，f id(1)和f id(2)，均作为初始化参数，其中k为采样间隔的倍数。
优选地，步骤S1中，kT s>100ms。
优选地，所述步骤S2中，通过三阶运动模型描述载体与第i个通道所跟踪卫星间的一维运动，在一个kT s时间段内，假设载体与卫星间距离变化为
（1）
其中，为初始时刻距离，/>为初始时刻的一维运动瞬时速度，/>为一维运动加速度，/>为一维运动加加速度，/>为参数更新间隔数；
相应产生的导航信号多普勒频移数学模型为：
（2）
其中，为kT s时间段内每个更新时间间隔的多普勒频偏，/>为信号载波中心频率已知，/>为光速常量；
利用步骤S1中保留的，/>和/>，联立方程组
（3）
计算得到、/>和/>，作为后续通道保持时的多普勒估计参数。
优选地，步骤S3中，由步骤2求得多普勒估计参数后，在下一个通道参数更新周期将载波环路断开，载波环路的频率改由式（4）估计得到的多普勒参数进行控制。
（4）。
优选地，步骤S4中，接收到北斗短报文设备的报文发送完毕信号后，停止多普勒参数估计对环路的控制，同时在下一个通道参数更新周期将载波环路闭合。
优选地，若北斗短报文设备报文发送完毕信号出现故障不能传输到卫星导航接收机，则在保持定时器完成计时后强制卫星导航接收机在下一个通道参数更新周期将载波环路闭合，同时停止多普勒参数估计对环路的控制。
优选地，所述步骤S5中，检查载波环路和码环路是否能够继续进入信号跟踪状态，若仍为跟踪状态，则结束操作；若因北斗短报文发射期间运动状态变化过大导致通道保持失效，则转入失锁重捕状态，在估计的多普勒参数附近开展信号快速捕获。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明能够辅助卫星导航接收机性能改进工作，针对高频短时北斗短报文发射导致的卫星导航接收机无法接收信号而导致接收机通道失锁问题，通过接收机与卫星间的运动状态估计，预测北斗短报文发射期间的通道环路调整参数，实现接收机通道保持。
2、本发明利用了卫星导航接收机与北斗短报文设备安装于同一平台，并能够由短报文设备给出报文发射启动和关闭信号，同时最大报文发射持续时间可预计的特点，通过在接收机内进行高阶运动状态估计，实现对接收机通道的保持。相对其他被北斗短报文发射信号中断信号接收后进行信号重捕的算法，本发明具备在飞行载体飞行状态较稳定时能够实现报文发射时接收机通道不失锁，报文发射完成后接收机无需进入信号重捕流程，从而能够连续定位、授时的优点。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为一种基于动态估计的卫星导航接收机通道保持方法流程图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
本发明针对北斗短报文设备和卫星导航接收机在同一载体上工作时，北斗短报文发射将使卫星导航接收机因阻塞干扰而产生接收通道失锁的问题，提出了一种基于动态估计的卫星导航接收机通道保持方法，利用接收机与卫星间的运动状态估计，预测北斗短报文发射期间的通道环路调整参数，实现接收机通道保持。
进一步说明，本发明提出的基于动态估计的卫星导航接收机通道保持方法，针对高频短时北斗短报文发射导致的卫星导航接收机无法接收信号而导致接收机通道失锁问题，利用接收机与卫星间的运动状态估计，预测北斗短报文发射期间的通道环路调整参数，实现接收机通道保持。下面结合附图对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
如附图1所示，为本发明的一种动态估计的卫星导航接收机通道保持方法流程图。
步骤1，卫星导航接收机收到北斗短报文设备的报文发送启动信号，设置保持定时器，并初始化通道保持操作；
以上步骤中包含以下设定：
1、报文发送启动信号有效后，实际报文发送需要延迟时间τ实施，在时间τ内卫星导航接收机完成设置保持定时器及后续通道保持初始化和后续参数计算工作；
2、报文最大可能发送持续时间设为T tMAX；
3、保持定时器设定计时时长为T，T应略大于报文最大可能发送持续时间T tMAX与延迟时间τ之和；
4、设定接收机当前有n个信号通道正常工作，各通道跟踪参数更新时间间隔均为T s；
5、第i个通道在开始通道保持前按kT s间隔保留之前测量得到的三次信号多普勒频移，并分别设定为f id(0)，f id(1)和f id(2)，均作为初始化参数带入下一步骤。
其中，k为采样间隔的倍数，通常要求kT s>100ms。
步骤2，开展信号短时动态估计操作，计算信号通道的多普勒频移估计参数；
通过三阶运动模型描述载体与第i个通道所跟踪卫星间的一维运动，即在一个kT s时间段内，假设载体与卫星间距离变化为
（1）
其中，为初始时刻距离，/>为初始时刻的一维运动瞬时速度，/>为一维运动加速度，/>为一维运动加加速度，/>为参数更新间隔数
相应产生的导航信号多普勒频移数学模型为，
（2）
其中，为kT s时间段内每个更新时间间隔的多普勒频偏，/>为信号载波中心频率已知，/>为光速常量。
基于短时间内载体与卫星的运动均不会发生突变的假设，可以认为载体与卫星间一维运动也不会产生突变。因此，为获得（2）式中的、/>和/>参数，可以利用步骤1中保留的/>，/>和/>，联立以下方程组
（3）
进而由式（3）计算得到、/>和/>，即为后续通道保持时的多普勒估计参数。
步骤3，开展信号通道载波环路频率控制数据生成操作，此时载波环路开环，直接利用多普勒频移估计参数计算环路控制参数；
仍以通道i为例，由步骤2求得多普勒估计参数后，在下一个通道参数更新周期将载波环路断开，载波环路的频率改由式（4）估计得到的多普勒参数进行控制。
（4）
由于码环由载波环辅助，因此码环路断开后，其控制同样受估计的多普勒参数控制。
步骤4，卫星导航接收机收到北斗短报文设备的报文发送完毕信号或保持定时器计时结束，载波环路重新闭环；
接收到北斗短报文设备的报文发送完毕信号后，停止多普勒参数估计对环路的控制，同时在下一个通道参数更新周期将载波环路闭合。
若北斗短报文设备报文发送完毕信号出现故障不能传输到卫星导航接收机，为保证接收机的有效工作，在保持定时器完成计时后强制卫星导航接收机在下一个通道参数更新周期将载波环路闭合，同时停止多普勒参数估计对环路的控制。
步骤5，信号通道恢复对卫星导航信号跟踪，停止通道保持操作。
检查载波环路和码环路是否能够继续进入信号跟踪状态，若仍为跟踪状态，则结束操作。若因北斗短报文发射期间运动状态变化过大导致通道保持失效，则转入失锁重捕状态，在估计的多普勒参数附近开展信号快速捕获。
鉴于北斗短报文设备和卫星导航接收机在同一载体上工作时，北斗短报文发射将使卫星导航接收机因阻塞干扰而产生接收通道失锁，本文提出一种方法，针对高频短时北斗短报文发射导致的卫星导航接收机无法接收信号而导致接收机通道失锁问题，利用接收机与卫星间的运动状态估计，预测北斗短报文发射期间的通道环路调整参数，实现接收机通道保持。
本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的***及其各个装置、模块、单元以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的***及其各个装置、模块、单元以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同功能。所以，本发明提供的***及其各项装置、模块、单元可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种功能的装置、模块、单元也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的装置、模块、单元视为既可以是实现方法的软件模块又可以是硬件部件内的结构。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种基于动态估计的卫星导航接收机通道保持方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1：卫星导航接收机收到北斗短报文设备的报文发送启动信号，设置保持定时器，并初始化通道保持操作；
步骤S2：开展信号短时动态估计操作，计算信号通道的多普勒频移估计参数；
步骤S3：开展信号通道载波环路频率控制数据生成操作，此时载波环路开环，利用多普勒频移估计参数计算环路频率控制参数；
步骤S4：卫星导航接收机收到北斗短报文设备的报文发送完毕信号或保持定时器计时结束，载波环路重新闭环；
步骤S5：信号通道恢复对卫星导航信号跟踪，停止通道保持操作。
2.根据权利要求1所述的基于动态估计的卫星导航接收机通道保持方法，其特征在于，所述步骤S1中，所述报文发送启动信号有效后，实际报文发送需要延迟时间τ实施，在时间τ内卫星导航接收机完成设置保持定时器及后续通道保持初始化和后续参数计算工作。
3.根据权利要求1所述的基于动态估计的卫星导航接收机通道保持方法，其特征在于，步骤S1中，所述保持定时器设定计时时长为T，其中T大于报文最大可能发送持续时间T tMAX与实际报文发送延迟时间τ之和。
4.根据权利要求1所述的基于动态估计的卫星导航接收机通道保持方法，其特征在于，步骤S1中，设定卫星导航接收机当前有n个信号通道正常工作，各通道跟踪参数更新时间间隔均为T s，其中第i个通道在开始通道保持前按kT s间隔保留之前测量得到的三次信号多普勒频移，并分别设定为f id (0)，f id (1)和f id (2)，均作为初始化参数，其中k为采样间隔的倍数。
5.根据权利要求4所述的基于动态估计的卫星导航接收机通道保持方法，其特征在于，步骤S1中，kT s >100ms。
6.根据权利要求4所述的基于动态估计的卫星导航接收机通道保持方法，其特征在于，所述步骤S2中，通过三阶运动模型描述载体与第i个通道所跟踪卫星间的一维运动，在一个kT s时间段内，假设载体与卫星间距离变化为
（1）
其中，为初始时刻距离，/>为初始时刻的一维运动瞬时速度，/>为一维运动加速度，为一维运动加加速度，/>为参数更新间隔数；
相应产生的导航信号多普勒频移数学模型为：
（2）
其中，为kT s时间段内每个更新时间间隔的多普勒频偏，/>为信号载波中心频率已知，/>为光速常量；
利用步骤S1中保留的，/>和/>，联立方程组
（3）
计算得到、/>和/>，作为后续通道保持时的多普勒估计参数。
7.根据权利要求6所述的基于动态估计的卫星导航接收机通道保持方法，其特征在于，步骤S3中，由步骤2求得多普勒估计参数后，在下一个通道参数更新周期将载波环路断开，载波环路的频率改由式（4）估计得到的多普勒参数进行控制：
（4）。
8.根据权利要求7所述的基于动态估计的卫星导航接收机通道保持方法，其特征在于，步骤S4中，接收到北斗短报文设备的报文发送完毕信号后，停止多普勒参数估计对环路的控制，同时在下一个通道参数更新周期将载波环路闭合。
9.根据权利要求8所述的基于动态估计的卫星导航接收机通道保持方法，其特征在于，若北斗短报文设备报文发送完毕信号出现故障不能传输到卫星导航接收机，则在保持定时器完成计时后强制卫星导航接收机在下一个通道参数更新周期将载波环路闭合，同时停止多普勒参数估计对环路的控制。
10.根据权利要求8所述的基于动态估计的卫星导航接收机通道保持方法，其特征在于，所述步骤S5中，检查载波环路和码环路是否能够继续进入信号跟踪状态，若仍为跟踪状态，则结束操作；若因北斗短报文发射期间运动状态变化过大导致通道保持失效，则转入失锁重捕状态，在估计的多普勒参数附近开展信号快速捕获。
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