卫星导航信号的异常判定方法、卫星导航方法及接收机与流程

1.本发明属于数字信号处理领域，具体涉及一种卫星导航信号的异常判定方法、卫星导航方法及接收机。


背景技术：

2.随着经济技术的发展和人们生活水平的提高，卫星导航技术已经广泛应用于人们的生产和生活当中，给人们的生产和生活带来了无尽的便利。因此，保证卫星导航的稳定可靠，就成为现今卫星导航系统最重要的任务之一。
3.gnss接收机是卫星导航系统的重要组成部分。在gnss接收机中，一般采用鉴频器误锁判决的方法，在载波同步进入锁相环之后进行误锁判决，并在发生误锁的情况下，把载波频率迅速调整到正确的频率上。对于gps卫星信号，一个调制符号周期内有20个c/a码周期。在预检测积分时间选为一个伪码周期的情况下，连续输出的20个预检积分值均应对应同一个调制符号：因此，在没有发生误锁的情况下，连续输出的20个i支路预检测积分值（i
k
）应该是正负均相同（即符号相同）；而在误锁情况下，对应同一个调制符号的20个i
k
值的正负符号会产生交替变化；因此在具体应用时，对i
k
值的正负符号进行统计，如果超过阈值8次，则认为存在误锁的情况；同时，在根据鉴频器误锁时，锁定的错误频率与真正的锁定的目标频率存在固定关系：设伪码捕获之后的本地载波频率为f0，根据鉴频器的鉴频范围，输入信号的载波频率f
c
应在区间内；而发生错锁时，误锁频率为 (或)，显然就落在了区间 (或)上。通过判断f
c
是锁定在了区间或是锁定在区间上，相应的减去或是加上，即可得到要锁定的信号载波频率f
c
，之后把频率牵引至正确的频点f
c
上。
4.由于gnss接收机均存在噪声的影响，在进行信号解调时会有一定的解调误码，即ik的正负符号会受到噪声影响而出现错误的情况，这将会影响到误锁时ik正负翻转的次数，因此采用上述的现有技术进行判断时，会存在虚警和漏警的情况；卫星信号弱的情况下，噪声对其的影响更加剧烈，虚警和漏警的概率则会大大提升，存在误判的情况；同时也存在频率被修正到错误的频率的风险，导致接收机出现无法定位或者定位精度极差的情况。


技术实现要素：

5.本发明的目的之一在于提供一种能够有效提高卫星导航信号异常的判定成功率，而且可靠性高、实用性好的卫星导航信号的异常判定方法。
6.本发明的目的之二在于提供一种包括了所述卫星导航信号的异常判定方法的卫
星导航方法。
7.本发明的目的之三在于提供一种包括了所述卫星导航信号的异常判定方法和卫星导航方法的接收机。
8.本发明提供的这种卫星导航信号的异常判定方法，包括如下步骤：s1. 获取卫星导航信号；s2. 对步骤s1获取的卫星导航信号进行跟踪并得到相关值，然后根据相关值中的i支路和q支路的功率，从而对当前通道的导航信号质量进行判定：若判定合格，则进行后续的步骤；若判定不合格，则直接判定为卫星导航信号异常；算法结束；s3. 对步骤s1获取的卫星导航信号进行跟踪并得到观测值，然后根据观测值中的实时伪距，以及利用本地时估算得到的估算伪距进行比对处理，从而对当前通道的卫星信号误锁情况进行判定：若判定合格，则判定卫星导航信号正常；算法结束；若判定不合格，则直接判定为卫星导航信号异常；算法结束。
9.步骤s2所述的对步骤s1获取的卫星导航信号进行跟踪并得到相关值，然后根据相关值中的i支路和q支路的功率，从而对当前通道的导航信号质量进行判定，具体为依靠跟踪环路的i支路和q支路功率值进行比对；首先卫星导航信号正常跟踪后，取出相关值，计算得到i支路和q支路的功率值，将得到的i和q的功率值进行滤波处理，将处理后的i支路功率值和q支路功率值进行比对，若比对的结果超出设定的阈值门限，则认为导航信号异常；否则认定为导航信号正常。
10.步骤s2所述的对步骤s1获取的卫星导航信号进行跟踪并得到相关值，然后根据相关值中的i支路和q支路的功率，从而对当前通道的导航信号质量进行判定，具体包括如下步骤：a. 获取i支路功率i
p
(t)与q支路功率q
p
(t)；b. 将步骤a获取的i支路功率与q支路功率进行滤波，得到平滑后的功率为和，其中i
k
(t)为平滑后的第k个i支路功率离散值，为平滑系数，i
k
‑1(t)为平滑后的第k
‑
1个i支路功率离散值，为实际的i支路功率离散值，q
k
(t)为平滑后的第k个q支路功率离散值，q
k
‑1(t)为平滑后的第k
‑
1个q支路功率离散值，为实际的q支路功率离散值；c. 计算平滑后的i支路和q支路的功率比值；d. 每次环路刷新时，统计功率比值p
k
(t)超过第一阈值的次数n，并当n大于第二阈值时，判定当前通道的信号质量异常，并判定当前通道的卫星不参与定位解算。
11.步骤b所述的滤波，具体为滤波。
12.步骤s3所述的对步骤s1获取的卫星导航信号进行跟踪并得到观测值，然后根据观测值中的实时伪距，以及利用本地时估算得到的估算伪距进行比对处理，从而对当前通道的卫星信号误锁情况进行判定，具体为依靠卫星跟踪观测值中的实时伪距值与卫星估算伪
距值进行比对和求差，并根据比对和求差结果进行卫星信号误锁情况的判定。
13.步骤s3所述的对步骤s1获取的卫星导航信号进行跟踪并得到观测值，然后根据观测值中的实时伪距，以及利用本地时估算得到的估算伪距进行比对处理，从而对当前通道的卫星信号误锁情况进行判定，具体包括如下步骤：a. 设定接收机的默认初始定位位置；b. 接收gnss电文完毕后，计算每个卫星的卫星位置；c. 根据wgs
‑
84地心直角坐标系，计算卫星与接收机之间的几何距离d
k
；d. 采用如下算式计算修正后的伪距p
k
：式中d
k
为卫星与接收机之间的几何距离；为地球自转修正值；为相对论修正值；为钟差修正值；e. 采用如下算式计算伪距差值：式中为环路跟踪的伪距值；p
k
为修正后的伪距；f. 计算伪距差值的平均值；g. 采用如下算式计算误锁伪距值：式中为伪距差值；为伪距差值的平均值；h. 根据误锁伪距值与设定的阈值之间的大小，采用如下规则对当前通道的卫星信号误锁情况进行判定：若误锁伪距值大于设定的阈值，则判定当前通道的卫星信号存在误锁，并判定当前通道的卫星不参与定位解算；若误锁伪距值小于或等于设定的阈值，则判定当前通道的卫星信号不存在误锁。
14.步骤c所述的根据wgs
‑
84地心直角坐标系，计算卫星与接收机之间的几何距离d
k
，具体为采用如下算式计算卫星与接收机之间的几何距离d
k
：式中为卫星直角坐标系坐标；为接收机直角坐标系坐标。
15.本发明还公开了一种卫星导航方法，其包括了所述卫星导航信号的异常判定方法，并在导航中采用所述卫星导航信号的异常判定方法进行异常判定。
16.本发明还公开了一种接收机，其包括了所述的卫星导航信号的异常判定方法和卫星导航方法。
17.本发明提供的这种卫星导航信号的异常判定方法、卫星导航方法及接收机，采用了i支路和q支路功率检测方法和伪距约束的方法同时进行鉴别的方式，能够准确的分辨出因误锁导致接收机定位异常的情况，解决了因载波环误锁导致接收机定位精度差、不定位及定位时间长的问题，而且规避了传统方法鉴别载波频率误锁时出现误判或漏检的情况，大大提高了鉴别能力，而且可靠性高、实用性好。
附图说明
18.图1为本发明方法的方法流程示意图。
具体实施方式
19.如图1所示为本发明方法的方法流程示意图：本发明提供的这种卫星导航信号的异常判定方法，包括如下步骤：s1. 获取卫星导航信号；s2. 对步骤s1获取的卫星导航信号进行跟踪并得到相关值，然后根据相关值中的i支路和q支路的功率，从而对当前通道的导航信号质量进行判定：若判定合格，则进行后续的步骤；若判定不合格，则直接判定为卫星导航信号异常；算法结束；具体实施时，依靠跟踪环路的i支路和q支路功率值进行比对；首先卫星导航信号正常跟踪后，取出相关值，计算得到i支路和q支路的功率值，将得到的i和q的功率值进行滤波处理，将处理后的i支路功率值和q支路功率值进行比对，若比对的结果超出设定的阈值门限，则认为导航信号异常；否则认定为导航信号正常；具体包括如下步骤：a. 获取i支路功率i
p
(t)与q支路功率q
p
(t)；b. 将步骤a获取的i支路功率与q支路功率进行滤波（比如滤波），得到平滑后的功率为和，其中i
k
(t)为平滑后的第k个i支路功率离散值，为平滑系数，i
k
‑1(t)为平滑后的第k
‑
1个i支路功率离散值，为实际的i支路功率离散值，q
k
(t)为平滑后的第k个q支路功率离散值，q
k
‑1(t)为平滑后的第k
‑
1个q支路功率离散值，为实际的q支路功率离散值；c. 计算平滑后的i支路和q支路的功率比值；d. 每次环路刷新时，统计功率比值p
k
(t)超过第一阈值的次数n，并当n大于第二阈值时，判定当前通道的信号质量异常，并判定当前通道的卫星不参与定位解算；上述步骤a~步骤d的原理为：在载波环中，积分
‑
清除器通过积分低通滤波器来清除i支路和q支路中的高频信号分量和噪声，以提高载噪比；将i支路上的相干积分结果i
p
(n)和q之路上的相干积分结果q
p
(n)合在一起，并采用如下复数向量r
p
(n)表示：
式中a
p
(n)为相量幅值；为相位差异；a为幅值；d(n)为采样点；为角频率；t
coh
为相干积分时间；t1为时刻；为初相位误差；然后，根据公式，将步骤a得到的复数向量r
p
(n)改写为下式：式中f
e
为载波环的频率误差；然后，将向量幅值a
p
(n)定义为；故载波环的频率误差f
e
，导致的相干积分幅值衰减为，接收机跟踪环路所允许容忍的最大频率误差f
e
通常设置为，这个相当于3db的相干积分损耗。显然频率误差f
e
会影响i和q支路的功率值，因此能够在环路中通过i和q支路的功率检测的方式来鉴别载波环的频率误差；s3. 对步骤s1获取的卫星导航信号进行跟踪并得到观测值，然后根据观测值中的实时伪距，以及利用本地时估算得到的估算伪距进行比对处理，从而对当前通道的卫星信号误锁情况进行判定：若判定合格，则判定卫星导航信号正常；算法结束若判定不合格，则直接判定为卫星导航信号异常；算法结束；具体实施时，具体为依靠卫星跟踪观测值中的实时伪距值与卫星估算伪距值进行比对和求差，并根据比对和求差结果进行卫星信号误锁情况的判定；具体包括如下步骤：a. 设定接收机的默认初始定位位置；b. 接收gnss电文完毕后，计算每个卫星的卫星位置；c. 根据wgs
‑
84地心直角坐标系，计算卫星与接收机之间的几何距离d
k
；具体为采用如下算式计算卫星与接收机之间的几何距离d
k
：式中为卫星直角坐标系坐标；为接收机直角坐标系坐标；d. 采用如下算式计算修正后的伪距p
k
：式中d
k
为卫星与接收机之间的几何距离；为地球自转修正值；为相对论修正值；为钟差修正值；e. 采用如下算式计算伪距差值：
式中为环路跟踪的伪距值；p
k
为修正后的伪距；f. 计算伪距差值的平均值；g. 采用如下算式计算误锁伪距值：式中为伪距差值；为伪距差值的平均值；h. 根据误锁伪距值与设定的阈值之间的大小，采用如下规则对当前通道的卫星信号误锁情况进行判定：若误锁伪距值大于设定的阈值，则判定当前通道的卫星信号存在误锁，并判定当前通道的卫星不参与定位解算；若误锁伪距值小于或等于设定的阈值，则判定当前通道的卫星信号不存在误锁；上述步骤a~步骤h的原理为：gnss接收机若要实现精准定位，则必须解决如下两个问题：一是各颗可见卫星在空间的准确位置，二是要测量从接收机到这些卫星的精准距离，即伪距；伪距是信号接收时间t
u
与信号发射时间t
s
之间的差异再乘以真空光速，其中信号接收时间t
u
是直接从gnss接收机时钟上读出的，而接收机从信号上获取发射时间t
s
是从测距码相位中测量，实际上，接收机直接测量的不是信号发射时间t
s
，更不是伪距，而是码相位（cp）；从卫星产生c/a码的时间机理上可以看出，该c/a码相位反映着卫星播放此时刻信号时的卫星时间，故信号发射时间t
s
和伪距是在码相位测量值的基础上组装起来，以gps信号为例，gps信号发射时间t
s
相应的构筑公式：式中tow为当前观测时刻的周内秒；w为当前观测时刻的字的数量；b为当前观测时刻的比特数；c为光速；cp为当前观测时刻码相位值；根据接收机的设计原理可知，载波频率误锁，会导致i和q支路积分值的能量损耗，且会影响载波nco的调整值，以及载波相位的累积值。伪距采用载波相位平滑伪距的方法得到式中为系数，为平滑后的伪距，为载波伪距，为原始伪距；伪距观测值直接受到影响。通过载波频率误锁与伪距的关系，可以通过伪距识别的方法来鉴别有故障的跟踪通道；
根据当前通道的信号质量的判定结果和当前通道的卫星信号误锁情况的判定结果，完成卫星导航信号的异常判定的步骤。
20.以下结合一个具体实施例，对本发明方法进行进一步说明：采用可以接收gps l1ca的导航接收机，并以某颗星为例。
21.根据本发明的方法，我司某型接收机，对天实测跑车测试结果：频率在没有误锁情况下，环路相关值计算得到i和q支路的功率值，并对其进行滤波处理。比值阈值门限值为2.45，导航信号正常情况，实测i支路功率值4539，q支路功率值391,通过i/q得到比值11.61,该值大于阈值门限2.45。具体数据如表1所示。
22.表1 在频率没有发生误锁的情况下，实测数据示意表频率没有发生误锁的情况下，但是锁相环失锁，实测i支路功率1428，q支路功率1292，得到比值 1.11，此时iq检测导航信号异常。
23.频率发生误锁的情况下，实测i支路功率值3346，q支路功率值为445，得到比值7.5，比阈值门限大，而对这种情况，iq比值存在漏警的情况，则需要采用估算伪距的方法来鉴别频率误锁的信号；具体数据如表2所示。
24.表2 在频率没有发生误锁的情况下，实测数据示意表差值与平均值的比值结果，与设定阈值门限3.56比较，发现13卫星的伪距超过门限。