北斗卫星导航系统及其精密定位解算方法与流程

1.本发明涉及卫星定位、定时及无线通信技术领域，具体而言，涉及一种北斗卫星导航系统及其精密定位解算方法。


背景技术：

2.随着北斗导航产业的快速发展，市场上导航相关产品越来越多，功能越来越丰富。
3.但是单一功能产品较多，这就造成需要多台设备来满足不同的导航业务需求。同时，市场对高精度抗干扰设备提出了新的需求，要求改设备能够完成rtk(real time kinematic，载波差分)、ppp(precise point positioning，精密单点定位)及窄带抗干扰干扰的平台，实现迅速可靠地高精度定位。另外，军械对北斗定位定向设备提出了新的功能需求，要求该设备能够完成定位、定向、授时及窄带抗干扰的平台，实现迅速可靠的导航定位和定向功能，能够提供精确的授时服务，具备窄带抗干扰能力。
4.因此，研发出一种同时具有rtk、ppp高精度定位及抗干扰功能的定位系统，亟待解决。


技术实现要素：

5.本发明要解决的技术问题是如何提供一种同时具有rtk、ppp高精度定位及抗干扰功能的定位系统。
6.为解决上述技术问题，根据本发明的一个方面，提供一种高精度抗干扰北斗卫星导航系统，其包括：天线模块，用于接收卫星信号，完成解算和输出调制解调后的导航信息；主机模块，用于完成导航信息信号的捕获跟踪、信息数据解析处理、输出定位数据，实现高精度定位；电缆，用于连接天线模块和主机模块，其中，天线模块包括采用抗窄带干扰的抗干扰数字处理单元，天线模块用于接收观测视场内的频点信号，对信号分别限幅后，进行低噪声放大和滤波，再将经放大和滤波后的两路射频信号进行合路处理，其中，主机模块包括用于载波差分的rtk单元和用于精密单点定位的ppp单元。
7.根据本发明的实施例，天线模块接收的频点信号可包括b3和b1/l1；天线模块还可包括天线阵列和射频组件，其中，天线阵列用于接收卫星信号并输出射频信号，射频组件用于接收天线阵列输出的射频信号。
8.根据本发明的实施例，射频组件可对射频信号可进行低噪声放大、下变频、滤波处理，再输出中频信号。
9.根据本发明的实施例，天线模块的抗干扰数字处理单元可用于接收射频组件传输的中频信号，对中频信号进行抗干扰处理，将干扰抑制后的中频模拟信号下变频后传输给主机模块。其中，抗干扰处理包括：对输入信号进行加窗处理，对每一组加窗信号进行fft变换，获得加窗输入信号的频谱，对各信号频谱进行数据组合，滤除干扰谱线；对干扰抑制后的信号进行ifft变换，去除重叠模块，完成对输入信号的抗窄带干扰。
10.根据本发明的实施例，主机模块还可包括信号处理单元、定位解算单元和差分信
息接收单元。
11.根据本发明的实施例，主机模块的信号处理单元可接收由抗干扰数字处理单元输出的中频模拟信号，信号处理单元用于对中频模拟信号进行跟踪、解扩解调，并进行伪距测量。
12.根据本发明的实施例，定位解算单元可用于完成数据解析、原始观测量的测量、pvt(position，velocity and time，位置、速度和时间)解算，并输出高精度定位结果和精密单点定位结果。所述原始观测量的测量是指卫星导航中原始的伪距和载波相位等观测量的测量。
13.根据本发明的实施例，高精度抗干扰北斗卫星导航系统还可包括用于输入/输出差分数据的串口，差分信息接收单元用于对串口传输的差分数据进行解析。
14.根据本发明的实施例，rtk单元可用于结合卫星数据和差分数据建立双差模型，计算残差和整周模糊度。
15.根据本发明的实施例，ppp单元可用于结合天线接收的星历数据及精密卫星轨道和精密卫星钟差，通过采用卡尔曼滤波进行解析、组合残差。
16.根据本发明的另一方面，提供一种基于北斗卫星导航系统的精密定位解算方法，北斗卫星导航系统包括天线模块和主机模块，精密定位解算方法包括如下步骤：天线模块接收卫星信号，完成卫星信号解算和输出调制解调后的导航信息；主机模块完成导航信息信号的捕获跟踪、信息数据解析处理、输出定位数据，实现高精度定位；其中，天线模块接收观测视场内的频点信号，对信号分别限幅，进行低噪声放大和滤波，并将经放大和滤波后的两路射频信号进行合路处理，其中，主机模块信息数据解析处理采用载波差分和精密单点定位算法。
17.根据本发明的实施例，天线模块对卫星信号的解算可包括：接收卫星信号并输出射频信号；对射频信号进行低噪声放大、下变频、滤波处理，再输出中频信号。
18.根据本发明的实施例，天线模块对卫星信号的解算还可包括：对中频信号输出前进行加窗处理，对每一组加窗信号进行fft变换(fast fourier transform，快速傅立叶变换)，获得加窗输入信号的频谱；对各信号频谱进行数据组合，滤除干扰谱线；对干扰抑制后的信号进行ifft变换(inverse fast fourier transform，逆快速傅立叶变换)，去除重叠模块，完成对信号的抗窄带干扰；将干扰抑制后的中频模拟信号下变频后传输给主机模块。
19.根据本发明的实施例，主机模块信息数据解析处理可包括：接收天线模块输出的中频模拟信号，对中频模拟信号进行跟踪、解扩解调，并进行伪距测量；完成数据解析、原始观测量的测量、pvt解算，并输出高精度定位结果和精密单点定位结果。
20.根据本发明的实施例，主机模块信息数据解析处理还可包括：接收差分数据，差分数据进行解析。
21.根据本发明的实施例，载波差分可结合卫星数据和差分数据建立双差模型，计算残差和整周模糊度，其中，精密单点定位结合天线接收的星历数据及精密卫星轨道和精密卫星钟差，通过采用卡尔曼滤波进行解析、组合残差。
22.与现有技术相比，本发明的实施例所提供的技术方案至少可实现如下有益效果：
23.1、在导航系统实现抗干扰和定位产品功能上，依据本发明的设备可同时兼容rtk、ppp高精度定位和抗干扰的功能。本方案主要实现卫星高精度载波差分定位、精密单点定位
及抗干扰等功能。设备由多个模块协作完成，改变传统的定位设备模式，满足行业新领域的需求。
24.2、本发明的技术方案在现有技术的基础上，对抗干扰捕获算法进行改进，采用抗窄带干扰，减少信号损伤，显著提高信干噪比(signal to interference plus noise ratio，sinr，指的是系统中信号与干扰和噪声之和的比)，改善接收信号的误比特率，增强抗干扰能力，满足项目研制需要。存在干扰时，不采用抗干扰措施，较小的干扰即可引起解扩包络的变形和s曲线偏离，当采用频域干扰消除技术后，干扰信号基本被消除，归一化解扩包络和s曲线保持对称。如图3所示，左侧为采用频域干扰消除技术前s曲线图，右侧为采用频域干扰消除技术后s曲线图。
附图说明
25.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅涉及本发明的一些实施例，而非对本发明的限制。
26.图1是依据本发明实施例的北斗卫星导航系统的组成框图。
27.图2是依据本发明实施例的抗干扰数字处理单元的抗干扰工作原理图。
28.图3是依据本发明实施例进行抗干扰前后的信号曲线对比图。
具体实施方式
29.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
30.除非另作定义，此处使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明专利申请说明书以及权利要求书中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，“一个”或者“一”等类似词语也不表示数量限制，而是表示存在至少一个。
31.图1是依据本发明实施例的北斗卫星导航系统的组成框图。
32.如图1所示，高精度抗干扰北斗卫星导航系统，其包括：天线模块，用于接收卫星信号，完成解算和输出调制解调后的导航信息；主机模块，用于完成导航信息信号的捕获跟踪、信息数据解析处理、输出定位数据，实现高精度定位；电缆，用于连接天线模块和主机模块，其中，天线模块包括采用抗窄带干扰的抗干扰数字处理单元，天线模块用于接收观测视场内的b3和b1/l1频点信号，对信号分别限幅后，进行低噪声放大和滤波，再将经放大和滤波后的两路射频信号进行合路处理，其中，主机模块包括用于载波差分的rtk单元和用于精密单点定位的ppp单元。
33.在导航系统实现抗干扰和定位产品功能上，依据本发明的设备可同时兼容rtk、ppp高精度定位和抗干扰的功能。本方案主要实现卫星高精度载波差分定位、精密单点定位及抗干扰等功能。设备由多个模块协作完成，改变传统的定位设备模式，满足行业新领域的需求。
34.根据本发明的一个或一些实施例，天线模块还包括天线阵列和射频组件，其中，天
线阵列用于接收卫星信号并输出射频信号，射频组件用于接收天线阵列输出的射频信号。
35.根据本发明的一个或一些实施例，射频组件对射频信号可进行低噪声放大、下变频、滤波处理，再输出中频信号。
36.图2是依据本发明实施例的抗干扰数字处理单元的抗干扰工作原理图。
37.如图2所示，天线模块的抗干扰数字处理单元用于接收射频组件传输的中频信号，对中频信号进行抗干扰处理，将干扰抑制后的中频模拟信号下变频后传输给主机模块。其中，抗干扰处理包括：对输入信号进行加窗处理，对每一组加窗信号进行fft变换，获得加窗输入信号的频谱，对各信号频谱进行数据组合，滤除干扰谱线；对干扰抑制后的信号进行ifft变换，去除重叠模块，完成对输入信号的抗窄带干扰。
38.根据本发明的一个或一些实施例，主机模块还包括信号处理单元、定位解算单元和差分信息接收单元。
39.根据本发明的一个或一些实施例，主机模块的信号处理单元接收由抗干扰数字处理单元输出的中频模拟信号，信号处理单元用于对中频模拟信号进行跟踪、解扩解调，并进行伪距测量。
40.根据本发明的一个或一些实施例，定位解算单元用于完成数据解析、原始观测量的测量、pvt(position，velocity and time，位置、速度和时间)解算，并输出高精度定位结果和精密单点定位结果。所述原始观测量的测量是指卫星导航中原始的伪距和载波相位等观测量的测量。
41.根据本发明的一个或一些实施例，高精度抗干扰北斗卫星导航系统还包括用于输入/输出差分数据的串口，差分信息接收单元用于对串口传输的差分数据进行解析。
42.根据本发明的一个或一些实施例，rtk单元用于结合卫星数据和差分数据建立双差模型，计算残差和整周模糊度。
43.根据本发明的一个或一些实施例，ppp单元用于结合天线接收的星历数据及精密卫星轨道和精密卫星钟差，通过采用卡尔曼滤波进行解析、组合残差。
44.根据本发明的另一方面，提供一种基于北斗卫星导航系统的精密定位解算方法，北斗卫星导航系统包括天线模块和主机模块，精密定位解算方法包括如下步骤：天线模块接收卫星信号，完成卫星信号解算和输出调制解调后的导航信息；主机模块完成导航信息信号的捕获跟踪、信息数据解析处理、输出定位数据，实现高精度定位；其中，天线模块接收观测视场内的频点信号，对信号分别限幅，进行低噪声放大和滤波，并将经放大和滤波后的两路射频信号进行合路处理，其中，主机模块信息数据解析处理采用载波差分和精密单点定位算法。
45.根据本发明的一个或一些实施例，天线模块对卫星信号的解算包括：接收卫星信号并输出射频信号；对射频信号进行低噪声放大、下变频、滤波处理，再输出中频信号。
46.根据本发明的一个或一些实施例，天线模块对卫星信号的解算还包括：对中频信号输出前进行加窗处理，对每一组加窗信号进行fft变换，获得加窗输入信号的频谱；对各信号频谱进行数据组合，滤除干扰谱线；对干扰抑制后的信号进行ifft变换，去除重叠模块，完成对信号的抗窄带干扰；将干扰抑制后的中频模拟信号下变频后传输给主机模块。
47.根据本发明的一个或一些实施例，主机模块信息数据解析处理包括：接收天线模块输出的中频模拟信号，对中频模拟信号进行跟踪、解扩解调，并进行伪距测量；完成数据
解析、原始观测量的测量、pvt解算，并输出高精度定位结果和精密单点定位结果。
48.根据本发明的一个或一些实施例，主机模块信息数据解析处理还包括：接收差分数据，差分数据进行解析。
49.根据本发明的一个或一些实施例，载波差分结合卫星数据和差分数据建立双差模型，计算残差和整周模糊度，其中，精密单点定位结合天线接收的星历数据及精密卫星轨道和精密卫星钟差，通过采用卡尔曼滤波进行解析、组合残差。
50.使用时，抗干扰流程如下：首先，射频组件接收天线阵列输出的射频信号，对其进行低噪声放大、下变频、滤波等处理传输给抗干扰数字处理单元。然后，抗干扰数字处理单元接收射频组件传输的中频信号，对其进行抗干扰处理，其中，抗干扰处理包括：对输入信号进行加窗处理，对每一组加窗信号进行fft变换，获得加窗输入信号的频谱，对各信号频谱进行数据组合，滤除干扰谱线；对干扰抑制后的信号进行ifft变换，去除重叠模块，完成对输入信号的抗窄带干扰。将干扰抑制后的中频模拟信号下变频后传输给主机模块。接着，由主机模块信号处理单元完成信号的捕获、跟踪、解扩解调。最后，定位解算单元完成数据解析、原始观测量测量、pvt解算等。
51.使用时的rtk流程如下：首先，天线模块单元接收视场内所有的b3和b1/l1频点信号，分别经过限幅后，进行低噪声放大以及滤波。经放大和滤波后的两路射频信号进行合路处理。然后，信号处理单元在接收到天线单元的数字信号，完成信号的捕获、跟踪、伪距测量。接着，由差分信息接收单元对串口传输的差分数据进行解析。rtk单元结合卫星数据和差分数据，建立双差模型，计算残差、整周模糊度。最后，定位解算单元完成pvt解算，并将高精度定位结果输出。
52.使用时的ppp流程如下：首先，天线单元接收视场内所有的b3和b1/l1频点信号，分别经过限幅后，进行低噪声放大以及滤波。经放大和滤波后的两路射频信号进行合路处理。然后，信号处理单元在接收到天线单元的数字信号，完成信号的捕获、跟踪、伪距测量。接着，ppp单元结合天线接收的星历数据及精密卫星轨道和精密卫星钟差，通过卡尔曼滤波解析组合残差；最后，由定位解算单元完成pvt解算，并将精密单点定位结果输出。
53.本发明的技术方案在现有技术的基础上，对抗干扰捕获算法进行改进，采用抗窄带干扰，减少信号损伤，显著提高信干噪比(signal to interference plus noise ratio，sinr，指的是系统中信号与干扰和噪声之和的比)，改善接收信号的误比特率，增强抗干扰能力，满足项目研制需要。存在干扰时，不采用抗干扰措施，较小的干扰即可引起解扩包络的变形和s曲线偏离，当采用频域干扰消除技术后，干扰信号基本被消除，归一化解扩包络和s曲线保持对称。
54.图3是依据本发明实施例进行抗干扰前后的信号曲线对比图。
55.如图3所示，左侧为采用频域干扰消除技术前s曲线图，右侧为采用频域干扰消除技术后s曲线图。本发明的技术方案在现有的技术基础上，对抗干扰捕获算法进行改进，采用抗窄带干扰，减少信号损伤，显著提高信干噪比，改善接收信号的误比特率，增强抗干扰能力，满足项目研制需要。存在干扰时，不采用抗干扰措施，较小的干扰即可引起解扩包络的变形和s曲线偏离，当采用频域干扰消除技术后，干扰信号基本被消除，归一化解扩包络和s曲线保持对称。
56.以上所述仅是本发明的示范性实施方式，而非用于限制本发明的保护范围，本发
明的保护范围由所附的权利要求确定。