一种GNSS/LEO融合定位接收机系统及定位方法

一种gnss/leo融合定位接收机系统及定位方法
技术领域
1.本发明属于全球导航卫星系统(global navigation satellite system,gnss)领域，特别涉及一种gnss/leo融合定位接收机系统及定位方法。


背景技术：

2.全球卫星导航系统(global navigation satellite system，gnss)是指能为地球表明和近地面空间的用户提供全天时、全天候的三维定位、测速以及授时功能的天基无线电导航系统。中国的北斗卫星导航系统(bds)、美国的全球卫星定位系统(gps)、俄罗斯的格洛纳斯系统(glonass)和欧洲的伽利略卫星导航系统(galileo)共同构成了全球四大卫星导航系统。gnss在民用和军用领域发挥着巨大作用，其应用仅受限于人们想象力的制约。
3.在开阔空间中，gnss接收机可以接收到功率较高的信号，具有良好的性能。但是由于gnss卫星大都是中地球轨道卫星，轨道高约为2万千米，信号的空间损耗较大，落地功率低，在信号受到遮挡或者干扰的区域，信噪比会进一步降低，接收机的定位性能不佳。此外，许多应用场景需要快速实时定位，现有的全球卫星导航系统中导航电文的传输速率较低，对定位导航服务的速度与实时性造成一定的影响。
4.辅助型gnss(assisted-gnss,a-gnss)通过外界辅助星历信息，能够更快的完成gnss信号的捕获与定位。接收机在捕获卫星信号前，由外界设备输入辅助信息，通常包括可见的卫星号，星历、历书甚至是精确的时间信息和导航数据位信息等。辅助型接收机比无辅助接收机更快，但是采用地面参考站点、蜂窝数据网络辅助的a-gnss技术在服务的覆盖范围上有很大的劣势，在难以建立地面增强站点的地区无法获得增强服务，并且a-gnss系统应用受限于阻塞干扰或网络中断的情况。
5.另一方面，低轨卫星轨道高度较低，一般在几百千米到两千千米左右，其发射信号空间损耗较小，可以将leo卫星用于导航定位拓宽服务范围与应用场景。其次，leo卫星相对于地面接收机的速度非常快，具有很好的多普勒观测性，可以单独使用leo卫星进行粗略的多普勒定位，可作为gnss无法使用时的补充定位系统。最后，低轨卫星目前常用于通信遥测等应用，其信息传输速较高，以铱星为例，其传输速率为50kbps，是gps导航电文传输速率的1000倍。基于这些特点，leo卫星目前主要用于定位和辅助gnss系统。作为独立的定位系统，leo信号通过机会信号多普勒频率来实现定位。此外，leo卫星具有发射导航信号的能力。现在低轨卫星也可以像gnss系统一样发射prn信号以提高定位的准确性。因此可以将低轨卫星系统与gnss系统进行优势互补，解决gnss接收机在弱信号情况下，难以有效解决对卫星信号进行捕获、跟踪及定位解算的问题。


技术实现要素：

6.在弱信号和复杂信号环境下gnss接收机定位性能不高，而a-gnss技术一方面受限于战时或网络中断，另一方面该技术的覆盖范围受限于地面增强站点的建立。因此本发明提供了一种不受限于以上两种情况，有效提高gnss接收机捕获速度、跟踪灵敏度和定位性
能的gnss/leo融合定位接收机系统及定位方法。本发明的思路如下：
7.利用低轨卫星和gnss接收机进行联合定位，该接收机同时包含leo信号接收机射频前端与gnss信号接收机射频前端，且两部分射频共用同一个晶振。共用晶振可以保证gnss/leo联合基带处理模块的时间准确度和稳定度，有助于融合定位接收机实时锁定gnss和低轨卫星信号。gnss/leo融合定位接收机的联合基带处理模块可以利用leo基带信号处理模块提取出多普勒信息和leo卫星发射的gnss卫星星历信息辅助gnss卫星信号的捕获和跟踪。一方面根据多普勒辅助信息，可大幅减少卫星信号的频率搜索区间和码相位搜索区间，提高捕获效率；另一方面通过低轨卫星携带的导航电文辅助延长相干积分时间，有效压缩带宽，提升跟踪性能灵敏度。此外，gnss/leo联合pvt解算模块解算出的位置、速度信息以及推算出的低轨卫星与每颗gnss卫星的信号多普勒，反馈到gnss/leo联合基带处理模块，可以进一步提高gnss/leo融合定位接收机系统的定位精度，提升微弱gnss信号下融合定位接收机对卫星信号的捕获、跟踪和定位解算性能。
8.为解决上述技术问题，本发明采用如下的技术方案：
9.根据本发明的一个方面，本发明提供了一种gnss/leo融合定位接收机系统，包括：
10.leo信号接收射频前端、gnss信号接收射频前端、晶振、gnss/leo联合基带处理模块和gnss/leo联合pvt解算模块；
11.所述leo信号接收射频前端、所述gnss信号接收射频前端和所述gnss/leo联合基带处理模块共用一个所述晶振，所述leo信号接收射频前端和所述gnss信号接收射频前端均与所述gnss/leo联合基带处理模块连接，所述gnss/leo联合基带处理模块与所述gnss/leo联合pvt解算模块双向连接。
12.优选地，所述gnss/leo联合基带处理模块包括：leo基带信号处理模块、gnss捕获模块、gnss跟踪模块和gnss信息解调模块；
13.所述leo基带信号处理模块分别与所述gnss捕获模块和所述gnss跟踪模块连接，所述gnss捕获模块与所述gnss跟踪模块连接，所述gnss跟踪模块与所述gnss信息解调模块连接；
14.所述gnss/leo联合pvt解算模块包括：pvt解算模块、leo速度投影模块和gnss速度投影模块；
15.所述pvt解算模块分别与所述leo速度投影模块和所述gnss速度投影模块连接。
16.优选地，所述gnss捕获模块包括：第一混频器、第一相关器、信号检测器和逻辑控制电路；
17.所述逻辑控制电路与所述leo基带信号处理模块连接，所述逻辑控制电路还分别与所述第一混频器和所述第一相关器连接，所述第一相关器与所述信号检测器连接；
18.所述gnss跟踪模块包括：第二混频器、第二相关器、积分清零模块、鉴别器、环路滤波器和载波nco模块；
19.所述第二混频器与所述信号检测器连接，所述第二混频器还与所述第二相关器连接，所述第二相关器与所述leo基带信号处理模块连接，所述第二相关器与所述积分清零模块连接，所述积分清零模块与所述鉴别器连接，所述鉴别器与所述环路滤波器连接，所述环路滤波器与所述载波nco模块连接，所述载波nco模块与所述第二混频器连接。
20.优选地，所述leo信号接收射频前端和所述gnss信号接收射频前端分别与对应的
天线连接。
21.根据本发明的另一方面，本发明提供了一种gnss/leo融合定位接收机系统的定位方法，基于所述的gnss/leo融合定位接收机系统实现，包括以下步骤：
22.s1：所述leo信号接收射频前端通过天线接收leo数字中频信号，并发送至所述gnss/leo联合基带处理模块；
23.s2：所述gnss信号接收射频前端通过天线接收gnss数字中频信号，并发送至所述gnss/leo联合基带处理模块；
24.s3：所述gnss/leo联合基带处理模块将leo基带信号处理模块解算得到的接收机初步定位结果，输入到gnss捕获模块，对捕获到的卫星估计出gnss多普勒频偏和码相位信息；
25.s4：所述gnss/leo联合基带处理模块将gnss捕获模块输出的多普勒频偏、码相位信息及卫星prn输入到gnss跟踪模块，对卫星信号的载波和码相位进行跟踪；
26.s5：所述gnss/leo联合基带处理模块通过gnss信息解调模块对卫星信号进行位同步和帧同步处理，获得导航电文并输出gnss/leo星历信息，并将所述gnss/leo星历及观测值信息发送至所述gnss/leo联合pvt解算模块；
27.s6：所述gnss/leo联合pvt解算模块基于所述gnss/leo星历及观测值信息通过预设算法对gnss/leo融合定位接收机的位置、速度进行估算，得到gnss伪距/多普勒频偏和leo伪距/多普勒频偏；
28.s7：所述gnss/leo联合pvt解算模块将估算得到的所述gnss伪距/多普勒频偏和所述leo伪距/多普勒频偏作为反馈信息，发送至所述gnss/leo联合基带处理模块用于辅助捕获和跟踪。
29.优选地，s3包括以下步骤：
30.a1：leo基带信号处理模块对地面接收机进行初步定位，根据解调出的gnss星历信息与初步定位结果，确定当前可视gnss卫星编号prn，并计算出gnss初步的卫星多普勒频偏和初步伪距；
31.a2：利用所述gnss初步的多普勒频偏和初步伪距，将gnss数字中频信号依次通过第一混频器、第一相关器和信号检测器，采用串行搜索方法，对多普勒频偏和码相位进行搜索，对捕获到的卫星估计出gnss多普勒频偏和码相位信息。
32.优选地，步骤a2中，利用leo卫星提供的导航电文消除gnss信号中的比特翻转影响，通过逻辑控制电路延长gnss接收机相干积分时间，提高接收机的捕获速度及灵敏度；
33.优选地，s4包括以下步骤：
34.b1：gnss捕获模块捕获到的gnss数字中频信号经过第二混频器与本地载波进行混频，混频结果通过第二相关器与伪码进行相关运算，将剥离伪码之后的信号通过积分清零模块得到相干积分值；
35.b2：信号进行相干积分后，可以根据需要进行非相干积分，再将结果输入到鉴别器；
36.b3：鉴别器得到的载波跟踪误差通过环路滤波器进行滤波，与联合pvt解算模块输出的gnss多普勒频偏作为辅助信息一并作为输入对载波nco进行精确调节，保持本地载波频率和接收信号频率一致。
37.优选地，步骤b1中，在进行相干积分运算时，利用leo基带信号处理模块得到的gnss导航星历对gnss信号的相干积分进行辅助，延长相干积分的时间。
38.优选地，s6和s7包括以下步骤：
39.c1：将leo星历及观测值与gnss星历及观测值共同作为pvt解算模块输入值，利用最小二乘或卡尔曼滤波的方法进行联合位置、速度解算，分别得到leo卫星位置、速度信息和gnss卫星位置、速度信息；
40.c2：将pvt解算模块得到的leo卫星位置、速度信息输入到leo速度投影模块，得到leo伪距和多普勒频偏，同时将pvt解算模块得到的gnss卫星位置、速度信息输入到gnss速度投影模块得到gnss伪距和多普勒频偏，leo伪距/多普勒频偏和gnss伪距/多普勒频偏作为gnss/leo联合pvt解算模块的输出，反馈至gnss/leo联合基带处理模块，辅助卫星信号的捕获和跟踪。
41.本发明提供的技术方案带来的有益效果是：
42.(1)有效提高有遮挡或干扰等弱信号条件下gnss接收机的捕获、跟踪灵敏度以及定位性能；
43.(2)利用低轨卫星发射的导航电文信息辅助延长相干分时间，能有效压缩带宽，提高捕获与跟踪灵敏度；
44.(3)leo信号接收射频前端和gnss信号接收射频前端共用同一个晶振，因此对gnss跟踪通道的多普勒辅助更加精准；
45.(4)利用低轨卫星辅助gnss接收机，可以在无法架设地面基站的情况下提高定位服务的覆盖范围，低轨卫星辅助信息不需要额外的同步系统和信息编码便于工程实现。
46.(5)gnss/leo融合定位接收机可将leo星历及观测值和gnss星历及观测值共同作为联合定位pvt解算模块的输入可提高接收机定位精度。此外，pvt解算模块分别将leo伪距/多普勒频偏和gnss伪距/多普勒频偏反馈至前向gnss/leo联合基带处理模块，能进一步提高leo与gnss卫星信号的捕获和跟踪性能。
附图说明
47.下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
48.图1是本发明一种gnss/leo融合定位接收机系统结构图；
49.图2是本发明gnss/leo融合定位捕获辅助结构图；
50.图3是本发明gnss/leo融合定位跟踪辅助结构图；
51.图4是本发明gnss/leo联合pvt解算结构图。
具体实施方式
52.为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。
53.下文出现的nco表示数字控制振荡器，prn表示卫星的标识码。
54.参考图1，图1是本发明一种gnss/leo融合定位接收机系统结构图。本发明gnss/leo融合定位接收机系统包括：leo信号接收射频前端、gnss信号接收射频前端、晶振、gnss/leo联合基带处理模块和gnss/leo联合pvt解算模块。leo信号接收射频前端和gnss信号接
收射频前端均与gnss/leo联合基带处理模块连接，gnss/leo联合基带处理模块与gnss/leo联合pvt解算模块双向连接。采用同一晶振模块为leo信号接收射频前端、gnss信号接收射频前端以及gnss/leo联合基带处理模块提供时钟信号。gnss/leo联合基带处理模块将leo星历及观测值和gnss星历及观测值，提供至gnss/leo联合pvt解算模块，gnss/leo联合pvt解算模块利用最小二乘算法或卡尔曼滤波算法进行位置、速度估算，该模块将估算出的leo伪距/多普勒频偏以及gnss伪距/多普勒频偏作为反馈信息输入至gnss/leo联合基带处理模块，可提高信号的捕获和跟踪性能。
55.在本实施例中，gnss/leo联合基带处理模块包括：leo基带信号处理模块、gnss捕获模块、gnss跟踪模块和gnss信息解调模块；
56.leo基带信号处理模块分别与gnss捕获模块和gnss跟踪模块连接，gnss捕获模块与gnss跟踪模块连接，gnss跟踪模块与gnss信息解调模块连接。
57.参考图2，图2是本发明gnss/leo融合定位捕获辅助结构图。gnss捕获模块包括：第一混频器、第一相关器、信号检测器和逻辑控制电路；逻辑控制电路与leo基带信号处理模块连接，逻辑控制电路还分别与第一混频器和第一相关器连接，第一相关器与信号检测器连接。
58.leo基带信号处理模块提供的初步定位信息可以减少对卫星信号的频率搜索范围和码相位搜索范围。leo基带信号处理模块解调出的gnss星历信息可以消除gnss信号中的比特反转影响，延长相干积分时间，提高gnss接收机捕获灵敏度。
59.本发明提供的gnss/leo融合定位接收机信号捕获方法具体为：
60.(1)leo基带信号处理模块首先对地面接收机进行初步定位，根据解调出的gnss星历信息与初步定位结果，确定当前可视gnss卫星编号prn，并计算出gnss初步的卫星多普勒频偏以及初步伪距；
61.(2)利用上述估算出的初步gnss多普勒频偏和伪距信息，将gnss数字中频信号依次通过第一混频器、第一相关器和信号检测器，采用串行搜索方法，对多普勒频偏和码相位进行搜索，对捕获到的卫星估计出gnss多普勒频偏和码相位信息。
62.参考图3，图3是本发明gnss/leo融合定位跟踪辅助结构图。gnss跟踪模块包括：第二混频器、第二相关器、积分清零模块、鉴别器、环路滤波器和载波nco模块；
63.第二混频器与信号检测器连接，第二混频器还与第二相关器连接，第二相关器与leo基带信号处理模块连接，第二相关器与积分清零模块连接，积分清零模块与鉴别器连接，鉴别器与环路滤波器连接，环路滤波器与载波nco模块连接，载波nco模块与第二混频器连接。
64.leo基带信号处理模块利用解调得到的卫星导航星历对gnss跟踪模块的相关积分进行辅助，延长相干积分时间。通过联合pvt解算模块得到的gnss多普勒频偏对跟踪环路进行辅助，缩环路带宽，提高融合定位接收机的对gnss信号的跟踪灵敏度。
65.本发明提供的gnss/leo融合定位接收机信号跟踪方法具体为：
66.(1)gnss捕获模块捕获到的gnss数字中频信号经过第二混频器与本地载波进行混频，混频结果通过第二相关器与伪码进行相关运算，将剥离伪码之后的信号通过积分清零模块得到相干积分值；
67.(2)信号进行相干积分后，可以根据需要进行非相干积分，再将结果输入到鉴别
器；
68.(3)鉴别器得到的载波跟踪误差通过环路滤波器进行滤波，与联合pvt解算模块输出的gnss多普勒频偏作为辅助信息一并作为输入对载波nco进行精确调节，保持本地载波频率和接收信号频率一致。
69.参考图4，图4是本发明gnss/leo联合pvt解算结构图。gnss/leo联合pvt解算模块包括：pvt解算模块、leo速度投影模块和gnss速度投影模块；pvt解算模块分别与leo速度投影模块和gnss速度投影模块连接。
70.gnss/leo联合pvt解算模块可以分别计算出leo伪距/多普勒频偏和gnss伪距/多普勒频偏，并将其反馈至gnss/leo联合基带处理模块，从而进一步提高leo和gnss卫星信号的捕获和跟踪性能。该方法具体为：
71.(1)将leo星历及观测值与gnss星历及观测值共同作为pvt解算模块输入值，利用最小二乘或卡尔曼滤波的方法进行联合位置、速度解算，可以分别得到leo卫星位置、速度信息和gnss卫星位置、速度信息；
72.(2)将pvt解算模块得到的leo卫星位置、速度信息输入到leo速度投影模块可以得到leo伪距和多普勒频偏，同时将pvt解算模块得到的gnss卫星位置、速度信息输入到gnss速度投影模块可以得到gnss伪距和多普勒频偏。leo伪距/多普勒频偏和gnss伪距/多普勒频偏可以作为gnss/leo联合pvt解算模块的输出，反馈至gnss/leo联合基带处理模块，辅助卫星信号的捕获和跟踪。
73.需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者系统不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者系统所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者系统中还存在另外的相同要素。
74.上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。词语第一、第二、以及第三等的使用不表示任何顺序，可将这些词语解释为标识。
75.以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。