專利名稱：一種無線導(dǎo)航系統(tǒng)整周數(shù)模糊度的確定方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于使用電磁波技術(shù)進(jìn)行導(dǎo)航和定位的領(lǐng)域，如在無線導(dǎo)航系統(tǒng)，它特別涉及使用載波相位測(cè)量進(jìn)行高精度導(dǎo)航定位的系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
眾所周知，在現(xiàn)有的導(dǎo)航和定位系統(tǒng)中，廣泛采用多個(gè)發(fā)射臺(tái)發(fā)射導(dǎo)航定位信號(hào)，接收機(jī)接收；接收機(jī)根據(jù)收到的各個(gè)發(fā)射臺(tái)的導(dǎo)航定位信號(hào)的電參量來計(jì)算出自己的位置這一原理來定位和導(dǎo)航的。為了讓接收機(jī)能判斷出接收的信號(hào)是來自哪個(gè)發(fā)射臺(tái)，發(fā)射臺(tái)通常采用CDMA擴(kuò)頻技術(shù)。又由于載波頻率高，波長短，為了提高導(dǎo)航定位的精度，常常使用載波相位測(cè)量來進(jìn)行高精度導(dǎo)航定位。
導(dǎo)航定位系統(tǒng)是利用收到的導(dǎo)航定位信號(hào)的電參量(幅度、頻率、相位等)與導(dǎo)航參量的關(guān)系來導(dǎo)航定位的。根據(jù)利用不同的電參量來確定導(dǎo)航參量，導(dǎo)航定位系統(tǒng)一般分為振幅無線電導(dǎo)航系統(tǒng)、頻率無線導(dǎo)航系統(tǒng)、時(shí)間無線電導(dǎo)航系統(tǒng)、相位無線電導(dǎo)航系統(tǒng)、復(fù)合無線電導(dǎo)航系統(tǒng)等，詳細(xì)內(nèi)容見《無線電導(dǎo)航原理》，魏光順、張欲敏等著，東南大學(xué)出版社，1989年出版。
載波相位測(cè)量原理載波相位測(cè)量是測(cè)量發(fā)射臺(tái)發(fā)射的載波信號(hào)在傳播路程上的相位變化值，以確定信號(hào)傳播的距離。發(fā)射臺(tái)s發(fā)出一個(gè)載波信號(hào)，在時(shí)刻t時(shí)其在發(fā)射臺(tái)s處的相位為s，而此時(shí)經(jīng)過距離r傳播到接收機(jī)k處的信號(hào)，其相位為k，則由發(fā)射臺(tái)s到接收機(jī)k的相位變化為(k-s)。(k-s)包括了整周期數(shù)和不足一周的小數(shù)部分。一般為了方便計(jì)算，載波相位均以周期為單位。如果能測(cè)定(k-s)，則發(fā)射臺(tái)到接收機(jī)的距離r即為r＝λ(k-s)＝λ(N0+Δ)(1)式中，N0為載波相位(k-s)整周期部分；Δ為不足一周的小數(shù)部分；λ為載波的波長，為已知值。但是，實(shí)際相位測(cè)量只能測(cè)定不足一周的小數(shù)部分，而整周數(shù)N0是不清楚的。因此存在整周數(shù)N0模糊度的問題。
因此，只有精確的確定整周數(shù)N0才能獲得高精度的定位結(jié)果，否則，即使相位測(cè)量的觀測(cè)值Δ精度很高，也是沒有意義的。因此，快速求解整周數(shù)N0是載波相位測(cè)量的關(guān)鍵。常見的整周數(shù)N0的確定方法有(1)一種簡單的方法是接收機(jī)初始化后連續(xù)不斷地計(jì)算完整相位循環(huán)數(shù)。這時(shí)應(yīng)將所收到的信息同時(shí)進(jìn)行完整相位循環(huán)計(jì)數(shù)和相位計(jì)數(shù)，完整相位循環(huán)計(jì)數(shù)計(jì)算出每隔2π的相位整數(shù)倍變化。這樣就確定了整周數(shù)N0。這種方法的缺點(diǎn)是可靠性差，一旦丟失信號(hào)或設(shè)備臨時(shí)掉電等，都將破壞完整相位循環(huán)計(jì)數(shù)的準(zhǔn)確性，此時(shí)就不能完全消除整周數(shù)的模糊性。
(2)另一種方法是發(fā)射臺(tái)發(fā)射輔助信號(hào)，接收機(jī)初始化后，接收導(dǎo)航定位信號(hào)的同時(shí)，還接收輔助信號(hào)，接收機(jī)利用輔助信號(hào)和導(dǎo)航信號(hào)來聯(lián)合計(jì)算出整周數(shù)N0。這種方法增加了發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的復(fù)雜度。
上述各種計(jì)算整周數(shù)N0的方法詳細(xì)內(nèi)容見《無線電導(dǎo)航原理》，魏光順、張欲敏等著，東南大學(xué)出版社，1989年出版。這些方法各有各的缺點(diǎn)，方法1的可靠性不高，一旦丟失信號(hào)或設(shè)備臨時(shí)掉電等，都將破壞完整相位循環(huán)計(jì)數(shù)的準(zhǔn)確性，此時(shí)就不能完全消除整周數(shù)的模糊性。使用方法2，增加了發(fā)射臺(tái)和接收機(jī)的復(fù)雜度，從而增加了實(shí)現(xiàn)難度和系統(tǒng)成本。
傳統(tǒng)的無線導(dǎo)航定位系統(tǒng)由發(fā)射臺(tái)圖1和接收機(jī)圖2組成。發(fā)射臺(tái)由編碼模塊3、擴(kuò)頻碼生成器4、調(diào)制模塊5、D/A轉(zhuǎn)換模塊6、載波發(fā)生器7、發(fā)射天線8組成，其接收機(jī)由接收天線9、本地載波發(fā)生器10、A/D轉(zhuǎn)換模塊11、解調(diào)模塊12、擴(kuò)頻碼捕獲和跟蹤模塊13、接收基帶處理模塊14組成。其工作過程為發(fā)射臺(tái)將需要發(fā)送的測(cè)距信息經(jīng)過編碼模塊3，再經(jīng)過擴(kuò)頻碼生成器4擴(kuò)頻后和調(diào)制模塊5調(diào)制，經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換模塊6后與載波發(fā)生器7產(chǎn)生的載波混頻，然后經(jīng)過發(fā)射天線8發(fā)射出去。經(jīng)過在空中的傳播后，接收機(jī)經(jīng)過接收天線9，將信號(hào)接收下來，經(jīng)過與本地載波發(fā)生器10產(chǎn)生的載波信號(hào)混頻后，再由A/D轉(zhuǎn)換模塊11采樣，然后經(jīng)過解調(diào)模塊12解調(diào)，再經(jīng)過擴(kuò)頻碼捕獲和跟蹤模塊13后，最后經(jīng)過接收基帶處理模塊14將電參量提取出來。
其導(dǎo)航定位原理是一般一個(gè)系統(tǒng)內(nèi)有多個(gè)位置已知的發(fā)射臺(tái)，各發(fā)射臺(tái)的結(jié)構(gòu)都一樣，不同的是各發(fā)射臺(tái)的擴(kuò)頻碼不一樣。接收機(jī)將收到的信號(hào)經(jīng)接收信號(hào)處理后，提取出各導(dǎo)航信號(hào)的電參量，然后根據(jù)這些電參量，建立導(dǎo)航參量方程，從而進(jìn)行導(dǎo)航定位。詳細(xì)內(nèi)容見《無線電導(dǎo)航原理》，魏光順、張欲敏等著，東南大學(xué)出版社，1989年出版以及《GPS衛(wèi)星導(dǎo)航與精密定位》，許其鳳著，解放軍出版社，1989年出版。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種無線導(dǎo)航系統(tǒng)整周數(shù)模糊度的確定方法，即采用本發(fā)明的消除整周數(shù)模糊度的方法，在一定的距離范圍內(nèi)，不需要增加額外的輔助信號(hào)，也不需增加系統(tǒng)的復(fù)雜度，根據(jù)本地接收機(jī)收到的導(dǎo)航定位電參量就可以可靠的消除載波相位變化的整周數(shù)模糊度。
本發(fā)明主要用在利用載波相位測(cè)量來導(dǎo)航定位的導(dǎo)航定位接收系統(tǒng)中消除載波相位變化的整周數(shù)模糊度。其原理框圖見圖3，其組成為具有擴(kuò)頻碼捕獲跟蹤功能的傳統(tǒng)接收機(jī)2、擴(kuò)頻碼時(shí)間測(cè)量模塊15、整周數(shù)計(jì)算模塊16。
本發(fā)明的工作原理假設(shè)擴(kuò)頻碼的碼長為Nc(chip)，擴(kuò)頻碼的碼率為K(chip/s)，載波頻率為f(Hz)，電磁波傳播速度為C，接收機(jī)擴(kuò)頻碼捕獲跟蹤的精度為Δφ1(chip)，本地接收機(jī)捕獲跟蹤到的擴(kuò)頻碼相位差為ΔφPN(chip)，Δφf為接收機(jī)測(cè)量出來的不足一周的載波相位。那么傳播一個(gè)完整的擴(kuò)頻碼所需的距離為RR=NcCK----(2)]]>如果所測(cè)距離r小于R，那么根據(jù)捕獲跟蹤到的擴(kuò)頻相位計(jì)算出的信號(hào)傳播時(shí)間為ΔτPNΔτPN=ΔφPNK----(3)]]>當(dāng)Δφ1K<1f----(4)]]>載波相位變化的整周數(shù)N0為
其中[·]表示取不大于該數(shù)的最大整數(shù)。
當(dāng)用差分法定位時(shí)，所測(cè)距離r表示兩個(gè)發(fā)射臺(tái)到接收臺(tái)的距離差，ΔφPN表示接收臺(tái)測(cè)得的兩個(gè)發(fā)射臺(tái)的擴(kuò)頻信號(hào)到達(dá)接收臺(tái)的擴(kuò)頻碼相位變化的差，N0表示兩個(gè)發(fā)射臺(tái)到接收機(jī)的載波相位變化的整周數(shù)的差。
本發(fā)明提供的一種無線導(dǎo)航系統(tǒng)整周數(shù)模糊度的確定方法，它采用下面的步驟第一步接收信號(hào)經(jīng)過接收天線9接收后，經(jīng)過與本地載波發(fā)生器10產(chǎn)生的載波信號(hào)混頻，同時(shí)利用載波跟蹤技術(shù)測(cè)量出載波相位變化不足一周的小數(shù)部分Δφf；第二步再由A/D轉(zhuǎn)換模塊11采樣，然后經(jīng)過解調(diào)模塊12解調(diào)，再經(jīng)過擴(kuò)頻碼捕獲和跟蹤模塊13，在擴(kuò)頻碼捕獲和跟蹤模塊13中利用擴(kuò)頻碼捕獲跟蹤技術(shù)測(cè)量出擴(kuò)頻碼的相位差ΔφPN(chip)；第三步然后經(jīng)過接收基帶處理模塊14將電參量提取出來；其特征技術(shù)還包括以下步驟第四步根據(jù)在擴(kuò)頻碼捕獲和跟蹤模塊13中測(cè)量出來的本地?cái)U(kuò)頻碼與收到的信號(hào)的擴(kuò)頻碼的相位差ΔφPN(chip)，擴(kuò)頻碼時(shí)間測(cè)量模塊15根據(jù)式(3)ΔτPN=ΔφPNK]]>算出信號(hào)的傳播時(shí)間ΔτPN；第五步在整周數(shù)計(jì)算模塊16中利用擴(kuò)頻碼時(shí)間測(cè)量模塊15算出的信號(hào)傳播時(shí)間ΔτPN和接收機(jī)中本地載波發(fā)生器10獲得的載波相位變化不滿一周的相位差Δφf，在滿足條件式(4)Δφ1K<1f]]>時(shí)，根據(jù)式(5) 計(jì)算出整周數(shù)N0的值。
經(jīng)過以上步驟，就可以得到載波相位變化的整周數(shù)N0。
需要說明的是，公式(5)可以通過編程求解。
本發(fā)明的創(chuàng)新為與傳統(tǒng)的消除整周數(shù)模糊度的方法比，本發(fā)明提供了一種新的消除整載波相位變化的整周數(shù)模糊度的方法。在一定的距離范圍內(nèi)，不需要增加額外的輔助信號(hào)，也不需增加系統(tǒng)的復(fù)雜度，利用本地接收機(jī)擴(kuò)頻碼的相位捕獲和跟蹤的結(jié)果與接收機(jī)獲得的不滿一周的載波相位變化的值，根據(jù)擴(kuò)頻碼傳播距離和載波傳播距離的關(guān)系，就能得到可靠的載波相位變化的整周數(shù)模糊度。
綜上所述，利用本發(fā)明的方法，不需要增加額外的輔助信號(hào)，也不需增加系統(tǒng)的復(fù)雜度，根據(jù)本地接收機(jī)擴(kuò)頻碼的相位捕獲跟蹤的結(jié)果和接收機(jī)獲得的不滿一周的載波相位變化，在擴(kuò)頻碼跟蹤精度滿足式(4)的條件下，根據(jù)擴(kuò)頻碼傳播距離和載波傳播距離的關(guān)系，就能消除載波相位變化的整周數(shù)模糊度。利用本發(fā)明能快速、方便、可靠地實(shí)現(xiàn)載波測(cè)量高精度定位，可用于進(jìn)行高精度導(dǎo)航定位的系統(tǒng)。


圖1是傳統(tǒng)的導(dǎo)航定位系統(tǒng)的發(fā)射機(jī)其中3是編碼模塊；4是擴(kuò)頻碼發(fā)生器；5是調(diào)制模塊；6是D/A轉(zhuǎn)換模塊；7是載波發(fā)生器；8是發(fā)送天線；圖2是傳統(tǒng)的導(dǎo)航定位系統(tǒng)的接收機(jī)其中9是接收天線；10是本地載波發(fā)生器；11是A/D轉(zhuǎn)換模塊；12是解調(diào)模塊；13是擴(kuò)頻碼捕獲和跟蹤模塊；14是接收基帶處理模塊；圖3是本發(fā)明方法的工作原理框中的接收機(jī)2就是圖2所示的接收機(jī)；15是擴(kuò)頻碼時(shí)間測(cè)量模塊；16是整周數(shù)計(jì)算模塊；圖4是本發(fā)明方法的流程圖。
具體實(shí)施例方式
假設(shè)擴(kuò)頻碼的碼長為Nc(chip)＝8191，擴(kuò)頻碼的碼率為K＝25(kchip/s)，載波頻率為f＝2(MHz)，電磁波傳播速度為C＝3×108(m/s)，接收機(jī)捕獲跟蹤擴(kuò)頻碼的精度為Δφ1＝0.01(chip)，此時(shí)式(4)成立。則傳播一個(gè)完整的擴(kuò)頻碼所需的距離為R=NcCK=98292(km),]]>現(xiàn)在假設(shè)所測(cè)量的距離r小于98292(km)。發(fā)射臺(tái)經(jīng)過擴(kuò)頻調(diào)制后，將測(cè)量所需要的信號(hào)發(fā)射出來，經(jīng)過一定距離的傳播后，確定整周數(shù)N0的步驟如下第一步接收信號(hào)經(jīng)過接收天線9接收后，經(jīng)過與本地載波發(fā)生器10產(chǎn)生的載波信號(hào)混頻，同時(shí)利用載波跟蹤技術(shù)測(cè)量出載波相位變化不足一周的小數(shù)部分
Δφf＝0.1；第二步再由A/D轉(zhuǎn)換模塊11采樣，然后經(jīng)過解調(diào)12解調(diào)，再經(jīng)過擴(kuò)頻碼捕獲和跟蹤13，在擴(kuò)頻碼捕獲和跟蹤13中利用擴(kuò)頻碼捕獲跟蹤技術(shù)測(cè)量出擴(kuò)頻碼的相位差ΔφPN＝100(chip)；第三步然后經(jīng)過接收基帶處理14將電參量提取出來；第四步根據(jù)在擴(kuò)頻碼捕獲和跟蹤13中測(cè)量出來的本地?cái)U(kuò)頻碼與收到的信號(hào)的擴(kuò)頻碼的相位差ΔφPN＝100(chip)，擴(kuò)頻碼時(shí)間測(cè)量模塊15根據(jù)式(3)算出信號(hào)的傳播時(shí)間ΔτPN＝4(ms)；第五步在整周數(shù)計(jì)算16中根據(jù)擴(kuò)頻碼時(shí)間測(cè)量15算出的信號(hào)傳播時(shí)間ΔτPN和接收機(jī)獲得的載波相位變化不滿一周的相位差Δφf，根據(jù)式(5)計(jì)算出整周數(shù)N0＝8000。
以上的發(fā)射臺(tái)和接收機(jī)都是傳統(tǒng)的，擴(kuò)頻碼時(shí)間測(cè)量模塊15和整周數(shù)計(jì)算模塊16都可用DSP(Digital Signal Processing)編程實(shí)現(xiàn)。
權(quán)利要求
1.一種無線導(dǎo)航系統(tǒng)整周數(shù)模糊度的確定方法，它采用下面的步驟第一步接收信號(hào)經(jīng)過接收天線(9)接收后，經(jīng)過與本地載波發(fā)生器(10)產(chǎn)生的載波信號(hào)混頻，同時(shí)利用載波跟蹤技術(shù)測(cè)量出載波相位變化不足一周的小數(shù)部分Δφf；第二步再由A/D轉(zhuǎn)換模塊(11)采樣，然后經(jīng)過解調(diào)模塊(12)解調(diào)，再經(jīng)過擴(kuò)頻碼捕獲和跟蹤模塊(13)，在擴(kuò)頻碼捕獲和跟蹤模塊(13)中利用擴(kuò)頻碼捕獲跟蹤技術(shù)測(cè)量出擴(kuò)頻碼的相位差ΔφPN(chip)；第三步然后經(jīng)過接收基帶處理模塊(14)將電參量提取出來；其特征技術(shù)還包括以下步驟第四步根據(jù)在擴(kuò)頻碼捕獲和跟蹤模塊(13)中測(cè)量出來的本地?cái)U(kuò)頻碼與收到的信號(hào)的擴(kuò)頻碼的相位差ΔφPN(chip)，擴(kuò)頻碼時(shí)間測(cè)量模塊(15)根據(jù)式(3)ΔτPN=ΔφPNK]]>算出信號(hào)的傳播時(shí)間ΔτPN；第五步在整周數(shù)計(jì)算模塊(16)中利用擴(kuò)頻碼時(shí)間測(cè)量模塊(15)算出的信號(hào)傳播時(shí)間ΔτPN和接收機(jī)中本地載波發(fā)生器(10)獲得的載波相位變化不滿一周的相位差Δφf，在滿足條件式(4)Δφ1K<1f]]>時(shí)，根據(jù)式(5) 計(jì)算出整周數(shù)N0的值。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種無線導(dǎo)航系統(tǒng)整周數(shù)模糊度的確定方法，其特征是所述的擴(kuò)頻碼時(shí)間測(cè)量模塊15和整周數(shù)計(jì)算模塊16都可用DSP編程實(shí)現(xiàn)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種新的消除整載波相位變化的整周數(shù)模糊度的方法，它是在一定的距離范圍內(nèi)，利用本地接收機(jī)擴(kuò)頻碼的相位捕獲和跟蹤的結(jié)果與接收機(jī)獲得的不滿一周的載波相位變化的值，根據(jù)擴(kuò)頻碼傳播距離和載波傳播距離的關(guān)系，得到載波相位變化的整周數(shù)模糊度。本發(fā)明的方法不需要增加額外的輔助信號(hào)，也不需增加系統(tǒng)的復(fù)雜度，利用本發(fā)明能快速、方便、可靠地實(shí)現(xiàn)載波測(cè)量高精度定位，可用于進(jìn)行高精度導(dǎo)航定位的系統(tǒng)。
文檔編號(hào)G01S19/30GK1598611SQ0313584
公開日2005年3月23日 申請(qǐng)日期2003年9月18日 優(yōu)先權(quán)日2003年9月18日
發(fā)明者唐友喜, 趙宏志, 潘文生 申請(qǐng)人:電子科技大學(xué)