專利名稱：一種輔助gps接收機實現信號平穩(wěn)跟蹤的系統及方法
技術領域：
本發(fā)明涉及基于全球定位系統(GPS)的導航系統領域，具體涉及一種輔助GPS接收機實現信號平穩(wěn)跟蹤的系統及方法。
背景技術：
以全球定位系統(Global Positioning System, GPS)為代表的衛(wèi)星導航系統具有定位精度高，覆蓋范圍廣等諸多優(yōu)點，被認為是實現連續(xù)、實時、精確定位的有效技術途徑之一。然而GPS接收機的工作性能卻直接受限于其工作環(huán)境，尤其在動態(tài)性較強的環(huán)境下，其環(huán)路容易產生失鎖，進而導致無法獲取定位信息。為了克服GPS接收機自身存在的缺陷，可以引入外部信息來提供短時相對精確的補償，改善其在動態(tài)失鎖環(huán)境下的定位性能。根據對GPS接收機輔助層次的深入情況，有以下幾種基本的實現途徑:①GPS和外部信息均處于獨立工作的狀態(tài)，綜合的作用主要體現在數據的簡單融合在原始觀測量域以最優(yōu)濾波的形式實現信息融合，對于GPS接收機而言，就是利用偽距和偽距率的輸出進行數據融合；③組合深入到GPS接收機的跟蹤環(huán)路內部，從根本上解決環(huán)境干擾對接收機跟蹤環(huán)路的影響。綜合輔助GPS接收機的實現途徑，深入到環(huán)路跟蹤內部的輔助形式是根本改善接收機性能的重要實現方式，因此如何更好的獲得外部輔助信息，利用外部輔助信息成為解決輔助接收機領域的關鍵問題。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于提供一種利用多加速度計的組合輔助GPS接收機實現信號平穩(wěn)跟蹤的系統及方法。為達到上述目的，本發(fā)明采取的技術方案是:提供一種輔助GPS接收機實現信號平穩(wěn)跟蹤的系統，其特征在于包括:加速度計組，包括至少六個加速器；加速度計組實時輸出各加速度計所在方向的比力信息；比力計算單元，通過得到的上述比力獲得載體的線加速度和角加速度信息；姿態(tài)計算單元，通過得到的上述角加速度信息獲得載體的角速度信息；導航解算單元，通過得到的上述線加速度和角速度信息獲得載體的位置和速度信息；觀測量轉換單元，用于將載體的位置和速度信息轉換成第一偽距和第一偽距率；組合信息融合單元，上述第一偽距、第一偽距率結合經GPS天線接收并轉換得到第二偽距和第二偽距率獲得多普勒頻率估計值。所述加速度計組包括六個加速度計；六個所述加速度計設置在以GPS天線為中心的正方體上；所述加速度計分布在正方體各平面對角線的中點。所述導航解算單元為SINS模塊。
一種輔助GPS接收機實現信號平穩(wěn)跟蹤的方法，其特征在于包括以下步驟:A、通過設置在載體上的加速度計組各加速度計輸出的比力獲得載體的位置和速度信息，并轉換為第一偽距和第一偽距率；B、設置在載體上的GPS天線接收的GPS信號送入射頻前端經轉換和處理獲得第二偽距和第二偽距率；C、第一偽距、第一偽距率、第二偽距、第二偽距率結合組合濾波器獲得多普勒頻率估計值，并將上述多普勒頻率估計值作為跟蹤環(huán)路的中心頻率輔助跟蹤環(huán)路。上述步驟A包括以下分步驟:Al、讀取加速度計組各加速度計的比力輸出信息，進行比力計算，獲得載體的線加速度和角加速度信息；A2、將獲得的角加速度信息經姿態(tài)計算獲得載體的角速度信息；A3、將獲得的線加速度和角速度信息經導航解算獲得載體的位置和速度信息；A4、將獲得的位置和速度信息經觀測量轉換單元轉換得到第一偽距和第一偽距率。上述步驟B包括以下分步驟:B1、GPS天線接收GPS信號并送入射頻前端；B2、射頻前端將GPS信號通過功率放大、濾波、頻率轉換和模數轉換后轉化為中頻數字信號，并輸送到信號捕獲單元和信號跟蹤單元；B3、信號捕獲單元根據接收到的中頻數字信號，調節(jié)偽碼發(fā)生器和本地振蕩器使本地偽碼相位及載波頻率與中頻數字信號的偽碼相位和載波頻率粗略對齊，并將上述本地偽碼相位和載波頻率作為初始化信息輸送給信號跟蹤單元；B4、信號跟蹤單元的載波數控振蕩器、C/A碼數控振蕩器和載波相位鑒定器根據接收到的初始化信息結合接收到的中頻數字信號，使本地C/A碼相位和載波頻率與中頻數字信號的偽碼相位和載波頻率精確對齊后，獲得載波頻率和C/A碼相位；B5、位同步和幀同步單元將接收到的信號跟蹤單元的信息進行位同步和幀同步后，獲得第二偽距、第二偽距率信息，并解調出導航電文；上述導航電文中包括GPS衛(wèi)星星歷，將上述數據送入組合信息融合單元。上述步驟C包括以下分步驟:Cl、組合信息融合單元接收第一偽距、第一偽距率、第二偽距和第二偽距率信息；C2、以第一偽距、第二偽距的差和第一偽距率、第二偽距率的差為觀測量，利用組合濾波器得到載體的位置、速度信息，并轉換為C/A碼相位和多普勒頻率估計值f，并將C/A碼相位和多普勒頻率估計值f傳遞給信號跟蹤單元；C3、信號跟蹤單元以多普勒頻率估計值f作為中心頻率，繼而完成載波環(huán)路跟蹤；同時，由公式f/1540得到量輔助完成碼環(huán)路跟蹤。所述第一偽距和第一偽距率是根據加速度機組的測量信息經比力計算、姿態(tài)計算、導航解算、觀測量轉換得到的載體與GPS衛(wèi)星之間的距離和距離率。所述第二偽距和第二偽距率是根據GPS天線接收的GPS信號經射頻前端、信號跟蹤單元、位同步和幀同步單元處理得到的載體與GPS衛(wèi)星之間的距離和距離率。所述組合濾波器為非線性卡爾曼濾波器。
本發(fā)明提供的輔助GPS接收機實現信號平穩(wěn)跟蹤的系統及方法具有以下有益效果:通過設置的加速度計組獲得各個方向上的比力，并對得到的各方向上的比力進行處理獲得載體的第一偽距和第一偽距率信息；第一偽距和第一偽距率結合由GPS天線接收經一系列處理得到的第二偽距和第二偽距率信息進行數據融合得到多普勒頻率估計值；利用不同方式觀測同一信息源，使得測量值冗余，提供GPS接收機的定位精度；同時，利用獲得的多普勒頻率估計值作為跟蹤環(huán)路的中心頻率，輔助環(huán)路跟蹤，有利于提高GPS跟蹤環(huán)路對于動態(tài)環(huán)境的適應性。


圖1為輔助GPS接收機實現信號平穩(wěn)跟蹤的系統整體框圖；圖2為加速度計組合和天線的空間分布圖。
具體實施例方式下面結合實施例及附圖對本發(fā)明進行詳細的描述，但它們不是對本發(fā)明的進一步限制。本發(fā)明提供的輔助GPS接收機實現信號平穩(wěn)跟蹤的系統包括:加速度計組11，包括至少六個加速器；加速度計組11實時輸出各加速度計所在方向的比力信息；比力計算單元12，通過得到的上述比力獲得載體的線加速度和角加速度信息；姿態(tài)計算單元13，通過得到的上述角加速度信息獲得載體的角速度信息；導航解算單元14，通過得到的上述線加速度和角速度信息獲得載體的位置和速度信息；導航解算單元14為SINS模塊。觀測量轉換單元21，用于將載體的位置和速度信息轉換成第一偽距和第一偽距率；GPS天線31，用于接收GPS信號；射頻前端32，用于將接收到的微弱的GPS信號轉換成中頻數字信號；射頻前端32設置有順次連接的低噪聲放大器(LNA)、濾波器、下變頻單元和模數轉換單元(ADC) ；GPS天線31接收到的GPS信號進入低噪聲放大器，經模數轉換器轉換得到的中頻數字信號發(fā)送到信號捕獲單元和信號跟蹤單元；信號捕獲單元33，主要功能是識別載體所有的可見衛(wèi)星，信號捕獲單元33根據射頻前端32提供的中頻數字信號快速調節(jié)信號捕獲單元33的偽碼發(fā)生器、本地振蕩器使本地偽碼相位及載波頻率與中頻數字信號的偽碼相位和載波頻率粗略對齊；并將捕獲到的碼相位和載波頻率作為初始化信息輸送到信號跟蹤單元進行細化處理；信號跟蹤單元34，由載波跟蹤環(huán)路和碼跟蹤環(huán)路組成，其中載波跟蹤采用相位鎖定環(huán)(PLL-Phase Locked Loop),碼跟蹤米用延遲鎖定環(huán)(DLL-Delay Locked Loop)；組合信息融合單元22，上述第一偽距、第一偽距率結合經GPS天線31接收并轉換得到第二偽距和第二偽距率獲得多普勒頻率估計值；組合信息融合單元22包括非線性卡爾曼濾波器。如圖2所示,加速度計組11包括六個加速度計(第一加速度計111、第二加速度計112、第三加速度計113、第四加速度計114、第五加速度計115、第六加速度計116);六個加速度計設置在以GPS天線31為中心的正方體上；加速度計分布在正方體各平面對角線的中點；正方體的邊長可以根據載體的實際尺寸確定。本發(fā)明提供的輔助GPS接收機實現信號平穩(wěn)跟蹤的方法，如圖1所示，包括以下步驟:A、通過設置在載體上的加速度計組11各加速度計輸出的比力獲得載體的位置和速度信息，并轉換為第一偽距和第一偽距率；B、設置在載體上的GPS天線31接收的GPS信號送入射頻前端32經轉換和處理獲
得第二偽距和第二偽距率；C、第一偽距、第一偽距率、第二偽距、第二偽距率結合組合濾波器獲得多普勒頻率估計值，并將上述多普勒頻率估計值作為跟蹤環(huán)路的中心頻率輔助跟蹤環(huán)路。上述步驟A包括以下分步驟:Al、讀取加速度計組11各加速度計的比力輸出信息，進行比力計算，獲得載體的線加速度(xax, xay, xaz)和角加速度(jax, jay, jaz)信息；A2、將獲得的角加速度(jax，jay，jaz)信息經姿態(tài)計算獲得載體的角速度信息
(ωχ, gV ωζ)；A3、將獲得的線加速度(xax，xay, xaz)和角速度(ωχ，coy，ωζ)信息經導航解算獲得載體的位置(X，y, z)和速度(vx, vy, vz)信息；A4、將獲得的位置(X，y, z)和速度(vx，vy, Vz)信息經觀測量轉換單元21轉換得到第一偽距P !和第一偽距率P1。上述步驟B包括以下分步驟:B1、GPS天線31接收GPS信號并送入射頻前端32 ；B2、射頻前端32將GPS信號通過功率放大、濾波、頻率轉換和模數轉換后轉化為中頻數字信號，并輸送到信號捕獲單元33和信號跟蹤單元34 ；B3、信號捕獲單元33根據接收到的中頻數字信號，調節(jié)偽碼發(fā)生器和本地振蕩器使本地偽碼相位及載波頻率與中頻數字信號的偽碼相位和載波頻率粗略對齊(在這里，粗略對齊中采用的有碼搜索步長為半個碼片，載波搜索步長為500Hz)，并將上述本地偽碼相位和載波頻率作為初始化信息輸送給信號跟蹤單元34 ；B4、信號跟蹤單元34的載波數控振蕩器、C/A碼數控振蕩器和載波相位鑒定器根據接收到的初始化信息結合接收到的中頻數字信號，使本地C/A碼相位和載波頻率與中頻數字信號的偽碼相位和載波頻率精確對齊后，獲得載波頻率和C/A碼相位；B5、位同步和幀同步單元35將接收到的信號跟蹤單元的信息進行位同步和幀同
步后，獲得第二偽距P2、第二偽距率信息，并解調出導航電文；上述導航電文中包括GPS
衛(wèi)星星歷，將上述數據送入組合信息融合單元22 ；上述步驟C包括以下分步驟:
Cl、組合信息融合單元22接收第一偽距P 1、第一偽距P1第二偽距P 2和第二偽距率P2信息；
C2、以第一偽距P1、第二偽距P2的差和第一偽距P第二偽距率02的差為觀
測量，利用組合濾波器得到載體的位置S (X，Y，Z)、速度' (Vx，Vy，Vz)信息，并轉換為C/A碼相位和多普勒頻率估計值f，并將C/A碼相位和多普勒頻率估計值f傳遞給信號跟蹤單元
34;多普勒頻率估計值f由下述公式確定 ，其中λ Sl1路載波信號
的波長，V s為GPS衛(wèi)星速度矢量，Ilos為GPS衛(wèi)星和接收機之間的視距方向矢量；C3、信號跟蹤單元34以多普勒頻率估計值f作為中心頻率，繼而完成載波環(huán)路跟蹤；同時，由公式f/1540得到的量輔助完成碼環(huán)路跟蹤。上述第一偽距P !和第一偽距車P1是根據加速度機組的測量信息經比力計算、姿態(tài)計算、導航解算、觀測量轉換得到的載體與GPS衛(wèi)星之間的距離和距離率。上述第二偽距P 2和第二偽距率是根據GPS天線31接收的GPS信號經射頻前
端32、信號跟蹤單元34、位同步和幀同步單元35處理得到的載體與GPS衛(wèi)星之間的距離和
距離率。上述組合濾波器為非線性卡爾曼濾波器。
權利要求
1.一種輔助GPS接收機實現信號平穩(wěn)跟蹤的系統，其特征在于包括: 加速度計組，包括至少六個加速器；加速度計組實時輸出各加速度計所在方向的比力信息； 比力計算單元，通過得到的上述比力獲得載體的線加速度和角加速度信息； 姿態(tài)計算單元，通過得到的上述角加速度信息獲得載體的角速度信息； 導航解算單元，通過得到的上述線加速度和角速度信息獲得載體的位置和速度信息；觀測量轉換單元，用于將載體的位置和速度信息轉換成第一偽距和第一偽距率；組合信息融合單元，上述第一偽距、第一偽距率結合經GPS天線接收并轉換得到第二偽距和第二偽距率獲得多普勒頻率估計值。
2.根據權利要求1所述的輔助GPS接收機實現信號平穩(wěn)跟蹤的系統，其特征在于:所述加速度計組包括六個加速度計；六個所述加速度計設置在以GPS天線為中心的正方體上；所述加速度計分布在正方體各平面對角線的中點。
3.根據權利要求1或2所述的輔助GPS接收機實現信號平穩(wěn)跟蹤的系統，其特征在于:所述導航解算單元為SINS模塊。
4.一種輔助GPS接收機實現信號平穩(wěn)跟蹤的方法，其特征在于包括以下步驟: A、通過設置在載體上的加速度計組各加速度計輸出的比力獲得載體的位置和速度信息，并轉換為第一偽距和第一偽距率； B、設置在載體上的GPS天線接 收的GPS信號送入射頻前端經轉換和處理獲得第二偽距和第二偽距率； C、第一偽距、第一偽距率、第二偽距、第二偽距率結合組合濾波器獲得多普勒頻率估計值，并將上述多普勒頻率估計值作為跟蹤環(huán)路的中心頻率輔助跟蹤環(huán)路。
5.根據權利要求4所述的輔助GPS接收機實現信號平穩(wěn)跟蹤的方法，其特征在于:上述步驟A包括以下分步驟: Al、讀取加速度計組各加速度計的比力輸出信息，進行比力計算，獲得載體的線加速度和角加速度信息； A2、將獲得的角加速度信息經姿態(tài)計算獲得載體的角速度信息； A3、將獲得的線加速度和角速度信息經導航解算獲得載體的位置和速度信息； A4、將獲得的位置和速度信息經觀測量轉換單元轉換得到第一偽距和第一偽距率。
6.根據權利要求5所述的輔助GPS接收機實現信號平穩(wěn)跟蹤的方法，其特征在于:上述步驟B包括以下分步驟: B1、GPS天線接收GPS信號并送入射頻前端； B2、射頻前端將GPS信號通過功率放大、濾波、頻率轉換和模數轉換后轉化為中頻數字信號，并輸送到信號捕獲單元和信號跟蹤單元； B3、信號捕獲單元根據接收到的中頻數字信號，調節(jié)偽碼發(fā)生器和本地振蕩器使本地偽碼相位及載波頻率與中頻數字信號的偽碼相位和載波頻率粗略對齊，并將上述本地偽碼相位和載波頻率作為初始化信息輸送給信號跟蹤單元； B4、信號跟蹤單元的載波數控振蕩器、C/A碼數控振蕩器和載波相位鑒定器根據接收到的初始化信息結合接收到的中頻數字信號，使本地C/A碼相位和載波頻率與中頻數字信號的偽碼相位和載波頻率精確對齊后，獲得載波頻率和C/A碼相位；B5、位同步和幀同步單元將接收到的信號跟蹤單元的信息進行位同步和幀同步后，獲得第二偽距、第二偽距率信息，并解調出導航電文；上述導航電文中包括GPS衛(wèi)星星歷，將上述數據送入組合信息融合單元。
7.根據權利要求6所述的輔助GPS接收機實現信號平穩(wěn)跟蹤的方法，其特征在于:上述步驟C包括以下分步驟: Cl、組合信息融合單元接收第一偽距、第一偽距率、第二偽距和第二偽距率信息； C2、以第一偽距、第二偽距的差和第一偽距率、第二偽距率的差為觀測量，利用組合濾波器得到載體的位置、速度信息，并轉換為C/A碼相位和多普勒頻率估計值f，并將C/A碼相位和多普勒頻率估計值f傳遞給信號跟蹤單元； C3、信號跟蹤單元以多普勒頻率估計值f作為中心頻率，繼而完成載波環(huán)路跟蹤；同時，由公式f/1540得到量輔助完成碼環(huán)路跟蹤。
8.根據權利要求4、6或7所述的輔助GPS接收機實現信號平穩(wěn)跟蹤的方法，其特征在于:所述第一偽距和第一偽距率是根據加速度機組的測量信息經比力計算、姿態(tài)計算、導航解算、觀測量轉換得到的載體與GPS衛(wèi)星之間的距離和距離率。
9.根據權利要求4、6和7所述的輔助GPS接收機實現信號平穩(wěn)跟蹤的方法，其特征在于:所述第二偽距和第二偽距率是根據GPS天線接收的GPS信號經射頻前端、信號跟蹤單元、位同步和幀同步單元處 理得到的載體與GPS衛(wèi)星之間的距離和距離率。
10.根據權利要求7所述的輔助GPS接收機實現信號平穩(wěn)跟蹤的方法，其特征在于:所述組合濾波器為非線性卡爾曼濾波器。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種輔助GPS接收機實現信號平穩(wěn)跟蹤的系統包括加速度計組、比力計算單元、姿態(tài)計算單元、導航解算單元、觀測量轉換單元、組合信息融合單元；加速度計組，包括至少六個加速器。本發(fā)明還公開了一種輔助GPS接收機實現信號平穩(wěn)跟蹤的方法，通過設置的加速度計組獲得各個方向上的比力，并對得到的各方向上的比力進行處理獲得載體的第一偽距和第一偽距率信息；第一偽距和第一偽距率結合由GPS天線接收經一系列處理得到的第二偽距和第二偽距率信息進行數據融合得到多普勒頻率估計值；利用不同方式觀測同一信息源，使得測量值冗余，提供GPS接收機的定位精度；同時，利用獲得的多普勒頻率估計值作為跟蹤環(huán)路的中心頻率，輔助環(huán)路跟蹤。
文檔編號G01S19/25GK103207399SQ201310090158
公開日2013年7月17日 申請日期2013年3月20日 優(yōu)先權日2013年3月20日
發(fā)明者高帥和, 李勇志, 張茂生 申請人:成都西科微波通訊有限公司