定位模塊、定位裝置和衛(wèi)星定位方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種定位模塊、定位裝置以及衛(wèi)星定位方法。該定位模塊包括衛(wèi)星選擇模塊和連接至衛(wèi)星選擇模塊的卡爾曼濾波器。衛(wèi)星選擇模塊從多個導(dǎo)航系統(tǒng)的多個衛(wèi)星中選擇定位衛(wèi)星，并輸出定位衛(wèi)星的頻率信息和偽距。卡爾曼濾波器用于接收定位衛(wèi)星的頻率信息和偽距，并基于卡爾曼濾波算法計算定位模塊的定位信息。本發(fā)明的定位模塊、定位裝置以及衛(wèi)星定位方法能夠在衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中基于卡爾曼濾波算法進行定位解算，不僅實現(xiàn)了對多種衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的支持而且還提高了定位精度。
【專利說明】定位模塊、定位裝置和衛(wèi)星定位方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及衛(wèi)星導(dǎo)航【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種定位模塊、定位裝置和衛(wèi)星定位方法。

【背景技術(shù)】
[0002]北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BD Navigat1n Satellite System)是中國正在實施的自主研發(fā)、獨立運行的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，其與美國的全球定位系統(tǒng)(Global Posit1ningSystem, GPS)、俄羅斯的格羅納斯(Glonass)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)、歐盟的伽利略(Galileo)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)并稱為全球四大衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。
[0003]現(xiàn)有的接收機，只能夠支持上述一種衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，即只能根據(jù)接收到的同一衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的衛(wèi)星信號進行定位，尚未實現(xiàn)能夠支持兩種或兩種以上的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的接收機。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題在于提供一種定位模塊、定位裝置和衛(wèi)星定位方法，能夠支持兩種或兩種以上的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，并提高定位精度。
[0005]本發(fā)明提供了一種定位模塊，該定位模塊包括:衛(wèi)星選擇模塊，用于從多個導(dǎo)航系統(tǒng)的多個衛(wèi)星中選擇定位衛(wèi)星，并輸出定位衛(wèi)星的頻率信息和偽距；以及卡爾曼濾波器，連接至衛(wèi)星選擇模塊，用于接收定位衛(wèi)星的頻率信息和偽距，并基于卡爾曼濾波算法計算定位模塊的定位信息。
[0006]本發(fā)明還提供了一種定位裝置，該定位裝置包括:射頻模塊，用于將接收到的衛(wèi)星信號與本地載波信號混頻以產(chǎn)生中頻信號，其中，衛(wèi)星信號來自多個衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中的衛(wèi)星；基帶信號處理模塊，用于處理接收到的中頻信號，以計算衛(wèi)星的頻率信息和偽距并對接收到的衛(wèi)星信號進行分類；以及定位模塊，連接至基帶信號處理模塊，用于根據(jù)衛(wèi)星信號的分類從衛(wèi)星中選擇定位衛(wèi)星，并根據(jù)選擇的定位衛(wèi)星的頻率信息和偽距，基于卡爾曼濾波算法計算定位裝置的定位信息。
[0007]本發(fā)明還提供了一種衛(wèi)星定位方法，該衛(wèi)星定位方法包括:接收衛(wèi)星信號，衛(wèi)星信號來自多個衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中的衛(wèi)星；通過對衛(wèi)星信號的捕獲和跟蹤，獲取衛(wèi)星的頻率信息和偽距并實現(xiàn)對衛(wèi)星的分類；根據(jù)衛(wèi)星的分類，從衛(wèi)星中選擇定位衛(wèi)星；以及根據(jù)定位衛(wèi)星的頻率信息和偽距，基于卡爾曼濾波算法計算定位裝置的定位信息。
[0008]本發(fā)明提供的定位模塊、定位裝置和衛(wèi)星定位方法，在衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中基于卡爾曼濾波算法進行定位解算，不僅實現(xiàn)了對多種衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的支持，還能夠提高定位精度。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0009]圖1是根據(jù)本發(fā)明一個實施例的衛(wèi)星定位方法的流程圖；
[0010]圖2是根據(jù)本發(fā)明另一個實施例的衛(wèi)星定位方法的流程圖；
[0011]圖3是根據(jù)本發(fā)明一個實施例的圖2中雙模式衛(wèi)星定位方法的流程圖；
[0012]圖4是根據(jù)本發(fā)明一個實施例的接收機的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0013]圖5是根據(jù)本發(fā)明一個實施例的定位裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0014]圖6是根據(jù)本發(fā)明一個實施例的定位裝置內(nèi)的定位模塊的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0015]圖7是根據(jù)本發(fā)明一個實施例的導(dǎo)航定位系統(tǒng)中基于卡爾曼濾波算法進行定位的流程圖；
[0016]圖8是根據(jù)本發(fā)明一個實施例的衛(wèi)星定位方法的流程圖；
[0017]圖9是基于卡爾曼濾波算法，單GPS導(dǎo)航系統(tǒng)與雙導(dǎo)航系統(tǒng)混合定位的軌跡對比示意圖。

【具體實施方式】
[0018]下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。
[0019]本實施例的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)包括BD衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)、GPS系統(tǒng)、Glonass衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)以及Galileo衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。每個衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)包括若干個衛(wèi)星。本實施例中，將接收機能夠接收到衛(wèi)星信號的衛(wèi)星稱之為定位衛(wèi)星。以BD衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)為例，BD衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)包括九顆BD衛(wèi)星，在2020年的規(guī)劃中，BD衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)將具有30顆可用衛(wèi)星。如果接收機能夠接收到六顆BD衛(wèi)星的BD衛(wèi)星信號，則將該六顆BD衛(wèi)星稱之為BD定位衛(wèi)星。
[0020]如圖1所示，為本發(fā)明一個實施例提供的衛(wèi)星定位方法的流程圖，該方法包括以下步驟:
[0021]步驟S10、檢測接收機接收到的衛(wèi)星信號是否來自不同的η個衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，其中，η為大于I的整數(shù)；
[0022]步驟S20、若接收到來自一個以上的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的衛(wèi)星信號，則根據(jù)各衛(wèi)星信號對應(yīng)的各衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中的定位衛(wèi)星的衛(wèi)星信息來計算接收機的定位信息，以及接收機相對于各衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的時鐘偏差對應(yīng)的位移量。
[0023]其中，定位衛(wèi)星的衛(wèi)星信息具體可以包括該定位衛(wèi)星的偽距、坐標信息、頻率信息、多普勒、星歷、速度信息等。接收機的定位信息具體可以包括位置信息和速度信息。
[0024]如圖2所示，為本發(fā)明另一實施例提供的衛(wèi)星定位方法的流程圖，本實施例以接收到BD衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的衛(wèi)星信號和GPS系統(tǒng)的衛(wèi)星信號為例進行說明，即接收機接收到了GPS衛(wèi)星信號和BD衛(wèi)星信號。該方法包括以下步驟:
[0025]步驟S11、判斷是否接收到GPS衛(wèi)星信號，是則執(zhí)行步驟S12，否則執(zhí)行步驟S13 ；
[0026]步驟S12、判斷是否接收到BD衛(wèi)星信號，是則執(zhí)行步驟S17，否則執(zhí)行步驟S15 ；
[0027]步驟S13、判斷是否接收到BD衛(wèi)星信號，是則執(zhí)行步驟S16，否則執(zhí)行步驟S14 ；
[0028]步驟S15，利用GPS衛(wèi)星信號對接收機進行定位；
[0029]步驟S16、利用BD衛(wèi)星信號對接收機進行定位；
[0030]步驟S17、利用GPS衛(wèi)星信號和BD衛(wèi)星信號對接收機進行定位；
[0031]步驟S14、不能夠?qū)崿F(xiàn)定位，繼續(xù)檢測是否接收到衛(wèi)星信號。
[0032]在上述步驟中，以先判斷是否接收到GPS衛(wèi)星信號為例進行說明。事實上，判斷是否接收到某一衛(wèi)星信號的順序不限于此，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以明白:也可以先判斷接收到的信號是否是BD衛(wèi)星信號，或者先判斷是否接收到了 BD衛(wèi)星信號；還可以先判斷接收到的衛(wèi)星?目號是否是Galileo衛(wèi)星彳目號或Glonass衛(wèi)星彳目號。
[0033]由于BD衛(wèi)星信號、GPS衛(wèi)星信號和Galileo衛(wèi)星信號均基于碼分多址(CodeDivis1n Multiple Access, CDMA)技術(shù)，因此在步驟Sll、步驟S12和步驟S13中，接收機可以通過I支路普通測距碼來識別接收到的衛(wèi)星信號是BD衛(wèi)星信號還是GPS衛(wèi)星信號，也可以用I支路普通測距碼來識別Galileo衛(wèi)星信號。但是Glonass衛(wèi)星信號基于頻分多址(Frequency Divis1n Multiple Access, FDMA)技術(shù),接收機可以通過頻率來識別是否是Glonass衛(wèi)星信號。衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)可以通過頻率信息來區(qū)分，衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中的衛(wèi)星可以通過碼信息來區(qū)分。
[0034]具體言之，BD衛(wèi)星信號和GPS衛(wèi)星信號的數(shù)學表達式如下:
[0035]Sj = ACjDjCOS (2 π f t+ Θ J)
[0036]該表達式也適用于Galileo衛(wèi)星信號。其中A表示調(diào)制于I支路的普通測距碼幅度，C表示I支路普通測距碼，D表示I支路上的導(dǎo)航電文數(shù)據(jù)，f表示衛(wèi)星信號的載波頻率，t表示衛(wèi)星信號的發(fā)射時間，j表示衛(wèi)星的ID，S^_表示衛(wèi)星ID為j的衛(wèi)星發(fā)射的信號，Θ表示各衛(wèi)星信號的初始載波相位，各個衛(wèi)星的Θ值可能不同。在衛(wèi)星側(cè)，該公式中的各個參數(shù)均為已知，在接收機側(cè)，需要通過信號捕獲和跟蹤獲知這些參數(shù)。此外，各個衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的f值各不相同，但由于BD衛(wèi)星信號、GPS衛(wèi)星信號和Galileo衛(wèi)星信號均基于CDMA技術(shù)，該三種系統(tǒng)內(nèi)的同一信號段的發(fā)射頻率是一樣的；而Glonass衛(wèi)星信號是基于FDMA技術(shù)，因此Glonass衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)內(nèi)的各衛(wèi)星是通過不同的發(fā)射頻率來區(qū)分的。
[0037]每一顆BD衛(wèi)星、GPS衛(wèi)星和Galileo衛(wèi)星都具有唯一的偽隨機數(shù)(pseudo-randomnumber，PRN)產(chǎn)生規(guī)則，因此可以通過偽隨機數(shù)序列(公式Sj = ACjDjCos (2 π f t+ Θ J)中的C)來識別具體是哪一種衛(wèi)星信號。對接收機而言，可以通過重建衛(wèi)星的偽隨機數(shù)序列來搜索和識別當前可用的衛(wèi)星信號。該重建過程具體為如下:偽隨機數(shù)序列的產(chǎn)生規(guī)則方法均通過各衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的界面控制文件(Interface Control Document, 1))公布，因此,接收機需要搜索衛(wèi)星可能的接收頻率和偽隨機數(shù)信息，在接收到一顆衛(wèi)星的衛(wèi)星信號后，可以得到I支路上的導(dǎo)航電文數(shù)據(jù)D和載波相位Θ，并且基帶通道會產(chǎn)生和該顆衛(wèi)星一致的偽隨機數(shù)序列，并嘗試對該衛(wèi)星進行捕獲和跟蹤，如果捕獲跟蹤成功，則說明當前的輸入信號中存在這顆衛(wèi)星信號。此外，只有當本地重建的PRN與輸入信號的PRN —致時，CDMA出現(xiàn)相關(guān)峰，因此，可以通過設(shè)置相應(yīng)的捕獲門限來檢測CDMA的相關(guān)峰，以判斷是否捕獲成功。
[0038]衛(wèi)星一般會廣播兩種測距碼，分別加載在衛(wèi)星信號的I支路和Q支路上。以BD衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)為例，其中I支路為民用普通測距碼；0支路為專業(yè)領(lǐng)域(如軍用)精密測距碼，需要得到授權(quán)，接收機才能接收。
[0039]對于步驟S15和步驟S16，即只接收到一個衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的衛(wèi)星信號時，例如只接收到了 BD衛(wèi)星信號，接收機通過下述公式(1-1)至(1-η)來確定其位置信息和接收機相對于BD衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的時鐘偏差對應(yīng)的位移量。

【權(quán)利要求】
1.一種定位模塊，其特征在于，所述定位模塊包括: 衛(wèi)星選擇模塊，用于從多個導(dǎo)航系統(tǒng)的多個衛(wèi)星中選擇定位衛(wèi)星，并輸出所述定位衛(wèi)星的頻率信息和偽距；以及 卡爾曼濾波器，連接至所述衛(wèi)星選擇模塊，用于接收所述定位衛(wèi)星的頻率信息和偽距，并基于卡爾曼濾波算法計算所述定位模塊的定位信息。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的定位模塊，其特征在于，所述卡爾曼濾波器包括: 初始狀態(tài)計算模塊，用于根據(jù)所述定位衛(wèi)星的頻率信息和偽距，計算卡爾曼濾波器的初始狀態(tài)向量和誤差協(xié)方差；以及 卡爾曼濾波計算模塊，用于基于卡爾曼濾波算法計算當前時刻的狀態(tài)向量，所述狀態(tài)向量包括所述定位模塊的定位信息。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的定位模塊，其特征在于，所述狀態(tài)向量包括所述定位模塊的位置、所述定位模塊的速度、所述定位模塊的本地時間系統(tǒng)與所述多個衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的時鐘偏差以及所述本地時間系統(tǒng)的鐘漂。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的定位模塊，其特征在于，所述狀態(tài)向量的長度為(7+M)，其中，M為所述定位衛(wèi)星所在的導(dǎo)航系統(tǒng)的個數(shù)。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的定位模塊，其特征在于，所述卡爾曼濾波計算模塊使用卡爾曼濾波算法，根據(jù)前一時刻的狀態(tài)向量和當前時刻的觀測向量，更新當前時刻的狀態(tài)向量，所述觀測向量包括所述定位衛(wèi)星的偽距和所述定位模塊的速度在所述定位模塊到所述定位衛(wèi)星的向量上的分量。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的定位模塊，其特征在于，所述觀測向量的長度為2XN，其中N為所述定位衛(wèi)星的個數(shù)。
7.—種定位裝置，其特征在于，所述定位裝置包括: 射頻模塊，用于將接收到的衛(wèi)星信號與本地載波信號混頻以產(chǎn)生中頻信號，其中，所述衛(wèi)星信號來自多個衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中的衛(wèi)星； 基帶信號處理模塊，用于處理接收到的所述中頻信號，以計算所述衛(wèi)星的頻率信息和偽距并對接收到的衛(wèi)星信號進行分類；以及 定位模塊，連接至所述基帶信號處理模塊，用于根據(jù)衛(wèi)星信號的分類從所述衛(wèi)星中選擇定位衛(wèi)星，并根據(jù)選擇的定位衛(wèi)星的頻率信息和偽距，基于卡爾曼濾波算法計算所述定位裝置的定位信息。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的定位裝置，其特征在于，所述定位模塊包括: 衛(wèi)星選擇模塊，用于從所述衛(wèi)星中選擇所述定位衛(wèi)星，并輸出所述定位衛(wèi)星的頻率信息和偽距；以及 卡爾曼濾波器，連接至所述衛(wèi)星選擇模塊，用于接收所述定位衛(wèi)星的頻率信息和偽距，并基于卡爾曼濾波算法計算所述定位裝置的定位信息。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的定位裝置，其特征在于，所述卡爾曼濾波器包括: 初始狀態(tài)計算模塊，用于根據(jù)所述定位衛(wèi)星的頻率信息和偽距，計算卡爾曼濾波器的初始狀態(tài)向量和誤差協(xié)方差矩陣；以及 卡爾曼濾波計算模塊，用于基于卡爾曼濾波算法計算當前時刻的狀態(tài)向量，所述狀態(tài)向量包括所述定位裝置的定位信息。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的定位裝置，其特征在于，所述狀態(tài)向量包括所述定位裝置的位置、所述定位裝置的速度、所述定位裝置的本地時間系統(tǒng)與所述多個衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的時鐘偏差以及本地時間系統(tǒng)的鐘漂。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的定位裝置，其特征在于，所述狀態(tài)向量的長度為(7+M)，其中，M為所述定位衛(wèi)星所在的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的個數(shù)。
12.根據(jù)權(quán)利要求9所述的定位裝置，其特征在于，所述卡爾曼濾波計算模塊使用卡爾曼濾波算法，根據(jù)前一時刻的狀態(tài)向量和當前時刻的觀測向量，更新當前時刻的狀態(tài)向量，其中，所述觀測向量包括所述定位衛(wèi)星的偽距和所述定位裝置的速度在所述定位裝置到所述定位衛(wèi)星的向量上的分量。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的定位裝置，其特征在于，所述觀測向量的長度為2XN，其中N為所述定位衛(wèi)星的個數(shù)。
14.一種衛(wèi)星定位方法，其特征在于，所述衛(wèi)星定位方法包括: 接收衛(wèi)星信號，其中所述衛(wèi)星信號來自多個衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中的衛(wèi)星； 通過對衛(wèi)星信號的捕獲和跟蹤，獲取所述衛(wèi)星的頻率信息和偽距并實現(xiàn)對衛(wèi)星的分類； 根據(jù)衛(wèi)星的分類，從所述衛(wèi)星中選擇定位衛(wèi)星；以及 根據(jù)定位衛(wèi)星的頻率信息和偽距，基于卡爾曼濾波算法計算所述定位裝置的定位信肩、O
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的衛(wèi)星定位方法，其特征在于，所述根據(jù)定位衛(wèi)星的頻率信息和偽距，基于卡爾曼濾波算法計算所述定位裝置的定位信息的步驟包括: 確定當前時刻的卡爾曼濾波器的觀測向量，所述觀測向量包括所述定位衛(wèi)星的偽距和所述定位裝置的速度在所述定位裝置到所述定位衛(wèi)星的向量上的分量；及 根據(jù)前一時刻的狀態(tài)向量和當前時刻的觀測向量，更新當前時刻的狀態(tài)向量，所述狀態(tài)向量包括所述定位裝置的位置、所述定位裝置的速度、所述定位裝置的本地時間系統(tǒng)與所述多個衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的時鐘偏差以及本地時間系統(tǒng)的鐘漂。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的衛(wèi)星定位方法，其特征在于，所述根據(jù)前一時刻的狀態(tài)向量和當前時刻的觀測向量更新當前時刻的狀態(tài)向量的步驟包括: 根據(jù)前一時刻的狀態(tài)向量計算當前時刻的狀態(tài)向量的估計值； 根據(jù)前一時刻的誤差協(xié)方差計算當前時刻的誤差協(xié)方差的估計值； 根據(jù)當前時刻的誤差協(xié)方差的估計值，計算卡爾曼增益；以及根據(jù)計算的卡爾曼增益、當前時刻的狀態(tài)向量的估計值和當前時刻的觀測向量，更新當前時刻的狀態(tài)向量。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的衛(wèi)星定位方法，其特征在于，所述根據(jù)定位衛(wèi)星的頻率信息和偽距，基于卡爾曼濾波算法計算所述定位裝置的定位信息的步驟還包括: 根據(jù)計算的卡爾曼增益和當前時刻的誤差協(xié)方差的估計值，更新當前時刻的誤差協(xié)方差。
18.根據(jù)權(quán)利要求15所述的衛(wèi)星定位方法，其特征在于，所述衛(wèi)星定位方法還包括: 根據(jù)獲取的當前時刻的誤差協(xié)方差和當前時刻的狀態(tài)向量，計算下一時刻的狀態(tài)向量。
19.根據(jù)權(quán)利要求15所述的衛(wèi)星定位方法，其特征在于，所述觀測向量的長度為2XN，其中N為所述定位衛(wèi)星的個數(shù)。
20.根據(jù)權(quán)利要求15所述的衛(wèi)星定位方法，其特征在于，所述狀態(tài)向量的長度為(7+M)，其中，M為所述定位衛(wèi)星所在的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的個數(shù)。
【文檔編號】G01S19/33GK104181560SQ201310196978
【公開日】2014年12月3日 申請日期:2013年5月24日 優(yōu)先權(quán)日:2013年5月24日
【發(fā)明者】茍娟, 鄒景華, 張衛(wèi)華 申請人:凹凸電子（武漢）有限公司