一种基于超精码提高卫星导航系统定位精度的方法

摘要

本发明公开了一种基于超精码提高卫星导航系统定位精度的方法，该方法包括：步骤1、卫星导航系统内部的每颗导航卫星都广播超精码导航信号，所述超精码导航信号为伪随机噪声码，导航信号中加载有导航电文和广域增强信息；步骤2、用户终端接收所有导航卫星广播的所述伪随机噪声码，并解调出导航电文和广域增强信息；步骤3、用户终端根据所述伪随机噪声码得到每颗导航卫星到用户终端的测量伪距；步骤4、根据所述测量伪距、所解调出的所述导航电文和广域增强信息，通过迭代解算出用户终端位置的准确坐标。本发明能够很好的提高用户终端的定位精度，显著改善卫星导航系统的定位性能。

说明书

技术领域

本发明涉及卫星导航定位技术，尤其是一种采用超精码提高卫星导航 系统定位精度的方法，适用于导航卫星以超精码的伪随机噪声码广播导航 信号，并调制导航电文和广域增强信息的卫星导航系统。

背景技术

卫星导航接收机的伪码测量误差可用下式估算：

${\sigma }_{\mathrm{tDLL}\approx }\left(\begin{array}{cc}{\mathrm{cT}}_c·\sqrt{\frac{B_n}{2C/N_0}D[1+\frac{2}{\mathrm{TC}/N_0(2-D)}]},& D\ge \frac{\pi }{B_{\mathrm{fe}}{T}_c}\\ {\mathrm{cT}}_c·\sqrt{\frac{B_n}{2C/N_0}(\frac{1}{B_{\mathrm{fe}}{T}_c}+\frac{B_{\mathrm{fe}}{T}_c}{\pi -1}{(D-\frac{1}{B_{\mathrm{fe}}{T}_c})}^2)\times \frac{2}{\mathrm{TC}/N_0(2-D)}}],& \frac{1}{B_{\mathrm{fe}}{T}_c}<D<\frac{\pi }{B_{\mathrm{fe}}{T}_c}\\ {\mathrm{cT}}_c·\sqrt{\frac{B_n}{2C/N_0}\left(\frac{1}{B_{\mathrm{fe}}{T}_c}\right)[1+\frac{1}{\mathrm{TC}/N_0}]},& D\le \frac{1}{B_{\mathrm{fe}}{T}_c}\end{array}\right)$

式中，B_n为环路噪声带宽；B_fe为射频前端带宽；c为真空中光速；T_e为扩 频码的码片宽度，满足T_c＝1/R_c，R_c为码片速率；D为超前滞后相关器的间 距；C/N₀为信号载噪比；T为积分时间。可见，测距误差与码片速率成反 比。当其他条件不变时，采用较高的码片速率，即采用较宽的扩频码，可 以降低伪码测量误差。

2002年，中国科学院艾国祥院士领衔发明了基于通信卫星的卫星导航 系统(专利申请号：CN200410046064.1，发明名称：转发器卫星通信导航 定位系统，发明人：艾国祥、施浒立、吴海涛、颜毅华、边玉敬、胡永辉、 李志刚、郭际、蔡贤德，2009年7月29日获得授权)。该项发明把通信卫 星上的通信频点作为导航使用，开创了全频通信发展成为全频导航的一个 新开端。该系统对寿命末期的地球同步轨道通信卫星采用倾轨操作，即只 保持卫星的东西方向轨道位置，南北方向任其漂移，在日月引力的摄动作 用下，通信卫星漂移成为小倾角的倾斜地球同步轨道卫星，大幅度延长了 通信卫星的在轨工作寿命，利用通信卫星上的转发器资源，实现导航通信 一体化(专利申请号：CN200610055909.2，发明名称：用退役卫星改作小 倾角同步导航卫星的方法，发明人：施浒立、艾国祥、陈吉斌、韩延本、 耿建平、马利华，2009年6月3日获得授权)。同时，该系统在地面导航 站采用伪随机噪声码在三个频点上对每颗通信卫星上行导航信号，通信卫 星转发并广播这三路导航信号，用户终端同时接收三频导航信号并解调出 每颗通信卫星的轨道位置，实现三个频率伪距测量和载波相位测量，可以 在实现快速、高精度的导航定位新系统(专利申请号：CN200910131310.6， 发明专利：卫星导航定位中三频码波伪距和载波相位的组合方法，发明人： 艾国祥、马利华、施浒立、郭际、李志刚、吴海涛、边玉敬、马冠一、孙 希延、李孝辉，2011年8月17日获得授权)。基于对每颗导航卫星的伪距 和多普勒频移测量，可以把用户终端约束到一个圆锥的底面圆周上，利用 两颗以上(含两颗)导航卫星的伪距和多普勒频移测量值就实现用户终端 的导航定位(申请号：CN201110164385.1，发明名称：卫星导航中结合多 普勒测速的定位方法，发明人：马利华、艾国祥、季海福)。如果每颗导 航卫星同时下行多个导航载波，可以有效降低该导航卫星的等效伪距测量 误差，提高用户终端的导航定位精度(申请号：CN201110228917.3，发明 名称：卫星导航中多载波的定位方法，发明人：马利华、艾国祥、季海福)。 如果每颗卫星下行的载波数不同，从物理层面对利用多个载波频点倍增用 户终端的定位精度做了全新的科学阐述，用以指导在多频点卫星导航系统 中利用载波频点资源来倍增用户终端的定位精度(申请号： CN201210090864.8，发明名称：一种卫星导航定位系统中倍增定位精度的 方法，发明人：艾国祥，马利华，施浒立，季海福)。

美国全球卫星定位系统(Global Positioning System，GPS)的导航卫 星采用1.023Mchips/second码速率(称为粗码)和10.23Mchips/second码 速率(称为精码)的伪随机噪声码广播导航电文和广域增强信息。

发明内容

本发明的目的是提供一种采用超精码提高卫星导航系统定位精度的 方法，系统的每颗导航卫星采用40MHz带宽的伪随机噪声码广播导航电 文和广域增强信息，用户终端利用导航电文得到导航卫星的轨道位置和时 钟改正参数，利用增强信息改正电离层时延和对流层时延误差，实现卫星 到用户终端的伪距测量。利用不少于4颗导航卫星的伪距观测误差方程构 建方程组，通过迭代计算解算出用户终端位置的准确坐标。

为了达到上述目的，本发明提出一种采用超精码提高卫星导航系统定 位精度的方法，其包括以下步骤：

步骤1、卫星导航系统内部的每颗导航卫星都广播超精码导航信号， 所述超精码导航信号为伪随机噪声码，导航信号中加载有导航电文和广域 增强信息；

步骤2、用户终端接收所有导航卫星广播的所述伪随机噪声码，并解 调出导航电文和广域增强信息；

步骤3：用户终端根据所述伪随机噪声码得到每颗导航卫星到用户终 端的测量伪距；

步骤4、根据所述测量伪距、所解调出的所述导航电文和广域增强信 息，通过迭代解算出用户终端位置的准确坐标。

本发明中采用20Mchips/second码速率的超精码广播导航电文和广域 增强信息，较GPS伪随机噪声码数率高，可以有效提高卫星导航系统定位 精度，指导在卫星导航系统中采用较高码速率来提高用户终端的定位精度 的信号体制设计，能够显著改善系统的导航定位性能。

附图说明

图1是本发明基于超精码提高卫星导航系统定位精度的方法流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实 施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

图1是本发明基于超精码提高卫星导航系统定位精度的方法流程图。 如图1所示，本发明所提出的一种基于超精码提高卫星导航系统定位精度 的方法具体包括以下步骤：

步骤1，卫星导航系统内部的每颗导航卫星都广播超精码导航信号； 所述超精码为40MHz带宽的伪随机噪声码，导航信号中加载有导航电文 和广域增强信息。

所述超精码为伪随机噪声码，每颗导航卫星对应于一组固定的伪随机 噪声码，实现对导航卫星的标识；所述用户终端利用所述伪随机噪声码的 自相关和互相关特性来测量导航信号从卫星到用户终端的传输时间，该传 输时间乘以电波传输速度即光速得到导航卫星到用户终端的测量伪距；所 述导航电文包含系统时间、导航卫星轨道位置、导航卫星的时钟改正参数 及卫星健康状况；所述广域增强信息包含电离层延迟模型参数、对流层延 迟模型参数和完好性信息。其中，所述卫星导航系统内部的导航卫星数目 最好大于等于4。

步骤2，用户终端接收所有可视导航卫星广播的所述超精码伪随机噪 声码信号，并解调出导航电文和广域增强信息；

所述用户终端，可以为固定终端或移动终端，所述固定终端，为固定 卫星接收设备；所述移动终端为车载、船载或手持接收设备。

步骤3，用户终端根据所述伪随机噪声码得到每颗导航卫星到用户终 端的测量伪距；

步骤4，根据所述测量伪距和所解调出的所述导航电文和广域增强信 息，通过迭代解算出用户终端位置的准确坐标。

步骤3中，所述用户终端根据超精码的伪随机噪声码得到每颗可视导 航卫星到用户终端的测量伪距具体为：根据伪随机码噪声码的自相关和互 相关特性测量得到的导航信号从导航卫星到用户终端的传输时间，乘以电 波传输速度即光速得到所述测量伪距。

另外，在测量时刻t_k，用户终端测量得到可视导航卫星S_j到用户终端 的测量伪距该测量伪距满足以下伪距观测方程：

${\rho }_k^j={[{(X^j-X_k)}^2+{(Y^j-Y_k)}^2+{(Z^j-Z_k)}^2]}^{1/2}$

$+b_k-\mathrm{c\Delta }{t}^j+\Delta {\rho }_{k_n}^j+\Delta {\rho }_{k_P}^j---\left(1\right)$

式中，为测量伪距，为已知量；(X_k，Y_k，Z_k)为待定位的用户终端 在t_k时刻的准确坐标(待求量)；(X^j，Y^j，Z^j)为导航卫星S_j在发射导航信 号时的位置坐标；b_k为用户终端钟差的等效距离(待求量)；Δt^j为导航卫 星的时钟改正参数，可从导航卫星发送的导航电文中获得；c为真空光速， 为电离层时延，为对流层时延，所述电离层时延和对流层时延可 以根据所述广域增强信息中的电离层模型参数和对流层延迟模型参数得 到。

考虑观测随机误差为则伪距观测的误差方程为：

${v_k^j=\rho }_k^j-{[{(X^j-X_k)}^2+{(Y^j-Y_k)}^2+{(Z^j-Z_k)}^2]}^{1/2}$

$-b_k+\mathrm{c\Delta }{t}^j-\Delta {\rho }_{k_n}^j-\Delta {\rho }_{k_P}^j---\left(2\right)$

具体地，步骤4中根据所述测量伪距、所解调出的所述导航电文和广 域增强信息，通过迭代解算出用户终端位置的准确坐标，具体为用户终端 利用不少于4颗导航卫星的伪距观测的误差方程构建方程组，通过迭代解 算出用户终端位置的准确坐标。其进一步包括：

步骤4.1，在对用户终端进行定位解算时，首先设定一个用户终端位 置坐标的初始值，即用户终端的概略位置坐标(X_k⁰，Y_k⁰，Z_k⁰)；

步骤4.2，然后对式(2)所示的伪距观测的误差方程进行1阶泰勒级 数展开，得到含有用户终端位置坐标修正步长的、所述伪距观测误差方程 的线性化形式：

$v_k^j=l_k^j\delta X_k+m_k^j\delta Y_k+n_k^j\delta Z_k$

$-b_k+{\rho }_k^j-{R_k}^j+\mathrm{c\Delta }{t}^j-\Delta {\rho }_{k_n}^j-\Delta {\rho }_{k_P}^j---\left(3\right)$

式中，δX_k、δY_k和δZ_k分别为用户终端位置坐标X_k、Y_k和Z_k的修正 步长，为用户终端的概略位置坐标到导航卫星S_j的方向余弦：

$l_k^j=\frac{X^j-{X_k}^i}{{R_k}^j},m_k^j=\frac{Y^j-{Y_k}^i}{{R_k}^j},n_k^j=\frac{Z^j-{Z_k}^i}{{R_k}^j}---\left(4\right)$

R_k^j为用户终端的概略位置坐标到导航卫星S_j的距离：

R_k^j＝[(X^j-X_kⁱ)²+(Y^j-Y_kⁱ)²+(Z^j-Z_kⁱ)²]^1/2           (5)

其中，(X_kⁱ，Y_kⁱ，Z_kⁱ)为前次迭代得到的用户终端概略位置坐标，第一 次迭代时其为(X_k⁰，Y_k⁰，Z_k⁰)。

根据导航信号发射时刻的导航卫星的位置坐标，利用用户终端的概略 位置坐标通过式(4)和(5)计算得到用户终端的概略位置坐标到导航星 S_j的方向余弦和用户终端的概略位置坐标到导航卫星S_j的几 何距离R_k^j。

步骤4.3，求解所述步骤4.2得到的线性化伪距观测的误差方程，得到 用户终端位置坐标的修正步长；

所述步骤4.3进一步包括以下步骤：

步骤4.3.1，将所述线性化伪距观测误差方程(3)中的已知项用表 示，有：

$v_k^j=l_k^j\delta X_k+m_k^j\delta Y_k+n_k^j\delta Z_k-b_k-L_k^j---\left(6\right)$

式中，为所述线性化伪距观测误差方程的常数项：

$L_k^j={R_k}^j-{\rho }_k^j-\mathrm{c\Delta }{t}^j+\Delta {\rho }_{k_n}^j+\Delta {\rho }_{k_P}^j---\left(7\right)$

步骤4.3.2，将式(6)写成矩阵形式：

V＝AX-L                            (8)

式中，X为待定参数矢量：

X＝[δX_k δY_k δZ_k b_k]^T                     (9)

A为待定参数的系数矩阵：

$A=\left(\begin{array}{cccc}{l}_k^1& m_k^1& n_k^1& -1\\ l_k^2& m_k^2& n_k^2& -1\\ ...& ...& ...& ...\\ l_k^j& m_k^j& n_k^j& -1\\ ...& ...& ...& ...\\ l_k^M& m_k^M& n_k^M& -1\end{array}\right)---\left(10\right)$

其中，可视导航卫星S_j在矩阵A中对应一行。

L为常数项矢量：

$L={\left(\begin{array}{cccccc}{L}_k^1& L_k^2& ...& L_k^j& ...& L_k^M\end{array}\right)}^T---\left(11\right)$

V为随机误差矢量：

$V={\left(\begin{array}{cccccc}{v}_k^1& v_k^2& ...& v_k^j& ...& v_k^M\end{array}\right)}^T---\left(12\right)$

步骤4.3.3，利用最小二乘法求解式(8)，可以得到待定参数矢量X：

X＝(A^TA)^-1A^TL                         (13)

步骤4.4，使用所述步骤5.3得到的用户终端位置坐标的修正步长对用 户终端的概略位置坐标进行修正；

将式(13)计算出来的待定参数矢量X带入下式，对用户终端的概略 位置坐标进行修正：

$\left(\begin{array}{c}{X}_k={X_k}^i+\delta X_k\\ Y_k={Y_k}^i+\delta Y_k\\ Z_k={Z_k}^i+\delta Z_k\end{array}\right)---\left(14\right)$

步骤4.5，将修正后的用户终端的位置坐标作为用户终端的概略位置 坐标重复步骤4.3-步骤4.4进行迭代计算，直到满足迭代结束条件，此时 得到的用户终端的位置坐标即为用户终端位置的准确坐标。

根据实际应用的需要，所述迭代结束条件可以为次数要求(比如最多 迭代次数为5次)或者精度要求(比如前后两次迭代每个坐标值的差值小 于某一固定值，比如0.5米)。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行 了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而 已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修 改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。