一种北斗导航卫星系统混合星座的伪距测量方法

摘要

本发明公布了一种北斗导航卫星系统混合星座的伪距测量方法,其针对北斗导航卫星系统地球GEO卫星播发的D2导航电文与非GEO卫星播发的D1导航电文速率不同，导致子帧的同步头间隔不同，无法在北斗时的整秒处同步输出伪距的问题，利用模糊控制的思想，以IGSO卫星伪距传输时间为基准，设置模糊控制规则，对GEO卫星伪距输出进行修正和估算，实现伪距同步输出与接收机定位授时。

说明书

技术领域

本发明涉及一种伪距测量方法，尤其涉及一种北斗导航卫星系统混合星座的伪距 测量方法，属于卫星导航技术领域。

背景技术

北斗导航卫星系统，简称北斗系统，英文缩写为BDS，是中国建设的基本导航服 务与差分完好性服务一体化的全球卫星导航系统，空间段采用混合星座布局，由5颗地 球静止轨道卫星(GEO)、3颗倾斜同步轨道卫星(IGSO)和27颗中高轨道卫星(MEO) 组成，GEO卫星轨道高度为35786千米，分别定点于58.75°E、80°E、110.5°E、140° E和160°E；MEO卫星轨道高度为21528千米，轨道倾角55°；IGSO卫星轨道高度 35786千米，轨道倾角55°。

2012年底，由5颗GEO卫星，5颗IGSO卫星和4颗MEO卫星组成的区域导航 系统开始向中国及周边区域提供定位授时服务，在交通运输、海洋渔业、水文监测、气 象预报、大地测量、智能驾考、救灾减灾、手机导航、车载导航等诸多领域，已产生广 泛的经济和社会效益。2015年3月30日，首颗新一代北斗导航卫星发射成功，这颗卫 星的发射成功标志着北斗卫星导航系统由区域运行向全球拓展的启动实施，新一代北斗 卫星将开展星载氢原子钟、星间链路、新型导航信号体制等试验验证工作，2018年将 率先为“一带一路”国家提供基本服务；2020年形成全球服务能力，建成国际一流的 全球卫星导航系统。

北斗IGSO卫星和MEO卫星播发D1导航电文，D1导航电文由超帧、主帧和子帧 组成。每个超帧为36000比特，历时12分钟，每个超帧由24个主帧组成；每个主帧为 1500比特，历时30秒，每个主帧由5个子帧组成；每个子帧为300比特，历时6秒， 每个子帧由10个字组成；每个字为30比特，历时0.6秒。北斗GEO播发D2导航电文， D2导航电文由超帧、主帧和子帧组成。每个超帧为180000比特，历时6分钟，每个超 帧由120个主帧组成；每个主帧为1500比特，历时3秒，每个主帧由5个子帧组成； 每个子帧为300比特，历时0.6秒，每个子帧由10个字组成；每个字为30比特，历时 0.06秒。

D1导航电文与D2导航电文相比，D1导航电文的子帧头上升沿与北斗时的整秒对 齐，两个子帧头相隔6秒；D2导航电文的速率是D1导航电文的10倍，相邻两个子帧 头之间相隔的时间为0.6秒，周内秒计数所对应的秒时刻是指当前主帧1同步头的第一 个脉冲上升沿所对应的时刻，意味着子帧头上升沿不全部与北斗时的整秒对齐。这种混 合星座的布局和不同导航电文的播发，在实时接收机中给伪距测量和接收机钟差修正增 加了复杂度，传统的与系统时间对齐的伪距锁存整秒信号不再直接适用。硬件层面的解 决思路包括提高伪距锁存信号的频率、采用两套伪距锁存信号等，增加了硬件运行的压 力和复杂度。

北斗GEO卫星定点于赤道上空地球同步轨道，IGSO与GEO轨道高度相同，星下 点为以赤道为中心点，南北向的大“8”字形轨迹。对北斗IGSO和GEO的有效覆盖范 围理论分析和实验验证表明，虽然由于卫星运动，接收机运动等导致伪距传播时间是实 时变化的，采用与GEO方位相近的IGSO为基准，两者伪距传播时间相差不会超过 10ms，这也为模糊控制的应用奠定了基础。

模糊控制系统是以模糊集合化、模糊语言变量及模糊逻辑推理为基础的一种计算机 数字控制系统，模糊控制属于非线性控制与智能控制的范畴，模糊控制器通过把经验和 实验结果总结成若干规则，根据规则推理，快速完成运算。选用合适的模糊模型和制定 适当的规则可获得较为理想的输出结果。其原理可分为模糊化、模糊规则、模糊推理和 去模糊化这四个过程。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对背景技术的不足提供了一种北斗导航系统混合 星座的伪距测量方法，其解决了北斗GEO卫星与非GEO卫星播发的导航电文不同导 致的伪距输出不同步的问题，实现伪距的同步输出、接收机定位和接收机钟差修正。

一种北斗导航卫星系统混合星座的伪距测量方法，具体包含如下步骤：

步骤1，将接收机上电复位，由接收机内部随机产生一个上升沿位置可调的伪距锁 存信号TIC；

步骤2，产生本地测距码和载波，对卫星信号进行捕获，捕获成功的信号进入跟踪 通道；

步骤3，对GEO卫星、IGSO卫星、MEO卫星分别进行位同步和子帧同步；

步骤4，各通道实现子帧同步后，转入伪距输出和星历解调模式，进而计算初始伪 距传播时间、卫星位置和伪距修正参数,其中，IGSO卫星和MEO卫星通道实现位同步 后，触发帧同步整秒脉冲信号，实现在北斗时整秒处输出伪距；

步骤5，选取步骤4计算出的一颗IGSO卫星的伪距传播时间作为基准t_{ρ,IGSO_r}，对 GEO卫星的伪距传输时间t_ρ,GEO进行修正；

步骤6：采用模糊控制规则对GEO卫星通道的伪距传播时间进行修正，得到与IGSO 同步的伪距传播时间t_{ρ,GEO_cor}；

步骤7，根据伪距传播时间获取初始伪距ρ，采用载波相位平滑伪距：

${\rho }_{s,k}=\frac{1}{M}{\rho }_k+\frac{M-1}{M}[{\rho }_{s,k-1}+\lambda ({\phi }_k-{\phi }_{k-1})]$

其中ρ_s,k为当前时刻平滑过的伪距，φ_k为当前时刻的载波相位，ρ_s,k-1为上一时刻平滑过 的伪距，φ_k-1为上一时刻的载波相位，ρ_k为当前时刻未平滑的伪距，M为平滑时间常 数；

步骤8，通过进行接收机定位计算接收机钟差，并计算伪距锁存信号控制量，进而 对伪距锁存信号位置进行修正，具体计算公式如下：

N_TIC,k＝N_TIC,k-1+(Δδ_u-Δt_{TIC_frame})*f_c/c

$N_{TIC,k}=\left(\begin{array}{cc}{N}_{TIC,k}+f_c& N_{TIC,k}<0\\ N_{TIC,k}-f_c& N_{TIC,k}>f_c\end{array}\right)$

上式中，Δδ_u为接收机定位得到的钟差残差，Δt_{TIC_frame}为通道帧同步的固定延迟，N_TIC,k为当前时刻TIC的控制量，N_TIC,k-1为上一时刻TIC的控制量，f_c为TIC的采样频率；

步骤9，接收机实现一次定位后，将TIC脉冲修正到与北斗时的整秒对齐。

作为本发明北斗导航卫星系统混合星座的伪距测量方法的进一步优选方案，在步骤 4中，通过软计算的方式将子帧头修正到整秒的位置，从而实现所有卫星的伪距同步输 出。

作为本发明北斗导航卫星系统混合星座的伪距测量方法的进一步优选方案，在步骤 4中，在不改变伪距锁存信号周期的前提下，采用软件修正的方法实现北斗三种类型卫 星，即两种速率导航电文下的伪距同步输出。

作为本发明北斗导航卫星系统混合星座的伪距测量方法的进一步优选方案，在步骤 5中，选取一颗最接近赤道的IGSO的伪距传播时间作为基准，对GEO的伪距传播时 间进行修正。

作为本发明北斗导航卫星系统混合星座的伪距测量方法的进一步优选方案，在步骤 7中，采用模糊控制的方法对GEO伪距传播时间进行修正。

作为本发明北斗导航卫星系统混合星座的伪距测量方法的进一步优选方案，在步骤 9中，GEO卫星与IGSO卫星的伪距传播时间采用简化的模糊控制规则进行修正。

本发明与现有技术相比有益效果体现在：

不对传统的伪距锁存信号进行改动，在软件层面对通道输出的伪距传播时间进行修 正，利用IGSO卫星与GEO卫星轨道高度相同，伪距传输时间差别不大的特点，采用 模糊控制思想，实现北斗三种卫星、两种导航电文模式下的伪距同步输出和接收机定位。 本发明目的明确，技术简单，易于实现，具有较强的工程应用价值，适用于北斗导航接 收机，对其它采用混合星座或不同导航电文的卫星导航系统具有借鉴价值。

附图说明

图1为本发明功能实现流程图；

图2为本发明模糊控制原理框图；

图3为本发明模糊控制输入量隶属函数曲线；

图4为本发明模糊控制输出量隶属函数曲线；

图5为当t_ρ,GEO>t_{ρ,IGSO_r}时，定位前子帧头、伪距锁存信号位置示意图；

图6为当t_ρ,GEO＝t_{ρ,IGSO_r}时，定位前子帧头、伪距锁存信号位置示意图；

图7为当t_ρ,GEO<t_{ρ,IGSO_r}时，定位前子帧头、伪距锁存信号位置示意图；

图8为定位后子帧头、伪距锁存信号、IGSO帧同步整秒信号位置示意图；

图9为当出现解帧失败时，定位后子帧头、伪距锁存信号、IGSO帧同步整秒信号位 置示意图。

具体实施方式

下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明：

如图1所示，一种北斗导航卫星系统混合星座的伪距测量方法，具体包含如下步 骤：

步骤1，将接收机上电复位，由接收机内部随机产生一个上升沿位置可调的伪距 锁存信号TIC；

步骤2，产生本地测距码和载波，对卫星信号进行捕获，捕获成功的信号进入跟踪 通道；

步骤3，对GEO卫星、IGSO卫星、MEO卫星分别进行位同步和子帧同步；

步骤4，各通道实现子帧同步后，转入伪距输出和星历解调模式，进而计算初始伪 距传播时间、卫星位置和伪距修正参数,其中，IGSO卫星和MEO卫星通道实现位同步 后，触发帧同步整秒脉冲信号，实现在北斗时整秒处输出伪距；

步骤4.1，IGSO卫星和MEO卫星通道实现子帧同步后，触发帧同步整秒脉冲信号， 帧同步整秒脉冲信号周期为1s，上升沿滞后于子帧头1ms，便于检测到下一个子帧头到 来时更新帧同步整秒脉冲的位置，帧同步整秒脉冲的作用在于实现频率为1Hz伪距输 出；

步骤4.2，各通道实现子帧同步后，转入伪距输出和星历解调模式，检测到子帧头 或帧同步整秒脉冲触发高倍码钟计数器进行计数和锁存器进行锁存，计数器的频率为， 帧起始时刻计数器清零，计数到TIC上升沿时刻，计数器的值同步置入锁存器中；

步骤4.3，各通道读取帧同步计数值，并计算通道伪距传播时间，计算公式为 t_ρ＝1-N_c/f_c；

步骤5，选取步骤4计算出的一颗IGSO卫星的伪距传播时间作为基准t_{ρ,IGSO_r}，对 GEO卫星的伪距传输时间t_ρ,GEO进行修正；

步骤6：采用模糊控制规则对GEO卫星通道的伪距传播时间进行修正，得到与IGSO 同步的伪距传播时间t_{ρ,GEO_cor}；

步骤7，根据伪距传播时间获取初始伪距ρ，采用载波相位平滑伪距：

${\rho }_{s,k}=\frac{1}{M}{\rho }_k+\frac{M-1}{M}[{\rho }_{s,k-1}+\lambda ({\phi }_k-{\phi }_{k-1})]$

其中ρ_s,k为当前时刻平滑过的伪距，φ_k为当前时刻的载波相位，ρ_s,k-1为上一时刻平滑过 的伪距，φ_k-1为上一时刻的载波相位，ρ_k为当前时刻未平滑的伪距，M为平滑时间常 数；

步骤8，通过进行接收机定位计算接收机钟差，进而计算伪距锁存信号控制量，进 而对伪距锁存信号位置进行修正，具体计算公式如下：

N_TIC,k＝N_TIC,k-1+(Δδ_u-Δt_{TIC_frame})*f_c/c

$N_{TIC,k}=\left(\begin{array}{cc}{N}_{TIC,k}+f_c& N_{TIC,k}<0\\ N_{TIC,k}-f_c& N_{TIC,k}>f_c\end{array}\right)$

上式中，Δδ_u为接收机定位得到的钟差残差，Δt_{TIC_frame}为通道帧同步的固定延迟，N_TIC,k为当前时刻TIC的控制量，N_TIC,k-1为上一时刻TIC的控制量，f_c为TIC的采样频率；

步骤9，接收机实现一次定位后，TIC脉冲修正到与北斗时的整秒对齐。

其中，在步骤针4中，对GEO一个子帧的周期为0.6秒，与北斗时的整秒不能全 部对齐的问题，通过软计算的方式将子帧头修正到整秒的位置，从而实现所有卫星的伪 距同步输出。

在不改变伪距锁存信号周期的前提下，采用软件修正的方法实现北斗三种类型卫星， 即两种速率导航电文下的伪距同步输出。

利用IGSO卫星与GEO卫星处于相同轨道高度的特点，选取一颗最接近赤道的 IGSO的伪距传播时间作为基准，对GEO的伪距传播时间进行修正。

针对定位前，伪距锁存信号TIC，GEO卫星子帧头，和IGSO卫星子帧头所处位置 不同，采用模糊控制的方法对GEO伪距传播时间进行修正。

针对接收机实现定位后，GEO卫星与IGSO卫星的伪距传播时间只有三种可能的 情况，采用简化的模糊控制规则进行修正。

本方法的整体流程图如图2所示，对北斗中频信号分别。上述过程需要完成以下工 作：

1.北斗导航接收机实现所述技术方案，需要具备基带信号处理功能和环路跟踪与定位 解算功能。基带信号处理功能包括载波NCO产生、码NCO产生、复相位旋转数字下 变频、本地北斗扩频码产生、相关器、时基信号产生、观测数据测量、帧同步信号产生 和导航电文解调等。环路跟踪与定位解算功能主要完成北斗可见星的预测，多普勒预测， 北斗各通道的初始化，各通道超前、即时和滞后相关值的读取和存储，载波跟踪环和码 跟踪环的环路控制，伪距锁存时刻观测数据的读取，载波相位辅助伪距平滑处理，跟踪 多谱勒滤波处理，子帧数据的读取和导航电文解析、卫星星历和历书的实时存储，北斗 定位解算和速度求解、北斗授时环路控制和串口协议的组帧和解帧等功能。

2.构建模糊控制器。

构建一维模糊控制规则。设伪距锁存信号锁存的GEO与基准IGSO卫星的伪距传 播时间之差Δt_{ρ,GEO-IGSO_r}模糊化后为E，其模糊子集为{N,ZO,PS,PM,PB,PX}，分别表 示负、零、正小、正中、正大、正极。控制量(即修正量)U的模糊子集为{NX,NB,NM, NS,ZO,P}，分别表示负极、负大、负中、负小、零、正,离散论域为{-0.8，-0.6，-0.4， -0.2，0，0.6}，输出为离散精确值。其模糊辨识规则为“IfAthenB”，模糊关系R可写 成：R＝A×B

写成模糊推论句：

ifE＝NthenU＝P

ifE＝ZOthenU＝ZO

ifE＝PSthenU＝NS

ifE＝PMthenU＝NM

ifE＝PBthenU＝NB

ifE＝PXthenU＝NX

输入输出的隶属函数曲线分别如图3和图4所示。

对于模糊控制规则修正GEO伪距传输时间，按照接收机定位前和定位后两种模式， GEO伪距传输时间大于、等于、小于基准IGSO伪距传输时间三种情况进行讨论，定 位前和定位后两种模式的主要区别在于伪距锁存信号TIC是否已经与北斗时的整秒对 齐。需要说明的是，下述所有模糊控制规则相互之间并不矛盾，模糊控制规则的集合适 用于全部情况。

2.1接收机定位前，TIC上升沿的位置随机，GEO伪距传输时间大于基准IGSO。 如图5所示，有三种情况如表1所示：

表1

情况 (a) (b) (c) EZO PB N UZO NB P

图中横向箭头为时间流，纵向箭头为子帧头和伪距锁存信号上升沿的相对位置，最 高的虚线箭头为伪距锁存信号，周期为1s，k-1时刻在前，k时刻在后，两者相差1s； 较高的实线箭头为IGSO子帧头，周期为6s，最低的实线箭头为GEO子帧头，周期为 0.6s；N_c1与N_c2分别伪距锁存信号锁存的IGSO卫星和GEO卫星的伪距计数值。

情况(a)伪距锁存信号锁存的两个子帧头为同步子帧头，输入量适用模糊规则ZO， 输出量适用ZO，不需要对t_ρ,GEO进行修正；情况(b)锁存的GEO子帧头比IGSO子帧 头超前了一个GEO子帧周期，输入量适用模糊规则PB，输出量适用NB，t_ρ,GEO减6s； 情况(c)锁存的IGSO子帧头比GEO子帧头超前了一个GEO子帧周期，输入量适用 模糊规则N，输出量适用P，t_ρ,GEO加6s。

2.2接收机定位前，TIC上升沿的位置随机，GEO伪距传输时间恰好等于基准IGSO。 如图6所示，有两种情况如表2所示：

表2

情况 (a) (b) EZO PB UZO NB

情况(a)伪距锁存信号锁存的两个子帧头为同步子帧头，输入量适用模糊规则ZO， 输出量适用ZO，不需要对t_ρ,GEO进行修正；情况(b)锁存的GEO子帧头比IGSO子帧 头超前了一个GEO子帧周期，输入量适用模糊规则PB，输出量适用NB，t_ρ,GEO减6s。

2.3接收机定位前，TIC上升沿的位置随机，GEO伪距传输时间小于基准IGSO。 如图7所示，有两种情况如表3所示：

表3

情况 (a) (b) EZO PB UZO NB

情况(a)伪距锁存信号锁存的两个子帧头为同步子帧头，输入量适用模糊规则ZO， 输出量适用ZO，不需要对t_ρ,GEO进行修正；情况(b)锁存的GEO子帧头比IGSO子帧 头超前了一个GEO子帧周期，输入量适用模糊规则PB，输出量适用NB，t_ρ,GEO减6s。

2.4接收机定位后，TIC位置经过钟差修正，上升沿的位置与北斗时的整秒对齐。 如图8所示：IGSO帧同步整秒脉冲触发，伪距锁存信号，IGSO子帧头，GEO子帧头， IGSO帧同步整秒脉冲的位置基本固定下来。

表4

EPM PB PX UNM NB NX

如表4所示，锁存的GEO子帧头与IGSO子帧头只有三种位置关系，GEO子帧头 比IGSO子帧头均超前，超前量(即输入量)适用模糊控制规则PM，PB和PX，输出 量相应适用NM，NB和NX，t_ρ,GEO相应减0.4s，0.6s，0.8s。图中较短的纵向虚线为IGSO 帧同步整秒信号，周期为1s，比IGSO子帧头晚1ms。

2.5接收机定位前后，弱信号，强干扰导致GEO卫星可能的解帧失败。如图9所 示，如果出现图中所示两种子帧头解帧失败的情况，伪距锁存信号实际锁存的是上一个 GEO子帧头的伪距计数值，利用模糊控制规则同样可以进行修正，输出正确的伪距， 提高接收机的鲁棒性如表5所示：

表5

EZO PS UZO NS

3.最小二乘法实现接收机定位和钟差修正。

利用最小二乘法进行接收机定位，得到钟差，钟差参数返回修正TIC，使得TIC与 北斗时(BDT)整秒对齐。算法如下：

伪距方程为

ρ_cj＝[(x_j-x_u)²+(y_j-y_u)²+(z_j-z_u)²]^1/2+δt_u+v_j(1)

其中ρ_cj为卫星j到用户的伪距，(x_u，y_u，z_u)和(x_j，y_j，z_j)分别表示用户和卫星在 ECEF坐标系中的位置坐标，δt_u为用户钟差产生的等效距离误差，v_j为修正后的伪距 误差，观测卫星数为n。将接收机位置、时钟偏差写成接收机位置坐标、接收机钟差和 改正量两部分的形式。

$\{\begin{array}{c}{x}_u=\widehat{x_u}+{\mathrm{\Delta x}}_u\\ y_u=\widehat{y_u}+{\mathrm{\Delta y}}_u\\ z_u=\widehat{z_u}+{\mathrm{\Delta z}}_u\\ {\mathrm{\delta t}}_u={\widehat{\delta t}}_u+{\mathrm{\Delta \delta t}}_u\end{array}---\left(2\right)$

其中，为接收机位置坐标和接收机钟差，Δx_u，Δy_u，Δz_u，Δδt_u为 对应的改正量。

对伪距观测方程在处进行泰勒级数展开，忽略高次项得到：

${\rho }_{cj}=R_j+{\widehat{\delta t}}_u+v_j-\frac{x_j-\widehat{x_u}}{R_j}{\mathrm{\Delta x}}_u-\frac{y_j-\widehat{y_u}}{R_j}{\mathrm{\Delta y}}_u-\frac{z_j-\widehat{z_u}}{R_j}{\mathrm{\Delta z}}_u---\left(3\right)$

定位方程常数项为：

$L_j=R_j-{\rho }_{cj}+{\widehat{\delta t}}_u---\left(4\right)$

接收机到卫星j的观测矢量为：

$I_j\left(\begin{array}{ccc}{l}_j& m_j& n_j\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{\mathrm{\Delta x}}_u\\ {\mathrm{\Delta y}}_u\\ {\mathrm{\Delta z}}_u\end{array}\right)=\left(\begin{array}{ccc}\frac{x_j-\widehat{x_u}}{R_j}& \frac{y_j-\widehat{y_u}}{R_j}& \frac{z_j-\widehat{z_u}}{R_j}\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{\mathrm{\Delta x}}_u\\ {\mathrm{\Delta y}}_u\\ {\mathrm{\Delta z}}_u\end{array}\right)---\left(5\right)$

其中，R_j为卫星j到接收机位置的距离，故伪距残差可表示为：

${\mathrm{\Delta \rho }}_j={\left({\left(x_j-\widehat{x_u}\right)}^2+{\left(y_j-\widehat{y_u}\right)}^2+{\left(z_j-\widehat{z_u}\right)}^2\right)}^{1/2}+{\mathrm{\Delta \delta t}}_u-{\rho }_j---\left(6\right)$

上式中，有4个未知量Δx_u、Δy_u、Δz_u、Δδt_u，可以用4颗卫星进行距离测量将它们 解出来，因为方程中要用到接收机位置，所以必须采用迭代的方法进行计算，接收机位 置可以任意选取，当计算出的接收机位置接近真实位置时迭代的次数较小，当连续两次 计算出来的Δx_u、Δy_u、Δz_u、δt_u值差别非常小时，即可停止迭代，ρ_j为实际测得的伪 距经过一系列修正后的伪距。

对上式写成矩阵的形式，有：

Δρ＝H*Δx(7)

其中：

$\Delta \rho =\left(\begin{array}{c}\Delta {\rho }_1\\ {\mathrm{\Delta \rho }}_2\\ {\mathrm{\Delta \rho }}_3\\ {\mathrm{\Delta \rho }}_4\end{array}\right),H=\left(\begin{array}{cccc}{l}_1& m_1& n_1& 1\\ l_2& m_2& n_2& 1\\ l_3& m_3& n_3& 1\\ l_4& m_4& n_4& 1\end{array}\right),\Delta x=\left(\begin{array}{c}{\mathrm{\Delta x}}_u\\ {\mathrm{\Delta y}}_u\\ {\mathrm{\Delta z}}_u\\ -{\mathrm{\Delta \delta t}}_u\end{array}\right)$

当参与运算的卫星数目大与4颗时可以运用最小二乘法进行计算，计算结果为：

Δx＝(H^TH)^-1H^TΔρ(8)

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说， 在不脱离本发明原理的前提下还可以做出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范 围。