一种无线导航系统整周数模糊度的确定方法

1.一种无线导航系统整周数模糊度的确定方法，它采用下面的步骤：
第一步：接收信号经过接收天线(9)接收后，经过与本地载波发生器(10)产生的载 波信号混频，同时利用载波跟踪技术测量出载波相位变化不足一周的小数部 分Δφf；
第二步：再由A/D转换模块(11)采样，然后经过解调模块(12)解调，再经过扩频 码捕获和跟踪模块(13)，在扩频码捕获和跟踪模块(13)中利用扩频码捕获跟 踪技术测量出扩频码的相位差ΔφPN(chip)；
第三步：然后经过接收基带处理模块(14)将电参量提取出来；
其特征技术还包括以下步骤：
第四步：根据在扩频码捕获和跟踪模块(13)中测量出来的本地扩频码与收到的信号 的扩频码的相位差ΔφPN(chip)，扩频码时间测量模块(15)根据式(3)： $\Delta {\tau }_{\mathrm{PN}}=\frac{\Delta {\phi }_{\mathrm{PN}}}{K}$ 算出信号的传播时间ΔτPN，其中K为扩频码的码率(chip/s)；
第五步：在整周数计算模块(16)中利用扩频码时间测量模块(15)算出的信号传播 时间ΔτPN和接收机中本地载波发生器(10)获得的载波相位变化不满一周的 相位差Δφf，在满足条件式(4)： $\frac{\Delta {\phi }_1}{K}<\frac{1}{f}$ 时，根据式(5)： $\left\{\begin{array}{c}{N}_0=\left[\Delta {\tau }_{\mathrm{PN}}f\right]+i,i=-\mathrm{1,0,1}\\ \frac{\Delta {\phi }_{\mathrm{PN}}-\Delta {\phi }_1}{K}\le \frac{N_0+\Delta {\phi }_f}{f}\le \frac{\Delta {\phi }_{\mathrm{PN}}+\Delta {\phi }_1}{K}\end{array}\right.$ 计算出整周数N0的值，其中f为载波频 率(Hz)，Δφ1为接收机扩频码捕获跟踪的精度(chip)。
2、根据权利要求1所述的一种无线导航系统整周数模糊度的确定方法，其特征是所述的扩 频码时间测量模块(15)和整周数计算模块(16)都可用DSP编程实现。

技术领域\n本发明属于使用电磁波技术进行导航和定位的领域，如在无线导航系统，它特别涉及 使用载波相位测量进行高精度导航定位的系统。\n背景技术\n众所周知，在现有的导航和定位系统中，广泛采用多个发射台发射导航定位信号，接收 机接收；接收机根据收到的各个发射台的导航定位信号的电参量来计算出自己的位置这一 原理来定位和导航的。为了让接收机能判断出接收的信号是来自哪个发射台，发射台通常 采用CDMA扩频技术。又由于载波频率高，波长短，为了提高导航定位的精度，常常使用 载波相位测量来进行高精度导航定位。\n导航定位系统是利用收到的导航定位信号的电参量(幅度、频率、相位等)与导航参 量的关系来导航定位的。根据利用不同的电参量来确定导航参量，导航定位系统一般分为 振幅无线电导航系统、频率无线导航系统、时间无线电导航系统、相位无线电导航系统、 复合无线电导航系统等，详细内容见：《无线电导航原理》，魏光顺、张欲敏等著，东南 大学出版社，1989年出版。\n载波相位测量原理：载波相位测量是测量发射台发射的载波信号在传播路程上的相位 变化值，以确定信号传播的距离。发射台s发出一个载波信号，在时刻t时其在发射台s 处的相位为s，而此时经过距离r传播到接收机k处的信号，其相位为k，则由发射台s 到接收机k的相位变化为(k-s)。(k-s)包括了整周期数和不足一周的小数部分。一般 为了方便计算，载波相位均以周期为单位。如果能测定(k-s)，则发射台到接收机的距 离r即为：\nr＝λ(k-s)＝λ(N0+Δ) (1)\n式中，N0为载波相位(k-s)整周期部分；Δ为不足一周的小数部分；λ为载波的波长， 为已知值。但是，实际相位测量只能测定不足一周的小数部分，而整周数N0是不清楚的。 因此存在整周数N0模糊度的问题。\n因此，只有精确的确定整周数N0才能获得高精度的定位结果，否则，即使相位测量的 观测值Δ精度很高，也是没有意义的。因此，快速求解整周数N0是载波相位测量的关键。 常见的整周数N0的确定方法有：\n(1)一种简单的方法是接收机初始化后连续不断地计算完整相位循环数。这时应将所收 到的信息同时进行完整相位循环计数和相位计数，完整相位循环计数计算出每隔 2π的相位整数倍变化。这样就确定了整周数N0。这种方法的缺点是可靠性差，一 旦丢失信号或设备临时掉电等，都将破坏完整相位循环计数的准确性，此时就不能 完全消除整周数的模糊性。\n(2)另一种方法是发射台发射辅助信号，接收机初始化后，接收导航定位信号的同时， 还接收辅助信号，接收机利用辅助信号和导航信号来联合计算出整周数N0。这种 方法增加了发射机和接收机的复杂度。\n上述各种计算整周数N0的方法详细内容见：《无线电导航原理》，魏光顺、张欲敏等 著，东南大学出版社，1989年出版。这些方法各有各的缺点，方法1的可靠性不高，一旦 丢失信号或设备临时掉电等，都将破坏完整相位循环计数的准确性，此时就不能完全消除 整周数的模糊性。使用方法2，增加了发射台和接收机的复杂度，从而增加了实现难度和 系统成本。\n传统的无线导航定位系统由发射台图1和接收机图2组成。发射台由编码模块3、扩 频码生成器4、调制模块5、D/A转换模块6、载波发生器7、发射天线8组成，其接收机 由接收天线9、本地载波发生器10、A/D转换模块11、解调模块12、扩频码捕获和跟踪模 块13、接收基带处理模块14组成。其工作过程为：\n发射台将需要发送的测距信息经过编码模块3，再经过扩频码生成器4扩频后和调制 模块5调制，经过D/A转换模块6后与载波发生器7产生的载波混频，然后经过发射天线 8发射出去。经过在空中的传播后，接收机经过接收天线9，将信号接收下来，经过与本地 载波发生器10产生的载波信号混频后，再由A/D转换模块11采样，然后经过解调模块12 解调，再经过扩频码捕获和跟踪模块13后，最后经过接收基带处理模块14将电参量提取 出来。\n其导航定位原理是：一般一个系统内有多个位置已知的发射台，各发射台的结构都一 样，不同的是各发射台的扩频码不一样。接收机将收到的信号经接收信号处理后，提取出 各导航信号的电参量，然后根据这些电参量，建立导航参量方程，从而进行导航定位。详 细内容见：《无线电导航原理》，魏光顺、张欲敏等著，东南大学出版社，1989年出版以 及《GPS卫星导航与精密定位》，许其凤著，解放军出版社，1989年出版。\n发明内容\n本发明的目的是提供一种无线导航系统整周数模糊度的确定方法，即采用本发明的消 除整周数模糊度的方法，在一定的距离范围内，不需要增加额外的辅助信号，也不需增加 系统的复杂度，根据本地接收机收到的导航定位电参量就可以可靠的消除载波相位变化的 整周数模糊度。\n本发明主要用在利用载波相位测量来导航定位的导航定位接收系统中消除载波相位变 化的整周数模糊度。其原理框图见图3，其组成为：具有扩频码捕获跟踪功能的传统接收 机2、扩频码时间测量模块15、整周数计算模块16。\n本发明的工作原理：假设扩频码的码长为Nc(chip)，扩频码的码率为K(chip/s)，载波 频率为f(Hz)，电磁波传播速度为C，接收机扩频码捕获跟踪的精度为Δφ1(chip)，本地接 收机捕获跟踪到的扩频码相位差为ΔφPN(chip)，Δφf为接收机测量出来的不足一周的载波 相位。那么传播一个完整的扩频码所需的距离为R：\n$R=\frac{N_{c}C}{K}---\left(2\right)$\n如果所测距离r小于R，那么根据捕获跟踪到的扩频相位计算出的信号传播时间为ΔτPN：\n${\mathrm{\Delta \tau }}_{\mathrm{PN}}=\frac{{\mathrm{\Delta \phi }}_{\mathrm{PN}}}{K}---\left(3\right)$\n当\n$\frac{{\mathrm{\Delta \phi }}_1}{K}<\frac{1}{f}---\left(4\right)$\n载波相位变化的整周数N0为：\n$\left\{\begin{array}{c}\begin{array}{cc}{N}_0=\left[\Delta {\tau }_{\mathrm{PN}}f\right]+i& i=-\mathrm{1,0,1}\end{array}\\ \frac{{\mathrm{\Delta \phi }}_{\mathrm{PN}}-{\mathrm{\Delta \phi }}_1}{K}\le \frac{N_0+{\mathrm{\Delta \phi }}_f}{f}\le \frac{{\mathrm{\Delta \phi }}_{\mathrm{PN}}+{\mathrm{\Delta \phi }}_1}{K}\end{array}\right.---\left(5\right)$\n其中[·]表示取不大于该数的最大整数。\n当用差分法定位时，所测距离r表示两个发射台到接收台的距离差，ΔφPN表示接收台 测得的两个发射台的扩频信号到达接收台的扩频码相位变化的差，N0表示两个发射台到接 收机的载波相位变化的整周数的差。\n本发明提供的一种无线导航系统整周数模糊度的确定方法，它采用下面的步骤：\n第一步：接收信号经过接收天线9接收后，经过与本地载波发生器10产生的载波信号 混频，同时利用载波跟踪技术测量出载波相位变化不足一周的小数部分Δφf：\n第二步：再由A/D转换模块11采样，然后经过解调模块12解调，再经过扩频码捕获 和跟踪模块13，在扩频码捕获和跟踪模块13中利用扩频码捕获跟踪技术测 量出扩频码的相位差ΔφPN(chip)；\n第三步：然后经过接收基带处理模块14将电参量提取出来；\n其特征技术还包括以下步骤：\n第四步：根据在扩频码捕获和跟踪模块13中测量出来的本地扩频码与收到的信号的扩 频码的相位差ΔφPN(chip)，扩频码时间测量模块15根据式(3)： ${\mathrm{\Delta \tau }}_{\mathrm{PN}}=\frac{{\mathrm{\Delta \phi }}_{\mathrm{PN}}}{K}$ 算出信号的传播时间ΔτPN；\n第五步：在整周数计算模块16中利用扩频码时间测量模块15算出的信号传播时间 ΔτPN和接收机中本地载波发生器10获得的载波相位变化不满一周的相位差 Δφf，在满足条件式(4)： $\frac{\Delta {\phi }_1}{K}<\frac{1}{f}$ 时，  根据式(5)：\n$\left\{\begin{array}{c}\begin{array}{cc}{N}_0=\left[{\mathrm{\Delta \tau }}_{\mathrm{PN}}f\right]+i& i=-\mathrm{1,0,1}\end{array}\\ \frac{{\mathrm{\Delta \phi }}_{\mathrm{PN}}-{\mathrm{\Delta \phi }}_1}{K}\le \frac{N_0+{\mathrm{\Delta \phi }}_f}{f}\le \frac{{\mathrm{\Delta \phi }}_{\mathrm{PN}}+{\mathrm{\Delta \phi }}_1}{K}\end{array}\right.$ 计算出整周数N0的值。\n经过以上步骤，就可以得到载波相位变化的整周数N0。\n需要说明的是，公式(5)可以通过编程求解。\n本发明的创新为：与传统的消除整周数模糊度的方法比，本发明提供了一种新的消除 整载波相位变化的整周数模糊度的方法。在一定的距离范围内，不需要增加额外的辅助信 号，也不需增加系统的复杂度，利用本地接收机扩频码的相位捕获和跟踪的结果与接收机 获得的不满一周的载波相位变化的值，根据扩频码传播距离和载波传播距离的关系，就能 得到可靠的载波相位变化的整周数模糊度。\n综上所述，利用本发明的方法，不需要增加额外的辅助信号，也不需增加系统的复杂 度，根据本地接收机扩频码的相位捕获跟踪的结果和接收机获得的不满一周的载波相位变 化，在扩频码跟踪精度满足式(4)的条件下，根据扩频码传播距离和载波传播距离的关系， 就能消除载波相位变化的整周数模糊度。利用本发明能快速、方便、可靠地实现载波测量 高精度定位，可用于进行高精度导航定位的系统。\n附图说明\n图1是传统的导航定位系统的发射机\n其中3是编码模块；4是扩频码发生器；5是调制模块；6是D/A转换模块；7是载波 发生器；8是发送天线；\n图2是传统的导航定位系统的接收机\n其中9是接收天线；10是本地载波发生器；11是A/D转换模块；12是解调模块；13 是扩频码捕获和跟踪模块；14是接收基带处理模块；\n图3是本发明方法的工作原理框图\n图中的接收机2就是图2所示的接收机；15是扩频码时间测量模块；16是整周数计算 模块；\n图4是本发明方法的流程图。\n具体实施方式\n假设扩频码的码长为Nc(chip)＝8191，扩频码的码率为K＝25(kchip/s)，载波频率为 f＝2(MHz)，电磁波传播速度为C＝3×108(m/s)，接收机捕获跟踪扩频码的精度为 Δφ1＝0.01(chip)，此时式(4)成立。则传播一个完整的扩频码所需的距离为 $R=\frac{N_{c}C}{K}=98292\left(\mathrm{km}\right),$ 现在假设所测量的距离r小于98292(km)。发射台经过扩频调制后， 将测量所需要的信号发射出来，经过一定距离的传播后，确定整周数N0的步骤如下：\n第一步：接收信号经过接收天线9接收后，经过与本地载波发生器10产生的载波信号 混频，同时利用载波跟踪技术测量出载波相位变化不足一周的小数部分 Δφf＝0.1；\n第二步：再由A/D转换模块11采样，然后经过解调12解调，再经过扩频码捕获和跟 踪13，在扩频码捕获和跟踪13中利用扩频码捕获跟踪技术测量出扩频码的 相位差ΔφPN＝100(chip)；\n第三步：然后经过接收基带处理14将电参量提取出来；\n第四步：根据在扩频码捕获和跟踪13中测量出来的本地扩频码与收到的信号的扩频码 的相位差ΔφPN＝100(chip)，扩频码时间测量模块15根据式(3)算出信号的 传播时间ΔτpN＝4(ms)；\n第五步：在整周数计算16中根据扩频码时间测量15算出的信号传播时间ΔτPN和接收 机获得的载波相位变化不满一周的相位差Δφf，根据式(5)计算出整周数 N0＝8000。\n以上的发射台和接收机都是传统的，扩频码时间测量模块15和整周数计算模块16都 可用DSP(Digital Signal Processing)编程实现。