[发明专利]基于软件接收机的GNSS信号模拟器仿真角速度范围测量方法

摘要

本发明公开了一种基于软件接收机的GNSS信号模拟器仿真角速度范围的测量方法，属于卫星导航领域。本发明在对GNSS信号模拟器输出射频信号进行高保真度采样的基础上，通过软件接收机解算出观测量输出，并利用伪距变化率消除卫星相对运动引入的载波多普勒影响，最后得到角速度的最优估计值。本发明可以根据测试指标对软件接收机参数进行灵活配置，输出的丰富的高更新率高精度观测量，可同时满足测量时间分辨率和测量精度的要求；本方法数据处理原理清晰，不需要进行复杂的坐标转换，非线性最小二乘估计的迭代过程能够保证很快收敛，数据处理简单。

主权项

1.一种基于软件接收机的GNSS信号模拟器仿真角速度范围的测量方法，其特征在于：包括如下步骤：第一步，在GNSS信号模拟器中设定测试动态场景，并进行射频信号的数据采集；第二步，根据角速度指标配置软件接收机参数，将采集数据送入软件接收机进行处理，软件接收机最终输出导航卫星仰角、方位角、载波多普勒和导航卫星三维位置坐标；根据GNSS模拟器中设定的角速度指标ω，可知载波多普勒周期为2π/ω，在一个周期内至少采样四个点恢复出原始信号，确定软件接收机输出的载波多普勒时间分辨率应小于π/2ω；同时，在消除了大动态条件造成的锁相环应力误差后，由于采用了与模拟器同源的高稳时钟基准，接收机载波多普勒的测量精度受到热噪声误差的支配；由热噪声造成的锁相环相位抖动误差为：σPLL=12πBnC/N0(1+12Tcoh·C/N0)(cycle)---(11)]]>相应的载波多普勒测量误差为：σf=12πTcohBnC/N0(1+12Tcoh·C/N0)(HZ)---(12)]]>式中B_n为锁相环噪声带宽，单位：Hz；T_coh为预检积分时间，单位：s，C/N₀为载噪比，单位：Hz，并且有(C/N₀)_dB单位为dB-Hz；在强载噪比条件下，(C/N₀)_dB大于80dB-Hz，在1ms～20ms范围内选取软件接收机锁相环预检积分时间，能够兼顾测量精度和时间分辨率的需求；第三步，根据软件接收机输出的导航卫星三维位置坐标数据及已知的载体质心三维位置坐标，计算伪距变化率，消除卫星相对运动对载波多普勒的影响；然后根据载波多普勒与旋转角速度的解析关系进行非线性最小二乘估计，最终得到角速度的最优估计值，具体为：软件接收机输出的瞬时载波多普勒中包含了导航卫星相对径向运动带来的影响，如式(13)所示：f_doppler(t)＝f_d(t)+f_ds(t)    （13）其中，f_doppler(t)表示软件接收机输出的t时刻对应的瞬时载波多普勒，f_d(t)表示在t时刻，由于载体自旋运动造成的瞬时载波多普勒，f_ds(t)表示在t时刻，由于导航卫星相对运动造成的瞬时载波多普勒；设模拟器所仿真载体质心的三维位置坐标为O:(X_r,Y_r,Z_r)；软件接收机每隔一个预检积分时间间隔，会输出接收时刻坐标系下对应发射时刻的卫星三维位置坐标，设为S:(X_s(t),Y_s(t),Z_s(t))；当在仿真中关闭所有误差项时，两个坐标之间的距离即为伪距，由此求出伪距变化率，并转换为载波多普勒：伪距：ρ(t)=(Xs(t)-Xr(t))2+(Ys(t)-Yr(t))2+(Zs(t)-Zr(t))2---(14)]]>由于导航卫星相对径向运动引入的载波多普勒为：fds(t+Tcoh)=-(ρ(t+Tcoh)-ρ(t))TcohfRFc---(15)]]>其中T_coh为预检积分时间；将对应时刻软件接收机输出的瞬时载波多普勒减去由式(14)和式(15)计算得到的由于导航卫星相对运动引入的瞬时载波多普勒，就得到仅由载体自旋引起的瞬时载波多普勒：f_d(t)＝f_doppler(t)-f_ds(t)＝A(t)ωrsin[ωt-B(t)]f_RF/c    （16）其中，对应第i个观测时刻的离散形式为：f_d(i)＝A(i)ωrsin[ω(t₀+iT_coh)-B(i)]f_RF/c    （17）＝A(i)ωrsin[ωiT_coh+φ-B(i)]f_RF/c其中φ表示首个观测时刻t₀对应的初相位；为表达简便，令常数C＝r·f_RF/c，并用下标i表示第i个观测时刻，则式(17)改写为：fdiC·Ai=ωsin(ωiTcoh+φ-Bi)---(18)]]>其中消除卫星相对运动引入载波多普勒影响后得到f_di序列，根据接收机输出的导航卫星仰角和方位角序列计算出A_i与B_i序列，未知变量为角速度ω和采样初始相位φ；令那么软件接收机输出的N组测量结果组成一个二元非线性方程组；利用牛顿迭代法进行线性化处理，假设解(ω,φ)第k次迭代的初始值为(ω_k-1,φ_k-1)，则第k次迭代的线性化方程为：v_i-ω_k-1sin(ω_k-1iT_coh+φ_k-1-B_i)＝c_i,k-1(ω-ω_k-1)+d_i,k-1(φ-φ_k-1)    （19）其中：ci,k-1=∂[ωk-1sin(ωk-1iTcoh+φk-1-Bi)]∂ω=sin(ωk-1iTcoh+φk-1-Bi)+ωk-1iTcohcos(ωk-1iTcoh+φk-1-Bi)---(20)]]>di,k-1=∂[ωk-1sin(ωk-1iTcoh+φk-1-Bi)]∂φ=ωk-1cos(ωk-1iTcoh+φk-1-Bi)---(21)]]>由所述的二元非线性方程组近似转化为线性方程组，用矩阵形式表示为：G_N×2,k-1·Δx_2×1,k＝b_N×1,k-1    （22）其中下脚标表示矩阵的维数，各矩阵分别表示为：GN×2,k-1=c1,k-1d1,k-1c2,k-1d2,k-1......cN,k-1dN,k-1---(23)]]>Δx2×1,k=ω-ωk-1φ-φk-1---(24)]]>bN×1,k-1=v1-ωk-1sin(ωk-1Tcoh+φk-1-B1)v2-ωk-1sin(ωk-12Tcoh+φk-1-B2)...vN-ωk-1sin(ωk-1NTcoh+φk-1-BN)---(25)]]>根据式(22)，矩阵Δx_2×1,k的最小二乘解为：Δx2×1,k=(GN×2,k-1TGN×2,k-1)-1GN×2,k-1TbN×1,k-1---(26)]]>根据接收机输出的观测量信息计算得到v_i、A_i与B_i序列，并假设一组初始值(ω,φ)的初始值(ω₀,φ₀)，分别代入式(20)、式(21)得到G_N×2,k-1矩阵，代入式(25)式得到b_N×1,k-1矩阵，最终根据式(26)求出角速度ω和观测初始相位φ的最优二乘估计值(ω_k,φ_k)。