一种自主可控的多系统高精度导航设备及导航方法技术方案

本发明专利技术涉及一种自主可控的多系统高精度导航设备及导航方法，属于定位导航技术领域。本发明专利技术的系统包括信道模块、通道模块、时钟模块、电源模块及接口模块。所述电源模块用于为各个模块供电；所述时钟模块用于为所述信道模块和通道模块提供时钟基准；所述信道模块用于分别利用不同信道对GPS信号和北斗信号进行数字转换；导航解算模块用于对GPS信号和北斗信号进行导航解算，进行基于GPS信号和北斗信号的导航定位。本发明专利技术通过双系统冗余，提高了定位精度；同时通过优化器件，实现了完全自主可控的全国产化设计。

【技术实现步骤摘要】
一种自主可控的多系统高精度导航设备及导航方法
本专利技术涉及通信领域，具体涉及一种全国产化高精度导航设备及导航方法。
技术介绍
中国北斗卫星导航系统(BeiDouNavigationSatelliteSystem，BDS)是中国自行研制的全球卫星导航系统。北斗卫星导航系统由空间段、地面段和用户段三部分组成，可在全球范围内全天候、全天时为各类用户提供高精度、高可靠定位、导航、授时服务(RNSS)，并具短报文通信能力(RDSS)。RNSS信号通过B1I、B1C、B2A、B3I四个频点提供给公开的基本导航服务，通过B1A、B3A、B3AE、B3Q四个频点提供授权导航服务信号。GPS(GlobalPositioningSystem)是由美国国防部研制建立的一种具有全方位、全天候、全时段、高精度的卫星导航系统，能为全球用户提供低成本、高精度的三维位置、速度和精确定时等导航信息，是卫星通信技术在导航领域的应用典范，它极大地提高了地球社会的信息化水平，有力地推动了数字经济的发展。目前GPS共L1～L5共5个频点播发服务，其中L3用于核爆炸等高能红外辐射事件的侦查，L4用于电离层研究，L5为近几年发射的GPS新卫星上增加的频点。卫星导航接收机的定位精度取决于几何精度因子(DOP)和伪距误差因子(UERE)的乘积。即：(定位误差)＝(几何精度因子)×(伪距误差因子)几何精度因子表示卫星和接收装置的相对几何布局对定位解误差的复合影响；伪距误差因子就是卫星的等效距离误差UERE。伪距误差因子的误差源主要有三类：与卫星有关的误差，包括卫星钟差和卫星轨道误差等，由系统URE指标给出。与信号传播有关的误差，包括电离层延迟误差、对流层延迟误差等。与接收装置有关的误差，测距误差等。使用两台接收机，同时接收卫星信号，其中一台接收机坐标已知(称为参考站)，另外一台接收机坐标待测(称为流动站)。在这2台接收机距离不太远的时候(几十公里到几百公里，这个距离矢量称为基线)，可以认为电离层和对流层对两台接收机的影响是一样的，卫星钟差影响也相同。由于两台接收机误差之间的相关性，依据差分原理可以减弱主要误差源的影响，部分误差甚至可以完全消除。RTD(码(C/A码、P码)差分技术)定位精度可以达到亚米级，而RTK(载波相位L1、L2差分技术)采用双频可以达到厘米级。采用RTK/RTD技术可以实现GPS、BDS的高精度导航。但在实际应用中，由于导航卫星播发的卫星信号功率很低(最低-133dBm)，在复杂恶劣信道环境中，卫星导航信号易受到多种形式的有意或无意干扰，导致接收机导航定位性能下降，严重情况下甚至无法正常工作。采用GPS、BDS冗余设计的方法，可以将两种系统互相作为备份，在其中一个卫星系统受干扰不能正常工作时，另一个卫星系统可以自动切换完成高精度导航。而且，也不可能在设备使用时附近一直存在着一台坐标已知的接收机。因此，希望提供一种自主可控的多系统高精度导航设备。
技术实现思路
本专利技术的目的是，采用基于SOC芯片的电路设计，实现GPS、BDS双卫星系统的实时RTK高精度导航，通过双系统冗余，增强测量的稳定性；通过优化器件，实现了完全自主可控的全国产化设计。具体而言，本专利技术提供一种自主可控的多系统高精度导航设备，其特征在于：所述导航设备包括电源模块、时钟模块、信道模块、导航解算模块、接口模块，所述电源模块用于为所述时钟模块、信道模块、通道模块、接口模块供电；所述时钟模块用于为所述信道模块和通道模块提供时钟基准；所述信道模块用于分别利用不同信道对GPS信号和北斗信号进行接收、放大，下变频，并将下变频后的中频信号经AD采样后送通道模块进行数字域处理；导航解算模块用于对GPS信号和北斗信号进行导航解算，进行基于GPS信号和北斗信号的导航定位；所述接口模块用于与外部进行通讯，其中，所述导航解算模块分别对GPS信号和BDS信号进行单独解算，并确定基于两种信号的轨迹类型；基于所述轨道类型进行导航定位。优选地，所述接口模块还用于对外输出PPS时钟基准，并与外界的导航定位和指令控制模块通讯。优选地，还包括信道模块，所述信道模块的入口使用四功分器对信号进行分路，分为GPSL1、L2，BDSB1、B3四路信道，每路信道包括滤波模块和放大模块，采用介质滤波器进行滤波，然后进行射频域放大和一次下变频，实现GPS-L1、L2，BDS-B1、B3双系统四频点卫星信号的放大和变频，其中频输出频率为零频。优选地，通道模块包括SOC芯片，该芯片内嵌SPARC-V8双核处理器，外部FLASH采用NAND芯片，容量为16Mbit，用于存储运行代码和关键参数。优选地，时钟模块采用高稳晶振提供10MHz时钟，经锁相倍频后，分为两路信号，一路62M时钟送通道模块作为基准时钟，一路40M时钟作为射频芯片的输入时钟。优选地，电源模块采用DC5V输入，采用DC/DC模块变换为3.3V、1.2V、2.3V电平，采用LDO模块变换为1.8V。优选地，采用RS422芯片，对外提供标准1组PPS信号用于作为时钟基准、1组单向接收RCTM信号、1组全双工串口信号用于对外通讯。优选地，所述导航设备以Ab7203基带一体化SOC芯片为核心，辅以国产化的电源器件、射频器件、时钟器件、存储器件、接口器件制备而成。优选地，导航解算模块按照权利要求10中所述的方法进行导航解算。另一方面，本专利技术提供一种基于GPS信号和北斗的联合导航定位方法，其特征在于，所述方法包括：以系统采样周期的N倍为基准周期，分别获取M组GPS和BDS的前续采样数据，N为大于等于1的正整数；对于该M组GPS数据和BDS，分别根据下述公式(1)构建基于时间间隔的方程组：其中，XM、YM、ZM分别为M组数据中最近一个数据对应位置的经度、维度以及高度坐标，a1、b1、c1、a2、b2、c2、……a5、b5、c5为三维轨迹预测参数，xi、yi、zi为第i个数据点对应的解算对应位置点坐标，Δt为取样时间间隔；对于所述M组GPS数据和BDS数据，分别根据下述公式(2)构建基于时间间隔的第二方程组：其中，d1、f1、g1、w1、……d5、f5、g5、w5、为三维轨迹预测参数，对于新的GPS数据和BDS数据，分别利用各自的解算模型进行初步解算，获得各自的GPS和BDS初步解算数据坐标(XMG，YMG，ZMG)和(XMB，YMB，ZMB)；并且将该新的GPS数据和BDS数据的获取时间与上一个周期的GPS数据和BDS数据的获取时间的时间差Δt代入相应的公式(1)和(2)获得，获得相应的第一预测坐标值(XMGy1，YMGy1，ZMGy1)和(XMBy1，YMBy1，ZMBy1)，以及第二预测坐标值(XMGy2，YMGy2，ZMGy2)和(XMBy2，YMBy2，ZMBy2)；分别计算GPS初步解算坐标(XMG，YMG，Z本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种自主可控的多系统高精度导航设备，其特征在于：所述导航设备包括电源模块、时钟模块、信道模块、导航解算模块、接口模块，/n所述电源模块用于为所述时钟模块、信道模块、通道模块、接口模块供电；/n所述时钟模块用于为所述信道模块和通道模块提供时钟基准；/n所述信道模块用于分别利用不同信道对GPS信号和北斗信号进行接收、放大，下变频，并将下变频后的中频信号经AD采样后送通道模块进行数字域处理；/n导航解算模块用于对GPS信号和北斗信号进行导航解算，进行基于GPS信号和北斗信号的导航定位；/n所述接口模块用于与外部进行通讯，/n其中，所述导航解算模块分别对GPS信号和BDS信号进行单独解算，并分别基于两种信号解算结果确定相应的轨迹类型；基于所述轨迹类型进行导航定位。/n

【技术特征摘要】
1.一种自主可控的多系统高精度导航设备，其特征在于：所述导航设备包括电源模块、时钟模块、信道模块、导航解算模块、接口模块，
所述电源模块用于为所述时钟模块、信道模块、通道模块、接口模块供电；
所述时钟模块用于为所述信道模块和通道模块提供时钟基准；
所述信道模块用于分别利用不同信道对GPS信号和北斗信号进行接收、放大，下变频，并将下变频后的中频信号经AD采样后送通道模块进行数字域处理；
导航解算模块用于对GPS信号和北斗信号进行导航解算，进行基于GPS信号和北斗信号的导航定位；
所述接口模块用于与外部进行通讯，
其中，所述导航解算模块分别对GPS信号和BDS信号进行单独解算，并分别基于两种信号解算结果确定相应的轨迹类型；基于所述轨迹类型进行导航定位。


2.根据权利要求1所述的自主可控的多系统高精度导航设备，其特征在于：所述接口模块还用于对外输出时钟基准，并与外界的导航定位和指令控制模块通讯。


3.根据权利要求1所述的自主可控的多系统高精度导航设备，其特征在于：还包括信道模块，所述信道模块的入口使用四功分器对信号进行分路，分为GPSL1、L2，BDSB1、B3四路信道，每路信道包括滤波模块和放大模块，采用介质滤波器进行滤波，然后进行射频域放大和一次下变频，实现GPS-L1、L2，BDS-B1、B3双系统四频点卫星信号的放大和变频，其中频输出频率为零频。


4.根据权利要求1所述的自主可控的多系统高精度导航设备，其特征在于：通道模块包括SOC芯片，该芯片内嵌SPARC-V8双核处理器，外部FLASH采用NAND芯片，容量为16Mbit，用于存储运行代码和关键参数。


5.根据权利要求1所述的自主可控的多系统高精度导航设备，其特征在于：时钟模块采用高稳晶振提供10MHz时钟，经锁相倍频后，分为两路信号，一路62M时钟送通道模块作为基准时钟，一路40M时钟作为射频芯片的输入时钟。


6.根据权利要求1所述的自主可控的多系统高精度导航设备，其特征在于：电源模块采用DC5V输入，采用DC/DC模块变换为3.3V、1.2V、2.3V电平，采用LDO模块变换为1.8V。


7.根据权利要求1所述的自主可控的多系统高精度导航设备，其特征在于：采用RS422芯片，对外提供标准1组PPS信号用于作为时钟基准、1组单向接收RCTM信号、1组全双工串口信号用于对外通讯，所述导航设备以Ab7203基带一体化SOC芯片为核心，辅以国产化的电源器件、射频器件、时钟器件、存储器件、接口器件制备而成。


8.根据权利要求1所述的自主可控的多系统高精度导航设备，其特征在于：导航解算模块按照下述过程进行导航解算：
以系统采样周期的N倍为基准周期，分别获取M组GPS和BDS的前续采样数据，N为大于等于1的正整数；
对于该M组GPS数据和BDS，分别根据下述公式(1)构建基于时间间隔的方程组：



其中，XM、YM、ZM分别为M组数据中最近一个数据对应位置的经度、维度以及高度坐标，a1、b1、c1、a2、b2、c2、.......a5、b5、c5为三维轨迹预测参数，xi、yi、zi为第i个数据点对应的解算对应位置点坐标，Δt为取样时间间隔；
对于所述M组GPS数据和BDS数据，分别根据下述公式(2)构建基于时间间隔的第二方程组：



其中，d1、f1、g1、w1、……d5、f5、g5、w5、为三维轨迹预测参数，
对于新的GPS数据和BDS数据，分别利用各自的解算模型进行初步解算，获得各自的GPS和BDS初步解算数据坐标(XMG，YMG，ZMG)和(XMB，YMB，ZMB)；并且将该新的GPS数据和BDS数据的获取时间与上一个周期的GPS数据和BDS数据的获取时间的时间差Δt代入相应的公式(1)和(2)获得，获得相应的第一预测坐标值(XMGy1，YMGy1，ZMGy1)和(XMBy1，YMBy1，ZMBy1)，以及第二预测坐标值(XMGy2，YMGy2，ZMGy2)和(XMBy2，YMBy2，ZMBy2)；
分别计算GPS初步解算坐标(XMG，YMG，ZMG)与GPS第一预测坐标值(XMGy1，YMGy1，ZMGy1)和GPS第二预测坐标值(XMGy2，YMGy2，ZMGy2)的坐标值的GPS第一方差σg1和GPS第二σg2；
分别计算BDS初步解算坐标(XMB，YMB，ZMB)与BDS第一预测坐标值(XMGy1，YMGy1，ZMGy1)和BDS第二预测坐标值(XMBy2，YMBy2，ZMBy2)的坐标值的BDS第一和第二方差σb1和σb2；
计算GPS第一方差σg1和GPS第二σg2的比例关系，判断所述比例关系是否大于第一GPS分类阈值，若大于，判定基于GPS的轨迹类型的为GPS第二轨迹类型，若所述比例关系小于第二GPS分类阈值，则判定基于GPS的轨迹类型的为GPS第一轨迹类型，若所述比例关系位于第一GPS分类阈值和第二GPS分类阈值之间，则将当前GPS的轨迹类型判定为兼容类型；
计算BDS第一、第二方差σb1和σb2的比例关系，判断所述比例关系是否大于第一BDS分类阈值，若大于，判定基于BDS的轨迹类型的为BDS第二轨迹类型，若所述比例关系小于第二BDS分类阈值，则判定基于BDS的轨迹类型的为BDS第一轨迹类型，若所述比例关系位于第一BDS分类阈值和第二BDS分类阈值之间，则将当前BDS的轨迹类型判定为兼容类型；
若两种轨迹类型均为第一类型，则基于GPS第一预测坐标值(XMGy1，YMGy1，ZMGy1)、BDS第一预测坐标值(XMGy1，YMGy1，ZMGy1)以及BDS初步解算坐标(XMB，YMB，ZMB)和GPS初步解算坐标(XMG，YMG，ZMG)进行位置确定；若两种轨迹类型均为第二类型，则基于GPS第二预测坐标值(XMGy2，YMGy2，ZMGy2)、BDS第二预测坐标值(XMGy2，YMGy2，ZMGy2)以及BDS初步解算坐标(XMB，YMB，ZMB)和GPS初步解算坐标(XMG，YMG，ZMG)进行位置确定；若两种轨迹类型均为兼容型，则基于GP...

【专利技术属性】
技术研发人员：韦博，郑伟，庞诚，亢凯，何东兴，刘斌，崔雨波，王理，
申请(专利权)人：北京云恒科技研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：北京;11