《基於北斗衛星的多通道授時擬合方法》是鄭州威科姆科技股份有限公司於2012年9月21日申請的專利，該專利的公布號為CN103675854A，申請公布日為2014年3月26日，發明人是賈小波、鄒世合、吳淑琴、張筱南、李軍華。
《基於北斗衛星的多通道授時擬合方法》包括以下步驟：①衛星電文完好性監測單元根據單通道電文信息重播特性及多通道之間的時間信息比對結果，進行衛星電文完好性判斷，剔除異常的電文信息；②在衛星時標容錯處理單元中對衛星時標信號進行容錯處理；在衛星時延擬合校正單元中對衛星時延信息進行校正處理；③處理後的衛星時標信號和衛星時延信息被送入本地鐘差融合單元，所述的本地鐘差融合單元對所有通道的本地鐘差進行融合處理，使本地時標和衛星系統時標同步，從而獲取衛星授時信號。該發明對衛星電文、衛星時標數據、衛星時延校正信息及本地鐘差進行完好性及獨創的融合處理方法進行處理，有效提高了多通道授時接收機授時性能的穩定性及準確性，提高了接收機的授時性能。
2017年12月11日，《基於北斗衛星的多通道授時擬合方法》獲得第十九屆中國專利優秀獎。
（概述圖為《基於北斗衛星的多通道授時擬合方法》摘要附圖）
基本介紹
- 中文名：基於北斗衛星的多通道授時擬合方法
- 申請人：鄭州威科姆科技股份有限公司
- 申請日：2012年9月21日
- 申請號：2012103522095
- 公布號：CN103675854A
- 公布日：2014年3月26日
- 發明人：賈小波、鄒世合、吳淑琴、張筱南、李軍華
- 地址：河南省鄭州市高新技術產業開發區蓮花街5號
- 分類號：G01S19/27(2010.01)I
- 代理機構：鄭州中原專利事務所有限公司
- 代理人：霍彥偉、李想
- 類別：發明專利
專利背景,發明內容,專利目的,技術方案,改善效果,附圖說明,權利要求,實施方式,榮譽表彰,
專利背景
2012年9月前中國國內有許多基於“北斗一號”衛星導航系統的授時型接收機，這些接收機通常為多通道接收機，但在進行授時處理時，通常採用多通道接收衛星信號，以某單通衛星信號進行授時，或進行多通道信息擬合處理進行授時，但擬合方法比較簡單，在接收到的衛星信號發生劣變或接收的衛星信號發生切換時，引起接收機授時性能劣變。隨著“北斗一號”及“北斗二號”衛星導航系統的不斷完善，發射的衛星數會更多，接收機的接收通道會更多，通道擬合問題顯得更為重要。
北斗衛星導航系統的空間段由多顆衛星組成，北斗衛星接收機通常設計為多通道接收能力，每個通道均可接收不同衛星的信號，根據衛星信號對本地時標信號進行控制調整，從而獲取與北斗時統同步的本地授時信號，由於接收機是多通道接收多顆衛星信號，因此對各通道衛星信號處理及對各個通道信號擬合處理，是影響授時性能的關鍵因素。
發明內容
專利目的
《基於北斗衛星的多通道授時擬合方法》要解決的技術問題是在保證授時接收機性能的穩定性、可靠性及授時精度的前提下，提供一種多通道衛星信號的擬合方法。
技術方案
《基於北斗衛星的多通道授時擬合方法》它包括以下步驟：
①衛星電文完好性監測單元根據單通道電文信息重播特性及多通道之間的時間信息比對結果，進行衛星電文完好性判斷，剔除異常的電文信息；
②在衛星時標容錯處理單元中對衛星時標信號進行容錯處理；在衛星時延擬合校正單元中對衛星時延信息進行校正處理；
③處理後的衛星時標信號和衛星時延信息被送入本地鐘差融合單元，所述的本地鐘差融合單元對所有通道的本地鐘差進行融合處理，使本地時標和衛星系統時標同步，從而獲取衛星授時信號。
在步驟①中，在收齊一個完整時間間隔內的單通道電文信息後，對這些重複播發的單通道電文信息進行差異性比對，如果這些單通道電文信息有差異，則認為此間隔接收的電文信息有錯誤；如果單通道電文信息無差異，衛星電文完好性監測單元對各通道間的電文信息再次進行比對，如果各通道相應電文信息均相等，則認為接收機接收正常，相應的電文信息參與後續擬合處理；如果各通道相應電文信息不相等，則相應的電文信息不參與後續擬合處理。
在步驟②中，衛星時標容錯處理單元對衛星時標信號進行容錯處理包括如下步驟：i、衛星時標容錯處理單元首先對衛星時標和本地時標進行相位差值計算，得到偽距值；ii、用本次計算的偽距值減去上次計算的偽距值，如果所得結果大於設定門限則認為偽距異常，指示授時信號不可用。
衛星時標容錯處理單元對衛星時標信號進行容錯處理還包括步驟iii：將偽距異常前的偽距值定為基準偽距值；在發生偽距異常之後，用實時接收的偽距值減去基準偽距值，如果在設定時間內偽距差分值仍然大於設定門限，則認為偽距持續異常；反之，則認為偽距恢復正常，並用最新計算的偽距值替代基準偽距值。
在步驟②中，衛星時延擬合校正單元採用自適應門限的最小二乘擬合法對衛星時延信息進行校正處理，它包括如下步驟：
a、設定進行擬合處理的門限值；
b、如果擬合遞推值和衛星時延信息的誤差大於所設定的門限值，則此衛星時延觀測值不參與擬合處理；反之，進行擬合處理。
步驟a中的進行擬合處理的門限值是這樣獲得的：根據衛星信號接收良好情況下的衛星時延抖動特徵，選取門限的下限值；根據接收機授時性能指標確定門限的上限值；對擬合遞推時延值和衛星時延觀測值的誤差值進行統計，如果在設定的時間內，此誤差值連續大於之前的門限值，則增加門限值；如果此誤差值連續小於之前確定的門限值，則減小門限值。
本地鐘差融合單元對各通道本地鐘差動態分配加權係數，並對加權平均後的本地鐘差進行慣性濾波，使離差大的本地鐘差通道在融合時分配的加權係數較小，使離差小的本地鐘差通道分配的加權係數較大，從而使加權平均後的本地鐘差數據更加接近通道互差較小的那些通道。所述衛星時延擬合校正單元、衛星時標容錯處理單元和本地鐘差融合處理單元不僅適合北斗一代也適合北斗二代授時處理。
改善效果
採用上述技術方案的《基於北斗衛星的多通道授時擬合方法》，對衛星電文、衛星時標數據、衛星時延校正信息及本地鐘差進行完好性及獨創的融合處理方法進行處理，有效提高了多通道授時接收機授時性能的穩定性及準確性，提高了接收機的授時性能。具體地說，它包括如下優點：
（1）採用冗餘比對的方法對衛星電文進行完好行監測，檢測異常電文數據，提高授時信號的準確性；
（2）採用基於基準偽距的差分判別方法對衛星時標數據進行檢錯處理，提高授時信號的準確性；
（3）採用自適應判別門限的最小二乘法對衛星時延信息進行擬合校正處理，提高了接收機授時性能；
（4）採用基於動態分配加權係數的加權平均及同時採用慣性濾波的本地鐘差融合方法，提高了授時性能。
此發明提到的星時延擬合校正、衛星時標容錯處理、本地鐘差融合處理單元不僅適用於“北斗一號”衛星導航系統的授時處理，也適用於“北斗二號”衛星導航系統的授時處理。
附圖說明
圖1為《基於北斗衛星的多通道授時擬合方法》的原理框圖。
圖2為該發明的流程圖。
權利要求
1.《基於北斗衛星的多通道授時擬合方法》其特徵在於，它包括以下步驟：
①衛星電文完好性監測單元根據單通道電文信息重播特性及多通道之間的時間信息比對結果，進行衛星電文完好性判斷，剔除異常的電文信息；
②在衛星時標容錯處理單元中對衛星時標信號進行容錯處理；在衛星時延擬合校正單元中對衛星時延信息進行校正處理；
③處理後的衛星時標信號和衛星時延信息被送入本地鐘差融合單元，所述的本地鐘差融合單元對所有通道的本地鐘差進行融合處理，使本地時標和衛星系統時標同步，從而獲取衛星授時信號。
2.根據權利要求1所述的基於北斗衛星的多通道授時擬合方法，其特徵在於，在步驟①中，在收齊一個完整時間間隔內的單通道電文信息後，對這些重複播發的單通道電文信息進行差異性比對，如果這些單通道電文信息有差異，則認為此間隔接收的電文信息有錯誤；如果單通道電文信息無差異，衛星電文完好性監測單元對各通道間的電文信息再次進行比對，如果各通道相應電文信息均相等，則認為接收機接收正常，相應的電文信息參與後續擬合處理；如果各通道相應電文信息不相等，則相應的電文信息不參與後續擬合處理。
3.根據權利要求1所述的基於北斗衛星的多通道授時擬合方法，其特徵在於，在步驟②中，衛星時標容錯處理單元對衛星時標信號進行容錯處理包括如下步驟：
i、衛星時標容錯處理單元首先對衛星時標和本地時標進行相位差值計算，得到偽距值；
ii、用本次計算的偽距值減去上次計算的偽距值，如果所得結果大於設定門限則認為偽距異常，指示授時信號不可用。
4.根據權利要求3所述的基於北斗衛星的多通道授時擬合方法，其特徵在於，衛星時標容錯處理單元對衛星時標信號進行容錯處理還包括步驟iii：將偽距異常前的偽距值定為基準偽距值；在發生偽距異常之後，用實時接收的偽距值減去基準偽距值，如果在設定時間內偽距差分值仍然大於設定門限，則認為偽距持續異常；反之，則認為偽距恢復正常，並用最新計算的偽距值替代基準偽距值。
5.根據權利要求1所述的基於北斗衛星的多通道授時擬合方法，其特徵在於：在步驟②中，衛星時延擬合校正單元採用自適應門限的最小二乘擬合法對衛星時延信息進行校正處理，它包括如下步驟：
a、設定進行擬合處理的門限值；
b、如果擬合遞推值和衛星時延信息的誤差大於所設定的門限值，則此衛星時延觀測值不參與擬合處理；反之，進行擬合處理。
6.根據權利要求5所述的基於北斗衛星的多通道授時擬合方法，其特徵在於：步驟a中的進行擬合處理的門限值是這樣獲得的：根據衛星信號接收良好情況下的衛星時延抖動特徵，選取門限的下限值；根據接收機授時性能指標確定門限的上限值；對擬合遞推時延值和衛星時延觀測值的誤差值進行統計，如果在設定的時間內，此誤差值連續大於之前的門限值，則增加門限值；如果此誤差值連續小於之前確定的門限值，則減小門限值。
7.根據權利要求1所述的基於北斗衛星的多通道授時擬合方法，其特徵在於：本地鐘差融合單元對各通道本地鐘差動態分配加權係數，並對加權平均後的本地鐘差進行慣性濾波，使離差大的本地鐘差通道在融合時分配的加權係數較小，使離差小的本地鐘差通道分配的加權係數較大，從而使加權平均後的本地鐘差數據更加接近通道互差較小的那些通道。
8.根據權利要求1～7任一所述的基於北斗衛星的多通道授時擬合方法，其特徵在於：所述衛星時延擬合校正單元、衛星時標容錯處理單元和本地鐘差融合處理單元不僅適合北斗一代也適合北斗二代授時處理。
實施方式
《基於北斗衛星的多通道授時擬合方法》提出一種基於包含衛星電文完好性監測單元、衛星時延擬合校正單元、衛星時標容錯處理單元、衛星本地鐘差融合單元的多通道授時擬合方法，本方法可有效提高衛星接收機授時設備的性能，北斗衛星多通道授時擬合方法的總體框圖如附圖1所示。
1）衛星電文完好性監測單元
衛星電文完好性監測單元根據單通道電文信息重播特性及多通道之間的時間信息比對，進行衛星電文完好性判斷，剔除異常的電文信息。衛星信號經過接收機跟蹤、解調、解碼等操作，可獲取衛星信號中的電文信息，電文中包含了衛星坐標、衛星速度、電離層參數信息的廣播信息，這些信息每間隔一段時間進行變化，但在間隔時間段內信息進行重複播發，授時型接收機通常在基帶處理模組指示本偽隨機碼與衛星偽隨機碼同步狀態同步後，就利用解調到得電文信息進行授時處理。本單元採用了一種比對方法，在基帶處理模組指示同步狀態後，在收齊一個完整時間間隔內的信息後，對這些重複播發的衛星電文信息進行差異性比對，如果這些重播信息有差異，則認為此間隔接收的電文信息有錯誤，避免運用這個間隔的電文信息進行授時，造成授時錯誤。
根據上述方法對單通道電文處理後，本單元各通道間的電文信息再次進行比對，按照衛星電文信號格式的定義，各通道接收的某些電文信息是相同的，本單元對通道間的電文協定定義相同電文信息進行比對，如果相應電文信息均相等，則認為接收機接收正常，相應的電文信息可參與後續處理，反之則認為電文無效，不參與後續的擬合處理。
綜上所述，經過對單通道電文信息及多通道間的電文信息比對後，剔除了錯誤的接收信息，提高授時設備授時的準確性和穩定性。
2）衛星時標容錯處理單元
衛星時標信號在接收機處理中以偽距的方式體現，由於各種原因可能導致接收機偽距測量異常，如果用這些異常的偽距數據進行授時處理，則會造成授時性能異常，衛星時標容錯處理單元能夠實時對這些異常情況進行容錯處理。
衛星信號經接收機捕獲、跟蹤、同步處理後，獲取了衛星時標和本地時標的相位差值，此差值通常稱為偽距，偽距與接收機的本地時鐘及接收機恢復的衛星時標信號相關，在正常情況下偽距的差分值保持在一定門限內，如果接收機恢復的時標信號異常，則會造成偽距的異常，本單元採用一種改進的偽距差分判別方法，不但可以檢測單點的偽距異常，也可檢測持續一定時長的偽距異常情況，從而避免造成接收機授時異常。
i、接收機首先對偽距進行差分計算；ii、然後用本次計算的偽距值減去上次計算的偽距值，如果差分值大於設定門限則認為偽距異常，指示授時信號不可用。另外，為了檢測偽距持續異常情況，即異常期間偽距差分值在設定門限內的情況，在偽距差分計算中，還包括iii：如果檢測到差分值超門限，則保持異常前的那個偽距值不變，此偽距值稱為基準偽距值，在異常期間，用實時接收偽距值減去基準偽距值，如果在設定時間段內偽距差分值均大於設定門限，則認為偽距異常；反之，則認為偽距恢復正常，並用最新計算的偽距值替代基準偽距值。
通過如上實時計算偽距差分值並進行檢測，能夠及時檢測偽距性能的劣變，提高參與授時處理的偽距準確性，避免因偽距異常造成授時性能的劣變。
3）衛星時延擬合校正單元
衛星時延擬合單元對單通道的衛星時延進行處理，衛星時延信息通過衛星星曆中的衛星坐標、上行時延、電離層參數及衛星接收機本地坐標計算得到，它反映了衛星時標信號在空間傳輸時延值，由於衛星星曆的更新時間間隔比較長，需要對衛星時延值進行擬合處理，運用擬合曲線方程進行時延內插處理，本單元採用採用一種自適應門限的最小二乘法擬合法進行衛星時延的擬合處理。
在進行衛星時延最小二乘的擬合過程中，由於衛星軌控等因素，造成衛星時延觀測值曲線離差變大，甚至會出現奇異點，如果所有的這些值參與擬合曲線的計算，會造成擬合曲線的偏移，造成授時性能劣變，但剔除過多的衛星時延觀測值，擬合曲線同樣會偏離實際的衛星時延曲線，造成授時性能劣變，因此並非所有衛星時延觀測值都參與多項式係數的計算，因此需要設定門限值，如果擬合遞推值和觀測值的誤差大於所設定的門限值，則此衛星時延觀測值不參與擬合處理，反之，進行擬合處理，本單元採用了一種自適應方式確定的門限大小，合理選擇參與擬合的衛星時延值，提高衛星時延的可用度和準確性，自適應門限的確定方法為：根據衛星信號接收良好情況下的衛星時延抖動特徵，選取門限的下限值，根據接收機授時性能指標確定門限的上限值，對擬合遞推時延值和時延值觀測值的誤差值進行統計，如果在設定的時間內，此誤差值連續大於之前的門限值，則增加門限值，如果此誤差值連續小於之前確定的門限值，則減小門限值，則此門限值能夠根據設定時間內的誤差值自適應調整，既剔除了短期衛星時延觀測值的劣變值、奇異值，又可使擬合曲線和觀測曲線的誤差最小，提高接收機授時性能。
4）本地鐘差融合單元
本地鐘差融合單元對衛星接收機所有通道的本地鐘差進行融合處理，各通道本地鐘差等於其通道偽距、衛星時延及衛星分幀號修正值的差值，此差值反映了本地時標和北斗系統時的時間差，根據本地鐘差值採用設定的控制算法可使本地時和系統時同步，從而獲取衛星授時信號。
當接收機接收正常工作時，各通道計算的本地鐘差的離散程度較小，如果因各種原因造成本地鐘差偏差，如用來計算星地距離的本地坐標偏差較大或基帶跟蹤電路異常等，均會造成各通道本地鐘差數據的異常，各個通道本地鐘差間的偏差就發生變化，如果直接對各通道本地鐘差進行算術平均的融合，則本地鐘差異常的那個通道對融合後的本地鐘差影響較大，則會造成授時信號有較大的抖動，本單元採用一種對各通道本地鐘差動態分配加權係數，並對加權平均後的本地鐘差進行慣性濾波的融合方法，使離差大的本地鐘差通道在融合時分配的加權係數較小，使離差小的本地鐘差通道分配的加權係數較大，使加權平均後的本地鐘差數據更加接近通道互差較小的那些通道，使融合後的數據更加平穩，計算完加權係數並進行加權平均後，得到一個融合的本地鐘差，為了進一步降低融合後的本地鐘差的抖動特性，對融合後的本地鐘差採用慣性濾波的方法進行處理，使本地鐘差更加平滑，提高提高授時性能，具體實現的方法為：
其中：N：衛星接收機的通道數；xi：第i通道的本地鐘差；E：所有通道本地鐘差的算術平均；pi：第i通道的加權係數；Tn：第n次融合後的本地鐘差；Tn-1：第n-1次融合的本地鐘差；α、β：慣性濾波係數。
通過如上方法對各通道本地鐘差的融合，使不同接收性能的通道通過不同的加權係數參與通道的融合，使接收性能良好通道對融合的結果影響大，使接受性能異常通道對融合結果的影響小，同時又採用慣性濾波的方法，減小了融合後的本地鐘差的變化，提高了接收機授時的精度和可靠性。
榮譽表彰
2017年12月11日，《基於北斗衛星的多通道授時擬合方法》獲得第十九屆中國專利優秀獎。
