CN102809751A

CN102809751A - Caps/北斗双模接收机

Info

Publication number: CN102809751A
Application number: CN2012102873056A
Authority: CN
Inventors: 邢燕; 赵爱萍; 胡永辉
Original assignee: National Time Service Center of CAS
Current assignee: National Time Service Center of CAS
Priority date: 2012-08-14
Filing date: 2012-08-14
Publication date: 2012-12-05

Abstract

本发明提供了一种CAPS/北斗双模接收机，北斗卫星信号和CAPS卫星信号由CAPS/北斗双模天线同时接收后，经功分器分别送往CAPS滤波放大单元和北斗滤波放大单元，随后CAPS卫星信号送往CAPS射频前端处理成中频数字信号，送往微处理器单元；北斗卫星信号送往北斗射频前端处理成中频数字信号，送往北斗信息处理单元进行捕获、跟踪、解调和解码，解码后的信息送往微处理器单元；所述微处理器单元根据CAPS卫星信号输出位置解算结果和CAPS时间脉冲。本发明采用冗余备份，实现双模授时定位，组合导航可以大大提高系统的可用性和完好性，甚至可以提高定位精度。

Description

CAPS/北斗双模接收机

技术领域

本发明涉及卫星导航技术领域，是针对中国区域导航定位系统CAPS和北斗卫星导航系统两个独立的卫星导航系统的一种CAPS/北斗双模接收机。

背景技术

北斗导航定位系统是中国自行研制开发的区域性有源三维卫星定位与通信系统（GNSS），是除美国GPS、俄罗斯GLONASS之后的第三个成熟的卫星导航系统。该系统由三颗（两颗工作卫星、一颗备用卫星）北斗定位卫星（北斗一号）、地面控制中心为主的地面部分、北斗用户终端三部分组成。北斗一号卫星导航系统采用同步轨道卫星进行导航定位，同时还具有很强的授时能力，授时服务范围包括我国国土和东南亚地区，可向用户提供全天候、二十四小时的即时定位服务。依靠观测北斗一代系统的三颗卫星，再通过外部输入高程数据，可实现无源定位的功能；在只观测一颗卫星的情况即可实现无源授时的功能。但是单一使用时，存在陆地和航空客户单北斗定位可用性、可靠性差、精度差等缺点。

中国区域导航定位系统（CAPS）是我国具有自主知识产权的新的卫星导航体制和系统，它不受外国政府控制，而且提供精码高精度服务。它采用在轨的赤道同步（GEO）通信卫星作为导航星，并对导航星实行精确测定轨，构成了导航的空间位置基准；在导航地面站放置高精度的原子钟，产生测距码、导航电文和时间信息并发射上行，经同步通信卫星转发器转发后广播下行。

由于CAPS与GPS在导航电文的速率、扩频码的序列上相同，导航电文的帧结构也与GPS相似，因此现有CAPS单模或双模接收机是采用GPS接收机芯片来实现CAPS接收机。这种技术使得CAPS系统在调制方式、扩频码选择等方面必须与GPS相同，这就限制了CAPS系统的发展，更重要的是这样做不能解决精码的定位问题，同时使得我们的CAPS系统在芯片的供应上受到外国的制约；软件接收机在计算平台上的开销和功率消耗都比较大，而且精码接收机的信号采样频率至少要40MHz，是粗码的10倍，常规数据处理平台难以胜任。此外软件接收机虽然便于软件算法开发，但是目前还不能进行实时处理。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种CAPS/北斗双模接收机，可在北斗授时不可用的情况下采用CAPS系统作为备份。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：包括天线模块、射频通道模块、北斗信息处理单元和微处理器单元。

所述天线模块包括CAPS/北斗双模天线、功分器、CAPS滤波放大单元和北斗滤波放大单元，所述射频通道模块包括CAPS射频前端和北斗射频前端，北斗卫星信号和CAPS卫星信号由CAPS/北斗双模天线同时接收后，经功分器分别送往CAPS滤波放大单元和北斗滤波放大单元，随后CAPS卫星信号送往CAPS射频前端，北斗卫星信号送往北斗射频前端，CAPS卫星信号由CAPS射频前端处理成中频数字信号，送往微处理器单元；北斗卫星信号经北斗射频前端处理成中频数字信号，送往北斗信息处理单元；所述北斗信息处理单元对中频信号进行捕获、跟踪、解调和解码，解码后的信息送往微处理器单元；所述微处理器单元根据CAPS卫星信号输出位置解算结果和CAPS时间脉冲。

所述的CAPS/北斗双模天线为全向天线，设计为圆极化，采用单点背馈方式，CAPS微带贴片天线和北斗微带贴片天线分别通过一个穿过介质板的金属探针与介质背板上的频点在4GHz的窄带低噪放和频点在2GHz的窄带低噪放。两个低噪放共用一个输出馈电点，馈电电压为5+V。

所述的北斗信息处理单元为无源定位模块，采用单向授时。

本发明的有益效果是：

本发明采用了CAPS/北斗一体化双模接收天线，简化了接收机的整体结构；提供了一种具有CAPS系统和北斗系统信号互为备份功能，能够使在其中一种授时系统出现故障时自动切换到另一种授时系统的CAPS/北斗双模接收机。

本发明采用电路形式的接收机用专用硬件模块完成算法固定、计算量大的数据处理任务，而由软件完成灵活性要求高的处理任务。设计中用到的微处理器（专用硬件模块）是我国拥有完全自主知识产权的CAPS基带芯片，可以彻底摆脱国家导航基础设施对美国GPS系统的依赖，并能够不断改进和提升系统性能，这对社会经济发展和国防武器系统的建设都有重要的意义。

本发明采用北斗一号卫星接收机和CAPS卫星接收机冗余备份，实现双模授时定位。组合导航可以大大提高系统的可用性和完好性，甚至可以提高定位精度。

附图说明

图1是本发明一个实施例的结构示图。

具体实施方式

本发明的技术解决方案是：

一种CAPS/北斗双模接收机包括：天线模块，射频通道模块，北斗信息处理单元，微处理器单元。

所述天线模块包括CAPS/北斗双模天线（这样的天线是否公知的现有技术？若不是，则还需要对其结构进行描述。），功分器，CAPS滤波、放大单元，北斗滤波、放大单元。由于CAPS接收机必须同时接收不同方向上的多颗卫星的信号，应为全向天线，设计为圆极化。CAPS/北斗双模天线采用单点背馈方式，CAPS微带贴片天线和北斗微带贴片天线分别通过一个穿过介质板的金属探针与介质背板上的频点在4GHz的窄带低噪放和频点在2GHz的窄带低噪放。两个低噪放共用一个输出馈电点，馈电电压为5+V。天线模块能够同时接收北斗卫星信号和CAPS卫星信号，天线接收的信号经功分器分别送往CAPS滤波、放大单元和北斗滤波、放大单元。CAPS卫星下行信号经滤波、放大单元送往CAPS射频通道；北斗卫星下行信号，经滤波、放大后，送往北斗射频通道。

所述射频通道模块包括CAPS射频前端和北斗射频前端。CAPS信号由CAPS射频前端处理成中频数字信号，送往微处理器单元；北斗信号经北斗射频前端处理成中频数字信号，送往北斗信息处理单元。

所述北斗信息处理单元，是对中频信号进行捕获、跟踪、解调，解码，解码后的信息送往微处理器单元。本发明中的北斗信息处理单元为无源定位模块，采用单向授时，通过接收卫星的下行波束信号来实现授时、定位。

所述微处理器的基本任务是完成对CAPS信号的接收，输出位置结算结果和CAPST时间脉冲。整个微处理器芯片是一个芯片上系统结构，根据CAPS信号的特点和应用需求，微处理器的具体结构要求为：

4个数字中频输入口：数字中频输入口的位数有4位，输入口内部读取信号样点数据时可由软件配置为采样时钟的上升沿或下降沿读取。数字中频输入口可以分别连接不同的射频前端，实现多个系统组合导航，当用作一个CAPS接收机时，可实现双频接收。

24个相关器通道：相关器通道设计是基带基带处理器设计的关键，它的功能一是产生本地载波和本地扩频码对中频信号进行解调和接扩，从而可以根据积分结果解调出导航电文；二是根据时标产生器的TIC信号锁存本地码钟和本地载波产生器的状态，从而进行伪距测量。每个相关器通道能够产生与本地码同相位的BOC副载波，副载波的频率与扩频码码片速率的比可以配置。同时，每个相关器通道能够独立工作，通道之间还支持粗码对精码的引导。

每通道5个相关臂：相关臂实现接扩操作，用按样点累加的方式实现积分。为了保证强信号长时间积分不溢出，累加器字长选20位。5臂的结构，使得在接收BPSK信号时可以支持多种多径抑制算法，接收BOC信号时可以防止接收机错误的锁定在副峰上。

1024节匹配滤波器：匹配滤波器实现解调后的中频信号与本地扩频码的卷积运算，匹配滤波器的长度覆盖粗码的整个周期，可以满足高动态应用对信号捕获时间的要求。

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

CAPS/北斗双模接收机包括CAPS/北斗双模天线1，功分器2，CAPS信号滤波、放大单元3，CAPS射频前端4，北斗信号滤波、放大单元5，北斗射频前端6，北斗信息处理模块7，微处理器单元8。

CAPS/北斗双模天线1为有源微带天线，可同时接收CAPS卫星信号和北斗卫星下行信号。

功分器2用于放大通过CAPS/北斗双模天线1接收到的CAPS和北斗信号，并将信号分别送往CAPS信号滤波、放大单元3和北斗信号滤波、放大单元5。此功分器不但实现了CAPS信号和北斗信号的分离，而且还保证了CAPS信号和北斗信号的隔离度。

CAPS滤波、放大单元3包含滤波器、低噪声放大器、C/L变频器。接收到的CAPS卫星信号先进行滤波、放大以削弱CAPS信号的带外干扰，放大带内信号。然后C/L变频器将信号从C波段下变频为1575.42MHz的L波段信号，并将L波段信号送往CAPS射频前端4。

CAPS射频前端4包括下变频器和AD转换模块。下变频器将已经变频至L波段的CAPS信号与本地振荡信号混频后得到中频信号，并放大输出至AD转换模块；AD转换模块对中频信号进行采样，通过采样将模拟信号转换为数字信号，数字中频信号被送往微处理器单元8。

北斗滤波、放大单元5包含滤波器和北斗低噪声放大器。接收的北斗卫星的下行信号被滤波、放大以削弱北斗信号的带外干扰，然后将放大后的2491.75MHz北斗下行射频信号送至北斗射频前端6。

北斗射频前端6包括下变频器和AD转换模块。输入的2491.75MHz的北斗下行射频导航信号下变频为12.24MHz的模拟中频信号。该模拟中频信号经滤波、放大后，送往AD转换模块进行采样，采样产生的数字中频信号被送往北斗信息处理模块7。北斗射频前端中增加了自动增益控制电路，能够扩大射频接收机电路的动态范围，使信号在较宽的功率电平范围内都工作在线性区域。

北斗信息处理模块7包括北斗基带处理单元和北斗信息处理单元。北斗基带处理单元将所述中频信号进行解扩、解调、解码后，将数据送往北斗信息处理单元。北斗信息处理单元根据北斗基带处理单元信号的功率判断信号的强弱，对各个信号接收通道电文信息中的时标及状态信息进行比对、容错，获取准确的时标及状态信息；同时根据电文信息获取时延信息，并对时延信息进行滤波、选择、处理，获取校正后的时标、时延信息，然后将校正后的时标、时延信息送往微处理器单元8。

微处理器单元8包括基带处理器和导航处理器，主要完成两个功能：第一，实现CAPS卫星导航信号的捕获、跟踪、解调，码伪距的测量，以及导航定位解算。CAPS信号的频谱是由测距码经过扩频调制得到的，因此信号十分微弱，淹没在噪声中，只有采用相关技术才能检测到。同时，由于卫星和用户运动引起的多普勒效应，导致卫星信号的载波频率、码相均产生了偏移。因此，必须同时在码相和载波频移二维空间中进行搜索以实现卫星信号的捕获。之后，在码跟踪环路和载波跟踪环路的作用下，完成信号的解扩和解调，并实现码伪距、载波相位以及多普勒频移的测量。导航处理器对所得到的伪距信息、电文信息和时间信息进行导航解算，进而得到用户的位置信息和标准时间信息；第二，微处理器单元根据从北斗信息处理模块收到的北斗完好性信息和解算的CAPS导航信息，判断输出精度更高的定位和授时信息，实现CAPS/北斗双模接收机在两个系统间择优自动切换。此外，导航信息的显示，以及与其他外围设备的交互操作等功能也在微处理器中完成。

微处理器单元8是接收机的核心器件，本发明中的微处理器单元采用中科院自动化研究所为CAPS系统研制的专用基带处器芯片NUMEN-2。它包括一个以DSP为核心的计算平台，对信号进行解调、解扩和伪距观测的相关器通道，支持弱信号捕获的匹配滤波器，以及输入输出辅助电路。相关器通道、匹配滤波器和输入输出辅助电路构成相关协处理器硬件，基带处理任务是由相关协处理器硬件和DSP上的软件相互配合共同完成的。

根据本发明第一实施例，微处理器8主要完成对CAPS信号的解调、解扩和伪距观测，并支持弱信号捕捉，以及输入输出操作。其过程主要如下：

微处理器中频接口的位数有4位，AD转换模块输出的幅度位和符号位连接到中频接口的高两位，舍弃低2位带来的误差通过调整AD模块输入端的直流偏置来补偿。

微处理器内部设计有24相关器通道，每个通道工作时可选择4个中频信号中的任意1个进行处理。相关器通道先对中频信号进行预处理，将中频信号样点的编码格式转换为适合乘法的原码格式，同时整理信号的时序，使其满足芯片内部工作要求。

导航信号的快速搜索是在匹配滤波器的辅助下完成的，在使用匹配滤波器前要设置匹配滤波器与某一相关器通道相连接，连接后相关器通道所产生的本地扩频码和本地载波送给匹配滤波器。匹配滤波器每次积分产生1024个结果，相当对于1024个码相位同时进行检验。如果信号落在匹配滤波器的某一节上，则此积分结果的幅度占优势。软件通过双门限算法判断信号是否存在和在那一节，双门限算法法搜索信号的积分时间为5ms。虽然匹配滤波器可以覆盖粗码的全部周期，但是当信号恰好落在匹配滤波器两节之间时，匹配滤波器的灵敏度会大大降低。为了保证灵敏度，当第一次搜索未找到信号时，将本地码向后滑动半个码片，再进行第二次搜索。匹配滤波器有横向和纵向两种实现形式，本设计中采用横向实现形式。横向实现形式是让本地测距码在延迟线上流动。由于本地测距码是2值的，因此存储量需求大大降低。

上述捕获过程完成后，相关器通道对信号进行码跟踪环和载波跟踪环处理。码跟踪环控制本地码的产生，使之与信号对齐，伪距的观测主要记录码环的状态。码环算法直接影响伪距测量精度，码环的开环增益与信号幅度的平方成正比，当信号强度起伏较大时开环增益也发生较大变化，设计中采用二阶锁相环对扩频码相位进行跟踪。载波跟踪环控制本地载波的产生，使之与信号对齐，载波跟踪环的输出为导航电文。载波环路算法对接收机跟踪灵敏度的影响最大，实验表明，几乎所有的失锁都是由载波环首先失锁引起的。锁相环进行载波相位跟踪存在鉴相器的设计和闭环增益控制两个问题，并且存在锁相环不稳定的现象。为了解决这个问题，设计中采用二阶锁相环跟踪，为了解调导航电文，在锁相环后又级联了一个一阶锁相环。

进入跟踪状态后，在跟踪状态的闭环控制下，本地信号迅速与所收到的信号同步。由于粗码周期为1ms。而导航电文1位是20ms，因此每20个扩频码周期起点中有一个是导航电文的位起点。寻找位起点的过程叫位同步，位同步状态实现信号从搜索状态到跟踪状态的过渡，同时完成位同步检测和载波频差消除。位同步检测是通过相邻两个1ms积分结果的辐角变化来估计载波频差，在导航电文1位的内部，任意两次积分结果的角度变化量是相等的。如果导航电文发生变化，在位边界两侧的积分结果将的角度差会增加π。考虑到低信噪比和电文翻转概率等因素，一次位同步检测需要对连续201ms的信号进行分析。当电文中连0或连1的情况比较多时，接收机会在位同步状态下停留十几秒的时间。因此设计时在软件中设置多个用于存放位同步统计量的数组，可以让接收机同时对多个卫星信号进行位同步。设计中精码信号依靠粗码信号引导启动，而且精码周期大于导航电文的位宽，因此不需要位同步。

位同步完成后，就可得到导航电文的比特流。接下来要在比特流中寻找导航电文子帧的起点，即搜索子帧同步头，当确认子帧同步后，就可以按照导航电文的规约提取星历等信息，从而可计算卫星的位置。另一方面，接收机一边跟踪信号，一边观测伪据。有了4组伪距和卫星位置就可列出伪距观测方程组，解算出接收机位置和时间。

最后，时标产生器根据时间解算的结果输出与CAPS一致的秒脉冲信号，实现授时功能。时标产生器以采样时钟为基准时钟，以采样时钟周期为相位调整步长，产生周期性的中断信号和秒脉冲输出。

在完成CAPS信号基带处理功能的同时微处理器还要完成以下两个功能：

1）卫星信息有效性判定

对解算出的CAPS电文信息和接收到的北斗电文信息的有效性进行判定——从导航电文信息中提取定位信息和定时信息状态标志位，当北斗信息有效时，优先输出北斗的位置和标准时间信息；当CAPS信息有效时，输出CAPS的位置和标准时间信息；

2）用户交互操作

用户交互任务是通过RS232串口完成导航结果的输出，并响应用户输入的对接收机的一些设置信息。

Claims

1.一种CAPS/北斗双模接收机，包括天线模块、射频通道模块、北斗信息处理单元和微处理器单元，其特征在于：所述天线模块包括CAPS/北斗双模天线、功分器、CAPS滤波放大单元和北斗滤波放大单元，所述射频通道模块包括CAPS射频前端和北斗射频前端，北斗卫星信号和CAPS卫星信号由CAPS/北斗双模天线同时接收后，经功分器分别送往CAPS滤波放大单元和北斗滤波放大单元，随后CAPS卫星信号送往CAPS射频前端，北斗卫星信号送往北斗射频前端，CAPS卫星信号由CAPS射频前端处理成中频数字信号，送往微处理器单元；北斗卫星信号经北斗射频前端处理成中频数字信号，送往北斗信息处理单元；所述北斗信息处理单元对中频信号进行捕获、跟踪、解调和解码，解码后的信息送往微处理器单元；所述微处理器单元根据CAPS卫星信号输出位置解算结果和CAPS时间脉冲。

2.根据利用权利要求1所述的CAPS/北斗双模接收机，其特征在于：所述的CAPS/北斗双模天线为全向天线，设计为圆极化，采用单点背馈方式，CAPS微带贴片天线和北斗微带贴片天线分别通过一个穿过介质板的金属探针与介质背板上的频点在4GHz的窄带低噪放和频点在2GHz的窄带低噪放，两个低噪放共用一个输出馈电点，馈电电压为5+V。

3.根据利用权利要求1所述的CAPS/北斗双模接收机，其特征在于：所述的北斗信息处理单元为无源定位模块，采用单向授时。