CN103728634B - 双天线a-gnss接收机系统及方法 - Google Patents

双天线a-gnss接收机系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种双天线A-GNSS接收机系统，本发明利用双天线进行定位，其中，辅助天线置于开阔天空下定位，以提取各卫星信号数字通道中的码相位和载波多普勒值，并解算各卫星信号导航电文信息，进而利用这些辅助信息辅助目标天线接收信号的基带处理。在目标天线接收信号的基带处理过程中，根据辅助信息设置码相位值和载波多普勒值可省去接收机系统的捕获过程和频率牵引过程，通过码相位牵引后直接进入跟踪过程；跟踪时通过消除bit影响加长相干积分时间，采用纯锁相环鉴相器等方式提高跟踪精度和灵敏度，最终提高弱信号和复杂信号环境下的定位速度和定位性能。

Description

双天线A-GNSS接收机系统及方法
技术领域
本发明属于全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System,GNSS)领域，特别涉及一种双天线A-GNSS(Assisted GNSS，辅助GNSS)接收机系统及方法。
背景技术
全球导航卫星系统是一种星基无线电定位、导航系统，包括美国的全球定位系统(Global Positioning System，GPS)、中国北斗系统、欧洲伽利略、俄罗斯格洛纳斯系统等。GNSS信号从两万公里以外的卫星发射下来，到达地面接收机天线端时信号微弱，易受阻塞或干扰，因此，在室内以及建筑物和树叶遮挡等信号微弱或信号环境复杂地方，GNSS接收机实现定位较为困难，定位质量不高，然而，在这些环境下的测绘和导航应用需求强烈，故而弱信号和复杂信号环境下的定位成为本领域的研究热点。
GNSS接收机基带处理主要包括信号捕获、牵引、跟踪和解算几个部分。其中，捕获主要是搜索、确认视野内的可见卫星，并实现载波频率和码相位粗同步，典型的捕获方法是在三个维度上逐个尝试，直到积分相关值达到一定门限；牵引是为了进一步精确码相位和载波频率，使之满足跟踪锁相环所需精度，典型的频率牵引方式是利用锁频环(FLL)对载波进行牵引，而码相位的牵引则靠多个码片的相关器进行实现；跟踪是在牵引的基础上进一步提高码相位和载波频率的精度，并对载波相位的动态变化进行实时跟踪，提取伪距和载波相位，解调出导航电文，典型的载波跟踪方法通常利用锁相环(PLL)进行实现；解算是利用伪距和载波相位信息计算出接收机天线所在位置，典型的解算方法有最小二乘和卡尔曼滤波等。
在弱信号以及各种复杂信号环境下，为了提高接收机的捕获和跟踪灵敏度，往往需要增加相干积分时间，并减小跟踪环路带宽。然而，积分时间和环路带宽都受到信号动态的影响，不能任意增加和减小。目前，为了提高GNSS接收机在弱信号和复杂信号环境下的捕获和跟踪性能，除了接收机内部的各种处理技术外，往往采用A-GNSS技术。A-GNSS技术利用无线通信技术播发卫星星历为一定范围内的接收机提供导航电文，从而有效提高接收机的捕获速度和跟踪灵敏度。该技术覆盖范围较广，但提供的辅助信息均为信号处理位置解算后的数据信息，且由于基站与接收机不能采用相同的射频前端、共用时钟，因此，A-GNSS技术主要用于提高一定范围内接收机的捕获速度，无法消除接收机时钟的影响，对接收机的载波跟踪并不能起到良好的辅助作用，另一方面，现有A-GNSS接收机需要架设基站等基础设施，实施较为复杂。
发明内容
针对现有GNSS接收机系统在弱信号和复杂信号环境下定位性能较差、且现有A-GNSS技术难以提供较多辅助信息和不能有效提高接收机跟踪性能等不足，本发明提供了一种可有效提高接收机捕获速度、跟踪灵敏度和定位性能的双天线A-GNSS接收机系统及方法。
本发明的思路如下：
利用双天线进行定位，其中，辅助天线置于开阔天空下进行定位，以提取各卫星信号数字通道中的码相位和载波多普勒值，并解算各卫星信号导航电文信息，进而利用这些辅助信息辅助目标天线接收信号的基带处理。在目标天线接收信号的基带处理过程中，根据辅助信息设置码相位值和载波多普勒值可省去接收机系统的捕获过程和频率牵引过程，通过码相位牵引后直接进入跟踪过程；跟踪时通过消除bit影响加长相干积分时间，采用纯锁相环鉴相器等方式提高跟踪精度和灵敏度，最终提高弱信号和复杂信号环境下的定位速度和定位性能。
为解决上述技术问题，本发明采用如下的技术方案：
一、双天线A-GNSS接收机系统，包括目标天线、辅助天线和双天线A-GNSS接收机，其中：
双天线A-GNSS接收机包括依次相连的双通道射频前端、多通道数字相关器和处理器，双通道射频前端包括辅助天线射频前端通道和目标天线射频前端通道，；
目标天线、辅助天线分别通过馈线连接辅助天线射频前端通道和目标天线射频前端通道，辅助天线射频前端通道和目标天线射频前端通道的输出信号共同输入多通道数字相关器。
作为优选，上述双天线A-GNSS接收机采用同一时钟模块为双通道射频前端、多通道数字相关器和处理器提供时钟信号。
作为优选，辅助天线可采用低成本天线。
作为优选，辅助天线输出端连接有功分器。
作为优选，辅助天线和馈线间连接有低噪声放大器。
二、采用上述双天线A-GNSS接收机系统的码牵引方法，包括：
将辅助天线置于开阔地，利用辅助天线信号对视野范围内的卫星信号进行常规基带处理，定位辅助天线，并提取辅助信息，所述的辅助信息包括各卫星通道的卫星编号、码相位、载波多普勒值、星历及导航电文信息；
根据辅助信息对目标天线信号进行码牵引辅助，包括步骤：
(1)以辅助信息中的卫星编号设置目标天线对应的码环中本地码发生器的卫星编号；
(2)以辅助信息中的码相位设置目标天线对应的码环中本地码发生器的码相位；
(3)根据辅助天线和目标天线的距离，从目标天线码环中选择合适数量的码相关器对本地码发生器的码相位进行牵引；
(4)以辅助信息中的载波多普勒值设置目标天线对应的载波环中本地载波NCO的载波频率；
(5)利用辅助信息中的导航电文信息消除目标天线对应的通道中积分清零电路中的bit符号。
三、采用上述双天线A-GNSS接收机系统的辅助跟踪方法，包括：
将辅助天线置于开阔地，利用辅助天线信号对视野范围内的卫星信号进行常规基带处理，定位辅助天线，并提取辅助信息，所述的辅助信息包括各卫星通道的卫星编号、码相位、载波多普勒值、星历及导航电文信息；
根据辅助信息对目标天线信号进行辅助跟踪，包括步骤：
(1)将辅助信息中的载波多普勒值、目标天线载波跟踪辅助通道中与鉴相器相连的环路滤波器输出之和设置为对应的目标天线通道中本地载波NCO的载波频率；
(2)利用辅助信息中的导航电文信息消除对应的目标天线载波跟踪辅助通道中积分清零电路中的bit符号；
(3)在目标天线载波跟踪辅助通道中采用纯锁相环鉴相器进行鉴相。
上述辅助信息还包括载波多普勒变化率，以辅助信息的载波多普勒变化率设置目标天线对应的载波跟踪辅助通道中本地载波NCO的载波频率变化率。
四、采用上述双天线A-GNSS接收机系统的位置解算方法，包括：
将辅助天线置于开阔地，利用辅助天线信号对视野范围内的卫星信号进行常规基带处理，定位辅助天线，并提取辅助信息，所述的辅助信息包括各卫星通道的卫星编号、码相位、载波多普勒值、星历及导航电文信息；
根据辅助信息对目标天线进行辅位置解算，具体为：
从目标天线多通道数字相关器中提取伪距和相位观测值，直接利用辅助信息中的星历和导航电文信息解算目标天线位置。
五、采用上述双天线A-GNSS接收机系统的基带处理方法，包括：
将辅助天线置于开阔地，利用辅助天线信号对视野范围内的卫星信号进行常规基带处理，定位辅助天线，并提取辅助信息，所述的辅助信息包括各卫星通道的卫星编号、码相位、载波多普勒值、星历及导航电文信息；
双天线A-GNSS接收机根据辅助信息中的星历获得视野内可见卫星，以辅助信息中的载波多普勒值为精确的载波多普勒信息，以辅助信息中的码相位为粗略的码相位信息，对目标天线信号依次进行码相位牵引、跟踪、解调。
与现有技术相比，本发明的主要优点如下：
(1)有效提高树荫和建筑物等遮挡下GNSS接收机的捕获速度、跟踪灵敏度以及定位性能；
(2)能有效提供导航电文信息去除数据bit影响，从而提高相干积分时间，并可利用纯锁相环鉴相器，提高跟踪性能；
(3)利用同一处理器进行控制，有效避免各种硬件通道的不一致性，目标天线系统与辅助天线系统采用同一个晶振，因此对跟踪通道的多普勒辅助更加精准。
(4)利用两个GNSS天线直接连接GNSS接收机，无需架设基站和无线传输系统，辅助信息不需要额外的同步系统和信息编码，保密性和工程可实施性强。
附图说明
图1是本发明双天线A-GNSS接收机系统的结构示意图；
图2是双天线A-GNSS接收机的双通道射频前端的具体结构示意图；
图3是码环牵引辅助通道的结构图；
图4为载波跟踪辅助通道的结构图。
具体实施方式
下面将结合附图详细说明本发明的具体实施。下文中出现的NCO表示数字控制振荡器。
见图1，本发明双天线A-GNSS接收机系统包括两个GNSS天线和双天线A-GNSS接收机(105)，两个GNSS天线之一为辅助天线(101)，另一个为目标天线(102)，辅助天线(101)和目标天线(102)分别通过馈线(103、104)连接双天线A-GNSS接收机(105)。辅助天线和目标天线对接收的GNSS信号进行放大和滤波，并通过馈线为双天线A-GNSS接收机提供射频信号。辅助天线和目标天线可以相同或不同，由于辅助天线对定位性能要求较低，从成本角度考虑，辅助天线可以是低成本天线。
为减少馈线对射频信号的衰减，在辅助天线和馈线之间可连接低噪声放大器(LNA)放大射频信号。辅助天线还可以通过功分器分成多路信号，为附近多台双天线A-GNSS接收机提供辅助。可在辅助天线输出端功分器，将辅助天线输出信号功分为多路信号，从而可为多个双天线A-GNSS接收机提供辅助信息。
双天线A-GNSS接收机(105)包括依次相连的双通道射频前端(106)、多通道数字相关器(109)和处理器(111)，并采用同一时钟模块(112)为双通道射频前端(106)、多通道数字相关器(109)和处理器(111)提供时钟信号。双通道射频前端(106)包括辅助天线射频前端通道和目标天线射频前端通道，分别对应接收辅助天线(101)和目标天线(102)的输出信号。多通道数字相关器(109)在处理器(111)控制下对辅助天线和目标天线的输出信号进行基带处理。
双通道射频前端(106)分别对辅助天线和目标天线提供的射频信号按所需频点进行滤波、下混频和采样处理，并为多通道数字相关器(109)提供多路数字中频信号。多通道数字相关器(109)在处理器(111)控制下产生所需的本地载波和PRN码(伪随机噪声码)，对数字中频信号进行载波剥离、码剥离及积分清零，并为处理器(111)提供I/Q积分值和相位观测值。处理器(111)主要利用各通道数字相关器提供的I/Q积分值，对各数字通道的本地载波和本地码进行控制，并解调数据及定位解算。
见图2，双通道射频前端(106)由辅助天线射频前端通道和目标天线射频前端通道构成，辅助天线射频前端通道和目标天线射频前端通道均由依次相连的带通滤波器(201、211)、放大器(202、212)、带通滤波器(203、213)、混频器(205、215)、带通滤波器(206、216)、放大器(207、217)、A/D转换器(208、218)和自动增益控制器(209、219)构成，其中，自动增益控制器(209、219)的输出端还连接放大器(207、217)，本地振荡器(204)与混频器(205)、混频器(215)均相连，即辅助天线射频前端和目标天线射频前端共用本地振荡器(215)。辅助天线射频前端通道和目标天线射频前端通道分别对辅助天线和目标天线提供的射频信号(103、104)进行处理，并为多通道数字相关器(109)提供两路数字中频信号(107、108)。
本发明采用辅助天线获得辅助信息，并基于辅助信息对目标天线信号进行基带处理。现有的基带处理方法包括信号捕获、信号牵引、信号跟踪、定位解算步骤，但是采用本发明仅需要对目标天线信号进行码相位牵引、信号跟踪和定位解算。
使用本发明双天线A-GNSS接收机系统时，将辅助天线(101)置于开阔地，利用辅助天线(101)的信号(107)对视野范围内的卫星信号进行常规基带处理，定位辅助天线(101)，并提取辅助信息，所述的辅助信息包括各卫星通道的卫星编号、码相位、载波多普勒值、星历及导航电文信息，辅助信息存储于处理器(111)的寄存器。目标天线(102)置于待定位位置，采用本发明双天线A-GNSS接收机系统对目标天线信号进行基带处理。基带处理中，可直接使用辅助信息中的相关参数。
双天线A-GNSS接收机根据辅助信息获得视野内可见卫星及编号，以辅助信息中载波多普勒值为目标天线对应数字通道的精确载波多普勒信息，以辅助信息中码相位信息为目标天线对应数字通道的粗略码相位信息，因此目标天线信号的基带处理不需要信号捕获和载波频率牵引过程。
辅助天线的基带处理通道和目标天线的基带处理通道一一对应。在对目标天线信号进行基带处理时，目标天线各通道中参数需根据对应的辅助天线通道辅助信息进行设置。
本发明提供的针对目标天线信号的码牵引方法，直接采用辅助天线信号基带通道提取出的辅助信息对目标天线信号进行码相位牵引，具体为：
2.1牵引控制器以辅助信息中的卫星编号设置目标天线对应的通道中本地码发生器的卫星编号，省去卫星编号搜索时间，提高定位效率。
2.2牵引控制器以辅助信息中的码相位设置目标天线对应的通道中本地码发生器的码相位。
2.3根据辅助天线和目标天线的距离，牵引控制器在目标天线对应的通道中选择合适数量的码相关器对本地码发生器的码相位进行牵引，以进一步精确本地码发生器的码相位；一般来讲，辅助天线和目标天线的距离越远，应选择越多数量的相关器进行码相位牵引。本具体实施中，采用3～7个半码相关器。
2.4牵引控制器以辅助信息中的载波多普勒值设置目标天线对应的通道中本地载波NCO的载波频率，可省却频率维度的搜索，节省时间，从而提供定位效率。
2.5牵引控制器利用辅助信息中的导航电文信息消除目标天线对应的通道积分清零电路中的bit符号，使得长时间相干积分可以跨越bit进行，提高码牵引灵敏度和跟踪性能。bit符号的消除过程为：辅助信息中的导航电文是+1，bit符号不变；若辅助信息中的导航电文是-1，则翻转bit符号。
在码相位牵引过程中，牵引控制器可以采用双天线A-GNSS接收机中的处理器实现。进行码相位牵引后即可直接进入跟踪过程。
图3为目标天线码环牵引辅助通道的结构图。目标天线射频前端输出的数字中频信号(108)进入通道，首先，与本地载波NCO(301)产生的两路正交信号(302、303)通过乘法器(304、405)分别相乘进行载波剥离。然后，与本地码发生器(306)产生的信号通过乘法器(307、308)分别相乘进行码剥离。接着，通过积分清零电路(309、310)对两路信号分别进行相干积分。为了达到牵引和鉴相目的，本地码发生器(306)产生的信号经移位寄存器(311)以半码片为单位延迟后，产生多个本地码信号，并按照上述处理分别采用乘法器(312、313)进行码剥离和采用积分清零电路(314、315)进行相干积分，各路积分清零后的正交信号分别经取模(316、317)后，利用码鉴相器(318)进行鉴相并采用环路滤波器(319)对鉴相结果滤波。环路滤波器(319)的输出、码NCO偏移量(320)、本地载波NCO(301)提供的辅助载波频率(321)于加法器(322)相加，将加法器(322)输出设置为输出调整码NCO(305)频率，从而调整本地码发生器(306)产生本地码。实施中，处理器(111)从辅助天线基带处理通道提取的辅助信息存储在寄存器形式的辅助信息单元(323)中。
本发明提供的针对目标天线信号的辅助跟踪方法，具体为：
3.1跟踪控制器将辅助信息中的载波多普勒值、目标天线载波跟踪辅助通道中与鉴相器相连的环路滤波器输出之和设置为目标天线对应的载波跟踪辅助通道中本地载波NCO的载波频率，从而降低信号动态，有效减小跟踪环路带宽，提高接收机跟踪精度和灵敏度。
3.2跟踪控制器利用辅助信息中的导航电文信息消除目标天线对应的载波跟踪辅助通道中积分清零电路中的bit符号，从而消除bit翻转影响，加长相干积分时间。本步骤的具体实施方式可参见步骤2.5。
3.3采用纯锁相环鉴相器进行鉴相，由于步骤3.2消除了积分清零电路中的bit符号，从而可利用纯锁相环鉴相器进行鉴相，以提高跟踪精度和跟踪灵敏度。
在辅助跟踪过程中，跟踪控制器可以采用双天线A-GNSS接收机中的处理器实现。
图4为目标天线各载波跟踪辅助通道的结构图。目标天线通道射频前端通道输出的数字中频信号(108)进入载波跟踪辅助通道，首先，与本地载波NCO(301)产生的两路正交信号(302、303)通过乘法器(304、305)分别相乘进行剥离载波。然后，与本地码发生器(306)产生的两路即时码通过乘法器(401、402)分别相乘进行码剥离。接着，通过积分清零电路(403、404)对两路信号分别进行相干积分。鉴相器(405)通过对两路正交信号的积分值进行鉴相，结果经环路滤波器(406)。环路滤波器(406)输出和辅助信息中的载波多普勒值于加法器(407)相加，将加法器(407)输出设置为本地载波NCO(301)的载波频率。实施中，处理器(111)从辅助天线基带处理通道提取的辅助信息存储在寄存器形式的辅助信息单元(323)中。处理器(111)提取的辅助信息还可以包括载波多普勒变化率，在载波跟踪中，可采用辅助信息的载波多普勒变化率设置目标天线对应的载波跟踪辅助通道中本地载波NCO(301)的载波频率变化率。
本发明提供的针对目标天线信号的位置解算方法，具体为：
当双天线A-GNSS接收机达到稳定跟踪后，处理器(111)提取伪距和载波相位观测值并解算目标天线位置。处理器(111)直接利用辅助信息中的星历和导航电文信息解算目标天线位置，节约了目标天线的卫星星历提取，并可有效降低误码，提高定位速度和性能。

Claims (5)

1.双天线A-GNSS接收机系统的码牵引方法，所述的双天线A-GNSS接收机系统包括辅助天线和目标天线，其特征在于，包括：
将辅助天线置于开阔地，利用辅助天线信号对视野范围内的卫星信号进行常规基带处理，定位辅助天线，并提取辅助信息，所述的辅助信息包括各卫星通道的卫星编号、码相位、载波多普勒值、星历及导航电文信息；
根据辅助信息对目标天线信号进行码牵引辅助，包括步骤：
(1)以辅助信息中的卫星编号设置目标天线对应的码环中本地码发生器的卫星编号；
(2)以辅助信息中的码相位设置目标天线对应的码环中本地码发生器的码相位；
(3)根据辅助天线和目标天线的距离，从目标天线码环中选择合适数量的码相关器对本地码发生器的码相位进行牵引；
(4)以辅助信息中的载波多普勒值设置目标天线对应的载波环中本地载波NCO的载波频率；
(5)利用辅助信息中的导航电文信息消除目标天线对应的通道中积分清零电路中的bit符号。
2.双天线A-GNSS接收机系统的辅助跟踪方法，所述的双天线A-GNSS接收机系统包括辅助天线和目标天线，其特征在于，包括：
将辅助天线置于开阔地，利用辅助天线信号对视野范围内的卫星信号进行常规基带处理，定位辅助天线，并提取辅助信息，所述的辅助信息包括各卫星通道的卫星编号、码相位、载波多普勒值、星历及导航电文信息；
根据辅助信息对目标天线信号进行载波跟踪辅助，包括步骤：
(1)将辅助信息中的载波多普勒值、目标天线载波跟踪辅助通道中与鉴相器相连的环路滤波器输出之和设置为对应的目标天线通道中本地载波NCO的载波频率；
(2)利用辅助信息中的导航电文信息消除对应的目标天线载波跟踪辅助通道中积分清零电路中的bit符号；
(3)在目标天线载波跟踪辅助通道中采用纯锁相环鉴相器进行鉴相。
3.如权利要求2所述的双天线A-GNSS接收机系统的辅助跟踪方法，其特征在于：
所述的辅助信息包括载波多普勒变化率，以辅助信息的载波多普勒变化率设置目标天线对应的载波跟踪辅助通道中本地载波NCO的载波频率变化率。
4.双天线A-GNSS接收机系统的位置解算方法，所述的双天线A-GNSS接收机系统包括辅助天线和目标天线，其特征在于，包括：
将辅助天线置于开阔地，利用辅助天线信号对视野范围内的卫星信号进行常规基带处理，定位辅助天线，并提取辅助信息，所述的辅助信息包括各卫星通道的卫星编号、码相位、载波多普勒值、星历及导航电文信息；
根据辅助信息对目标天线进行位置解算辅助，具体为：
从目标天线多通道数字相关器中提取伪距和相位观测值，直接利用辅助信息中的星历和导航电文信息解算目标天线位置。
5.双天线A-GNSS接收机系统的基带处理方法，其特征在于，所述的双天线A-GNSS接收机系统包括辅助天线和目标天线，包括：
将辅助天线置于开阔地，利用辅助天线信号对视野范围内的卫星信号进行常规基带处理，定位辅助天线，并提取辅助信息，所述的辅助信息包括各卫星通道的卫星编号、码相位、载波多普勒值、星历及导航电文信息；
双天线A-GNSS接收机根据辅助信息中的星历获得视野内可见卫星，以辅助信息中的载波多普勒值为精确的载波多普勒信息，以辅助信息中的码相位为粗略的码相位信息，对目标天线信号依次进行码相位牵引、跟踪、解调。
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