CN104991264B - 一种北斗终端信号接收与处理的装置及方法 - Google Patents
一种北斗终端信号接收与处理的装置及方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明属于无线电导航定位技术领域，尤其涉及一种北斗终端信号接收与处理的装置及方法。装置包括：依次相连的天线单元、射频单元、基带信号处理单元、信息处理单元、电源单元以及显控单元；方法包括：采用基于存储的基带实现捕获方式，分别对伪卫星和卫星进行捕获；接收伪卫星信号和实际卫星信号进行伪卫星和卫星电文译码；对提取出来的导航参数进行更新操作；提取载波相位、码相位和多普勒的观测量信息，进行定位测速授时的解算。本发明通过接收卫星信号和伪卫星信号、两种信号归一化天线和射频前端的设计，依托独立定位和兼容定位实现无缝定位的算法、解决两种信号远近效应的问题，改善星座几何构型，提高用户定位精度。
Description
技术领域
本发明属于无线电导航定位技术领域，尤其涉及一种北斗终端信号接收与处理的装置及方法。
背景技术
如何在卫星信号被严重遮挡，卫星导航系统服务连续性降低的情况下，依然保证为用户提供可靠的导航定位服务是现在各大卫星导航系统急于解决的问题。地基导航信号网络是在容易被建筑物、树木、地形所遮挡，特别是在城市内的“高楼峡谷”、隧道、室内或者较深的开挖矿区等地区，架设一定数量的伪卫星，发射类似于导航卫星的伪卫星导航信号，形成对卫星导航系统的地基导航增强系统，增加用户的可见卫星数目，改善观测卫星星座的几何构形，增强和提高覆盖区域用户定位精度、完好性和有效性，提升用户导航性能。
我国的北斗地基增强网络尚处于建设阶段，目前市场上的北斗定位终端只能接收相应的卫星信号，在条件恶劣卫星信号有干扰的情况下，其服务性能不能令人满意，而且本身不具备在地基导航信号网络独立定位、地基导航信号网络与北斗卫星协同定位的位置解算能力，这在某种程度上阻碍了北斗地基导航系统的研发和应用。在技术应用层面，由于伪卫星信号PN码长度较短，功率远强于卫星信号，且不同的伪卫星信号功率相差可达几十dB，信号间会产生严重的远近效应，这也不利于地基增强网络的建设和应用。为此在终端的信号接收及处理单元必须具备解决此问题的功能,我国此领域的探索研究尚处于起步阶段。
发明内容
为了解决了终端同时接收伪卫星信号和北斗卫星信号及其处理的问题，本发明提出了一种北斗终端信号接收与处理的装置及方法，其中装置包括：依次相连的天线单元、射频单元、基带信号处理单元、信息处理单元、电源单元以及显控单元；
天线单元包括B1、B3频点的天线和低噪声放大器，用于完成射频信号的接收和放大；
射频单元将B1、B3频点的射频输入信号下变频至中频输出；
基带信号处理单元实现对B1、B3频点卫星信号和地基伪卫星信号的捕获、跟踪以及数据通道信息解调的功能；
信息处理单元实现装置的控制、PVT解算和导航信息的输出；
电源单元为整个装置提供电源，显控单元实现人机交互和接收机控制。
所述射频单元由射频混频器、中频可变增益放大器、中频混频器、中频滤波器、自动增益控制电路、两个独立的频率合成器构成。
所述射频单元输出能驱动50欧姆负载的模拟中频信号和供基带信号处理单元使用的62MHz低相噪时钟信号。
所述射频单元包括AD转换器，在62MHz钟的采样频率下工作，生成8位的数字中频信号传给基带信号处理单元。
所述装置同时接收伪卫星信号和实际卫星信号。
方法包括：
步骤1、接收机采用基于存储的基带实现捕获方式，分别对伪卫星和卫星进行捕获；
步骤2、接收机同时接收伪卫星信号和实际卫星信号进行伪卫星和卫星电文译码；
步骤3、对提取出来的导航参数进行更新操作；
步骤4、提取载波相位、码相位和多普勒的观测量信息，进行定位测速授时的解算；
步骤5、将定位和测速结果通过串口输出用于导航；将解算得到的本地钟差传给授时模块，授时模块据此修正本地钟，使得本地逼近系统钟，从而达到授时的效果。
所述步骤1中捕获方式包括：先用接收机自存数据分别对伪卫星的PN码进行相关，找到最强伪卫星信号并跟踪，在下次捕获搜索时，通过对跟踪信号在捕获相关器中进行门控制，对跟踪信号存在的时隙进行消隐处理，从而捕获次强信号，以此类推，在捕获多颗伪卫星信号后，根据跟踪信息对其他信号捕获进行消隐处理，从而在时间上避免强信号对其他信号的远近效应的干扰，最后完成所有的伪卫星信号跟踪后，捕获卫星信号时对所有伪卫星信号时隙进行消隐，进而消除伪卫星信号对实际卫星信号远近效应的影响。
所述步骤3中定位测速授时的解算包括：将故障卫星和异常观测量剔除，调用导航参数管理模块接口函数提取有效卫星的相关星历参数。
所述步骤4中的授时模块每隔一段时间比较实时时钟时间和本地时间的差异，如果差异超过设定门限，则用本地时间修正实时时钟时间；当卫星星历、钟差、历书更新时，调用FLASH文件系统接口模块更新FLASH中的相关参数以便在下次启动时提供相应的星历参数。
所述步骤3中定位测速授时的解算包括用户位置的计算：地面监测网络解算出偏移分量的矫正量，并将校正量发送至伪卫星和卫星，再由伪卫星和卫星在导航电文中广播至用户，对于伪卫星信号来说不存在电离层和对流层延迟误差，则第i颗卫星到接收终端的伪距方程写成：
式中，xi(t)、yi(t)、zi(t)分别为t时刻第i颗卫星的三维坐标(xi(t),yi(t),zi(t))的坐标值，其中伪卫星坐标固定不随时间变化，xu、yu、zu为接收终端的三维坐标(xu,yu,zu)的坐标值，C为光速，tu为信号延迟误差，使用最小二乘法计算用户位置：
其中，Δpi为第i颗卫星到接收终端的伪距的变量，为下一时刻第i颗卫星到接收终端的伪距，pi为第i颗卫星到接收终端的伪距，xi、yi、zi为第i颗卫星位置信息的三维坐标值，axi、ayi、azi为用户位置与第i颗卫星观测矢量上的余弦，为用户位置信息的三维坐标值，为用户和卫星间距离的近似值；
假设有3颗北斗导航卫星与2颗伪卫星，在得到未知量以后通过迭代的方法，得到用户精度要求的位置坐标；方程如下：
Δp＝HΔx
得出方程解为Δx＝H-1Δp，即：Δx＝(HTH)-1HTΔp。
同理得出通解，当观测星数量大于4时，方程的最小二乘解为：进而解得用户位置；
其中，Δp为常数项矢量，H为未知参数系数矩阵，Δx为未知参数矢量，ΔpBD1、ΔpBD2、ΔpBD3和Δpw1、Δpw2分别为三颗北斗卫星与两颗伪卫星的伪距，ax1～ax5、ay1～ay5、az1～az5分别是三颗北斗卫星和两颗伪卫星所对应的三维坐标，Δxu、Δyu、Δzu为用户所在位置三维坐标，ΔtBD为北斗系统钟差，Δtw为伪卫星系统钟差，Hn*4为观测星数量大于4时的未知参数系数矩阵，Δpn*1为观测星数量大于4时的常数项矢量，n为观测星数。
本发明的有益效果在于：本发明通过接收卫星信号和伪卫星信号、两种信号归一化天线和射频前端的设计，依托独立定位和兼容定位实现无缝定位的算法、解决两种信号远近效应的问题，实现对伪卫星信号与北斗卫星信号的接收和位置解算，能同时接收伪卫星信号和北斗卫星RNSS信号，实现信号的检测、捕获、跟踪和解调译码，进而完成从终端上实现伪卫星信号与卫星信号的接收与联合定位，改善星座几何构型，提高用户定位精度。
附图说明
图1北斗地基伪卫星定位终端整体组成图
图2北斗地基伪卫星定位终端整机硬件组成图
图3北斗地基伪卫星定位终端软件框图
图4北斗地基伪卫星终端定位数据处理流程图
具体实施方式
下面结合附图，对实施例作详细说明。
实施例1
图1为本发明的整体组成图，其主要功能是接收北斗区域体制卫星信号，实现信号的检测、捕获、跟踪和解调译码，提取伪距、载波相位原始观测量和导航电文。可实现卫星信号的PVT解算、地基伪卫星信号的PVT解算以及卫星信号和地基伪卫星信号的联合PVT解算。整机由天线单元、射频单元、基带信号处理单元、信息处理单元、电源单元、显控单元组成。天线单元包括B1、B3频点的天线和低噪声放大器，用于完成射频信号的接收和放大；射频单元将B1、B3频点的射频输入信号下变频至中频输出；基带信号处理单元实现对B1、B3频点卫星信号和地基伪卫星信号的捕获、跟踪以及数据通道信息解调等功能；信息处理单元实现接收机的控制、PVT解算和导航信息的输出；电源单元为整个接收终端提供电源，显控单元实现人机交互和接收机控制。
地基伪卫星增强系统接收机需要同时接收伪卫星信号和实际卫星信号。与实际卫星信号不同，伪卫星测距码周期(1ms)等分为16个时隙，每个测距码周期(1ms)仅发送一个时隙的测距码和电文信号，且各个卫星具有唯一的发送时隙。伪卫星由于距离接收机距离近因此信号较强通常在-60dB到-100dB左右。针对伪卫星的以上特点，接收信号针对伪卫星信号还需要一些特殊的处理以实现伪卫星和实际卫星信号的同时接收。
本发明装置硬件组成如图2所示，天线接收的信号经过低噪声放大器(LNA)后输入射频模块；射频模块内部由射频混频器(RF Mixer)、中频可变增益放大器(IF VGA)、中频混频器(IF Mixer)、中频滤波器(IF Filter)、自动增益控制电路(AGC)、两个独立的频率合成器(PLL)等功能单元构成。可输出能驱动50欧姆负载的模拟中频信号和供基带部分使用的62MHz低相噪时钟信号。AD转换器在62MHz钟的采样频率下工作，生成8位的数字中频信号传给FPGA，在FPGA中完成对数字中频信号的搜索和捕获，完成载波环的捕获和跟踪，实现卫星信号的解扩，并完成数据的位同步与导航电文解调。
软件流程如图3所示，原始电文经过译码后，进行伪卫星和卫星电文译码。导航参数管理模块对提取出来的导航参数进行更新操作。当观测量中断到来时，观测量处理模块提取观测量锁存寄存器中的载波相位、码相位和多普勒等观测量信息，并将其做适当处理，然后将其送至定位测速授时(PVT)解算模块。PVT模块首先进行预处理，将故障卫星和异常观测量剔除，调用导航参数管理模块接口函数提取有效卫星的相关星历参数，进行PVT解算。并将定位和测速结果通过串口输出用于导航；将结算得到的本地钟差传给授时模块。授时模块据此修正本地钟，使得本地逼近系统钟，从而达到授时的效果。用户机稳定授时后，还需要每隔一段时间比较RTC时间和本地时间的差异，如果差异超过设定门限，需要用本地时间修正RTC时间。当卫星星历、钟差、历书更新时，调用FLASH文件系统接口模块更新FLASH中的相关参数以便在下次启动时提供相应的星历等参数。伪卫星信息处理模块用于处理伪卫星的电文信息，获取从伪卫星获得的时间和概略位置信息，并将信息传入导航解算单元。
在处理远近效应方面，通过接收机信息处理单元的捕获策略，首先进行为卫星的捕获，通过采用从强到弱的依次捕获，在捕获弱信号时对强信号进行消隐，可以有效避免远近效应对信号捕获带来的影响。可采用基于存储的基带实现捕获方式，先用接收机自存数据分别对伪卫星的PN码进行相关，找到最强伪卫星信号并跟踪，在下次捕获搜索时，通过对跟踪信号在捕获相关器中进行门控制，对跟踪信号存在的时隙进行消隐处理，从而捕获次强信号。以此类推，在捕获多颗伪卫星信号后，根据跟踪信息对其他信号捕获进行消隐处理，从而在时间上避免强信号对其他信号的远近效应的干扰，最后完成所有的伪卫星信号跟踪后，捕获卫星信号时对所有伪卫星信号时隙进行消隐，进而消除伪卫星信号对实际卫星信号远近效应的影响。
定位数据处理流程图如图4所示。首先由基带信号处理产生原始观测数据，读出原始数据后进行载波相位平滑伪距计算；判断是否为北斗卫星，若是则依次进行北斗卫星位置计算、卫星选择、卫星钟差计算、对流层误差计算、地球自转误差计算、单频/差分格网/双频电离层误差计算、等效钟差差分计算、伪距修正；若判断为伪卫星，则进行伪卫星选星、卫星钟差分计算、伪距修正；然后进行最小二乘或EKF计算和RAIM计算，最后将导航信息输出。
在用户位置的计算上，地面监测网络可以解算出偏移分量的矫正量，并将校正量发送至伪卫星和卫星，再由伪卫星和卫星在导航电文中广播至用户，对于伪卫星信号来说不存在电离层和对流层延迟误差，则第i颗卫星到接收终端的伪距方程可写为：
式中，(xi(t),yi(t),zi(t))为t时刻第i颗卫星的三维坐标，其中伪卫星坐标固定不随时间变化，(xu,yu,zu)为接收终端的三维坐标，本发明使用最小二乘法计算用户位置：
假设有3颗北斗导航卫星与2颗伪卫星，在得到未知量以后可通过迭代的方法，便可以得到用户精度要求的位置坐标。方程如下：
Δp＝HΔx
所以可得出方程解为Δx＝H-1Δp，即：Δx＝(HTH)-1HTΔp。
同理可得出通解，当观测星数量大于4时，方程的最小二乘解为：进而解得用户位置。
此实施例仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (2)
1.一种北斗终端信号接收与处理的装置，其特征在于，包括：依次相连的天线单元、射频单元、基带信号处理单元、信息处理单元、电源单元以及显控单元；
天线单元包括B1、B3频点的天线和低噪声放大器，用于完成射频信号的接收和放大；
射频单元将B1、B3频点的射频输入信号下变频至中频输出；
基带信号处理单元实现对B1、B3频点卫星信号和地基伪卫星信号的捕获、跟踪以及数据通道信息解调的功能；
信息处理单元实现装置的控制、PVT解算和导航信息的输出；
电源单元为整个装置提供电源，显控单元实现人机交互和接收机控制；
所述射频单元由射频混频器、中频可变增益放大器、中频混频器、中频滤波器、自动增益控制电路、两个独立的频率合成器构成；
所述射频单元输出能驱动50欧姆负载的模拟中频信号和供基带信号处理单元使用的62MHz低相噪时钟信号；
所述射频单元包括AD转换器，在62MHz钟的采样频率下工作，生成8位的数字中频信号传给基带信号处理单元；
所述装置同时接收伪卫星信号和实际卫星信号；
原始电文经过译码后，进行伪卫星和卫星电文译码；导航参数管理模块对提取出来的导航参数进行更新操作；当观测量中断到来时，观测量处理模块提取观测量锁存寄存器中的载波相位、码相位和多普勒观测量信息，并将其做适当处理，然后将其送至定位测速授时解算模块；定位测速授时解算模块首先进行预处理，将故障卫星和异常观测量剔除，调用导航参数管理模块接口函数提取有效卫星的相关星历参数，进行定位测速授时解算，并将定位和测速结果通过串口输出用于导航；将结算得到的本地钟差传给授时模块；授时模块据此修正本地钟，使得本地逼近系统钟，从而达到授时的效果；用户机稳定授时后，还需要每隔一段时间比较RTC时间和本地时间的差异，如果差异超过设定门限，需要用本地时间修正RTC时间；当卫星星历、钟差、历书更新时，调用FLASH文件系统接口模块更新FLASH中的相关参数以便在下次启动时提供相应的星历参数；伪卫星信息处理模块用于处理伪卫星的电文信息，获取从伪卫星获得的时间和概略位置信息，并将信息传入导航解算单元。
2.一种北斗终端信号接收与处理的方法，其特征在于，包括：
步骤1、接收机采用基于存储的基带实现捕获方式，分别对伪卫星和卫星进行捕获；
步骤2、接收机同时接收伪卫星信号和实际卫星信号进行伪卫星和卫星电文译码；
步骤3、对提取出来的导航参数进行更新操作；
步骤4、提取载波相位、码相位和多普勒的观测量信息，进行定位测速授时的解算；
步骤5、将定位和测速结果通过串口输出用于导航；将解算得到的本地钟差传给授时模块，授时模块据此修正本地钟，使得本地逼近系统钟，从而达到授时的效果；
所述步骤1中捕获方式包括：先用接收机自存数据分别对伪卫星的PN码进行相关，找到最强伪卫星信号并跟踪，在下次捕获搜索时，通过对跟踪信号在捕获相关器中进行门控制，对跟踪信号存在的时隙进行消隐处理，从而捕获次强信号，以此类推，在捕获多颗伪卫星信号后，根据跟踪信息对其他信号捕获进行消隐处理，从而在时间上避免强信号对其他信号的远近效应的干扰，最后完成所有的伪卫星信号跟踪后，捕获卫星信号时对所有伪卫星信号时隙进行消隐，进而消除伪卫星信号对实际卫星信号远近效应的影响；
所述步骤3中定位测速授时的解算包括：将故障卫星和异常观测量剔除，调用导航参数管理模块接口函数提取有效卫星的相关星历参数；
所述步骤4中的授时模块每隔一段时间比较实时时钟时间和本地时间的差异，如果差异超过设定门限，则用本地时间修正实时时钟时间；当卫星星历、钟差、历书更新时，调用FLASH文件系统接口模块更新FLASH中的相关参数以便在下次启动时提供相应的星历参数；
所述步骤3中定位测速授时的解算包括用户位置的计算：地面监测网络解算出偏移分量的矫正量，并将校正量发送至伪卫星和卫星，再由伪卫星和卫星在导航电文中广播至用户，对于伪卫星信号来说不存在电离层和对流层延迟误差，则第i颗卫星到接收终端的伪距方程写成：
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式中，xi、yi、zi分别为某时刻第i颗卫星的三维坐标(xi,yi,zi)的坐标值，其中伪卫星坐标固定不随时间变化，xu、yu、zu为接收终端的三维坐标(xu,yu,zu)的坐标值，C为光速，tu为信号延迟误差，使用最小二乘法计算用户位置：
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其中，Δpi为第i颗卫星到接收终端的伪距的变量，为下一时刻第i颗卫星到接收终端的伪距，pi为第i颗卫星到接收终端的伪距，xi、yi、zi为第i颗卫星位置信息的三维坐标值，axi、ayi、azi为用户位置与第i颗卫星观测矢量上的余弦，为用户位置信息的三维坐标值，为用户和卫星间距离的近似值；
当有3颗北斗导航卫星与2颗伪卫星，在得到未知量以后通过迭代的方法，得到用户精度要求的位置坐标；方程如下：
Δp＝HΔx
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得出方程解为Δx＝H-1Δp，即：Δx＝(HTH)-1HTΔp；
同理得出通解，当观测星数量大于4时，方程的最小二乘解为：进而解得用户位置；
其中，Δp为常数项矢量，H为未知参数系数矩阵，Δx为未知参数矢量，ΔpBD1、ΔpBD2、ΔpBD3和Δpw1、Δpw2分别为三颗北斗卫星与两颗伪卫星的伪距，ax1～ax5、ay1～ay5、az1～az5分别是三颗北斗卫星和两颗伪卫星所对应的三维坐标，Δxu、Δyu、Δzu为用户所在位置三维坐标，ΔtBD为北斗系统钟差，Δtw为伪卫星系统钟差，Hn*4为观测星数量大于4时的未知参数系数矩阵，Δpn*1为观测星数量大于4时的常数项矢量，n为观测星数；
定位数据处理方法包括：首先由基带信号处理产生原始观测数据，读出原始数据后进行载波相位平滑伪距计算；判断是否为北斗卫星，若是则依次进行北斗卫星位置计算、卫星选择、卫星钟差计算、对流层误差计算、地球自转误差计算、单频或差分格网或双频电离层误差计算、等效钟差差分计算、伪距修正；若判断为伪卫星，则进行伪卫星选星、卫星钟差分计算、伪距修正；然后进行最小二乘或EKF计算，然后进行RAIM计算，最后将导航信息输出。
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