CN109143285B - 应用于姿态多变高动态目标的定位通报系统 - Google Patents

应用于姿态多变高动态目标的定位通报系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种应用于姿态多变高动态目标的定位通报系统，属于卫星导航技术应用领域。定位通报系统包括收发天线组件、低噪声放大器、功率放大器、射频模块、基带处理模块、电池模块。收发天线组件完成RDSS信号发射、RDSS信号接收、RNSS信号接收。低噪声放大器完成接收的RDSS信号、RNSS信号的放大。基带处理模块基于FPGA+DSP架构，由RNSS处理模块和RDSS处理模块组成。RNSS处理模块和RDSS处理模块采用PMF‑DFT捕获算法。本发明适合应用于姿态多变高动态目标的位置监控、搜索等，集成了RNSS导航定位功能和RDSS短报文通信功能，有利于系统的小型化设计。

Description

应用于姿态多变高动态目标的定位通报系统
技术领域
本发明属于卫星导航技术应用领域，涉及一种应用于姿态多变高动态目标的定位通报系统，适合应用于姿态多变高动态目标的位置监控、搜索等。
背景技术
姿态多变高动态目标由于其运动特性的影响，大大的增加其运动轨迹的精确度、回收的难度。基于RNSS、RDSS的定位通报系统通过实时上报精确的位置、速度信息，能够有效确定目标的运动轨迹。然而由于目标的高动态特性：360°旋转，高度≤5000km，速度≤7km/s，加速度≤40g，加加速度≤10g/s等，提高了对定位通报系统的功能要求。
对于RNSS导航接收机，天线接收BD B1频点、B3频点/GPS L1频点/GLONASS L1频点卫星信号(支持单BD定位、单GPS定位、单GLONASS定位和组合定位四种定位模式)，并通过射频线缆传输至射频模块；射频模块完成对BD2B1频点、B3频点/GPS L1频点/GLONASS L1频点信号的滤波、放大和下变频后输出给基带处理模块；基带处理模块进行AD采样、低通滤波与抽取、捕获跟踪、导航解算处理，完成定位解算功能，获取导航电文和观测量，最终提供目标的经纬度、时间、速度等遥测数据传递给RDSS模块。对于RDSS短报文通信下行链路，天线接收北斗卫星S频点信号，经射频接收模块滤波、放大和下变频后输出给中频信号给基带处理模块；基带处理模块完成AD采样、捕获跟踪、信道译码等，提取帧时标信号，恢复成原始前向数据。对于RDSS短报文通信上行链路，从RNSS模块接收位置速度等遥测数据，经基带处理模块完成信道编码、扩频、数字调制和上变频之后发给射频模块，功率放大器完成对射频信号的功率放大，最后通过天线发射至卫星。
综上所述，RNSS导航接收机与RDSS短报文通信的实现，都需要完成RNSS中频信号和RDSS中频信号的捕获跟踪，在姿态多变高动态场景下，捕获速度的快慢直接决定了RDSS模块、RNSS模块的动态，实时地对卫星信号进行捕获可快速的转入跟踪阶段，以保证定位通报系统可以适应较高的动态。
目前常用的捕获算法有两种，一种是基于FFT的并行码相位的捕获算法，另一种是基于PMF-DFT的并行频域捕获算法。基于FFT的并行码相位的捕获算法核心是利用快速傅里叶变换将时域的循环卷积转换至频域相乘，实现所有伪码相位的并行搜捕。基于PMF-DFT的并行频率捕获算法核心是利用DFT对解调解扩残留下来的载波多普勒频率进行频谱分析，实现所有频点的并行搜捕。在高动态场景下，多普勒频移的搜索范围较大，因此基于PMF-DFT的并行频率捕获算法的捕获时间远小于基于FFT并行搜捕码相位算法。
《北斗、GPS多模收发一体化导航通信模块》、《多模定位一体式北斗用户机》、《北斗、GPS多模导航通信模块》中的模块设计方案未致力于针对高动态等问题提出解决方法，因此不适用于姿态多变高动态场景的目标。
发明内容
本发明的目的是针对当前姿态多变高动态目标的运动轨迹问题，提供一种应用于姿态多变高动态目标的定位通报系统。
本发明所采取的技术方案如下：
一种应用于姿态多变高动态目标的定位通报系统，包括收发天线组件、低噪声放大器、功率放大器、射频模块、基带处理模块、电池模块；收发天线组件完成RDSS信号发射、RDSS信号接收、RNSS信号接收；低噪声放大器完成接收的所述RDSS信号、所述RNSS信号的放大；功率放大器完成发射的所述RDSS信号功率的放大；射频模块完成发射所述RDSS信号上变频到射频、完成接收所述RDSS信号下变频到中频、完成接收所述RNSS信号下变频到中频，输出至基带处理模块；基带处理模块基于FPGA+DSP架构，由RNSS处理模块和RDSS处理模块组成；所述RNSS处理模块完成所述RNSS信号的捕获，通过定位解算，输出多普勒频移、对时秒脉冲信号以及目标的位置、速度信息给所述RDSS处理模块；所述RDSS处理模块利用所述RNSS处理模块提供的所述对时秒脉冲信号，以所述RNSS处理模块提供的所述多普勒频偏为预报信息，完成RDSS中频信号捕获，并将所述RNSS处理模块输出的位置信息进行存储，在完成北斗卫星的对星后，将所述目标的位置、速度信息发射给地面站，完成所述目标的定位通信；电池模块为射频模块、低噪声放大器、功率放大器、基带处理模块供电。
对于上述应用于姿态多变高动态目标的定位通报系统，所述RNSS处理模块和RDSS处理模块采用PMF-DFT捕获算法，处理过程如下：将经过下变频、载波仅残留多普勒频偏的数字输入信号，根据相关时间T和码速率Pc，计算出总码片个数M，M＝T*Pc，从时间上将M个码片等分成D个子序列，每个所述子序列含P个码片，P＝M/D，将每个所述子序列分别进入对应的相关器，与本地伪码做相关，得到D个相关结果值；再把D个所述相关结果值在时间上做成N个子序列，得到N个相干累加结果值，然后对这N点所述相干累加结果值做DFT变换，进行频谱分析；当所述本地伪码与所述输入信号的码相位一致时，经过DFT运算得到的N点频谱分量中会出现最大的幅度，该谱峰对应的频率值就是多普勒频偏值，在搜索码相位的同时完成对载波多普勒频偏的估计，从而完成捕获；其中，D≥4，且为整数，N＝2k,k≥[log2D],[]表示向上取整数。
对于上述应用于姿态多变高动态目标的定位通报系统，所述RNSS处理模块和所述RDSS处理模块集成在一块FGPA和DSP中。
对于上述应用于姿态多变高动态目标的定位通报系统，配置多张SIM卡，通过切换所述SIM卡，实时发射所述RNSS处理模块输出的数据。
对于上述应用于姿态多变高动态目标的定位通报系统，所述RDSS处理模块在接收到北斗卫星的发射信号后，通过切换所述SIM卡将存储的所述目标定位信息以小于4s的频率发射出去。
对于上述应用于姿态多变高动态目标的定位通报系统，所述SIM卡为民用SIM卡。
对于上述应用于姿态多变高动态目标的定位通报系统，其中，所述收发天线组件包含6个频点：RDSS L波段发射天线、RDSS S波段接收天线、GPS L1频点接收天线、BD B1频点接收天线、BD B3频点接收天线、GLONASS L1频点接收天线。
对于上述应用于姿态多变高动态目标的定位通报系统，其中，所述射频模块完成RDSS L波段上变频，完成RDSS S波段、GPS L1频点、BD B1频点、BD B3频点、GLONASS L1频点下变频。
对于上述应用于姿态多变高动态目标的定位通报系统，其中，所述电池模块包括可充电电池、电池保护电路、抗振加固模块。
对于上述应用于姿态多变高动态目标的定位通报系统，所述RDSS信号首次捕获时间≤2s，失锁重捕时间≤1s，在目标姿态以每秒20°的转速进行旋转时，多普勒频移±50k范围内，所述RNSS处理模块正常定位，所述RDSS处理模块正常通信。
本发明的有益效果：本发明的定位通报系统可适合应用于姿态多变高动态目标的位置监控、搜索等。集成了RNSS导航定位功能和RDSS短报文通信功能，该技术方案可在FPGA+DSP框架内实现，有利于系统的小型化设计。本发明方法适用于北斗、GPS、GLONASS等多种卫星导航系统的接收机终端，具有较强的实用性。
附图说明
图1为定位通报系统结构图；
图2为PMF-DFT捕获算法处理流程框图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。
如图1所示，本发明的应用于姿态多变高动态目标的定位通报系统，包括收发天线组件、低噪声放大器、功率放大器、射频模块、基带处理模块、电池模块。
收发天线组件完成RDSS信号发射、RDSS信号接收、RNSS信号接收。低噪声放大器完成接收的RDSS信号、RNSS信号的放大。功率放大器完成发射的RDSS信号功率的放大。射频模块完成发射RDSS信号上变频到射频、完成接收RDSS信号下变频到中频、完成接收RNSS信号下变频到中频，输出至基带处理模块。电池模块由可充电电池，电池保护电路、抗振加固等功能模块组成，为射频模块、低噪声放大器、功率放大器、基带处理模块供电。
基带处理模块，其基于FPGA+DSP架构，由RNSS处理模块和RDSS处理模块组成，完成集成的RNSS导航定位和RDSS短报文通信；RNSS处理模块完成RNSS信号的捕获，通过定位解算，输出多普勒频移、对时秒脉冲信号以及目标的位置、速度信息给RDSS处理模块；RDSS处理模块利用RNSS处理模块提供的对时秒脉冲信号，以RNSS处理模块提供的多普勒频偏为预报信息，完成RDSS中频信号的捕获，并将RNSS处理模块输出的位置信息进行存储，在完成北斗卫星(BD星)的对星后，将目标的位置、速度信息发射给地面站，完成目标的定位通信。
收发天线组件包含6个频点：RDSS L波段发射天线、RDSS S波段接收天线、GPS L1频点接收天线、BD B1频点接收天线、BD B3频点接收天线、GLONASS L1频点接收天线。
射频模块完成RDSS L波段上变频，完成RDSS S波段、GPS L1频点、BD B1频点、BDB3频点、GLONASS L1频点下变频。
定位通报系统配置了多张SIM卡，可采用民用SIM卡，通过切换SIM卡，实时发射RNSS处理模块输出的遥测数据，提高了短报文通信频率，使通信频率小于4s。
RNSS处理模块和RDSS处理模块集成在一块FGPA和DSP中实现，有利于一体机的小型化设计。
RNSS处理模块和RDSS处理模块采用PMF-DFT捕获算法。RNSS处理模块采用PMF-DFT算法完成RNSS信号的快速捕获功能。RDSS处理模块采用RNSS预报的多普勒频移以及PMF-DFT算法完成RDSS中频信号捕获功能。RDSS信号首次捕获时间≤2s，失锁重捕时间≤1s，在目标姿态以每秒20°的转速进行旋转时，多普勒频移±50k范围内，RNSS处理模块正常定位，RDSS处理模块正常通信。
图2是PMF-DFT捕获算法处理流程框图，将经过下变频、载波仅残留多普勒频偏的数字输入信号，根据相关时间T和码速率Pc，可计算出总码片个数M，从时间上将M个码片等分成D个子序列，每个子序列含P个码片，P＝M/D，将每个子序列分别进入对应的相关器，与本地伪码做相关，得到D个相关结果值；再把D个相关结果值在时间上做成N个子序列，得到N个相干累加结果值，然后对这N点值做DFT变换，进行频谱分析。当本地伪码与输入信号的码相位一致时，经过DFT运算得到的N点频谱分量中会出现最大的幅度，该谱峰对应的频率值就是多普勒频偏值，在搜索码相位的同时完成对载波多普勒频偏的估计，从而完成捕获。RNSS处理模块和RDSS处理模块通过采用不同的D、P、M、N参数复用该算法。其中，D≥4，且为整数，M＝T*Pc，N＝2k，k≥[log2D]，[]表示向上取整数。
RNSS处理模块采用PMF-DFT捕获算法，完成定位后，提供对时秒脉冲、多普勒频偏、目标物的位置信息。RDSS处理模块存储RNSS处理模块提供的目标物位置信息，利用RDSS处理模块提供的对时秒脉冲信号，以RNSS处理模块提供的多普勒频偏为预报信息，采用PMF-DFT捕获算法，达到快速对星捕获的目的。RDSS处理模块在接收到北斗卫星(BD星)的发射信号后，通过切换SIM卡将存储的目标物定位信息以小于4s的频率发射出去。本发明的PMF-DFT捕获算法同时适用于RDSS信号、RNSS信号，避免了数据跳变对捕获灵敏度的影响。
本发明的系统具有以下几个优点：
(1)整个技术方案，集成了RDSS的定位功能和RNSS的通信功能，且在FPGA+DSP框架内实现，有利于系统的小型化设计；
(2)采用适用于RDSS、RNSS的PMF-DFT捕获算法，使目标以每秒20°的转速进行旋转时，RNSS高动态模块正常定位，RDSS高动态模块正常通信；
(3)配置多张SIM卡切换发送，短报文发送频率高，通信频率小于4s。
本发明中未说明部分属于本领域的公知技术。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种应用于姿态多变高动态目标的定位通报系统，其特征在于，包括：
收发天线组件，其完成RDSS信号发射、RDSS信号接收、RNSS信号接收；
低噪声放大器，其完成接收的所述RDSS信号、所述RNSS信号的放大；
功率放大器，其完成发射的所述RDSS信号功率的放大；
射频模块，其完成发射所述RDSS信号上变频到射频、完成接收所述RDSS信号下变频到中频、完成接收所述RNSS信号下变频到中频，输出至基带处理模块；
基带处理模块，其基于FPGA+DSP架构，由RNSS处理模块和RDSS处理模块组成；所述RNSS处理模块采用PMF-DFT捕获算法完成所述RNSS信号的捕获，通过定位解算，输出多普勒频移、对时秒脉冲信号以及目标的位置、速度信息给所述RDSS处理模块；所述RDSS处理模块利用所述RNSS处理模块提供的所述对时秒脉冲信号，以所述RNSS处理模块提供的所述多普勒频偏为预报信息，并通过PMF-DFT捕获算法完成RDSS中频信号捕获，并将所述RNSS处理模块输出的位置信息进行存储，在完成北斗卫星的对星后，将所述目标的位置、速度信息发射给地面站，完成所述目标的定位通信；电池模块，其为所述射频模块、所述低噪声放大器、所述功率放大器、所述基带处理模块供电；
其中，所述PMF-DFT捕获算法包括：根据所述多普勒频偏的数字输入信号，进行相关运算得到相关结果值，然后根据所述相关结果值在时间上进行相干累加，根据累加结果进行DFT变换；及，
所述RNSS处理模块和所述RNSS处理模块的PMF-DFT捕获算法的处理过程具体包括：将经过下变频、载波仅残留多普勒频偏的数字输入信号，根据相关时间T和码速率Pc，计算出总码片个数M，M＝T*Pc，从时间上将M个码片等分成D个子序列，每个所述子序列含P个码片，P＝M/D，将每个所述子序列分别进入对应的相关器，与本地伪码做相关，得到D个相关结果值；再把D个所述相关结果值在时间上做成N个子序列，得到N个相干累加结果值，然后对这N点所述相干累加结果值做DFT变换，进行频谱分析；当所述本地伪码与所述输入信号的码相位一致时，经过DFT运算得到的N点频谱分量中会出现最大的幅度，所述频谱分量中最大幅度的谱峰对应的频率值就是多普勒频偏值，在搜索码相位的同时完成对载波多普勒频偏的估计，从而完成捕获；其中，D≥4，且为整数，N＝2k，k≥[log2D]，[]表示向上取整数。
2.根据权利要求1所述的应用于姿态多变高动态目标的定位通报系统，其特征在于，所述RNSS处理模块和所述RDSS处理模块集成在一块FGPA和DSP中。
3.根据权利要求1所述的应用于姿态多变高动态目标的定位通报系统，其特征在于，配置多张SIM卡，通过切换所述SIM卡，实时发射所述RNSS处理模块输出的数据。
4.根据权利要求3所述的应用于姿态多变高动态目标的定位通报系统，其特征在于，所述RDSS处理模块在接收到北斗卫星的发射信号后，通过切换所述SIM卡将存储的所述目标定位信息以小于4s的频率发射出去。
5.根据权利要求3所述的应用于姿态多变高动态目标的定位通报系统，其特征在于，所述SIM卡为民用SIM卡。
6.根据权利要求1所述的应用于姿态多变高动态目标的定位通报系统，其特征在于，所述收发天线组件包含6个频点：RDSS L波段发射天线、RDSS S波段接收天线、GPS L1频点接收天线、BD B1频点接收天线、BD B3频点接收天线、GLONASS L1频点接收天线。
7.根据权利要求1所述的应用于姿态多变高动态目标的定位通报系统，其特征在于，所述射频模块完成RDSS L波段上变频，完成RDSS S波段、GPS L1频点、BD B1频点、BD B3频点、GLONASS L1频点下变频。
8.根据权利要求1所述的应用于姿态多变高动态目标的定位通报系统，其特征在于，所述电池模块包括可充电电池、电池保护电路、抗振加固模块。
9.根据权利要求1所述的应用于姿态多变高动态目标的定位通报系统，其特征在于，所述RDSS信号首次捕获时间≤2s，失锁重捕时间≤1s，在目标姿态以每秒20°的转速进行旋转时，多普勒频移±50k范围内，所述RNSS处理模块正常定位，所述RDSS处理模块正常通信。
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