CN101063714A - 一种提高掩星gps接收机捕获并跟踪弱信号的方法 - Google Patents

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陶鹏
孙越强
朱光武
符养
刘正廷
杜起飞
王世金
梁金宝
王晶
乔万里
白伟华
王先毅
袁庆智
刘超
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Abstract

本发明涉及空间探测技术领域，特别是一种提高掩星GPS接收机捕获并跟踪弱信号的方法。通常情况下掩星信号的捕获及跟踪与定位信号的捕获及跟踪是独立完成的，此时顶部定位信号的捕获及跟踪情况对掩星信号的捕获及跟踪不能起到辅助作用。本发明利用朝向天顶方向的定位天线接收高仰角的GPS卫星信号，利用掩星天线接收经大气层及电离层折射的GPS掩星信号，再通过功率合成器进行信号合成后，合成后的信号再送至GPS信号接收及处理单元利用共同跟踪技术进行信号的跟踪、解调与观测量提取。利用本发明的方法接收的掩星GPS信号载噪比与单独使用掩星天线无法使用共同跟踪技术情况下相比高约7dB。

Description

一种提高掩星GPS接收机捕获并跟踪弱信号的方法
技术领域
本发明涉及空间探测技术领域，特别是一种提高掩星GPS接收机捕获并跟踪弱信号的方法。
背景技术
无线电掩星技术是从行星掩星(飞行器)探测行星大气和电离层的遥感技术发展而来的。80年代末和90年代初，人们提出将这种技术应用于地球大气和电离层的探测。无线电掩星大气探测与其它大气探测相比不但具有全天候、全球覆盖、高垂直分辨率、高精度、高长期稳定性、无需标定等诸多优点，而且利用从大气层开始的剥皮测量，可以得到大气参量的垂直分布，为大气研究和预报提供了全球性的基础观测资料，弥补了其它大气观测系统的观测盲区，如海洋和极区等，从而促进天气和气候预报工作，提高天气预报的准确度，改善全球天气分析效果。同时它还能改善数字天气模型的性能，改进对对流层及平流层间交换过程的了解，加强对厄尔尼诺(特别是在远洋区)引起的现象的研究。
无线电掩星大气及电离层探测所利用的GPS信号经过大气层与电离层的折射后，信号强度变得十分微弱，此时接收机对弱信号的捕获及跟踪能力对于掩星事件的观测极为重要。
发明内容
本发明的目的在于提供一种提高掩星GPS接收机捕获并跟踪弱信号的方法及掩星GPS接收机。特别是适合于提高星载掩星及山基掩星观测的掩星GPS接收机捕获并跟踪弱信号的方法。
一种提高掩星GPS接收机捕获并跟踪弱信号的方法，利用朝向天顶方向的定位天线接收高仰角的GPS卫星信号，利用掩星天线接收掩星信号，而后通过功率合成器进行功率合成，合成后的信号再送至GPS信号接收及处理单元利用共同跟踪技术进行信号的跟踪、解调与观测量提取，同时设定接收机的定位屏蔽角。
所述的提高掩星GPS接收机捕获并跟踪弱信号的方法，通过将来自定位天线与掩星天线的信号进行合成后，利用了共同跟踪技术提高了掩星GPS接收机对GPS信号特别是经过大气层与电离层折射的GPS掩星信号捕获及跟踪能力，接收机的定位屏蔽角最低设定为15°。
一种提高捕获并跟踪微弱GPS掩星信号的掩星GPS接收机，掩星GPS接收机由定位天线、前向掩星天线、后向掩星天线，功率合成器，与GPS信号接收及处理单元组成，功率合成器分别与定位天线、前向掩星天线、后向掩星天线连接，将来自三个天线的信号进行合成后送至GPS信号接收及处理单元。
本发明的发明点为：
1.采用多天线合成的方式利用共同跟踪技术进行掩星信号的接收；
2.在山基掩星试验中首次采用信号合成，利用共同跟踪进行了山基掩星观测。
附图说明
为了进一步说明本发明的技术内容，以下结合附图详细说明如后，其中：
图1是本发明的掩星GPS接收机组成示意图；
图2是采用本发明方法与不采用本发明方法下的跟踪时间对比图。
具体实施方式
如图1所示，掩星GPS接收机由定位天线、前向掩星天线(用于接收上升掩星事件)、后向掩星天线(用于接收下降掩星事件)，功率合成器，与GPS信号接收及处理单元组成。功率合成器分别与定位天线、前向掩星天线、后向掩星天线连接，将来自三个天线的信号进行合成后送至GPS信号接收及处理单元。
本发明GPS信号接收处理单元采用共同跟踪技术。对GPS卫星的跟踪的传统做法是通过单独的跟踪环对每一颗卫星进行跟踪，为了跟踪每个码，需要一个跟踪载波码的锁相环(PLL)和一个跟踪每个星码的延迟锁相环(DLL)。PLL可以加到DLL上以降低DLL的噪声。由于每个卫星是分开跟踪的，所以跟踪上一颗卫星对其它卫星的跟踪不会有任何帮助。而共同跟踪技术则改进了GPS接收机的跟踪能力，较单独跟踪提高了10倍。改进的基础是同时用两种类型的锁相环(PLL)。第一种PLL跟踪接收机视在动力学特性(包括接收机的运动和内部振荡器)，这一PLL利用的是所有可见卫星的总功率，具有20Hz左右的宽带宽。跟踪接收机运动及其振荡器的变化，可以改进跟踪能力，特别是在高动态和低信号功率条件下。对于跟踪接收机动力学瞬时失锁后，要想重新锁定卫星，最好的办法是跟踪平滑的和可预报的卫星群体的运动，能明显改进跟踪能力。这是因为接收机的位置变化已由其它卫星认定，一旦不在群卫星的信号重新出现，便很容易地实现跟踪，这对于单个卫星跟踪是不容易做到的。第二种锁相环是专门为跟踪某一颗卫星的动力学而设计的，这些单独的环路具有比较窄的带宽(约2Hz)。这样的两种环路的组合，既能改进跟踪能力，同时又能降低测量噪声。
由于上述可知，要利用共同跟踪技术的一个前提是接收机必须处于定位状态。GPS接收机定位时要求至少同时接收四颗GPS卫星的导航信号方可，而掩星天线为窄波束天线(在俯仰方向主瓣只有约±7.5°左右)，在进行掩星观测时需要对掩星天线在俯仰方向进行调节使得掩星天线的法向指向与地平面相切，此时通过掩星天线通常至多只能接收到两至三颗卫星的信号，且信号强度十分微弱，在这种情况下无法利用共同跟踪技术。
为了解决这个问题，本发明采用了如下的方法：
1)利用朝向天顶方向的定位天线接收高仰角的GPS卫星信号，利用掩星天线接收掩星信号，而后通过功率合成器进行功率合成；
2)开启GPS信号接收及处理单元的共同跟踪功能，对合成后的信号进行信号解调与观测量提取；
3)同时设定接收机的定位屏蔽角设为15°(或更高一些)，以消除来自掩星的弱信号对定位精度的影响。
利用此方法明显提高了掩星信号的捕获能力，并延长了掩星信号的跟踪时间。此方法经山基掩星试验得到了验证。验证结果为，采用信号合成并利用共同跟踪接收的掩星信号载噪比高于单用掩星天线不使用共同跟踪接收的掩星信约7dB；采用此方法跟踪下降掩星时间长于不采用此方法约2分钟，见图2。

Claims (3)

1、一种提高掩星GPS接收机捕获并跟踪弱信号的方法，其特征在于，利用朝向天顶方向的定位天线接收高仰角的GPS卫星信号，利用掩星天线接收掩星信号，而后通过功率合成器进行功率合成，合成后的信号再送至GPS信号接收及处理单元利用共同跟踪技术进行信号的跟踪、解调与观测量提取，同时设定接收机的定位屏蔽角。
2.根据权利要求1所述的提高掩星GPS接收机捕获并跟踪弱信号的方法，其特征在于，通过将来自定位天线与掩星天线的信号进行合成后，利用了共同跟踪技术提高了掩星GPS接收机对GPS信号特别是经过大气层与电离层折射的GPS掩星信号捕获及跟踪能力，接收机的定位屏蔽角最低设定为15°。
3、一种提高捕获并跟踪微弱GPS掩星信号的掩星GPS接收机，其特征在于，掩星GPS接收机由定位天线、前向掩星天线、后向掩星天线，功率合成器，与GPS信号接收及处理单元组成，功率合成器分别与定位天线、前向掩星天线、后向掩星天线连接，将来自三个天线的信号进行合成后送至GPS信号接收及处理单元。
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