CN102914783A

CN102914783A - Caps/gps双模接收机

Info

Publication number: CN102914783A
Application number: CN2012102884493A
Authority: CN
Inventors: 邢燕; 胡永辉; 陈颖鸣
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: 2013-02-06
Anticipated expiration: 2032-08-14
Also published as: CN102914783B

Abstract

本发明提供了一种CAPS/GPS双模接收机，CAPS/GPS双模天线同时接收CAPS卫星信号和GPS卫星信号，经由功分器分别送往CAPS射频前端和GPS接收机模块，CAPS卫星信号经CAPS射频前端滤波、放大、下变频后送往CAPS混频器，混频产生的中频模拟信号通过A/D转换模块输出到微处理器，获取CAPS信号的时标和电文信息；GPS接收机模块完成GPS卫星信号的滤波、放大、射频信号到中频信号的转换、中频信号的AD采样以及时标和电文信息的提取。本发明能够对CAPS和GPS的定时、定位信息进行分析和判定，保证输出信息的有效性，改善用户的导航定位精度，提高系统的完善性和可靠性。

Description

CAPS/GPS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CAPS和GPS两个独立的卫星导航系统的一种双模接收机。

背景技术

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。与直播式卫星导航定位系统相比，CAPS具有导航通信一体化的优势；同时，在导航星座布置上，CAPS也比较灵活，可以根据情况选择地球同步轨道卫星、倾斜轨道卫星、中高度轨道卫星等。此外，转发式卫星导航系统采用的是C波段，可租用的卫星资源丰富。

GPS是美国全球定位系统，卫星数目较多，覆盖范围广，可保障全球覆盖、全天候、连续三维定位。目前存在的问题是，GPS系统对本国和战略伙伴国提供的定位和定时精度都能满足严格的军用定位和定时要求，但对中国只提供民用服务，而且可以随时小范围关闭。导航系统受国外政府控制的状态对我国国防安全和国家经济安全都构成极大的威胁。

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，这样就限制了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/GPS双模接收机，该双模接收机能够支持CAPS和GPS两种不同的导航卫星系统。与普通接收机相比，CAPS/GPS双模接收机利用GPS接收机模块实现GPS信号的捕获、跟踪、解算，并利用专用微处理器完成CAPS信号的捕获、跟踪、解算。CAPS/GPS双模接收机能够对CAPS和GPS的定时、定位信息进行分析和判定，保证输出信息的有效性，从而改善用户的导航定位精度，提高系统的完善性和可靠性。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：包括CAPS/GPS双模天线、功分器、CAPS射频前端、CAPS混频器、A/D转换模块、GPS接收机模块和微处理器。

所述的CAPS/GPS双模天线同时接收CAPS卫星信号和GPS卫星信号，经由功分器分别送往CAPS射频前端和GPS接收机模块。CAPS卫星信号经CAPS射频前端滤波、放大、下变频为1575.42MHz的L波段信号后送往CAPS混频器，CAPS混频器将L波段的CAPS信号与本地振荡信号进行混频，混频产生的中频模拟信号输出到A/D转换模块，A/D转换模块对中频模拟信号进行转换，输出的中频数字信号最终由微处理器处理并获取CAPS信号的时标和电文信息。GPS接收机模块完成GPS卫星信号的滤波、放大、射频信号到中频信号的转换、中频信号的AD采样以及时标和电文信息的提取。

所述的CAPS/GPS双模天线采用单点背馈方式，CAPS微带贴片天线和GPS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4.14GHz的窄带低噪放和频点在1.57GHz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。

本发明的有益效果是：由于采用CAPS/GPS一体化双模接收天线，简化了接收机的整体结构；充分利用CAPS/GPS两个系统的卫星星座，可应用于CAPS和GPS导航卫星系统两者。本发明具有CAPS系统和GPS系统信号互为备份功能，能够使在其中一种授时定位系统出现故障时自动切换到另一种授时定位系统。

本设计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，该芯片支持双频接收，因此接收机可以利用两路信号的伪距差根据一定的数学模型计算电离层附加延迟，从而提高定位精度和授时精度。同时由于两个载频功能相同，接收机同时接收两个信号可以起到频率分集的作用，提高系统可用性和抗干扰能力。

CAPS/GPS双模接收机以CAPS定时定位为主，当CAPS信号不可用时采用GPS定时定位信息。因此，CAPS/GPS双模接收机可以保证在中国区域内任何地点、任何时间，全天候，连续的三维定位，从而提高了用户的导航定位精度、连续性和可靠性。

附图说明

图1是本发明一个实施例的示意图；

图2是所述微处理器的功能流程图。

具体实施方式

一种CAPS/GPS双模接收机包括：CAPS/GPS双模天线、功分器、CAPS射频前端、CAPS混频器、A/D转换模块、GPS接收机模块、微处理器。

所述的CAPS/GPS双模天线接收CAPS卫星信号，CAPS卫星信号经CAPS射频前端滤波、放大、下变频至L波段后送往CAPS混频器，CAPS混频器将混频后的中频模拟信号输出到A/D转换模块，A/D转换模块对中频模拟信号进行采样，输出的中频数字信号最终由微处理器处理并获取CAPS信号的时标和电文信息。

所述的CAPS/GPS双模天线接收GPS卫星信号，GPS卫星信号的滤波、放大，射频信号到中频信号的转换，中频信号的AD采样，以及时标和电文信息的提取都在GPS接收机模块中完成。

微处理器主要完成两部分功能：其一，微处理器实现对不同CAPS卫星信号的捕获、跟踪、解调等处理，解调输出电文数据、伪距、载波相位观测值，并对所得到的伪距信息、电文信息以及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；其二，微处理器根据接收到的GPS信号的时标和电文信息以及解算产生的CAPS时标和电文信息，综合本地时钟的特性，对两个系统的授时信号进行处理，实现CAPS/GPS双模接收机在两个系统间择优自动切换。微处理器优先选择CAPS输出，当CAPS信号无效时输出GPS信号。此外，微处理器还完成对外部的交互操作。

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进一步说明。

CAPS/GPS双模接收机包括CAPS/GPS双模天线1、功分器2、CAPS射频前端3、CAPS混频器4、A/D转换模块5、GPS接收机模块6、微处理器7。

CAPS/GPS双模天线1可同时接收CAPS卫星信号和GPS卫星信号。

功分器2用于放大通过CAPS/GPS双模天线1接收到的CAPS和GPS信号，并将信号分别送往CAPS射频前端3和GPS接收机模块6。此功分器不但实现了CAPS信号和GPS信号的分离，而且还保证了CAPS信号和GPS信号的隔离度。

CAPS射频前端3包含滤波器、低噪声放大器、C/L变频器。接收的CAPS卫星信号经滤波、放大后，由C波段下变频至L波段，然后送往CAPS混频器4。

CAPS混频器4完成L波段CAPS载波信号到中频IF信号的转换，中频模拟信号被送往A/D转换模块5。

A/D转换模块5对中频模拟信号进行采样，采样产生的数字中频信号被送往微处理器7。

GPS接收机模块6包括GPS射频模块、GPS相关器和微处理器。其中射频模块实现信号的下变频和AD转换；相关器进行信号的捕获、跟踪，以及各种原始数据和测量数据的输出；微处理器实现导航解算，包括数据的解调、伪距的提取以及导航数据的解算等。

微处理器7实现CAPS卫星导航信号的捕获、跟踪、解调、解码、码伪距的测量和导航解算，同时负责CAPS/GPS双模接收机的对外交互操作。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。此外，微处理器7根据从GPS接收机模块收到的GPS信息以及解算的CAPS时间信息，判断输出精度更高的定位和授时信息。如果当GPS信号无效时，系统自动切换至CAPS工作模式；当CASP信号无效时，系统自动切换至GPS工作模式。同时完成导航信息显示，以及与其他外围设备的接口等功能。

微处理器7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7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测距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GPS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CAPS信息有效时，优先输出CAPS的位置和标准时间信息；当GPS信息有效时，输出GPS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/GPS双模接收机，包括CAPS/GPS双模天线、功分器、CAPS射频前端、CAPS混频器、A/D转换模块、GPS接收机模块和微处理器，其特征在于：所述的CAPS/GPS双模天线同时接收CAPS卫星信号和GPS卫星信号，经由功分器分别送往CAPS射频前端和GPS接收机模块，CAPS卫星信号经CAPS射频前端滤波、放大、下变频为L波段信号后送往CAPS混频器，CAPS混频器将L波段的CAPS信号与本地振荡信号进行混频，混频产生的中频模拟信号输出到A/D转换模块，A/D转换模块对中频模拟信号进行转换，输出的中频数字信号最终由微处理器处理并获取CAPS信号的时标和电文信息；GPS接收机模块完成GPS卫星信号的滤波、放大、射频信号到中频信号的转换、中频信号的AD采样以及时标和电文信息的提取。

2.根据利用权利要求1所述的CAPS/GPS双模接收机，其特征在于：所述的CAPS/GPS双模天线采用单点背馈方式，CAPS微带贴片天线和GPS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4.14GHz的窄带低噪放和频点在1.57GHz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。