CN103713295B - 单板三天线高精度定位定向接收机 - Google Patents

单板三天线高精度定位定向接收机 Download PDF

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Abstract

本发明涉及卫星定位技术领域，公开了一种单板三天线高精度定位定向接收机，包括：射频单元、基带处理单元、定向处理单元和接口单元，其中，射频单元包括多个射频通道、频率综合器和时钟，每个射频通道独立接收多频点的射频信号，通过所述时钟完成所述多个射频通道的信号同步，通过所述频率综合器确定各通道工作频点；基带处理单元耦接射频单元、定向处理单元和接口单元，完成射频信号的捕获、跟踪、解调后提供给定向处理单元，同时输出观测量数据；定向处理单元还耦接接口单元，完成定位定向解算后通过接口单元输出结果。本发明通过一体化设计消除了两套接收机的钟差，有利于优化定向算法，同时具有较高的灵活性。

Description

单板三天线高精度定位定向接收机
技术领域
本发明涉及一种卫星定位技术领域，特别涉及一种单板三天线高精度定位定向接收机。
背景技术
利用伪距进行卫星定位时，无论是进行单点定位(SPP)还是伪距差分定位(DGPS)，通常定位精度最好只能达到亚米级。而在大地测量、地震监测等高精度定位领域，其定位精度要求厘米级甚至毫米级，则需要采用载波相位观测值进行定位。其中载波相位相对定位(也称载波相位差分定位)技术应用最为广泛，载波相位相对定位技术与码差分定位技术的原理类似，均采用两台以上接收机同步观测进行定位，随后解算整周模糊度。在固定整周模糊度后可以达到厘米级甚至毫米级定位精度。
多接收机同步定位的关键是多个射频信号的接收和同步，现有技术中主要采用多天线形成的多个射频接收通道实现。现有的卫星地面接收机系统中通常利用已有的定制导航板卡(俗称OEM板)进行二次开发后得到，OEM板是几家知名设备厂商提供的带有基本功能的标准化集成电路板，一般包括天线、射频前端、基带信号处理、微处理器等硬件，并带有通用的软件。
由于单个OEM板上仅有一个天线接收通道，采用现有方式要组成多天线接收机系统必须使用多块OEM板。如图1、图2所示，现有的多天线接收机硬件结构主要由多块OEM板以不共用时钟或共用时钟的方式集成。其中，图1中使用两块OEM板直接构建双天线系统，由于OEM板仅为单天线而设计，所以当构成的多天线系统时，各板前端和基带均是独立的，它们采用独立的时钟，且大部分没有外部时钟输入功能。图2中对通用的两块OEM板进行了改造，使之共用一个时钟(比如通过晶振进行计时)，通过共用时钟的方式为定向算法提供了有利条件。
现有技术的方案都是采用使用多块导航板卡构建多天线系统，不同板卡前端、基带、时钟均独立，即使使用了一定同步手段，各时钟之间也很容产生误差，会对定位定向测量精度产生较大影响，且接收机体积大、功耗高，此外使用多块相同的导航板卡明显硬件冗余设计多。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明所要解决的技术问题是如何降低多天线接收机系统中时钟误差对定位定向精度的影响。
为解决上述问题，本发明提供了一种单板三天线高精度定位定向接收机，包括：射频单元、基带处理单元、定向处理单元和接口单元；其中，
所述射频单元包括多个射频通道、频率综合器和时钟，每个射频通道独立接收多频点的射频信号，通过所述时钟完成所述多个射频通道的信号同步，通过所述频率综合器确定各通道工作频点；
所述基带处理单元耦接所述射频单元、所述定向处理单元和所述接口单元，对各通道发来的射频信号的进行捕获、跟踪、解调后提供给所述定向处理单元，同时输出观测量数据；
所述定向处理单元还耦接所述接口单元，对所述基带处理单元提供的数据完成定位定向解算后通过接口单元输出结果。
优选地，所述射频单元中：
每个射频通道包括功分器和至少3个不同工作频点的信号处理信道。
优选地，所述处理信道包括：依次串接的第一滤波器、混频器、第二滤波器、放大器、增益相位调整电路和模数转换器。
优选地，所述不同工作频点至少选自：BDS B1、BDS B2、BDS B3以及相应的超宽巷组合、宽巷组合和窄巷组合。
优选地，所述基带处理单元是一片FPGA单板。
优选地，所述基带处理单元包括：信号选择电路、伪码捕获电路、多通道信号跟踪与解调电路、观测量提取电路、定时电路、ARM内核和接口控制电路。
优选地，所述基带处理单元中：
所述伪码捕获电路耦接所述信号选择电路和所述接口控制电路，完成对输入信号的捕获并提供给所述接口控制电路；
所述跟踪与解调电路耦接所述观测量提取电路和所述接口控制电路，完成对输入信号的载波跟踪、码跟踪、导航电文解调并提供给所述接口控制电路；
所述接口控制电路还同时耦接所述观测量提取电路、所述定时电路和所述ARM内核，接收所述观测量提取电路提取的观测量、所述定时电路提供本地时钟修正信息和所述ARM内核的定位解算信息，并完成内部之间、以及与外部电路之间的数据交互。
优选地，所述射频通道为3个，对应处理3个天线“丁”字形布局形成的天线阵接收的射频信号。
优选地，所述定向处理单元采用“星站空间降维法”进行整周模糊度解算。
优选地，所述接收机利用GPS和北斗系统进行联合定位解算。
本发明提供了一种单板三天线高精度定位定向接收机，将多个天线接收到的射频信号经多个射频通道处理，送到同一片FPGA进行基带处理，然后由一个共同的CPU进行定位定向解算。本发明通过一体化设计消除了两套接收机的钟差，有利于优化定向算法；使用FPGA做基带处理，可以在一定程度上根据不同的应用需求更改基带设计，具有较高的灵活性；相对于现有技术的方案，还具有功耗低，体积小等优点。
附图说明
图1为现有技术中不共用时钟的多天线接收机结构示意图；
图2为现有技术中共用时钟的多天线接收机结构示意图；
图3为本发明的一个实施例中单板三天线高精度定位定向接收机的系统结构示意图；
图4为本发明的一个优选实施例中射频单元的结构示意图；
图5为本发明的一个优选实施例中天线阵的布局方式示意图；
图6为本发明的另一个优选实施例中基带处理单元的结构示意图。
具体实施方式
如在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。“大致”是指在可接受的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决所述技术问题，基本达到所述技术效果。此外，“耦接”一词在此包含任何直接及间接的电性连接手段。因此，若文中描述一第一装置耦接于一第二装置，则代表所述第一装置可直接电性连接于所述第二装置，或通过其他装置或连接手段间接地电性连接至所述第二装置。说明书后续描述为实施本发明的较佳实施方式，然所述描述乃以说明本发明的一般原则为目的，并非用以限定本发明的范围。本发明的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。
以下结合附图对本发明作进一步详细说明，但不作为对本发明的限定。
现有的多天线接收机大多由于厂商研发能力有限，只能利用已有的OEM板进行简单的二次开发集成，如前所述，由于OEM板仅为单天线而设计，不同板卡前端、基带、时钟均独立，各时钟之间很容产生误差，进而对定位定向精度造成较大影响。为解决该问题，本发明提出了单板三天线高精度定位定向接收机的技术方案，通过共用本振，消除各通道间的时钟误差，提高精度；通过电源共用，优化设计电路以及采用FPGA做基带处理等措施，进一步减小接收机体积和功耗；通过合理布线、接地设计、电源输入EMI滤波、抑制共模干扰等措施，解决多路接收机电磁兼容问题。
如图3所示，在本发明的一个实施例中，接收机主要包括射频单元、基带处理单元、定向处理单元和接口单元，其中，射频单元包括多个射频通道、频率综合器(图3以频率发生器为例)和时钟(图3以参考振荡器为例)，每个射频通道独立接收多频点的射频信号，通过所述时钟完成所述多个射频通道的信号同步，通过所述频率综合器确定各通道工作频点；基带处理单元耦接射频单元、定向处理单元和接口单元，完成射频信号的捕获、跟踪、解调(主要为GNSS基带处理)后提供给定向处理单元，同时输出观测量数据(包括伪距、载波相位和多普勒等)；定向处理单元还耦接接口单元，完成定位定向解算后通过接口单元输出结果。优选地，所述射频通道为3个，对应处理3个天线接收的射频信号。
在本发明的优选实施例中，射频单元向中频提供10MHz的参考时钟信号，各个射频通道中对天线接收的射频信号进行下变频、滤波和放大处理。射频单元的每个射频通道主要对三个频点(BDS B1、BDS B2、BDS B3)射频信号进行处理。射频通道完成信号的下变频、滤波、放大的功能，同时给基带处理单元提供10MHz参考时钟，整个单元采用3.3V供电。
射频单元结构如图4所示，除频率综合器和时钟外，每个由单个天线接收形成的射频通道包括功分器和至少3个不同工作频点的信号处理信道，天线接收到的信号通过功分器分别进入对应的信号处理信道，每个信号处理信道包括依次串接的第一滤波器、混频器、第二滤波器、放大器、增益相位调整电路和模数转换器，其中，混频器将该信道的接收信号与频率综合器提供的本振信号混频，实现接收信号的下变频；调整完成的模拟信号经模数转换器转换为数字信号提供给基带处理单元。
进一步如图5所示，本发明的优选实施例中利用天线阵接收BDS信号，所述天线阵包括布局成“丁”字形的三天线，每个天线与一个射频通道相对应。在图5中，两辅天线B、C通过长度为d2的第二连接杆直接相连，主天线A通过长度为d1的第一连接杆连接到第二连接杆，三天线的实际位置构成顶角为α的等腰三角形。利用图5中的天线阵进行定向需要确定的是主天线A与正北方的方位角β。利用天线阵以及预先可以得到的附加信息可以进一步提高项目精度：由于卫星距离地面很远，任意两个天线间距离相对较小(约为10米)，因此，卫星信号可以视为平面波；天线阵的布局使得波面阵到达三天线的时间不同，因此每两个天线之间存在相位差，相位差反映了对应的两天线到卫星的距离差，而天线之间的布局数据已知或可精确测量，从而可以由信号的相位差推出导航误差，对导航信息进行修正，获得更高精度的导航定位数据。
更优选地，天线阵采用三套内置低噪声放大器(LNA)的测量型天线，用于感应所有可见的BDS导航卫星信号，并将微弱的天线信号进行初级滤波放大。此外，为了能使天线达到多系统接收的能力，采用了叠层宽带微带天线技术，展宽了天线的带宽，使天线能在两个相隔较远的频率如B1和B3同时工作，解决了双系统工作的隔离问题以及双系统馈电网络的问题。还可采用低损耗、高性能的高频线路板材作为天线的辐射基片，在保证天线带宽的同时抑制天线表面波，使得天线具有一个很高的辐射效率，提高了天线在各个接收方向的增益。通过综合权衡设计天线的辐射片以及反射地板等关键因素，得到一个较宽的天线波束和一个较好的低仰角接收效果以及良好的前后比指标。通过对称性设计和多馈点馈电技术，精心设计天线馈电网络，在天线的各个频段都得到了很好的圆极化轴比指标，提高了系统的抗干扰能力。
射频通道频率方案优先选择不产生组合频率干扰、交调和互调干扰的，倍频锁相环路工作在整数分频模式，降低相位噪声。射频单元的通带特性主要在中频实现，采用声表面波带通滤波器，增益相位调整电路对通道的增益一致性、稳定性以及相位的一致性进行微调。单通道采用0.35μm SiGe BiCMOS工艺制造的单片集成电路，可根据管脚电平设定对B1、B2、B3及S中任意一个导航信号进行下变频处理，并提供整机工作时钟。
上述射频通道里使用的三个频点射频信号(简称北斗三频)可组合成不同波长的相位观测值，其中长波长可改善模糊度搜索，短波长可提高RTK精度。下表1是北斗三频以及三种比较实用的组合的频率、波长和电离层影响，其组合分别为超宽巷(Extra-Wide-Lane，ewl)、宽巷(Wide-Lane，wl)和窄巷(Narrow-Lane，nl)：
信号 频率(MHz) 波长(m) 电离层误差(相对于L1)
B1 1575.42 0.1903 1
B2 1191.795 0.2515 1.7474
B3 1268.52 0.2363 1.5424
B1-B2(宽巷) 383.625 0.7815 -1.3219
B3-B2(超宽巷) 76.725 3.9074 -1.6417
B1+B2(窄巷) 2767.215 0.1083 1.3219
表1北斗三频及其组合的影响
可以看出，超宽巷观测值的波长达到了3.91米，远大于目前双频GPS可组成的86厘米宽巷波长，也远大于伪距的观测噪声和其它的误差。同时三频的伪距也可组合成噪声较小的观测值。从而实现单历元固定超宽巷的模糊度。模糊度固定后的超宽巷载波观测值的精度要高于B1、B2或B3的伪距观测值，进而可以固定宽巷整周模糊度。依此类推，利用模糊度固定后的高精度的载波观测值来搜索窄波长的载波模糊度，从而得到精度较高的窄巷解。
与此同时，三频率载波观测值能更有效地检测周跳。在单一载波发生周跳时不需要经过模糊度搜索可直接计算发生周跳的载波的整周模糊度，而不需要经过模糊度搜索，减少计算量。因为北斗增加了第三频率，电离层的可观测性相对于双频来说也得到了改善，可以提供更有效的消除电离层的组合，消除电离层残差。从而可以提高定向精度。
相对于现有技术的OEM板，本发明的射频单元基于离散器件构成，采用功分直接下变频的方法来实现，其优点是省去两路独立下变频通道，不仅提高了接收信道的利用率，还减少了本振信号的相互干扰；同时，本发明的方案还降低了L波段放大器增益需求，避免发生自激现象。此外，这种方案所采用的元器件，使用数量少，便于控制布板尺寸。
基带处理单元完成射频信号的捕获、跟踪、解调、定位解算等功能，输出伪距、载波相位和多普勒等观测量。在本发明的实施例中，基带处理单元是一片FPGA(FieldProgrammable Gate Array，现场可编程门阵列)单板，在单板里集成了多模多频导航基带处理子模块、ARM内核(如ARM9)、512K内部SRAM、以及所需的各种外设接口组成。如图6所示，基带处理单元包括：信号选择电路、伪码捕获电路、多通道信号跟踪与解调电路、观测量提取电路、定时电路和ARM内核；接口控制电路同时与各类通信接口和功能芯片相耦接。其中，伪码捕获电路耦接信号选择电路和接口控制电路，在伪码捕获电路中完成对BDS B1、BDSB2、BDS B3和S频段信号的捕获；跟踪与解调电路耦接观测量提取电路和接口控制电路，在跟踪解调电路中完成对输入信号的载波跟踪、码跟踪、导航电文解调；由观测量提取电路完成伪距、载波相位和多普勒等观测量的提取，由ARM完成定位解算，由定时电路完成本地时钟修正，再分别提供给接口控制电路；由接口控制电路完成内部之间、以及与外部电路之间的数据交互(比如在外接P码直捕电路中完成BDS B1/B2/B3信号的捕获)。
基带处理单元主要功能是从多址信号中分离识别各卫星信号，对北斗和GPS导航信号进行相关解扩；在得到解扩增益的基础上解调载波，消除频率偏移的影响，恢复基带信号；最后将相关解扩、解调处理的历元时刻所对应的码状态、载波及相位状态形成原始观测量，与导航数据一起传送给定向处理单元，进一步处理解算。
定向处理单元完成定位定向解算，其主要进行整周模糊度解算，包括位置、速度和时间解算等，通过嵌入式微处理器调用存储于FLASH存储器中的算法和软件来实现。其中，如何快速准确解算载波相位整周模糊度是实时定向算法的关键，传统的载波相位整周模糊度算法分为LAMBDA法、模糊度函数法和最小二乘搜索法三类。在本发明的优选实施例中，优选采用“星站空间降维法”，可进一步实现快速高效模糊度解算。该算法思想为：
每个卫星存在整周模糊度，出现周跳后，就会增加一个模糊度未知数，每个观测历元增加三个新的坐标未知数，但所有这些未知数存在一定内在联系。星站空间快速降维法是对于动态定位定向载波相位双差观测方程而言，基于卫星星座和观测数据，通过计算机语言用独立三维星站空间将其内在联系描述出来，进一步基于最小二乘原则在独立三维星站空间求解最优解，然后回到模糊度和坐标未知数空间对其进行求解。
星站空间降维法相对于LAMBDA法，不需要对卫星模糊度建立联立观测方程，得到浮点解，然后进行模糊度搜索；相对于模糊度函数法，极大地减少了需要搜索点的数量，从而减少寻求待选点的过程所需计算时间。星站空间降维法相对于最小二乘搜索法而言，一个历元内的计算量显著降低，为其1/10。另外，星站空间降维法充分利用了单差观测值数据量比双差观测值多一个的特点，在观测相同数目卫星的情况下，所需历元数比基于双差观测值的模糊度函数法平均减少50％。实验结果表明，当同时观测8颗卫星的时候，单基线在30％的情况下仅需一个历元就能确定整周模糊度，双基线在95％的情况下仅需一个历元就能确定整周模糊度。
更优选地，本发明的技术方案中还可利用GPS和北斗系统进行联合定位解算，此时须将GPS和北斗系统的时间和坐标都转换到统一的时间系统和坐标系统基准下进行解算。在联合解算时，可以将北斗系统的时间转换到GPS时间，也可以将北斗系统的时间和GPS时间都统一转换到协调世界时(UTC)，然后进行统一解算。对于坐标，可以将北斗卫星在CGS2000坐标系中的坐标转换成WGS-84坐标，然后在WGS-84坐标系下进行统一解算；也可以将GPS卫星在WGS-84坐标系中的坐标转换成CGS2000坐标，然后在CGS2000坐标系下进行统一解算。当同时利用GPS和北斗卫星的伪距、多普勒或载波相位观测值进行统一解算时，还需要考虑卫星通道之间的延迟误差，可以将该误差当着未知参数与测站坐标、接收机钟差等其他未知参数一起解算。另外，由于GPS和北斗这两个系统的伪距和载波相位观测值的精度差异，为了得出最佳的定位结果，必须对这两个系统的观测值进行合理定权。定权方法一般可以采用验后估计的方法，如Helmert估计法、最小范数二次无偏估计法等。
接口单元主要有RS232/CAN接口、秒脉冲输出接口和外接充电口，完成整个系统的对外数据交换、秒脉冲输出等功能。当然，本发明的接收机还可包括供电模块，包括充电电路(外接充电口亦可设置在供电模块)和电源电路，为整机提供电源，并对外部设备进行二次电源分配。
相对于现有技术，本发明提供了一种单板三天线高精度定位定向接收机，将多个天线接收到的射频信号经多个射频通道处理，送到同一片FPGA进行基带处理，然后由一个共同的CPU进行定位定向解算。本发明通过一体化设计消除了两套接收机的钟差，有利于优化定向算法；使用FPGA做基带处理，可以在一定程度上根据不同的应用需求更改基带设计，具有较高的灵活性；相对于现有技术的方案，还具有功耗低，体积小等优点。
虽然以上结合优选实施例对本发明进行了描述，但本领域的技术人员应该理解，本发明所述的方法和系统并不限于具体实施方式中所述的实施例，在不背离由所附权利要求书限定的本发明精神和范围的情况下，可对本发明作出各种修改、增加、以及替换。

Claims (7)

1.一种单板三天线高精度定位定向接收机，其特征在于，所述接收机包括：天线阵、射频单元、基带处理单元、定向处理单元和接口单元；其中，
所述天线阵包括布局成“丁”字形的三天线，所述天线阵采用三套内置低噪声放大器的测量型天线，并采用叠层宽带微带天线技术展宽了天线的带宽；
所述射频单元包括三个射频通道、频率综合器和时钟，每个射频通道独立接收多频点的射频信号，通过所述时钟完成所述三个射频通道的信号同步，通过所述频率综合器确定各通道工作频点，所述三个射频通道对应处理三个天线“丁”字形布局形成的天线阵接收的射频信号，每个射频通道包括功分器和至少3个不同工作频点的信号处理信道；
所述基带处理单元耦接所述射频单元、所述定向处理单元和所述接口单元，对各通道发来的射频信号的进行捕获、跟踪、解调后提供给所述定向处理单元，同时输出观测量数据；
所述定向处理单元还耦接所述接口单元，对所述基带处理单元提供的数据完成定位定向解算后通过接口单元输出结果，所述定向处理单元采用“星站空间降维法”进行整周模糊度解算。
2.根据权利要求1所述的接收机，其特征在于，所述处理信道包括：依次串接的第一滤波器、混频器、第二滤波器、放大器、增益相位调整电路和模数转换器。
3.根据权利要求1所述的接收机，其特征在于，所述不同工作频点至少选自：BDS B1、BDS B2、BDS B3以及相应的超宽巷组合、宽巷组合和窄巷组合。
4.根据权利要求1所述的接收机，其特征在于，所述基带处理单元是一片FPGA单板。
5.根据权利要求4所述的接收机，其特征在于，所述基带处理单元包括：信号选择电路、伪码捕获电路、多通道信号跟踪与解调电路、观测量提取电路、定时电路、ARM内核和接口控制电路。
6.根据权利要求5所述的接收机，其特征在于，所述基带处理单元中：
所述伪码捕获电路耦接所述信号选择电路和所述接口控制电路，完成对输入信号的捕获并提供给所述接口控制电路；
所述跟踪与解调电路耦接所述观测量提取电路和所述接口控制电路，完成对输入信号的载波跟踪、码跟踪、导航电文解调并提供给所述接口控制电路；
所述接口控制电路还同时耦接所述观测量提取电路、所述定时电路和所述
ARM内核，接收所述观测量提取电路提取的观测量、所述定时电路提供本地时钟修正信息和所述ARM内核的定位解算信息，并完成内部之间、以及与外部电路之间的数据交互。
7.根据权利要求1-6任一所述的接收机，其特征在于，所述接收机利用GPS和北斗系统进行联合定位解算。
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