CN104459735B - 北斗星基高精度差分服务接收装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种北斗星基高精度差分服务接收装置，北斗天线接收北斗二代B1、B2频点的北斗导航信号，CAPS天线接收C1、C2频点的北斗差分信号；导航信息接收单元接收从北斗天线获取的GNSS信号，转换得到数字中频信号，并完成导航信息和原始观测数据的提取；差分信息接收单元接收从CAPS天线获取的北斗差分信号，转换得到数字中频信号，并完成差分信息的提取；微处理器通过差分算法对原始观测数据和差分数据进行融合，得到广域差分用户的位置和速度。本发明能够实现广域的、实时的北斗差分定位。

Description

北斗星基高精度差分服务接收装置

技术领域

本发明涉及卫星导航技术领域。

背景技术

北斗卫星导航定位系统提供开放服务和授权服务。开放服务在服务区免费提供定位、测速和授时服务；授权服务则用于军事，将向授权用户提供更安全与更高精度的定位、测速和授时服务，外加继承自北斗试验系统的通信服务功能。2012年左右，北斗卫星导航系统提供覆盖亚太地区的导航、授时和短报文通信服务能力。2020年左右，建成覆盖全球的北斗卫星导航系统。

第二代北斗导航卫星系统的用户机可免发上行信号，不再依靠中心站电子高程图处理或由用户提供高程信息，而是直接接收卫星单程测距信号自己定位，系统的用户容量不受限制，并可提高用户位置隐蔽性。

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。

目前的北斗差分数据的发布方式基本上有两种：一是利用差分技术，借助无线电指向标播发差分修正信息；二是仿照‘GPS差分系统的实施方案’向用户提供高精度的导航定位差分改正信息。但是借用无线电发播差分修正信息一是要占用宝贵的频段资源，二是不能实现广域差分。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种北斗星基高精度差分服务接收装置，能够同时接收两个相互独立运行的导航系统的信息，即在接收北斗系统播发的导航信号的同时，还要接收CAPS系统播发的北斗差分信息。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：包括天线模块、导航信息接收单元、时钟单元、差分信息接收单元和微处理器单元；

所述天线模块包括北斗天线和CAPS天线，北斗天线接收北斗二代B1、B2频点的北斗导航信号，CAPS天线接收C1、C2频点的北斗差分信号；

所述导航信息接收单元接收从北斗天线获取的GNSS信号，转换得到数字中频信号，并完成导航信息和原始观测数据的提取；

所述差分信息接收单元接收从CAPS天线获取的北斗差分信号，转换得到数字中频信号，并完成差分信息的提取；

所述时钟单元为导航信息接收单元和差分信息接收单元提供时钟基准；

所述微处理器首先接收导航信息接收单元输入的导航信息和原始观测数据，从中提取原始载波相位观测值，包括伪距信息、载波信息和多普勒信息；其次接收差分信息接收单元输入的北斗差分信息，包括北斗轨道修正、时钟修正、码偏移和用户测距精度及快速时钟修正信息；最后通过差分算法对原始观测数据和差分数据进行融合，得到广域差分用户的位置和速度。

本发明的有益效果是：根据我国北斗二代卫星导航系统应用需求，提出了基于中国区域卫星导航系统(CAPS)的北斗星基高精度差分服务接收装置。CAPS信号使用二相频移键控(BPSK)调制直序扩频信号(DSSS)，CAPS系统卫星利用C1(4143MHz)和C2(3826MHz)载频，采用短精码形式，发射北斗轨道修正、时钟修正、码偏移和用户测距精度及快速时钟修正信息，从而能够实现广域的、实时的北斗差分定位。

附图说明

图1是本发明实施例的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。

本发明是针对北斗二代卫星导航系统和中国区域导航定位系统CAPS两个独立的卫星导航系统的一种北斗星基高精度差分服务接收装置。

本发明的技术解决方案是：

一种北斗星基高精度差分服务接收装置包括：天线模块、导航信息接收单元、时钟单元、差分信息接收单元和微处理器单元。

所述天线模块包括北斗天线和CAPS天线，北斗天线能够接收北斗二代B1(1561MHz)、B2(1207MHz)频点的北斗导航信号，CAPS天线能够接收C1(4143MHz)、C2(3826MHz)频点的北斗差分信号。

所述导航信息接收单元接收通过同轴电缆从北斗天线获取的GNSS信号，射频部分完成射频输入信号到中频信号的转换以及模拟中频信号到数字中频信号的转换；基带处理单元负责完成导航信息和原始观测数据的提取。该单元支持北斗二代的B1、B2频点，提供毫米级载波相位观测值和RTK定位精度，适合高精度测量定位应用。

所述差分信息接收单元接收通过同轴电缆从CAPS天线获取北斗差分信号，射频部分完成射频输入信号到中频信号的转换以及模拟中频信号到数字中频信号的转换；基带处理单元负责完成差分信息的提取，该单元支持CAPS的C1、C2频点信号。

所述时钟单元由本振和倍频电路组成，为导航信息接收单元和差分信息接收单元提供时钟基准。

所述微处理器首先接收导航信息接收单元输入的信息，从信息中提取原始载波相位观测值，包括伪距信息、载波信息和多普勒信息；其次接收差分信息接收单元输入的北斗差分信息，包括北斗轨道修正、时钟修正、码偏移和用户测距精度及快速时钟修正信息；最后通过差分算法对原始观测数据和差分数据进行融合，得到广域差分用户的位置和速度。

举例来说，北斗星基高精度差分服务接收装置包括北斗天线1，CAPS天线2，北斗射频处理单元3，北斗信号基带处理单元4，时钟单元5，CAPS射频处理单元6，北斗差分信号基带处理单元7，微处理器单元8。

北斗天线1是双频有源天线，其技术指标如下：

频率：B1＝1561MHz，B2＝1207MHz；

极化方式：右旋圆极化；

输入输出驻波：≤2.0；

轴比：≤3dB；

增益：～40dB；

噪声系数：≤2dB

阻抗：50Ω。

CAPS天线2是双频有源天线，有源天线由无源全向微带贴片天线和有源放大网络(LNA)组成。由天线接收的射频信号经LNA放大后输入到功分器(即中心频率分别为C1、C2的带通滤波器)分离出C1和C2，然后分成C1通道和C2通道两路信号输出。双频有源天线技术指标如下：

工作频段：3800～4200MHz；

极化方式：右旋圆极化RHCP；

轴比：≤2dB；

增益：～35dB；

噪声系数：≤1.5dB

输入输出驻波：≤1.7；

阻抗：50Ω。

北斗射频处理单元3包括下变频器和AD转换器。首先对接收到的北斗卫星信号进行滤波、放大，然后将放大后的射频信号送至下变频器，下变频将输入的射频信号下变频为模拟中频信号。该模拟中频信号经滤波、放大后，送往AD转换模块进行采样。采样率的选择要根据输出的中频载波频率，在满足奈奎斯特采样定律的条件下尽可能采用较低的采样率，以便提高系统的可靠性。采样产生的数字中频信号被送往北斗信号基带处理单元4。

北斗射频处理单元3主要参数：

信号中心频率：B1——1561MHz

B2——1207MHz

输入射频信号动态范围：-80～-105dBm

中频通道中心频率：B1——46.098MHz±2.046MHz

B2——46.14MHz±10.23MHz

本振参考时钟：频率——10MHz

波形——正弦

电压峰峰值——1.2～1.8V

频率稳定度——≤0.5ppm

北斗信号基带处理单元4内置300MHz处理器和30个逻辑通道，包括调制模块、相关器、匹配滤波器、码发生器和内嵌CPU。每个调制模块可支持不同的调制模式，包括BPSK、BOC、mBOC、ALtBOC等；相关器、匹配滤波器和FFT混合应用，实现捕获跟踪算法最优化；码发生器可支持不规则测距码、PRN和片外产生的实时更换的测距码等各种不同的测距码；内嵌CPU实现算法功能一体化，可快速捕获北斗系统B1和B2频点的精密测距码，具有较快的捕获速度、极高的动态跟踪范围和测量精度。北斗信号基带处理单元采用了抗多路径干扰算法，能够提供高质量的原始观测量输出，其原始观测量更新频率达10Hz。北斗信号基带处理单元支持接收机自主完好性检测，保障了位置信息的安全性和可靠性。其解码产生的原始观测量以及导航电文信息以NMEA0183格式送往微处理器单元8。

时钟单元5由本振和倍频电路构成，为北斗射频处理单元3和CAPS射频处理单元6提供基准频率，从而保证两个接收单元时钟信号的相位一致性。倍频电路的控制信号由北斗差分信号基带处理单元7提供。由于本振信号的低端相位噪声对时钟信号的质量有较大影响，因此设计中本振信号采用稳定度优于0.5PPM的温补晶振。该温补晶振相位噪声满足-120dBc/Hz@100Hz、-130dBc/Hz@1KHz。

CAPS射频处理单元6包含低噪放、本振信号产生器、混频器、中频滤波器、中频放大器和ADC。

射频部分包括两级低噪声放大器(LNA)，其工作的中心频率为3826MHz。

本振信号产生器是一个锁相环，其参考频率信号从片外输入。参考频率信号的幅度可以是Vpp≥800mV的削峰正弦波，也可以是3V的CMOS/LVTTL逻辑电平。

在本振信号的驱动下，混频器将来自LNA，频率为3826MHz的射频小信号变换为频率为16MHz的中频信号。

中频滤波器由两级滤波器级联而成，为贝塞尔型，具有最大群时延平坦特性。其中心频率的调节范围在12MHz～20MHz附近，标称值16.02MHz，3dB带宽的调节范围在17MHz～24MHz附近，标称值20.46MHz。当接收装置工作环境有带外强干扰时，考虑到贝塞尔原型的带外抑制有限，因此在硬件设计中增加了额外的射频滤波器。

中频放大器共7级，每级增益可独立设置。中频放大器具有AGC工作模式，AGC逻辑根据ADC编码结果的统计规律自动调节中频放大器的增益，调节目标是使ADC的量化噪声功率与信号总功率的比值最小。打开AGC之前必须使ADC正常工作，AGC电路控制中频放大器的第1级～第6级增益。

ADC电路依靠外部输入的采样时钟工作，输出4位数字中频信号，采样时钟的频率可在50MHz～100MHz之间任意选择。ADC有折叠码和补码2种编码格式供选择，折叠码的对称性较好，因此设计中选择折叠码格式。

CAPS射频处理单元6主要参数：

信号中心频率：3826.02MHz

输入射频信号动态范围：≤-75dBm

中频通道中心频率：12MHz～20MHz

本振参考时钟：10MHz或20MHz

模拟中频输出幅度：差分1Vp-p

ADC输入时钟频率：50MHz～100MHz

北斗差分信号基带处理单元7由相关器和DSP组成，可同时跟踪多路卫星信号，可实现多系统组合导航。

相关器是专门用于处理中频导航信号的部件，包括24个相关器通道、匹配滤波器和时标产生器。经ADC转换后的中频信号由数字中频输入口引入相关器，送往相关器通道。相关器有两个作用：一是用本地载波和本地扩频码对中频信号进行解调和解扩，从而解调出导航电文；二是进行伪距测量。所有打开的通道都会在测量时标信号的驱动下同时锁存本地码和本地载波的状态，当本地码和载波与信号同步时，它们的状态就反映了信号的状态从而换算出伪距。

匹配滤波器用于快速捕获导航信息，其与通道连接后具有与通道相同的载波频率、码钟速率和积分起止时间，对通道起作用的修改载波频率、修改码钟速率、本地码滑移、修改积分时间等操作同时也对匹配滤波器起作用。它所包含的并行相关阵列中共有1024个相关器，每一节对应一个码片周期的延迟。为了使匹配滤波器正常工作，采样频率应大于其所操作的码片速率的8倍。

时标产生器以采样时钟为基准时钟，产生一个周期性的中断信号、伪距测量信号和PPS脉冲输出信号。

DSP包括两条总线—数据总线和程序总线，程序总线主要提供DSP运行时取指令，也可用于程序存储器保存数据；数据总线连接DSP和数据存储器、相关器、匹配滤波器以及所有的I/O设备，对相关器、匹配滤波器及所有I/O设备的操作都是通过读写存储器映射的寄存器实现的。该DSP不支持对片外存储器空间的访问，其产生的差分信息送往微处理器单元8。

微处理器单元8负责对接收到的北斗原始观测量、导航数据和北斗差分数据进行响应、处理和控制，它通过串口与北斗信号基带处理单元4和北斗差分信息基带处理单元7相连接。通过该接口微处理器单元8可对北斗信号基带处理单元4和北斗差分信息基带处理单元7进行配置，得到导航电文、集成电路工作状态等信息。然后完成差分改正信息处理、定位解算、完善性分析、导航参数计算和标准导航信息输出等功能。微处理器单元功能在PC机上实现。

Claims (1)

1.一种北斗星基高精度差分服务接收装置，包括天线模块、导航信息接收单元、时钟单元、差分信息接收单元和微处理器单元，其特征在于：所述天线模块包括北斗天线和CAPS天线，北斗天线接收北斗二代B1、B2频点的北斗导航信号，CAPS天线接收C1、C2频点的北斗差分信号；所述导航信息接收单元接收从北斗天线获取的北斗导航信号，转换得到数字中频信号，并完成导航信息和原始观测数据的提取；所述差分信息接收单元接收从CAPS天线获取的北斗差分信号，转换得到数字中频信号，并完成差分信息的提取；所述时钟单元为导航信息接收单元和差分信息接收单元提供时钟基准；所述微处理器单元首先接收导航信息接收单元输入的导航信息和原始观测数据，从中提取原始载波相位观测值，包括伪距信息、载波信息和多普勒信息；其次接收差分信息接收单元输入的北斗差分信息，包括北斗轨道修正、时钟修正、码偏移和用户测距精度及快速时钟修正信息；最后通过差分算法对原始观测数据和差分数据进行融合，得到广域差分用户的位置和速度。