CN105652289A - 一种全空间可见的星载gps接收系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种全空间可见的星载GPS接收系统，包含GPS天线、抗干扰滤波器、低噪声放大器、合路器、表面声波滤波器、射频前端接收器、通道相关器和中央处理单元；中央处理单元对通道相关器输出的电文进行捕获和跟踪，当捕获到大于或等于N颗GPS导航星时，根据星体姿态信息和GPS天线的安装角度，计算出2副天线根部垂直平分线±δ°范围内的GPS导航星，按照GPS导航星偏离垂直平分线的偏离角度由小到大依次剔除±δ°范围内的GPS导航星，保证剔除后剩余的GPS导航星大于或等于N颗；利用剩余的GPS导航星的电文，计算星体的位置信息和时间信息。本发明使得卫星在非对地定向或进行大角度的摆动时依旧可以稳定的捕获GPS卫星，实现准确的定位和授时功能。

Description

一种全空间可见的星载GPS接收系统
技术领域
本发明涉及一种全空间可见的星载GPS接收系统，适用于对中低轨非对地定向或大角度摆动的卫星的定位和授时。
背景技术
GPS是由美国组建的全球定位系统，可以向有适当接收设备的全球范围内的用户提供精确、连续的三维位置和速度信息，同时也向用户提供全球广播世界协调时(UTC)。GPS组成卫星星座的24颗卫星被安排在6个轨道平面上，即每个平面上4颗，由一个分布在全世界的地面控制/监视网监视着卫星的运行状态，向全世界用户提供服务。
为了获取更准确位置、速度和时间的信息，中低轨道的卫星常常会装载GPS接收系统，用以接收GPS卫星的信号，并通过信号处理解算出所需要的信息。对于传统的星载GPS接收系统(低于GPS卫星轨道的星载GPS接收系统)，其都会选择一个固定的对天面来搜捕空间中的GPS卫星，如图1所示，在捕获到4颗及以上GPS卫星信号后，即可完成实时、精确的定位。
这种方案对于常规工作的卫星，尤其是对于三轴稳定对地观测的卫星，在其正常工作的时候，是完全可以实现准确的定位功能，但对于以下两种情况，这种传统方案就会显现出不足，甚至会完全失效。
1、非对地定向的卫星(无固定对天面的卫星、对宇宙空间任意位置观测的卫星)。
随着卫星功能的多样化的发展，现今的卫星出现了很多对宇宙任意空间观测和指向的需求，例如硬X射线调制望远镜(HXMT)卫星或其它类似任务的空间科学卫星。其特殊的任务需求使得卫星不再是传统的三轴稳定对地姿态，出现了很多对日慢旋、任意空间位置定点指向等姿态模式。因此，如果仍然想实现卫星实时、精确的定位和授时，就必须设计一种全空间可见的星载GPS接收系统，使得卫星在任意姿态下都可以满足对GPS卫星的捕获需求。
2、大角度摆动的卫星
为了增加观测的区域面积，现今的很多对地观测卫星都有了大角度摆动的需求(例如沿某个星体轴摆动30°到90°)，但如果角度摆动太大，就会使卫星无法捕获足够的GPS卫星，无法获得准确的位置和时间信息，使观测结果性能下降。这就是传统三轴稳定对地定向卫星在摆动问题上的局限，因此也需要一种可以实现全空间可见的星载GPS接收系统，使得卫星在大角度摆动的情况下可以满足对GPS卫星的捕获需求，实时获取准确的位置、时间信息。
发明内容
有鉴于此，针对目前卫星无法满足在非对地定向和大角度摆动的情况下还能通过星载GPS系统稳定的获取准确位置、时间信息的情况，提出了一种全空间可见的星载GPS接收系统，使得卫星在非对地定向或进行大角度的摆动时依旧可以稳定的捕获GPS卫星，实现准确的定位和授时功能。
实现本发明的技术方案如下：
一种全空间可见的星载GPS接收系统，包含2副GPS天线、2个抗干扰滤波器、2个低噪声放大器、1个合路器、1个表面声波滤波器、1个射频前端接收器、1个通道相关器和1个中央处理单元；其中，2副GPS天线沿轴向呈θ角安装；2副GPS天线后端分别接1个抗干扰滤波器；2个抗干扰滤波器后端分别接1个低噪声放大器；2个低噪声放大器连接到合路器的输入端口；合路器的输出端口依次连接表面声波滤波器、射频前端接收器、通道相关器和中央处理单元；
所述中央处理单元，用于对通道相关器输出的电文进行捕获和跟踪，当捕获到大于或等于N颗GPS导航星时，读取该接收系统所处星体的姿态信息，根据姿态信息和GPS天线的安装角度，计算出2副天线根部垂直平分线±δ°范围内的GPS导航星，按照GPS导航星偏离垂直平分线的偏离角度大小由小到大排序，然后由小到大依次剔除±δ°范围内的GPS导航星，保证剔除后剩余的GPS导航星大于或等于N颗；利用剩余的GPS导航星的电文，计算星体的位置信息和时间信息，所述N≥5。
进一步地，本发明利用剩余的GPS导航星的电文，计算星体的位置信息和时间信息的过程为：按照每组4颗GPS导航星，对剩余的GPS导航星进行组合，计算各种组合情况下的GDOP值或PDOP值，选取GDOP值或PDOP值最小所对应的一组GPS导航星的电文，计算星体的位置信息和时间信息。
进一步地，本发明所述θ位于160°到200°范围内。
进一步地，本发明所述δ＝5。
本发明从GPS天线接收GPS卫星信号开始，到合路器完成了全空间射频信号的合成，再经后端的射频和基频处理，一直到中央处理单元，就可以完成信号的捕获、处理，以及信息的解算、输出，输出的信息是通过对全空间的GPS卫星搜索捕获获得的。
一种全空间可见的星载GPS接收系统，包括2副GPS天线、2个抗干扰滤波器、2个低噪声放大器、2个表面声波滤波器、2个射频前端接收器、2个通道相关器和1个综合处理器；2副GPS天线沿轴向呈θ角安装；每副GPS天线后端依次连接抗干扰滤波器、低噪声放大器、表面声波滤波器、射频前端接收器、通道相关器形成两个支路，2个通道相关器的输出端分别与综合处理器连接；
所述综合处理器，用于对通道相关器输出的电文进行跟踪捕获，剔除共视星所对应的信噪比较小的通道信号；当捕获到大于或等于N颗GPS导航星时，读取该接收系统所处星体的姿态信息，根据姿态信息和GPS天线的安装角度，计算出2副天线根部垂直平分线±δ°范围内的GPS导航星，按照GPS导航星偏离垂直平分线的偏离角度大小由小到大排序，然后由小到大依次剔除±δ°范围内的GPS导航星，保证剔除后剩余的GPS导航星大于或等于N颗；利用剩余的GPS导航星的电文，计算星体的位置信息和时间信息，所述N≥5。
进一步地，本发明利用剩余的GPS导航星的电文，计算星体的位置信息和时间信息的过程为：按照每组4颗GPS导航星，对剩余的GPS导航星进行组合，计算各种组合情况下的GDOP值或PDOP值，选取GDOP值或PDOP值最小所对应的一组GPS导航星的电文，计算星体的位置信息和时间信息。
进一步地，本发明所述θ位于160°到200°范围内，且2副GPS天线接收端指向星体外侧。
进一步地，本发明所述δ＝5。
本发明从GPS天线接收GPS卫星信号开始，每个支路都完成了信息的捕获和处理，2个支路最终获得的信息再汇总到综合处理器，由综合处理器对全空间的基带信息进行分析计算，最终给出结果。
有益效果
第一，本发明基于射频合路方式的全空间可见的星载GPS接收系统，通过对不同射频通道接收的GPS信号进行合路，然后对合路后的全空间的射频信号进行解算分析并得到位置、时间信息，实现全空间可见的星载GPS接收系统。
第二，基于基带合路方式的全空间可见的星载GPS接收系统，不同的射频通道接收各自方向上的GPS信号，并分别对各通道上的射频信号进行处理，然后将各通道上处理得到的基带信息合路到综合处理器进行统一的解算分析并得到位置、时间信息，实现全空间可见的星载GPS接收系统。
第三，本发明引入星体实时的姿态信息，并结合天线安装角度来剔除一定范围内的GPS导航星，可以有效提高定位、定速的精度。
附图说明
图1为常规星载GPS接收系统的示意图；
图2是本发明射频合路子系统；
图3是本发明基带合路子系统；
图4是标准化GPS天线坐标系的示意图；
图5是中央处理单元的处理流程图；
图6是综合处理器的处理流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
实施例1：
如图2所示，本发明一种全空间可见的星载GPS接收系统，包含2副GPS天线、2个抗干扰滤波器、2个低噪声放大器、1个合路器、1个表面声波滤波器、1个射频前端接收器、1个通道相关器和1个中央处理单元；其中，2副GPS天线沿轴向呈θ角安装；2副GPS天线后端分别接1个抗干扰滤波器；2个抗干扰滤波器后端分别接1个低噪声放大器；2个低噪声放大器连接到合路器的输入端口；合路器的输出端口依次连接表面声波滤波器、射频前端接收器、通道相关器和中央处理单元。
GPS天线分别接收来自正负方向的GPS卫星的信号；抗干扰滤波器完成对GPS卫星信号的滤波；低噪声放大器完成对信号的放大；合路器是一个三端口网络，用于将两路放大后的信号进行射频合成；表面声波滤波器完成对射频信号的滤波；射频前端接收器完成对GPS信号的捕获和跟踪，将射频信号变换到中频信号，并取样量化输出；通道相关器将输出的信号分别完成与预置GPS通道的比较和相关匹配；中央处理单元对通道相关器输出的信息进行解算，给出最终的位置和时间信息。
实施例1结合图2说明采用单频L1频点的射频合路的策略来实现全空间可见的星载GPS接收系统：
1、选择合适的GPS天线并完成其在星体的安装
选择具备如下性质的GPS天线：
接收频带：1575.42±2MHz；
天线增益：不小于-3.0dBi(0°≤θ≤75°，)，不小于-4.0dBi(0°≤θ≤85°，)，天线方向图以天线坐标系为基准，如图4所示(沿天线轴向指向星体外为+Z轴方向)；
极化方式：右旋圆极化；
端口驻波比：≤1.5；
将GPS天线沿轴线向外，呈180°安装在星体两侧。
2、选择合适的抗干扰滤波器并完成其在星体的安装
选择具备如下性质的抗干扰滤波器：
中心频点：f0＝1575.42MHz；
3dB带宽：≤f0±45MHz；
40dB带宽：≤f0±175MHz；
用高频电缆将GPS天线与抗干扰滤波器相连接，抗干扰滤波器的安装位置应尽量靠近GPS天线的输出端口，使与GPS天线连接的高频电缆尽量远，一般不应长于1米。
3、选择合适的低噪声放大器并完成其在星体的安装
选择具备如下性质的抗干扰滤波器：
工作频段：1575.42MHz±2MHz；
增益：30dB～40dB；
增益平坦度：优于±0.5dB；
噪声系数：≤2.5dB；
用高频电缆将抗干扰滤波器与低噪声放大器相连接，低噪声放大器的安装位置应尽量靠近抗干扰滤波器的输出端口，使与抗干扰滤波器的高频电缆尽量远，一般不应长于0.2米。
4、选择合适的合路器并完成其在星体的安装
选择具备如下性质的合路器：
工作频段：1575.42MHz±2MHz；
插入损耗：≤4.0dB；
隔离度：≥20dB；
用高频电缆将2路低噪声放大器的输出端口连接至合路器的2个输入端口。
5、选择合适的表面声波滤波器，并将合路器输出的射频信号连接至表面声波滤波器的输入端口
选择具备如下性质的表面声波滤波器：
中心频点：f0＝1575.42MHz；
1dB带宽：≤f0±2.5MHz；
插入损耗：≤3.5dB；
6、选择合适的射频前端接收器，并将表面声波滤波器的输出连接至射频前端接收器的输入端口
选择具备如下性质的射频前端接收器：
可以接收GPSL1C/A码的射频信号；
完成射频信号到中频信号的变换；
在中频完成对信号的采样输出；
7、选择合适的通道相关器，并将射频前端接收器的输出连接至通道相关器的输入端口
选择具备如下性质的通道相关器：
可以接收射频前端接收器输出的数字信号；
在后端中央处理单元的控制下完成对接收到GPS信号的通道相关和解析；
将相关的各个GPS通道的信息反馈给后端的中央处理单元；
8、选择合适的中央处理单元并进行程序的编写，并将通道相关器的输出连接至中央处理单元的输入端口
硬件组成：包括DSP、程序存储器、数据存储器及相关接口电路；
软件组成：
(a)通道捕获模块：接收通道相关器的数据，完成GPSL1单频导航信号的捕获和跟踪；
(b)解算模块：提取导航电文并完成实时定位解算。通过提取跟踪后输出的码相位、载波相位、传输时延等信息，并对其进行处理，得到伪距、导航卫星时钟、星历等测量信息，进行导航定位求解，最终确定了卫星的位置、速度、时间等信息；
(c)信息输出模块：将位置、速度、时间等信息的数据输出。
如图5所示，解算模块的处理流程为：对于常规的GPS接收系统，在正确捕获跟踪到4颗及以上的GPS导航星后，就可以直接解算输出位置、速度、时间等信息。在本实施例中，同时判断可用星数是否大于等于5颗(实际实现时，可根据卫星轨道、接收能力等因素留有安全解算余量，例如可以将此数值设置为6或更大值)。当卫星捕获到大于等于5颗的GPS导航星时，会从GPS接收系统处所的星体控制分系统读取实时的姿态信息，并根据姿态信息和天线的安装角度，动态的计算出2副天线根部垂直平分线±5°范围内的导航星(实际实现时，±5°的数值可以进行调整)。按照GPS导航星偏离垂直平分线的偏离角度大小由小到大排序，并按照由小到大的顺序依次剔除±5°范围内的GPS导航星，但要保证所有可用星数大于等于5颗。在此情况下，按照每4颗GPS导航星构成一种组合情况，计算剔除后的可用星数各组合下的GDOP值(实际实现时，也可以采用PDOP值等其它判断策略)，选择GDOP值最小所对应的一组GPS导航星的电文，计算星体的位置、速度、时间等信息。
本实施例中表面声波滤波器、射频前端接收器、通道相关器和中央处理单元可以焊接安装在PCB印制板上，通过直流稳压电源供电工作。
实施例2
如图3所示，本实施例一种全空间可见的星载GPS接收系统，包括2副GPS天线、2个抗干扰滤波器、2个低噪声放大器、2个表面声波滤波器、2个射频前端接收器、2个通道相关器和1个综合处理器；2副GPS天线沿轴向呈θ角安装；每副GPS天线后端依次连接抗干扰滤波器、低噪声放大器、表面声波滤波器、射频前端接收器、通道相关器形成两支路，2个通道相关器分别连接综合处理器。
其中GPS天线、抗干扰滤波器、低噪声放大器、表面声波滤波器、射频前端接收器和通道相关器同图2中的设备。这样从通道相关器a就可以输出正方向上所捕获的GPS卫星的信息，从通道相关器b就可以输出负方向上所捕获的GPS卫星的信息，综合处理器搜集两个通道相关器输出的信息，综合解算后给出最终的位置和时间信息。
如图3所示，实施例2说明采用单频L1频点的基带合路的策略来实现全空间可见的星载GPS接收系统：
1、选择合适的GPS天线并完成其在星体的安装(同实施例1)。
2、选择合适的抗干扰滤波器并完成在星体的安装(同实施例1)。
3、选择合适的低噪声放大器并完成在星体的安装(同实施例1)。
4、选择合适的表面声波滤波器，并将2路低噪声放大器输出的射频信号分别连接至2个表面声波滤波器的输入端口，表面声波滤波器的选择同实施例1。
5、选择合适的射频前端接收器，并将2路表面声波滤波器的输出分别连接至2个射频前端接收器的输入端口，射频前端接收器的选择同实施例1。
6、选择合适的通道相关器，并将2路射频前端接收器的输出分别连接至2个通道相关器的输入端口，通道相关器的选择同实施例1。
7、选择合适的综合处理器并进行程序的编写
硬件组成：包括DSP、程序存储器、数据存储器及相关接口电路；
软件组成：
(a)通道捕获模块：接收2个通道相关器的数据，完成GPSL1单频导航信号的捕获和跟踪；
(b)基带信息综合模块：从2个通道相关器接收的数据中分别提取完成捕获和跟踪的通道的码相位、载波相位、传输时延等信息，综合处理后传送给解算模块；
(c)解算模块：对综合后基带信息进行处理，得到伪距、导航卫星时钟、星历等测量信息，进行导航定位求解，最终确定了卫星的位置、速度、时间等信息；
(d)信息输出模块：将位置、速度、时间等信息的数据输出。
如图6所示，基带信息综合模块和解算模块的处理流程为：对于常规的GPS接收系统，在正确捕获跟踪到4颗及以上的GPS导航星后，就可以直接解算输出位置、速度、时间等信息。在本实施例中，从通道相关器a和通道相关器b获得捕获状态和电文信息后，会先判断两个通道的数据中是否有共视星(即两个通道把同一颗GPS导航星捕获跟踪)。如果有共视星，将共视星中信噪比更小那路通道信息剔除(若两路通信信噪比相同，可任意剔除一路，实施例中剔除了b路信息)。然后将两路通道中捕获跟踪的可用星数相加，再判断是否大于等于4或者5。后续流程同实施例1中的操作。
本实施例表面声波滤波器、射频前端接收器、通道相关器和综合处理器可以焊接安装在PCB印制板上，通过直流稳压电源供电工作。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种全空间可见的星载GPS接收系统，其特征在于，包含2副GPS天线、2个抗干扰滤波器、2个低噪声放大器、1个合路器、1个表面声波滤波器、1个射频前端接收器、1个通道相关器和1个中央处理单元；其中，2副GPS天线沿轴向呈θ角安装；2副GPS天线后端分别接1个抗干扰滤波器；2个抗干扰滤波器后端分别接1个低噪声放大器；2个低噪声放大器连接到合路器的输入端口；合路器的输出端口依次连接表面声波滤波器、射频前端接收器、通道相关器和中央处理单元；
所述中央处理单元，用于对通道相关器输出的电文进行捕获和跟踪，当捕获到大于或等于N颗GPS导航星时，读取该接收系统所处星体的姿态信息，根据姿态信息和GPS天线的安装角度，计算出2副天线根部垂直平分线±δ°范围内的GPS导航星，按照GPS导航星偏离垂直平分线的偏离角度大小由小到大排序，然后由小到大依次剔除±δ°范围内的GPS导航星，保证剔除后剩余的GPS导航星大于或等于N颗；利用剩余的GPS导航星的电文，计算星体的位置信息和时间信息，所述N≥5。
2.根据权利要求1所述全空间可见的星载GPS接收系统，其特征在于，所述利用剩余的GPS导航星的电文，计算星体的位置信息和时间信息的过程为：按照每组4颗GPS导航星，对剩余的GPS导航星进行组合，计算各种组合情况下的GDOP值或PDOP值，选取GDOP值或PDOP值最小所对应的一组GPS导航星的电文，计算星体的位置信息和时间信息。
3.根据权利要求1所述全空间可见的星载GPS接收系统，其特征在于，所述θ位于160°到200°范围内。
4.根据权利要求1所述全空间可见的星载GPS接收系统，其特征在于，所述δ＝5。
5.一种全空间可见的星载GPS接收系统，其特征在于，包括2副GPS天线、2个抗干扰滤波器、2个低噪声放大器、2个表面声波滤波器、2个射频前端接收器、2个通道相关器和1个综合处理器；2副GPS天线沿轴向呈θ角安装；每副GPS天线后端依次连接抗干扰滤波器、低噪声放大器、表面声波滤波器、射频前端接收器、通道相关器形成两个支路，2个通道相关器的输出端分别与综合处理器连接；
所述综合处理器，用于对通道相关器输出的电文进行跟踪捕获，剔除共视星所对应的信噪比较小的通道信号；当捕获到大于或等于N颗GPS导航星时，读取该接收系统所处星体的姿态信息，根据姿态信息和GPS天线的安装角度，计算出2副天线根部垂直平分线±δ°范围内的GPS导航星，按照GPS导航星偏离垂直平分线的偏离角度大小由小到大排序，然后由小到大依次剔除±δ°范围内的GPS导航星，保证剔除后剩余的GPS导航星大于或等于N颗；利用剩余的GPS导航星的电文，计算星体的位置信息和时间信息，所述N≥5。
6.根据权利要求5所示全空间可见的星载GPS接收系统，其特征在于，所述利用剩余的GPS导航星的电文，计算星体的位置信息和时间信息的过程为：按照每组4颗GPS导航星，对剩余的GPS导航星进行组合，计算各种组合情况下的GDOP值或PDOP值，选取GDOP值或PDOP值最小所对应的一组GPS导航星的电文，计算星体的位置信息和时间信息。
7.根据权利要求5所示全空间可见的星载GPS接收系统，其特征在于，所述θ位于160°到200°范围内，且2副GPS天线接收端指向星体外侧。
8.根据权利要求5所示全空间可见的星载GPS接收系统，其特征在于，所述δ＝5。
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