CN105785403A - 一种双线性极化天线的卫星信号捕获系统及捕获方法 - Google Patents

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马冠
马冠一
万庆涛
范江涛
李婧华
张�杰
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    • G01S19/01Satellite radio beacon positioning systems transmitting time-stamped messages, e.g. GPS [Global Positioning System], GLONASS [Global Orbiting Navigation Satellite System] or GALILEO
    • G01S19/13Receivers
    • G01S19/24Acquisition or tracking or demodulation of signals transmitted by the system

Abstract

本发明提供了一种双线性极化天线的卫星信号捕获系统及捕获方法,其中,所述系统包括:天线模块,所述天线模块用于辐射和接收电磁波信号,所述天线模块包括垂直极化天线和水平极化天线,及所述垂直极化天线对应的第一带通滤波器和水平极化天线对应的第二带通滤波器;射频模块,所述射频模块用于生成中频信号,所述基带信号处理模块,用于根据所述中频信号生成数字信号,并将所述数字信号解析为导航信号;其中,所述天线模块与所述射频模块相连接,所述射频模块与所述基带信号处理模块相连接。能够有效改善单路信号信噪比,提高接收机捕获信号速率,实现快速定位。

Description

一种双线性极化天线的卫星信号捕获系统及捕获方法
技术领域
[0001]本发明属于卫星通信技术领域,尤其是涉及一种双线性极化天线的卫星信号捕获系统及捕获方法。
背景技术
[0002]卫星导航定位系统是一种由导航卫星、地面站以及定位设备所组成的成套装备系统,它用于完成卫星导航定位任务。为了发展独立、高灵活性、低成本的区域性卫星导航定位系统,目前,提出了一种基于通信卫星的卫星导航定位系统(简称CAPS系统),它采用在轨的对地同步轨道(GEO)卫星、倾斜地球同步轨道(IGSO)卫星作为导航卫星,地面导航站采用高精度原子钟,产生测距码、导航电文和时间信息,通过地面导航站发射上行,经卫星转发器透明转发后广播下行。CAPS系统采用的是二相相移键控(Binary Phase Shift Keying,BPSK)调制直序扩频信号(Direct Sequence Spread Spectrum,DSSS),利用C波段的载波完成信号调制。接收机通过对卫星转发的导航信号的捕获、解码以实现精密定位、授时和测速。
[0003]系统中,下行信号的极化方式由卫星转发器天线的极化方式所决定。由于不同卫星转发器的极化方式不同(垂直线极化或水平线极化),如果接收机采用圆极化天线以实现对不同极化方式导航信号的接收,会引起相应的极化损耗。
发明内容
[0004]本发明实施例提供了一种双线性极化天线的卫星信号捕获系统及捕获方法,以解决接收机极化天线损耗的技术问题。
[0005]第一方面,本发明实施例提供了双线性极化天线的卫星信号捕获系统,所述系统包括:
[0006]天线模块,所述天线模块用于辐射和接收电磁波信号,所述天线模块包括垂直极化天线和水平极化天线,及所述垂直极化天线对应的第一带通滤波器和水平极化天线对应的第二带通滤波器;
[0007]射频模块,所述射频模块用于生成中频信号,所述射频模块包括对应垂直极化天线的第一射频模块和对应水平极化天线的第二射频模块,所述第一模块的第一频率合成器与第二模块的第二频率合成器共用一个参考晶振;
[0008]所述基带信号处理模块,用于根据所述中频信号生成数字信号,并将所述数字信号解析为导航信号;
[0009]其中,所述天线模块与所述射频模块相连接,所述射频模块与所述基带信号处理模块相连接。
[0010]进一步的,所述第一射频模块,还包括:第一混频器、第一增益放大器和第一中频放大器;
[0011]所述第二射频模块,还包括:第二混频器、第二增益放大器和第二中频放大器;
[0012]所述第一增益放大器用于放大本振频率幅度,所述第一混频器用于将滤波后的导航信号频率减去本振频率,得到第一中频信号,所述第一中频放大器用于放大第一中频信号;
[0013]所述第二增益放大器用于放大本振频率幅度,所述第二混频器用于将滤波后的导航信号频率减去本振频率,得到第二中频信号,所述第一中频放大器用于放大第一中频信号。
[0014]进一步的,所述基带信号处理模块包括:数据采集卡和软件定义无线电接收机;
[0015]所述数据采集卡用于采集放大后的中频信号;
[0016]所述软件定义无线电接收机用于对中频信号进行捕获。
[0017]进一步的,所述垂直极化天线和水平极化天线覆盖范围为方位0°〜360°,天顶角为20°〜58°。
[0018]进一步的,所述第一射频单元与第二射频单元的增益为25dB,噪声系数1.2dB,输入阻抗匹配为50,隔离度25dB。
[0019]第二方面,本发明实施例提供了一种基于双线性极化天线的卫星信号的捕获方法,所述方法基于上述实施例提供的任一所述双线性极化天线的卫星信号捕获系统实现,所述方法包括:
[0020]通过垂直极化天线接收卫星发送的第一导航信号,通过水平极化天线接收卫星发送的第二导航信号;
[0021]对第一导航信号和第二导航信号分别利用并行码相位搜索捕获算法捕获频率;
[0022]当只有第一导航信号或第二导航信号实现捕获时,输出第一导航信号或第二导航信号捕获结果;
[0023]在第一导航信号和第二导航信号均实现捕获时,计算用于最大比合并的最佳权值,并按照最大比合并实现信号的合并;
[0024]利用并行码相位搜索捕获算法对合成信号进行捕获,输出合成信号的捕获结果。
[0025]本发明实施例提供的基于双线性极化天线的卫星信号的捕获系统及捕获方法,通过设置垂直极化天线和水平极化天线,及垂直极化天线和水平极化天线对应的接收电路,能够有效改善单路信号信噪比,提高接收机捕获信号速率,实现快速定位。
附图说明
[0026]为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动性的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0027]图1是本发明第一实施例提供的双线性极化天线的卫星信号捕获系统的结构示意图;
[0028]图2是本发明第二实施例提供的双线性极化天线的卫星信号捕获方法的流程示意图;
[0029]图3是本发明第二实施例提供的双线性极化天线的卫星信号捕获方法的过程示意图。
具体实施方式
[0030]下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
[0031 ] 实施例一
[0032]图1是本发明第一实施例提供的双线性极化天线的卫星信号捕获系统的结构示意图。参见图1,所述双线性极化天线的卫星信号捕获系统,包括:
[0033]天线模块,所述天线模块用于辐射和接收电磁波信号,所述天线模块包括垂直极化天线和水平极化天线,及所述垂直极化天线对应的第一带通滤波器和水平极化天线对应的第二带通滤波器;
[0034]射频模块,所述射频模块用于生成中频信号,所述射频模块包括对应垂直极化天线的第一射频模块和对应水平极化天线的第二射频模块,所述第一模块的第一频率合成器与第二模块的第二频率合成器共用一个参考晶振;
[0035]所述基带信号处理模块,用于根据所述中频信号生成数字信号,并将所述数字信号解析为导航信号;
[0036]其中,所述天线模块与所述射频模块相连接,所述射频模块与所述基带信号处理模块相连接。
[0037]在卫星导航系统中,包括:地面的导航中心站、导航卫星以及接收终端。其中,所述的导航卫星为位于赤道上空的同步通信卫星,所述同步通信卫星至少有四颗,本实施例中包括第一卫星1、第二卫星2、第三卫星3以及第四卫星4,每颗卫星上都设有一个或多个卫星转发器;导航中心站5将带有调制相同测距码的可跳变导航频点的导航信号发送至所述卫星1、2、3、4,由所述卫星1、2、3、4中的卫星转发器实现所述导航信号的转发。接收终端设有双线性极化天线,并通过双线性极化天线接收卫星导航信号,将载波频点转换为一个固定的中频信号,并对中频信号进行实时采集。
[0038]所述垂直极化天线对应的第一带通滤波器和水平极化天线对应的第二带通滤波器。所述垂直极化天线和水平极化天线分别接收导航信号后,导航信号经所述低噪声放大器放大后传输到所述带通滤波器,由所述带通滤波器对该导航信号做滤波操作。
[0039]在对导航信号进行滤波操作后,所述导航信号进入射频模块,所述射频模块用于生成中频信号。所述射频模块包括对应垂直极化天线的第一射频模块和对应水平极化天线的第二射频模块,所述第一模块的第一频率合成器与第二模块的第二频率合成器共用一个参考晶振。具体的,所述增益放大器放大本振频率幅度,在所述的混频器中,滤波后的导航信号频率减去本振频率,分别得到中频信号I和中频信号2。
[0040]中频信号I和中频信号2经中频放大器放大后分别进入基带信号处理模块。基带信号处理模块包括:数据采集卡和软件定义无线电接收机;所述数据采集卡用于采集放大后的中频信号;所述软件定义无线电接收机用于对中频信号进行捕获。数据采集卡进行实时数据采集,最后由软件定义无线电接收机对中频数字信号做捕获,采用最大比合并捕获算法,提高卫星信号接收机捕获信号速率,实现快速定位。数据采集卡可采用凌华PC1-9820采集卡,以60MHz的采样率对两路卫星导航信号持续采样20ms,即一个CAPS导航信号码周期内(Ims)有60000个采样点;软件定义无线电接收机利用软件编程实现双线性极化天线系统信号合成捕获算法,算法中利用9ms的数据完成Ims的相干积分和9次非相干积分,以500Hz的频率步进值,搜索± 7KHz的频率范围。
[0041]为使双线性极化天线的卫星信号捕获系统实现更好的捕获信号效果,所述垂直极化天线和水平极化天线满足以下性能指标:天线覆盖范围为方位0°〜360°,天顶角为20°〜58°,波瓣中心增益为5.5dBi,波瓣中心点土 19°处的增益为2.5dBi,驻波比1.5。
[0042] 此外,所述低噪声放大器和以及带通滤波器在同一个射频单元上实现,在垂直极化天线与水平极化天线的后端分别连接该射频单元,该射频单元的性能指标满足下列条件:增益25dB,噪声系数1.2dB,输入阻抗匹配为50,隔离度25dB。
[0043]所述射频模块的性能指标需满足下列条件:镜像抑制:20dBc;噪声系数:1.5dB;相位噪声:-75dBcil00Hz,-82dBcilKHz,-86dBcilOKHz,-96dBcil00KHz ;本振泄露:70dBm ;带外杂散:-60dBc ;带内杂散:-50dB。
[0044]本实施例提供的基于双线性极化天线的卫星信号的捕获系统及捕获方法,通过设置垂直极化天线和水平极化天线,及垂直极化天线和水平极化天线对应的接收电路,能够有效改善单路信号信噪比,提高接收机捕获信号速率,实现快速定位。
[0045] 实施例二
[0046]图2是本发明第二实施例提供的双线性极化天线的卫星信号捕获方法的流程示意图;图3是本发明第二实施例提供的双线性极化天线的卫星信号捕获方法的过程示意图。本实施例所提供的方法基于上述实施例实现。
[0047]参见图2及图3,所述双线性极化天线的卫星信号捕获方法,包括:
[0048]步骤201,通过垂直极化天线接收卫星发送的第一导航信号,通过水平极化天线接收卫星发送的第二导航信号。
[0049]导航中心站发送导航频点的导航信号;导航卫星接收到导航中心站发送的导航信号后,将导航信号进行透明转发。接收终端通过配置的垂直极化天线和水平极化天线分别接收卫星发送的导航信号。
[0050]步骤202,对第一导航信号和第二导航信号分别利用并行码相位搜索捕获算法捕获频率。
[0051]通过对导航信号进行滤波操作后生成中频信号,软件定义无线电接收机对中频信号进行并行码相位搜索捕获算法捕获。
[0052]步骤203,当只有第一导航信号或第二导航信号实现捕获时,输出第一导航信号或第二导航信号捕获结果。
[0053]当只有一路信号实现捕获时,选择器直接输出该路的捕获结果。
[0054]步骤204,在第一导航信号和第二导航信号均实现捕获时,计算用于最大比合并的最佳权值,并按照最大比合并实现信号的合并。
[0055]当两路信号均实现捕获时,计算用于最大比合并的最佳权值,与经过同步的信号(码相位迟延输出信号)相乘,送入加法器完成信号的最大比合并。
[0056]步骤205,利用并行码相位搜索捕获算法对合成信号进行捕获,输出合成信号的捕获结果。
[0057] 本实施例通过通过设置垂直极化天线和水平极化天线,及垂直极化天线和水平极化天线对应的接收电路,,采用并行码相位搜索捕获算法对合成信号进行捕获,可以能够有效改善单路信号信噪比,提高接收机捕获信号速率,实现快速定位。
[0058]所属领域的技术人员可以清楚地了解到,为描述的方便和简洁,上述描述的系统、装置和单元的具体工作过程,可以参考前述方法实施例中的对应过程,在此不再赘述。
[0059]在本申请所提供的几个实施例中,应该理解到,所揭露的系统、装置和方法,可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的,例如,所述单元的划分,仅仅为一种逻辑功能划分,实际实现时可以有另外的划分方式,又例如,多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统,或一些特征可以忽略,或不执行。另一点,所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些通信接口,装置或单元的间接耦合或通信连接,可以是电性,机械或其它的形式。
[0060]所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的,作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元,即可以位于一个地方,或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
[0061]另外,在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中,也可以是各个单元单独物理存在,也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。
[0062]所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时,可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解,本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来,该计算机软件产品存储在一个存储介质中,包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机,服务器,或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括:U盘、移动硬盘、只读存储器(R0M,Read-0nly Memory)、随机存取存储器(RAM,Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
[0063]以上所述,仅为本发明的具体实施方式,但本发明的保护范围并不局限于此,任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内,可轻易想到变化或替换,都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此,本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种双线性极化天线的卫星信号捕获系统,其特征在于,包括: 天线模块,所述天线模块用于辐射和接收电磁波信号,所述天线模块包括垂直极化天线和水平极化天线,及所述垂直极化天线对应的第一带通滤波器和水平极化天线对应的第二带通滤波器; 射频模块,所述射频模块用于生成中频信号,所述射频模块包括对应垂直极化天线的第一射频模块和对应水平极化天线的第二射频模块,所述第一模块的第一频率合成器与第二模块的第二频率合成器共用一个参考晶振; 所述基带信号处理模块,用于根据所述中频信号生成数字信号,并将所述数字信号解析为导航信号; 其中,所述天线模块与所述射频模块相连接,所述射频模块与所述基带信号处理模块相连接。
2.根据权利要求1所述的系统,其特征在于,所述第一射频模块,还包括:第一混频器、第一增益放大器和第一中频放大器; 所述第二射频模块,还包括:第二混频器、第二增益放大器和第二中频放大器; 所述第一增益放大器用于放大本振频率幅度,所述第一混频器用于将滤波后的导航信号频率减去本振频率,得到第一中频信号,所述第一中频放大器用于放大第一中频信号; 所述第二增益放大器用于放大本振频率幅度,所述第二混频器用于将滤波后的导航信号频率减去本振频率,得到第二中频信号,所述第一中频放大器用于放大第一中频信号。
3.根据权利要求1所述的系统,其特征在于,所述的基带信号处理模块包括:数据采集卡和软件定义无线电接收机; 所述数据采集卡用于采集放大后的中频信号; 所述软件定义无线电接收机用于对中频信号进行捕获。
4.根据权利要求1所述的基于双线性极化天线的卫星信号捕获系统,其特征在于,所述垂直极化天线和水平极化天线覆盖范围为方位0°〜360°,天顶角为20°〜58°。
5.根据权利要求4所述的方法,其特征在于,所述第一射频单元与第二射频单元的增益为25dB,噪声系数1.2dB,输入阻抗匹配为50,隔离度25dB。
6.—种基于双线性极化天线的卫星信号的捕获方法,所述方法基于权利要求1-5任一所述双线性极化天线的卫星信号捕获系统实现,其特征在于,所述方法包括: 通过垂直极化天线接收卫星发送的第一导航信号,通过水平极化天线接收卫星发送的第二导航信号; 对第一导航信号和第二导航信号分别利用并行码相位搜索捕获算法捕获频率; 当只有第一导航信号或第二导航信号实现捕获时,输出第一导航信号或第二导航信号捕获结果; 在第一导航信号和第二导航信号均实现捕获时,计算用于最大比合并的最佳权值,并按照最大比合并实现信号的合并; 利用并行码相位搜索捕获算法对合成信号进行捕获,输出合成信号的捕获结果。
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