CN108169771A - 高动态卫星导航接收机 - Google Patents

Abstract

高动态卫星导航接收机，包括射频处理单元以及与射频处理单元连接的高动态卫星导航接收机处理系统，高动态卫星导航接收机处理系统包括捕获跟踪单元、定位解算单元；捕获跟踪单元包括射频前端控制管理模块和信号捕获跟踪模块，射频前端控制管理模块用于对射频前端参数进行修正调整，信号捕获跟踪模块在软件与逻辑协同工作下实现对GPS和北斗卫星信号的捕获和跟踪；信号捕获跟踪模块采用正负仰角卫星并行捕获算法和信号惯性跟踪算法；定位解算单元包括PVT解算模块和原始观测数据解析模块，所述PVT解算模块根据GPS和北斗码测距信息计算载体位置速度信息；原始观测数据解析模块根据捕获跟踪的卫星信号，解析出载波相位、伪距原始观测数据。

Description

高动态卫星导航接收机

技术领域

本发明涉及卫星导航接收机，特别涉及一种高动态卫星导航接收机。

背景技术

为了提高我国弹药的打击精度，精确制导炮弹、火箭弹在弹道飞行过程中都需要有空间和时间信息的支持，卫星导航接收机为弹道飞行器提供高精度的三维位置和速度以及时间信息，同时可提供硬件授时同步脉冲。

炮弹弹道条件的显著特点：高冲击、高速度、高旋转等动态条件对接收信号影响较大，从而造成捕获难，跟踪后容易失锁，因此接收机在姿态变化剧烈前提条件下的信号处理方法显的尤为关键。

因此，现有高动态卫星导航机存在的问题，有待于进一步改进和发展。

发明内容

（一）发明目的：为解决上述现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种快速捕获、跟踪、精确定位的高动态卫星导航接收机。

（二）技术方案：

高动态卫星导航接收机，包括射频处理单元，其中，

还包括与所述射频处理单元连接的高动态卫星导航接收机处理系统，所述高动态卫星导航接收机处理系统分别连接RS232通信单元和应用载荷；

高动态卫星导航接收机处理系统包括捕获跟踪单元、定位解算单元、时间管理单元、通信处理单元和异常处理单元；

所述捕获跟踪单元包括射频前端控制管理模块和信号捕获跟踪模块，所述射频前端控制管理模块用于对射频前端参数进行修正调整，所述信号捕获跟踪模块在软件与逻辑协同工作下实现对GPS和北斗卫星信号的捕获和跟踪；

所述信号捕获跟踪模块采用正负仰角卫星并行捕获算法和信号惯性跟踪算法；

所述定位解算单元包括PVT解算模块和原始观测数据解析模块，所述PVT解算模块根据GPS和北斗码测距信息计算载体位置速度信息；所述原始观测数据解析模块根据捕获跟踪的卫星信号，解析出载波相位、伪距原始观测数据；

所述时间管理单元包括授时管理模块和时间码管理模块，所述授时管理模块向相关的应用载荷输出1PPS授时信号及GPS时间码，所述时间码管理模块根据信息处理计算机的广播时间码对本地时间进行校时。

所述的高动态卫星导航接收机，其中，所述射频处理单元包括低噪声放大器、功分器、频率合成器、混频器、滤波器。

所述的高动态卫星导航接收机，其中，所述卫星导航接收机的硬件包括，天线罩、天线、尾座以及接收机，所述天线罩遮罩所述天线并固定在所述尾座上，所述天线通过PCB板固定在所述尾座上；所述尾座包括中空内腔，所述中空内腔内设置接收机。

所述的高动态卫星导航接收机，其中，所述接收机包括射频接收板、数字处理板和双层固定架，所述射频接收板和数字处理板分别固定在所述双层固定架的上下层。

所述的高动态卫星导航接收机，其中，所述天线罩为锥形，所述天线罩通过螺纹旋接的方式固定在所述尾座的外侧侧壁上。

所述的高动态卫星导航接收机，其中，所述射频接收板和数字处理板通过双排排针实现通讯和供电连接。

（三）有益效果：本发明针对炮弹、火箭弹等高动态、大过载、旋转飞行或姿态变化剧烈的实际需求，阐述了卫星导航接收机的软硬件方案设计技术流程。具有能在“高动态、高旋转、抗高冲击”状态下，快速捕获、跟踪、精确定位的能力。这是目前国内体积、功耗最小的高动态弹载接收机。

附图说明

图1是本发明高动态卫星导航接收机的整体结构示意图；

图2是本发明高动态卫星导航接收机的处理系统的功能结构示意图；

图3是本发明高动态卫星导航接收机的硬件结构示意图；

图4是本发明高动态卫星导航接收机的接收机部分结构示意图；

图5是本发明高动态卫星导航接收机一个优选的实施例接收机B的原理图；

图6是本发明高动态卫星导航接收机一个优选的实施例定轨接收机系统原理图；

图7是本发明高动态卫星导航接收机一个优选的实施例射频信号处理单元的电路图；

图8是本发明高动态卫星导航接收机一个优选的实施例数字信号处理单元的原理图；

图9是本发明高动态卫星导航接收机一个优选的实施例外部时钟输入电路图；

图10是本发明高动态卫星导航接收机一个优选的实施例第一/第二导航模块内部时钟切换电路图。

具体实施方式

下面结合优选的实施例对本发明做进一步详细说明，在以下的描述中阐述了更多的细节以便于充分理解本发明，但是，本发明显然能够以多种不同于此描述的其他方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下根据实际应用情况作类似推广、演绎，因此不应以此具体实施例的内容限制本发明的保护范围。

本发明提供的高动态卫星导航接收机，如图1所示，包括射频处理单元，以及与所述射频处理单元连接的高动态卫星导航接收机处理系统，所述高动态卫星导航接收机处理系统分别连接RS232通信单元和应用载荷。

所述射频处理单元是连接天线和数字信号处理单元的桥梁，它包含有低噪声放大器、功分器、频率合成器、混频器、滤波器等部分，主要功能是对卫星导航信号进行放大，下变频和数字量化处理，为数字信号处理单元提供数字化的中频信号。

本发明提供的高动态卫星导航接收机采用GPS、北斗双模接收机的模式，具体的可以使GPS/BD2双模接收机，具有同时及分别接收和处理GPS/BD2两种卫星导航信号的能力；接收GPS星座L1频点信号和BD2星座B1频点信号，实时测量位置、速度、时间等数据，通过RS232接口输出。所述高动态卫星导航接收机提供UTC时间作为卫星时间基准，具备秒脉冲输出功能，用于高精度秒脉冲授时。

本发明提供的高动态卫星导航接收机具有单GPS定位、单BD2定位和BD2/GPS组合定位三种工作模式，根据GPS星座及BD2星座的状态，实现单GPS、单BD2或组合定位等工作模式切换，保证接收机正常工作。本发明具备高动态、大过载恶劣工作条件；具备动态状况下的信号捕获、跟踪、定位能力；具备北斗卫星信号的快速重捕能力；具备快速运动，旋转条件下北斗信号稳定接收，定位能力。

本发明的高动态卫星导航接收机处理系统包括捕获跟踪单元、定位解算单元、时间管理单元、通信处理单元和异常处理单元。

所述捕获跟踪单元包括射频前端控制管理模块和信号捕获跟踪模块，所述射频前端控制管理模块用于对射频前端参数进行修正调整，所述信号捕获跟踪模块在软件与逻辑协同工作下实现对GPS和BD2卫星信号的捕获和跟踪。

所述信号捕获跟踪模块采用正负仰角卫星并行捕获算法和信号跟踪算法，能够适应伴星随船飞行及释放初期姿态大范围机动时连续跟踪定位需求，即使飞行器出现1000rpm转速的极限旋转状态也能适应。

所述正负仰角卫星并行捕获算法采用部分匹配滤波(Partial Matched Filter,PMF)加短时傅立叶变换（Short-time Fourier Transform，STFT）方法实现，通过PMF实现串行码相位搜索，通过STFT实现并行载波多普勒搜索。当所述信号捕获跟踪模块接收信号的伪码相位和本地伪码相位对齐时，认为信号的伪码被完全剥离，剩下的是包含载波多普勒频率的连续信号，然后将该连续信号均匀分段累加，一般分成N段，从而得到N个部分累加结果，然后将这N个累加结果顺序做M点的STFT的变换，其中M大于等于N，假设L=M-N，则N个累加值后再补充L个零，以满足M点FFT的要求。通过PMF+STFT的方法，当码相位对齐时，STFT的能得到频率峰值，从而认为此时的码相位和峰值对应的频率是搜索到码相位和载波多普勒频率。

所述信号跟踪算法包括三部分：第一部分是载波跟踪环，以实时跟踪信号载波频率和相位，载波跟踪环采用传统的二阶锁频环（FLL）辅助三阶锁相环（PLL），从而实现载波多普勒频率和相位的高动态跟踪；第二部分是伪码跟踪环，以动态跟踪伪码速率和码相位，伪码跟踪环采用二阶延时锁定环（DLL），用来跟踪伪码速率和相位；第三部分是载波环辅助码环，由于三阶PLL对加速度不敏感，且PLL跟踪精度高，二阶DLL对加速度应力敏感，所以为了提高码环的高动态跟踪性能，必须用载波跟踪环辅助码跟踪环，以消除码环在视距方向的动态应力。

所述定位解算单元包括PVT解算模块和原始观测数据解析模块，所述PVT解算模块根据GPS L1 CA码和BD2 B1 C码测距信息计算载体位置速度等信息；所述原始观测数据解析模块根据捕获跟踪的卫星信号，解析出载波相位、伪距等原始观测数据。

所述时间管理单元包括授时管理模块和时间码管理模块，所述授时管理模块向相关的应用载荷输出1PPS授时信号及GPS时间码，所述时间码管理模块根据信息处理计算机的广播时间码对本地时间进行校时。

所述通信处理单元包括工程参数/数字量处理模块、数据注入及控制命令管理处理模块和RS232模块，所述数据注入及控制命令管理处理模块对注入的数据注入和控制命令进行解析和处理，所述RS232通信模块对RS232通信进行管理，包括数据接收、数据发送等。

所述卫星导航接收机包括射频处理单元、数字处理单元、接口处理单元，所述接口处理单元包括RS232串行接口、1PPS接口、电源等。

所述卫星导航接收机通过天线接收GPS和BD2卫星导航信号，该信号经过低噪声放大器进入射频信号处理单元。信号在射频信号处理单元内部将进行放大、滤波和下变频等一系列处理后输出数字中频信号到数字处理单元。数字处理单元将对数字中频信号进行信号相关处理，同时完成信号的捕获、跟踪和定位解算等工作。最后将时间、位置、速度等数据通过RS232接口发送，并将同步时钟信号（1PPS）发送给信息处理计算机及相关载荷。

所述卫星导航接收机主要功能为跟踪接收全球卫星导航信标在GPS L1频段和BD2B1频段上的信号，并从中提取原始观测数据等信息。对GPS L1频段C/A码和BD2 B1频段C码，采用标准的半码元宽度间隔超前-即时-延迟码环和载波锁相环分别对扩频码和载波相位进行捕获跟踪处理。之后实现对GPS单频（L1）和BD2单频（B1）卫星导航电文（D1/D2）卫星导航电文解析；对卫星导航电文解析之后，对卫星导航接收机的位置进行定位计算，生成定位信息；之后对卫星导航接收机的其它模块进行高精度授时处理；最后通过RS232接口通信处理功能，采集并生成遥测数据，通过RS232接口向外传输，完成对导航接收机的一系列控制。

本发明所述卫星导航接收机采用的标准的半码元宽度间距超前（E）-即时（P）-延迟（L）码环。该环路包括三部分组成：第一部分是本地码NCO，用来产生本地的伪码驱动时钟，从而实时调整本地伪码的速率和相位，码NCO采用直接数字频率综合（DDFS）器实现；第二部分是码鉴别器，采用标准的半码元宽度间距超前（E）-即时（P）-延迟（L）码鉴别器，从而保证其鉴相曲线在一个码片范围内保持线性，提高了码环的动态性能；第三部分是码环滤波器，采用二阶环路滤波器。

本发明所述卫星导航接收机采用的载波锁相环包括三部分组成：第一部分是本地载波产生器，包括本地载波NCO和I-Q两路本振产生器，用来产生本地的载波，从而实时调整本地载波的频率和相位；第二部分是载波鉴频器和鉴相器，鉴频器采用四象限反正切，用于FLL的误差输入，鉴相器采用二象限反正切，用于PLL的误差输入；第三部分是载波环路滤波器，采用二阶FLL辅助三阶PLL的环路滤波器，实现高动态跟踪。

本发明所述卫星导航接收机的硬件包括，如图3和图4所示，包括天线罩110、天线120、尾座130以及接收机140。所述天线罩110遮罩所述天线120并固定在所述尾座130上，所述天线120通过PCB板固定在所述尾座130上；所述尾座130包括中空内腔，所述中空内腔内设置接收机140，所述接收机140包括射频接收板141、数字处理板142和双层固定架143，所述射频接收板141和数字处理板142分别固定在所述双层固定架143的上下层。

所述天线罩110为锥形，所述天线罩110可以固定在所述尾座130上，优选的，所述天线罩110可以通过螺纹旋接的方式固定在所述尾座130的外侧侧壁上。所述天线罩110的锥形设计解决了天线因遮挡、旋转条件下而失锁的问题。

所述接收机140，如图4所示，包括射频接收板141、数字处理板142和双层固定架143，所述射频接收板141和数字处理板142分别固定在所述双层固定架143的上下层，所述射频接收板141和数字处理板142通过双排排针实现通讯和供电连接。

本发明接收机的双板叠加设计有效解决了弹载接收机小型化、射频接收板及接收天线电磁兼容等技术难题，这是目前国内体积最小的高动态弹载卫星导航接收机。

优选的，本发明还可以设置紧固螺环150，所述紧固螺环150位于所述接收机140外侧和所述尾座130内壁之间，用于将所述接收机140固定于所属尾座130上。也就是将所述紧固螺环150嵌套固定于所述接收机140外侧和所述尾座130内壁之间。

本发明提供的小体积的高动态卫星导航接收机，设置锥形天线罩，使所述高动态卫星导航接收机的天线因遮挡、旋转条件下而失锁的问题；另外所述接收机的射频接收板和数字处理板分别固定在双层固定架的上下两层，解决了弹载接收机小型化的问题，是目前国内体积最小的卫星导航接收机。

下面结合本发明提供高动态卫星导航接收机一个优选的实施例进行详细说明。

如图5所示，一种定轨接收机，包括接收机主体B，所述接收机主体B包括第一导航模块和第二导航模块，第一导航模块和第二导航模块结构相同，本定轨接收机含有两个导航模块，每个导航模块是一个单独的卫星导航定位系统，为保证测量数据的一致性，两个导航模块进行了同钟处理。第一导航模块包括射频信号处理单元、数字信号处理单元和外部接口单元，GPS定轨接收天线通过前置放大器与第一导航模块和第二导航模块的输入端相连，恒温晶振分别与所述第一导航模块和第二导航模块相连，第一导航模块和第二导航模块的输出端通过外部接口单元与陀螺、星务计算机传输数据。

如图6所示，本定轨接收机还可采用双机冷备份工作方式，包括接收机主体B和接收机主体A。接收机主体A内的第一射频信号处理单元和第二射频信号处理单元与接收机主体B中的射频信号处理单元相同。接收机主体A和接收机主体B对外接口完全一致，所述接收机主体A和接收机主体B的开关机均由星务计算机通过电源模块进行控制；正常情况下，接收机主体A一直处于开机状态，并将观测数据、实时定位数据、同步秒脉冲等周期性地发送给星务计算机，接收机主体B作为备份，初始为关机状态，在接收机主体A出现故障的情况下开机工作；所述接收机主体A和接收机主体B通过开关选择控制器切换天线。

如图7所示，射频信号处理单元包括低噪声放大器和TCXO模拟信号处理电路，TCXO模拟信号处理电路包括功率分离器、GNSS接收器和调谐器，Z天线与低噪声放大器的输入端相连，低噪声放大器的输出端与功率分离器的输入端相连，功率分离器的输出端分别与GNSS接收器和调谐器的输入端相连，恒温晶振作为定轨接收机的频率参考源，与GNSS接收器和调谐器的输入端相连，GNSS接收器和调谐器输出中频数据到数字信号处理单元。射频信号处理单元对GPS L1频段和BD2 B1频段的导航信号进行下变频、数字量化处理，为数字信号处理单元提供数字化的中频GPS/BD2导航信号。本定轨接收机有两个射频信号处理单元，具备对天对地两组接收天线输入处理功能，以保证卫星在旋转状态下能连续定位和提供观测数据，同时能通过L1、B1双频点处理功能消除电离层误差影响。

如图8所示，所述数字信号处理单元的主控芯片为Zynq7000芯片，所述主控芯片分别与CAN总线、FLASH和SDRAM电连接，所述主控芯片通过射频前端接口接收采样时钟信号和中频数字采样数据，所述主控芯片采用RS422电平传输同步脉冲信号。数字信号处理单元通过采集射频信号处理单元输出的数字中频数据流完成对GPS/BD2导航信号的捕获和跟踪、并且对接收到的信号进行处理和计算获取相关观测数据进行定位解算，通过CAN总线完成数据的传输操作。

外部接口单元包括射频接口、供电接口、RS422接口、CAN总线接口和PPS接口，射频接口与GPS定轨接收天线相连，用于引出综合电子机箱。第一导航模块和第二导航模块分别通过CAN总线接口与星务计算机双向传输数据，CAN总线接口速率为500Kbps，传输观测数据、定位数据、间接指令和注入数据。陀螺通过RS422接口传输数据到第一导航模块和第二导航模块，并与GPS数据合并打包下传至地面。第一导航模块和第二导航模块通过PPS接口将同步脉冲信号传送到星务计算机，卫星供电模块通过供电接口为第一导航模块、第二导航模块和恒温晶振供电。

空间飞行器在轨运行时，会有姿态变化，单天线的情况下，会有不定位的情况。为应对姿态变化，本定轨接收机采用双天线，+Z天线通过前置放大器与第一导航模块相连，-Z天线通过前置放大器与第二导航模块相连，本定轨接收机方案以国科天成成熟的导航模块为基础进行设计，单个模块只能处理12个通道L1C和12个通道的B1C。因此接收机采用了双模块设计。如图9所示，为使得两个模块输出的测量数据一致，第一导航模块和第二导航模块采用相同的外部时钟输入电路。图10是导航模块内部时钟切换图，电容C16和C19只能焊接一个。电容C19焊接时，导航模块的时钟源为外接时钟，电容C16焊接时，为导航模块自带时钟。

本定轨接收机在结构上采用单PCB板结构，通过螺钉和铝制的加固支撑框连接，在所述支撑框两端安装锁紧机构，顶端安装压条，整个结构通过射频电缆、板级接插件与卫星综合电子系统进行连接。在接收机的外围增加屏蔽罩，屏蔽罩上增加柱台与第一/第二导航模块的核心器件之间通过导热硅脂进行物理接触来散热，所述PCB板采用整板铺铜设计，增强电路板的热传导性能，并通过机械接口传到外壳及屏蔽罩，最终通过机械接口传导到综合电子外壳上。

本实施例工作过程为：定轨接收机通过天线接收GPSL1/BD2 B1卫星导航信号，该信号经过低噪声放大器进入射频信号处理单元。信号在射频信号处理单元内部将进行放大、滤波和下变频等一系列处理后输出数字中频信号到数字信号处理单元。数字信号处理单元将对数字中频信号进行信号相关处理，同时完成信号的捕获、跟踪和定位解算等工作。

第一导航模块/第二导航模块输出的数据内容包含以下两类：

a、观测数据

包括L1 C/A码伪距、B1 C/A码伪距、L1载波相位、B1载波相位、L1载噪比、B1载噪比等；接收机开机并同步跟踪到导航卫星后，即向星务计算机输出对天对地两个天线位置处的观测数据。

b、实时定位数据和同步秒脉冲（1PPS）

包含WGS-84坐标系下的时间、位置和速度等；接收机开机并同步跟踪到4颗或4颗以上导航星后，经过定位解算生成定位信息后，向星务计算机发出实时定位数据以及可用秒脉冲，定位数据伴随同步脉冲（1PPS）一并发送给星务计算机，可通过同步脉冲和实时定位数据中的时间信息获取当前时间。

最后将时间、位置、速度和原始观测量（伪距和载波相位）等数据通过CAN总线接口发送，并将同步时钟信号（1PPS）发送给星务计算机。

以上内容是对本发明创造的优选的实施例的说明，可以帮助本领域技术人员更充分地理解本发明创造的技术方案。但是，这些实施例仅仅是举例说明，不能认定本发明创造的具体实施方式仅限于这些实施例的说明。对本发明创造所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干简单推演和变换，都应当视为属于本发明创造的保护范围。

Claims (6)

1.高动态卫星导航接收机，包括射频处理单元，其特征在于，

还包括及与所述射频处理单元连接的高动态卫星导航接收机处理系统，所述高动态卫星导航接收机处理系统分别连接RS232通信单元和应用载荷；

高动态卫星导航接收机处理系统包括捕获跟踪单元、定位解算单元、时间管理单元、通信处理单元和异常处理单元；

所述捕获跟踪单元包括射频前端控制管理模块和信号捕获跟踪模块，所述射频前端控制管理模块用于对射频前端参数进行修正调整，所述信号捕获跟踪模块在软件与逻辑协同工作下实现对GPS和北斗卫星信号的捕获和跟踪；

所述信号捕获跟踪模块采用正负仰角卫星并行捕获算法和信号惯性跟踪算法；

所述定位解算单元包括PVT解算模块和原始观测数据解析模块，所述PVT解算模块根据GPS和北斗码测距信息计算载体位置速度信息；所述原始观测数据解析模块根据捕获跟踪的卫星信号，解析出载波相位、伪距原始观测数据；

所述时间管理单元包括授时管理模块和时间码管理模块，所述授时管理模块向相关的应用载荷输出1PPS授时信号及GPS时间码，所述时间码管理模块根据信息处理计算机的广播时间码对本地时间进行校时。

2.根据权利要求1所述的高动态卫星导航接收机，其特征在于，所述射频处理单元包括低噪声放大器、功分器、频率合成器、混频器、滤波器。

3.根据权利要求1所述的高动态卫星导航接收机，其特征在于，所述卫星导航接收机的硬件包括，天线罩、天线、尾座以及接收机，所述天线罩遮罩所述天线并固定在所述尾座上，所述天线通过PCB板固定在所述尾座上；所述尾座包括中空内腔，所述中空内腔内设置接收机。

4.根据权利要求3所述的高动态卫星导航接收机，其特征在于，所述接收机包括射频接收板、数字处理板和双层固定架，所述射频接收板和数字处理板分别固定在所述双层固定架的上下层。

5.根据权利要求4所述的高动态卫星导航接收机，其特征在于，所述天线罩为锥形，所述天线罩通过螺纹旋接的方式固定在所述尾座的外侧侧壁上。

6.根据权利要求4所述的高动态卫星导航接收机，其特征在于，所述射频接收板和数字处理板通过双排排针实现通讯和供电连接。