CN108802779A - 光载多天线gnss测量方法及测量装置 - Google Patents

光载多天线gnss测量方法及测量装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种光载多天线GNSS测量方法。该方法基于光外差探测的原理，实时监测系统中不同传输光纤的传输延时差，并利用传输光纤实时监测结果得到GNSS信号的硬件相位延时参数，进而依据硬件相位延时参数获得更高精度的GNSS测量结果。本发明还公开一种光载多天线GNSS测量装置。本发明将光纤传输技术与光纤测量技术相结合后应用于GNSS测量系统中，在传输光纤上同时传输光载GNSS信号和传输延时差检测光信号，克服了传统电缆损耗大和容易受电磁干扰的缺点，大大提高了GNSS测量系统的应用范围；并且能够实时监测GNSS信号的硬件相位延时，给高精度GNSS测量算法提供精确的硬件相位延时参数，有助于提高GNSS测量系统的测量精度。

Description

光载多天线GNSS测量方法及测量装置
技术领域
本发明涉及一种GNSS(Global Navigation Satellite System，全球导航卫星系统)测量方法，尤其涉及一种光载多天线GNSS测量方法及测量装置。
背景技术
全球导航卫星系统定位技术是利用一组卫星的伪距、星历、卫星发射时间等观测量来是的，同时还必须知道用户钟差。全球导航卫星系统是能在地球表面或近地空间的任何地点为用户提供全天候的3维坐标和速度以及时间信息的空基无线电导航定位系统。自从美国GPS系统开始运行以来，GNSS导航技术已在世界范围内得到广泛应用。多个类似的GNSS系统也陆续建立起来，例如俄罗斯GLONASS系统，欧盟GALILEO和中国北斗卫星导航系统。
传统GNSS测量系统在天线和接收机主机之间使用电缆连接，而电缆在某些特定的应用场合有局限性，电缆容易受到电磁干扰的缺点制约着GNSS测量系统在高空飞行器上的应用。GNSS系统应用于大型建筑和桥梁形变监测时，由于电缆传输损耗大，难以将远处的GNSS信号传输到主机，必须加入多级低噪放大器。相比于电缆，光纤具有低传输损耗，抗电磁干扰，温度系数低，体积小，重量轻，价格低，支持双向传输的优势。将光纤传输技术应用于GNSS系统可以拓展其应用场景。传统GNSS测量系统使用双差载波相位观测模型，如果能够实时监测通道间的硬件延时差，就可以用单差载波相位模型替代，可以提高垂直方向上的测量精度。
多天线GNSS测量系统由多根远端的天线和本地的公共接收机组成，其原理是在相对定位的工作模式下，采用载波相位差分技术分别计算两两天线之间组成的三维基线向量。多天线系统应用于形变监测时，将一根天线固定在本地端作为参考天线，将其余天线安置在需要监测的位置，通过监测参考天线和远端天线的三维基线变化就可以实时得到监测点的位移形变信息。多天线系统应用于车辆姿态测量时，将多个天线安装在飞机不同位置，求得天线之间的基线向量，然后通过基线向量在地理坐标系和载体坐标系的转换关系即可求得姿态角。一条基线向量可以求得两个姿态角，所以使用三根天线组成两条基线即可测得三维姿态角。现有光载多天线GNSS系统仅仅利用光纤对GNSS信号进行远距离传输，其测量的三维精度与传统电缆连接的多天线GNSS系统并没有区别，其本质原因是使用了传统的载波相位双差观测模型。而现有的光载多天线GNSS方案并没有意识到光纤替代电缆的另一个优势，就是光纤测量技术能够对GNSS信号在光纤中传输的硬件延时进行实时监测，从而使用载波相位单差观测模型，提高垂直方向的测量精度。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于克服现有光载多天线GNSS测量技术的不足，提供一种光载多天线GNSS测量方法，可获得更高的测量精度。
一种光载多天线GNSS测量方法，利用设置于载体上的至少两根天线分别接收GNSS信号，并将每个天线所接收的GNSS信号分别转换为光载GNSS信号后，分别经由相应的传输光纤传输至处理单元；处理单元从各路光载GNSS信号中提取出相应的GNSS信号，并根据所提取出的GNSS信号进行载体的位置和/或姿态的测量；处理单元根据不同传输光纤间的传输延时差的实时监测结果获得硬件相位延时，并跟据所述硬件相位延时和所提取出的GNSS信号进行载体的位置和/或姿态的测量；所述不同传输光纤间的传输延时差的实时监测结果利用以下方法获取：将线性调频信号调制于光载波上，生成光载线性调频信号，所述线性调频信号的最低频率高于所述GNSS信号的载波频率；将所述光载线性调频信号分为与传输光纤一一对应的多路，分别通过环形器从其所对应传输光纤的尾端向首端传输并通过设置于该传输光纤首端的半反射单元返回该传输光纤尾端；将各传输光纤返回的光载线性调频信号耦合后通过相干光电探测检测出其中的中频电信号，最后利用所述中频电信号解算出不同传输光纤间的传输延时差。
优选地，所述半反射单元为一环形器，其第一端口接收光载GNSS信号，其第二端口连接传输光纤首端，其第三端口通过一隔离器与第二端口连接。
根据相同的发明思路还可以得到以下技术方案：
一种光载多天线GNSS测量装置，包括处理单元和至少两条光载GNSS通道；每条光载GNSS通道均包括设置于载体上的天线以及电光调制模块、传输光纤，电光调制模块将天线所接收的GNSS信号转换为光载GNSS信号后经由所述传输光纤传输至处理单元；处理单元用于从各条光载GNSS通道的光载GNSS信号中提取出相应的GNSS信号，并根据所提取出的GNSS信号进行载体的位置和/或姿态的测量；该装置还包括用于对不同传输光纤间的传输延时差进行实时监测的传输光纤实时监测模块；处理单元根据所述传输光纤实时监测模块的实时监测结果获得硬件相位延时，并跟据所述硬件相位延时和所提取出的GNSS信号进行载体的位置和/或姿态的测量；所述传输光纤实时监测模块包括：光源，用于生成光载波；
微波源，用于生成最低频率高于所述GNSS信号的载波频率的线性调频信号；电光调制器，用于将所述线性调频信号调制于光载波上，生成光载线性调频信号；光分路器，用于将所述光载线性调频信号分为与传输光纤一一对应的若干路；延时差测量模块，用于将光分路器所分出的若干路光载线性调频信号分别通过环形器从其所对应传输光纤的尾端向首端传输并通过设置于该传输光纤首端的半反射单元返回该传输光纤尾端；将各传输光纤返回的光载线性调频信号耦合后通过相干光电探测检测出其中的中频电信号，最后利用所述中频电信号解算出不同传输光纤间的传输延时差。
优选地，所述半反射单元为一环形器，其第一端口接收光载GNSS信号，其第二端口连接传输光纤首端，其第三端口通过一隔离器与第二端口连接。
进一步地，所述光载GNSS通道还包括设置于天线与电光调制模块之间的功率放大器。
相比现有技术，本发明技术方案具有以下有益效果：
本发明将光纤传输技术与光纤测量技术相结合后应用于GNSS测量系统中，在传输光纤上同时传输光载GNSS信号和长度检测光信号，克服了传统电缆损耗大和容易受电磁干扰的缺点，大大提高了GNSS测量系统的应用范围；并且能够实时监测GNSS信号的硬件相位延时，给高精度GNSS测量算法提供精确的硬件相位延时参数，有助于提高GNSS测量系统的测量精度。
本发明所采用的不同光纤延时差的原理与光频域反射计(OFDR)类似，但不同于OFDR利用背向瑞利散射信号，用于整条光纤每个点的散射情况探测以及光纤测长，本发明通过在传输光纤尾端设置环形器，在传输光纤首端设置半反射单元，使得作为探测信号的光载线性调频信号从传输光纤尾端传输至首端后再返回传输光纤尾端，本方案所使用的检测信号强度远大于背向瑞利散射信号强度，因此能够提高光纤延时测量的范围和检测精度。
附图说明
图1为本发明光载多天线GNSS测量装置一个具体实施例的结构示意图。
具体实施方式
针对现有技术不足，本发明的解决思路是基于光外差探测的原理，实时监测系统中不同传输光纤间的传输延时差，并利用传输光纤延时差的监测结果计算出GNSS信号的硬件相位延时参数，进而依据硬件相位延时参数获得更高精度的GNSS测量结果。具体而言，本发明所提出的光载多天线GNSS测量方法具体如下：
利用设置于载体上的至少两根天线分别接收GNSS信号，并将每个天线所接收的GNSS信号分别转换为光载GNSS信号后，分别经由相应的传输光纤传输至处理单元；处理单元从各路光载GNSS信号中提取出相应的GNSS信号，并根据所提取出的GNSS信号进行载体的位置和/或姿态的测量；处理单元根据所述不同传输光纤间的传输延时差的实时监测结果获得硬件相位延时，并跟据所述硬件相位延时和所提取出的GNSS信号进行载体的位置和/或姿态的测量；所述不同传输光纤间的传输延时差的实时监测结果利用以下方法获取：将线性调频信号调制于光载波上，生成光载线性调频信号，所述线性调频信号的最低频率高于所述GNSS信号的载波频率；将所述光载线性调频信号分为与传输光纤一一对应的多路，分别通过环形器从其所对应传输光纤的尾端向首端传输并通过设置于该传输光纤首端的半反射单元返回该传输光纤尾端；将各传输光纤返回的光载线性调频信号耦合后通过相干光电探测检测出其中的中频电信号，最后利用所述中频电信号解算出不同传输光纤间的传输延时差。
本发明光载多天线GNSS测量装置，包括处理单元和至少两条光载GNSS通道；每条光载GNSS通道均包括设置于载体上的天线以及电光调制模块、传输光纤，电光调制模块将天线所接收的GNSS信号转换为光载GNSS信号后经由所述传输光纤传输至处理单元；处理单元用于从各条光载GNSS通道的光载GNSS信号中提取出相应的GNSS信号，并根据所提取出的GNSS信号进行载体的位置和/或姿态的测量；该装置还包括用于对不同传输光纤间的传输延时差进行实时监测的传输光纤实时监测模块；处理单元根据所述传输光纤实时监测模块的实时监测结果获得硬件相位延时，并跟据所述硬件相位延时和所提取出的GNSS信号进行载体的位置和/或姿态的测量；所述传输光纤实时监测模块包括：光源，用于生成光载波；
微波源，用于生成最低频率高于所述GNSS信号的载波频率的线性调频信号；电光调制器，用于将所述线性调频信号调制于光载波上，生成光载线性调频信号；光分路器，用于将所述光载线性调频信号分为与传输光纤一一对应的若干路；延时差测量模块，用于将光分路器所分出的若干路光载线性调频信号分别通过环形器从其所对应传输光纤的尾端向首端传输并通过设置于该传输光纤首端的半反射单元返回该传输光纤尾端；将各传输光纤返回的光载线性调频信号耦合后通过相干光电探测检测出其中的中频电信号，最后利用所述中频电信号解算出不同传输光纤间的传输延时差。
为了便于公众理解，下面以一个具体实施例并结合附图来对本发明的技术方案进行详细说明：
如图1所示，本实施例中的测量装置包括主机，由激光器1、微波源2、电光调制器3、环形器4、光电探测器5等组成的传输光纤实时监测模块，以及由GPS天线6、GPS低噪放大器7、电光调制器8、传输光纤9、光电探测器10等组成的至少两条光载GPS通道。为简化结构、降低成本，以及对于传输光纤的精确监测，本实施例中的光源由传输光纤实时监测模块与光载GPS通道复用。
如图1所示，在传输光纤监测模块中，微波源2产生线性调频信号，通过电光调制器3调制到光载波上生成光载线性调频信号，然后通过光分束器11分成两路，分别用于监测两路的传输光纤。光载线性调频信号通过光分束器11分成两路，通过传输光纤9尾端的环形器4进入传输光纤9，光载线性调频信号在传输光纤9的首端经过半反射单元(本实施例中的半反射单元为环形器5，如图1所示，其第一端口接收光载GPS信号，其第二端口连接传输光纤9首端，其第三端口通过一隔离器与第二端口连接；由环形器4注入的光载线性调频信号经由环形器5又返回传输光纤9，隔离器的存在则使得光载线性调频信号不会由第二端口进入环形器5)返回到光分束器12，上下通道间的返回的光载线性调频信号通过光耦合器13进入光探测器5中，然后数据处理单元通过相干探测检测出其中的中频电信号，探测出的中频分量即对应着上下两路的传输延时差，再将延时差转化为GPS信号的硬件延迟量，解算出的硬件延时实时传给主机。
光载GPS通道中，GPS信号通过GPS天线6接收，然后通过GPS低噪放大器7放大，利用电光调制器8调制到光载波上再通过传输光纤9传输。
微波源2所产生的线性调频信号的最低频率高于GPS载波频率。
在本实施例中，光载GPS通道中的光电探测器10的带宽高于GPS载波信号的最高频率，即L4波段的1.84140GHz，并且小于线性调频信号的最低频率。这样，光载GPS信号和光载线性调频信号两者中，只有GPS信号被光电探测器10探测出来，线性调频信号无法被探测，从而只有GPS信号进入主机。当然，也可采用其它较复杂的信号处理技术将GPS信号与线性调频信号区分开。
假设微波源2产生线性调频信号的调频范围为10GHz到20GHz，则带宽为BW＝10GHz，调频时间为T0＝10-6s。光电探测器探测出的中频信号的频率为其中为调频斜率，为光信号经过不同传输光纤再反射回来的延时差，其中ΔL为不同传输光纤的长度差，c为光在真空中的传播速度，n为传输光纤的折射率，以GPS的L1载波为例，硬件延时差即为载波频率1575.42MHz乘以对应的延时差Δτ。主机通过GPS信号和实时的硬件相位延时，就可以利用高精度的解算方法获得更高精度的测量结果，例如，可根据GPS信号和硬件相位延时，采用载波相位单差算法提高GNSS姿态测量时垂直方向上的测量精度。

Claims (5)

1.一种光载多天线GNSS测量方法，利用设置于载体上的至少两根天线分别接收GNSS信号，并将每个天线所接收的GNSS信号分别转换为光载GNSS信号后，分别经由相应的传输光纤传输至处理单元；处理单元从各路光载GNSS信号中提取出相应的GNSS信号，并根据所提取出的GNSS信号进行载体的位置和/或姿态的测量；其特征在于，处理单元根据不同传输光纤间的传输延时差的实时监测结果获得硬件相位延时，并跟据所述硬件相位延时和所提取出的GNSS信号进行载体的位置和/或姿态的测量；所述不同传输光纤间的传输延时差的实时监测结果利用以下方法获取：将线性调频信号调制于光载波上，生成光载线性调频信号，所述线性调频信号的最低频率高于所述GNSS信号的载波频率；将所述光载线性调频信号分为与传输光纤一一对应的多路，分别通过环形器从其所对应传输光纤的尾端向首端传输并通过设置于该传输光纤首端的半反射单元半反射单元返回该传输光纤尾端；将各传输光纤返回的光载线性调频信号耦合后通过相干光电探测检测出其中的中频电信号，最后利用所述中频电信号解算出不同传输光纤间的传输延时差。
2.如权利要求1所述方法，其特征在于，所述半反射单元为一环形器，其第一端口接收光载GNSS信号，其第二端口连接传输光纤首端，其第三端口通过一隔离器与第二端口连接。
3.一种光载多天线GNSS测量装置，包括处理单元和至少两条光载GNSS通道；每条光载GNSS通道均包括设置于载体上的天线以及电光调制模块、传输光纤，电光调制模块将天线所接收的GNSS信号转换为光载GNSS信号后经由所述传输光纤传输至处理单元；处理单元用于从各条光载GNSS通道的光载GNSS信号中提取出相应的GNSS信号，并根据所提取出的GNSS信号进行载体的位置和/或姿态的测量；其特征在于，该装置还包括用于对不同传输光纤间的传输延时差进行实时监测的传输光纤实时监测模块；处理单元根据所述传输光纤实时监测模块的实时监测结果获得硬件相位延时，并跟据所述硬件相位延时和所提取出的GNSS信号进行载体的位置和/或姿态的测量；所述传输光纤实时监测模块包括：
光源，用于生成光载波；
微波源，用于生成最低频率高于所述GNSS信号的载波频率的线性调频信号；
电光调制器，用于将所述线性调频信号调制于光载波上，生成光载线性调频信号；
光分路器，用于将所述光载线性调频信号分为与传输光纤一一对应的若干路；
延时差测量模块，用于将光分路器所分出的若干路光载线性调频信号分别通过环形器从其所对应传输光纤的尾端向首端传输并通过设置于该传输光纤首端的半反射单元返回该传输光纤尾端；将各传输光纤返回的光载线性调频信号耦合后通过相干光电探测检测出其中的中频电信号，最后利用所述中频电信号解算出不同传输光纤间的传输延时差。
4.如权利要求3所述装置，其特征在于，所述半反射单元为一环形器，其第一端口接收光载GNSS信号，其第二端口连接传输光纤首端，其第三端口通过一隔离器与第二端口连接。
5.如权利要求3所述装置，其特征在于，所述光载GNSS通道还包括设置于天线与电光调制模块之间的功率放大器。
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