CN108988929B - 一种超高动态卫星导航通信装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种超高动态卫星导航通信装置，包括：时钟模块用于向数字信号处理单元提供时钟虚拟化；射频接收通道与接收天线连接，接收来自北斗卫星通信信号，对北斗卫星通信信号进行信号分路、独立下变频和AD数据采样处理后，将生成的数字信号发送至数字信号处理单元；数字信号处理单元对接收到的数字信号进行高动态信号的分频段捕获、跟踪、解调、译码及定位解算，以及在需要进行北斗卫星通信时，对发射信号进行预调制，并完成根据接收信号对发射信号频率进行补偿，再经过DA转换发送至射频发射通道进行上变频处理，并经放大后通过发射天线向外发射。本发明通过分频段捕获，并进行联合判决，来实现超高动态下的高灵敏度北斗卫星信号捕获。
Description
技术领域
本发明涉及北斗卫星通信导航技术领域，特别涉及一种超高动态卫星导航通信装置。
背景技术
目前国内北斗卫星导航领域的发展迅速，军民两用导航接收机已广泛应用，无论是低动态场景、中高动态场景及高动态场景，能满足实际使用需求的卫星导航装置都已经较为成熟，但随着北斗导航应用场景的不断拓展，像星载、箭载等超高动态场景下的卫星导航接收装置也开始出现一些需求，目前市场已有的军用、民用卫星导航接收机基本无法满足此种环境的要求，因此研制超高动态卫星导航接收装置较大的意义。
目前的单纯的中、低动态卫星导航通信装置采用时域捕获的方式，通过时域累加提高接收灵敏度高，但适应的动态性能低，只能满足速度不超过300m/s，加速度不超过4g的应用场景。
中高动态卫星导航接收装置采用时域+频域的捕获方式，接收灵敏度降低，能满足速度不超过3000m/s，加速度不超过18g的应用场景，但依然不能解决动态下多普勒引起的卫星通信问题，不能满足超高动态场景的应用需求。
发明内容
本发明的目的旨在至少解决所述技术缺陷之一。
为此，本发明的目的在于提出一种超高动态卫星导航通信装置。
为了实现上述目的，本发明的实施例提供一种超高动态卫星导航通信装置，包括：接收天线、发射天线、射频接收通道、射频发射通道、时钟模块、数字信号处理单元、电源模块和对外数据接口，其中，
所述电源模块与所述射频接收通道、射频发射通道、时钟模块、数字信号处理单元连接，以进行供电；
所述时钟模块用于向所述数字信号处理单元提供时钟虚拟化；
所述射频接收通道与所述接收天线连接，用于接收来自北斗卫星通信信号，对所述北斗卫星通信信号进行信号分路、独立下变频和AD数据采样处理后，将生成的数字信号发送至所述数字信号处理单元；
所述数字信号处理单元对接收到的数字信号进行高动态信号的分频段捕获、跟踪、解调、译码及定位解算，以及在需要进行北斗卫星通信时，对发射信号进行预调制，并完成根据接收信号对发射信号频率进行补偿，再经过DA转换发送至射频发射通道进行上变频处理，并经放大后通过所述发射天线向外发射。
进一步，所述数字信号处理单元根据卫星导航通信装置载体的动态情况，计算相应的多普勒范围，通过选择捕获频率范围，将捕获频率范围分为多个频段，然后通过调整捕获通道的中频控制量，将AD采样后的数字信号进行下变频处理，并对每段频谱进行信号捕获处理，完成所有频段的捕获处理后，进行能量比对判决，多次进行信号的捕获并进行非相干累积，判决完成后根据频段值进行高动态下的加速度随时间变化导致的多普勒变化值，并进行二次捕获确认，确认完成后进入信号跟踪状态。
进一步，所述数字信号处理单元根据能量比对判决进行多普勒及码相位补偿后的二次确认。
进一步，所述数字信号处理单元根据接收信号对发射信号频率进行补偿，包括：跟踪过程实时输出当前卫星的多普勒值，通过预设的系数比例对发射控制量进行实时反向补偿，并对码控制量及载波控制量同时进行补偿。
进一步，所述对发射控制量、码控制量及载波控制量的修正速度最快能与跟踪频度一致，实时抵消超高动态卫星导航通信装置和卫星实时的相对运动产生的频率变化。
进一步，所述数字信号处理单元将发射信号进行数据组帧编码后进行上变频处理进行扩频，对扩频后信号进行载波调制和数据加密，对载波调制后的信号进行插值滤波，输出值DA转换模块进行处理，将数字信号转换为模拟信号，通过射频发射通道由发射天线对外发射。
根据本发明实施例的超高动态卫星导航通信装置，通过分频段捕获，并进行联合判决，并依据捕获判决结果进行多普勒及码相位补偿后的二次确认，来实现超高动态下的高灵敏度北斗卫星信号捕获。通过解决超高动态环境下的卫星捕获跟踪问题，对发射信号进行实时补偿，有效的解决了北斗卫星无法接收信号频率偏差超过1KHz信号的问题，使得北斗短报文通信在高动态场景的能正常应用，意义重大。本发明可以满足超高动态环境下信号的捕获跟踪，同时通过频率分段捕获的方式，不影响捕获灵敏度。相比采用传统的捕获方式，在未增加整机功耗，未增加整机重量以及体积的前提下实现星载、箭载等超高动态环境下的信号捕获及跟踪，优势明显。通过实时跟踪的卫星信号得到当前相对北斗短报文通信卫星的实时多普勒偏差，并依据一定的比例实时补偿发射通道的频率控制量及码相位控制量，以达到对发射信号进行反向补偿，使得即使装置处于超高动态环境下，北斗短报文卫星收到的信号依然具有极小的多普勒偏差，使得多普勒偏差只是与晶振偏差有关。
本发明可以解决在速度超过10000m/s，加速度大于40g超高动态场景下的高灵敏度卫星信号接收功能；解决在速度超过10000m/s，加速度大于40g超高动态场景下的实现卫星通信功能。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为根据本发明实施例的超高动态卫星导航通信装置的结构图；
图2为根据本发明实施例的信号捕获的流程图；
图3为根据本发明实施例的信号跟踪的流程图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
如图1所示，本发明实施例的超高动态卫星导航通信装置，包括：接收天线、发射天线、射频接收通道、射频发射通道、时钟模块、数字信号处理单元、电源模块和对外数据接口。
具体的，电源模块与射频接收通道、射频发射通道、时钟模块、数字信号处理单元连接，以进行供电。
时钟模块用于向数字信号处理单元提供时钟虚拟化。
射频接收通道与接收天线连接，用于接收来自北斗卫星通信信号，对北斗卫星通信信号进行信号分路、独立下变频和AD数据采样处理后，将生成的数字信号发送至数字信号处理单元。
数字信号处理单元对接收到的数字信号进行高动态信号的分频段捕获、跟踪、解调、译码及定位解算等操作，并完成输出数据的协议处理等。
具体的，如图2所示，数字信号处理单元根据卫星导航通信装置载体的动态情况，计算相应的多普勒范围，通过选择捕获频率范围，将捕获频率范围分为多个频段。
在本发明的一个实施例中，通过选择捕获频率范围，将捕获范围分为8K的每段。
然后通过调整捕获通道的中频控制量，将AD采样后的数字信号进行下变频处理，并对每段频谱进行信号捕获处理，完成所有频段的捕获处理后，进行能量比对判决，多次进行信号的捕获并进行非相干累积，判决完成后根据频段值进行高动态下的加速度随时间变化导致的多普勒变化值，并进行二次捕获确认，确认完成后进入信号跟踪状态。其中，数字信号处理单元根据能量比对判决进行多普勒及码相位补偿后的二次确认。二次确认过程既解决了高动态捕获时出现的信号多普勒变化，又很好解决了信号分频段捕获之后的转跟踪问题。
本发明通过分频段捕获，降低了多普勒效应对捕获灵敏度的损失，同时能适应速度大于10000m/s的场景，同时增加了二次确认模块，能有效解决加速度在捕获过程中产生的频率变化。
在需要进行北斗卫星通信时，对发射信号进行预调制，并完成根据接收信号对发射信号频率进行补偿，再经过DA转换发送至射频发射通道进行上变频处理，并经放大后通过发射天线向外发射。
如图3所示，数字信号处理单元将发射信号进行数据组帧编码后进行上变频处理进行扩频，对扩频后信号进行载波调制和数据加密，对载波调制后的信号进行插值滤波，输出值DA转换模块进行处理，将数字信号转换为模拟信号，通过射频发射通道由发射天线对外发射。
具体的，数字信号处理单元根据接收信号对发射信号频率进行补偿，包括：跟踪过程实时输出当前卫星的多普勒值，通过一定的系数比例，对发射控制量进行实时反向补偿，并对码控制量及载波控制量同时进行补偿。补偿控制量的修正速度最快能与跟踪频度一致，可以实时抵消装置和卫星实时的相对运动产生的频率变化，使得卫星在接收信号时，不具有任何动态变化，能更有效更方便接收装置发射的数据信号。
在本发明的一个实施例中，对发射控制量、码控制量及载波控制量的修正速度最快能与跟踪频度一致，实时抵消超高动态卫星导航通信装置和卫星实时的相对运动产生的频率变化。
北斗卫星通信装置在载体处于超高动态环境下时，由于与北斗卫星之间存在极大的相对运动，会产生较大的多普勒偏差，影响北斗卫星正常接收信号，极限情况下多普勒偏差能达到100KHz，远远超过了北斗卫星能正常接收的范围。因此本发明实现了依据接收信号进行发射信号频率补偿的方法来降低北斗卫星接收到装置发射信号时实际的多普勒偏差，通过实时补偿的方式，同时能修正速度及加速度导致的频率偏差及频率变化值。
根据本发明实施例的超高动态卫星导航通信装置，通过分频段捕获，并进行联合判决，并依据捕获判决结果进行多普勒及码相位补偿后的二次确认，来实现超高动态下的高灵敏度北斗卫星信号捕获。通过解决超高动态环境下的卫星捕获跟踪问题，对发射信号进行实时补偿，有效的解决了北斗卫星无法接收信号频率偏差超过1KHz信号的问题，使得北斗短报文通信在高动态场景的能正常应用，意义重大。本发明可以满足超高动态环境下信号的捕获跟踪，同时通过频率分段捕获的方式，不影响捕获灵敏度。相比采用传统的捕获方式，在未增加整机功耗，未增加整机重量以及体积的前提下实现星载、箭载等超高动态环境下的信号捕获及跟踪，优势明显。通过实时跟踪的卫星信号得到当前相对北斗短报文通信卫星的实时多普勒偏差，并依据一定的比例实时补偿发射通道的频率控制量及码相位控制量，以达到对发射信号进行反向补偿，使得即使装置处于超高动态环境下，北斗短报文卫星收到的信号依然具有极小的多普勒偏差，使得多普勒偏差只是与晶振偏差有关。
本发明可以解决在速度超过10000m/s，加速度大于40g超高动态场景下的高灵敏度卫星信号接收功能；解决在速度超过10000m/s，加速度大于40g超高动态场景下的实现卫星通信功能。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。本发明的范围由所附权利要求及其等同限定。
Claims (5)
1.一种超高动态卫星导航通信装置，其特征在于，包括：接收天线、发射天线、射频接收通道、射频发射通道、时钟模块、数字信号处理单元、电源模块和对外数据接口，其中，
所述电源模块与所述射频接收通道、射频发射通道、时钟模块、数字信号处理单元连接，以进行供电；
所述时钟模块用于向所述数字信号处理单元提供时钟虚拟化；
所述射频接收通道与所述接收天线连接，用于接收来自北斗卫星通信信号，对所述北斗卫星通信信号进行信号分路、独立下变频和AD数据采样处理后，将生成的数字信号发送至所述数字信号处理单元；
所述数字信号处理单元对接收到的数字信号进行高动态信号的分频段捕获、跟踪、解调、译码及定位解算，以及在需要进行北斗卫星通信时，对发射信号进行预调制，并完成根据接收信号对发射信号频率进行补偿，再经过DA转换发送至射频发射通道进行上变频处理，并经放大后通过所述发射天线向外发射；
所述数字信号处理单元根据卫星导航通信装置载体的动态情况，计算相应的多普勒范围，通过选择捕获频率范围，将捕获频率范围分为多个频段，然后通过调整捕获通道的中频控制量，将AD采样后的数字信号进行下变频处理，并对每段频谱进行信号捕获处理，完成所有频段的捕获处理后，进行能量比对判决，多次进行信号的捕获并进行非相干累积，判决完成后根据频段值计算高动态下的加速度随时间变化导致的多普勒变化值，并进行二次捕获确认，确认完成后进入信号跟踪状态。
2.如权利要求1所述的超高动态卫星导航通信装置，其特征在于，所述数字信号处理单元根据能量比对判决进行多普勒及码相位补偿后的二次确认。
3.如权利要求1所述的超高动态卫星导航通信装置，其特征在于，所述数字信号处理单元根据接收信号对发射信号频率进行补偿，包括：跟踪过程实时输出当前卫星的多普勒值，通过预设的系数比例对发射控制量进行实时反向补偿，并对码控制量及载波控制量同时进行补偿。
4.如权利要求3所述的超高动态卫星导航通信装置，其特征在于，所述对发射控制量、码控制量及载波控制量的修正速度最快能与跟踪频度一致，实时抵消超高动态卫星导航通信装置和卫星实时的相对运动产生的频率变化。
5.如权利要求1所述的超高动态卫星导航通信装置，其特征在于，所述数字信号处理单元将发射信号进行数据组帧编码后进行上变频处理进行扩频，对扩频后信号进行载波调制和数据加密，对载波调制后的信号进行插值滤波，输出至DA转换模块进行处理，将数字信号转换为模拟信号，通过射频发射通道由发射天线对外发射。
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| 导航卫星自主导航关键技术研究;肖寅;《中国博士学位论文全文数据库》;20160115(第1期);全文 * |
| 高动态大多普勒频移伪码快速捕获技术研究;李弋鹏 等;《数字技术与应用》;20150731(第7期);全文 * |
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN108988929A (zh) | 2018-12-11 |
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