CN111522039A - 一种星载双天线联合定位装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种星载双天线联合定位装置，包括星载天线和接收端机，两个所述星载天线设置于卫星两侧面上，并均与所述接收端机连接，所述接收端机内设置有选星判定单元，所述选星判定单元通过对比导航星星号、信噪比和导航星仰角从两个所述星载天线的接收信号中筛选出参与定位解算的信号。本发明将星载天线放置在卫星的‑Z面和+Z面，采用双天线联合定位，解决卫星在执行任务过程中由于姿态变化导致的整星非定位问题；选星判定单元完成双天线输入的导航星的筛选、判定等操作，选择合适的信号参与融合定位解算，定位结果准确。
Description
技术领域
本发明属于卫星导航定位技术领域，特别涉及一种星载双天线联合定位装置。
背景技术
未来10年全球将发射7000颗小卫星，卫星按照其应用分为通信卫星、遥感卫星、导航卫星，遥感卫星主要分布在低轨(400-1000km)，主要用于对地观测，遥感卫星在轨运行中，在执行成像任务、对地测控任务、对地数传数据传输任务等操作时，卫星姿态会发生较大变化，常规的单天线卫星导航系统在卫星执行任务过程中将导致卫星的非定位，影响卫星执行任务的可靠性。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的技术问题，提供一种星载双天线联合定位装置，使用两个星载天线接收导航星信号，并选择合适的信号参与融合定位解算，实现双星载天线联合定位，解决单天线的非定位问题。
本发明采用的技术方案是：一种星载双天线联合定位装置，包括星载天线和接收端机，两个所述星载天线设置于卫星两侧面上，并均与所述接收端机连接，所述接收端机内设置有选星判定单元，所述选星判定单元通过对比导航星星号、信噪比和导航星仰角从两个星载天线的接收信号中筛选出参与定位解算的信号。
作为优选，所述选星判定单元包括时间同步基准单元、天线状态存储单元、导航星星号对比单元、信噪比对比单元、导航星仰角对比单元和置星单元，所述时间同步基准单元、天线状态存储单元、导航星星号对比单元、信噪比对比单元、导航星仰角对比单元和置星单元依次连接，所述天线状态存储单元的数量为两个，各存储一个所述星载天线的信号。
作为优选，所述接收端机包括射频部组件、基带部组件、接口部组件和供电部组件，所述射频部组件的数量为两个，分别与一个所述星载天线连接，所述基带部组件与所述射频部组件、接口部组件连接，所述供电部组件为所述射频部组件、基带部组件和接口部组件供电，所述选星判定单元位于所述基带部组件内。
作为优选，所述基带部组件包括中频信号预处理单元、相关器单元、环路处理单元、选星判定单元和融合定位解算单元，所述中频信号预处理单元、相关器单元和环路处理单元的数量均为两个，并分别依次连接，所述选星判定单元与所述环路处理单元、融合定位解算单元连接。
作为优选，所述融合定位解算单元内设置有用于计算位置超差的纠错模块。
作为优选，所述接口部组件包括依次连接的存储单元、控制单元、总线单元和接口隔离单元。
工作原理：两个星载天线分别安装在卫星的-Z面和+Z面，其接收到的导航星信号传输到各自连接的射频部组件，射频部组件可以完成GPS L1频点信号、BD2 B1频点信号的滤波、放大、下变频、根据输入能量的大小进行自动增益、以及将模拟信号转换为数字信号，传输到基带部组件。基带部组件的中频信号预处理单元采用数字方式完成中频信号的第一级滤波、降噪，输出高质量中频信号至相关器单元；相关器单元完成信号的载波剥离、伪码相关。环路处理单元完成信号的环路处理。选星判定单元主要通过导航星号、信噪比和导航星仰角对双天线的信号进行选星判定，根据计算结果及反馈的结果综合进行置星。融合定位解算单元内的纠错模块可通过解算出的卫星位置以及参与定位解算的卫星的伪距进行判定，判定该卫星参与定位解算是否导致位置超差，如果位置超差，将该星号反馈至选星判定单元，选星判定单元进行剔除处理。融合定位解算单元完成双天线的融合定位解算，根据定位方程求解出X、Y、Z、t，进而输出整星的位置、时间。接口部组件将接收端机的定位结果、状态监控结果等通过内部总线输出至卫星星务及数传单元；并可以接收卫星星务输入的指令信息，并根据指令信息完成相应的操作，并返回状态量。
与现有技术相比，本发明所具有的有益效果是：
1.本发明将星载天线放置在卫星的-Z面和+Z面，采用双天线联合定位，解决卫星在执行任务过程中由于姿态变化导致的整星非定位问题；
2.本发明的选星判定单元完成双天线输入的导航星的筛选、判定等操作，选择合适的信号参与融合定位解算，定位结果准确；
3.本发明的接收端机内部采用两个独立的射频部组件进行处理，减少两个天线信号之间的耦合及干扰；
4.本发明的接收端机内部采用一套基带部组件进行处理，降低了功耗及成本。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的接收端机的结构示意图；
图3为本发明的基带部组件的结构示意图；
图4为本发明的选星判定单元的结构示意图；
图5为本发明的接口部组件的结构示意图。
图中1-星载天线，2-射频部组件，3-基带部组件，4-接口部组件，5-供电部组件，31-中频信号预处理单元，32-相关器单元，33-环路处理单元，34-选星判定单元，35-融合定位解算单元，341-时间同步基准单元，342-天线状态存储单元，343-导航星星号对比单元，344-信噪比对比单元，345-导航星仰角对比单元，346-置星单元，41-存储单元，42-控制单元，43-总线单元，44-接口隔离单元。
具体实施方式
为使本领域技术人员更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施例对本发明作详细说明。
本发明的实施例公开了一种星载双天线联合定位装置，如图所示，其包括星载天线1和接收端机，两个所述星载天线1均与所述接收端机连接。两个星载天线1安装于卫星的+Z面和-Z面，两个星载天线1采用完全相同的设计，为了提高天线的探测范围，采用高精度、高增益的双模微带天线进行探测，星载天线1分别通过高频电缆与接收端机进行电性连接，接收端机通过端机外部接插件(图中未画出)及整星电缆与卫星供电系统进行连接，整星为端机提供供电，接收端机通过端机外部接插件(图中未画出)及整星电缆与卫星星务/数传单元进行连接，用于将定位信息、接收端机状态信息等输出至整星，同时通过卫星星务接收卫星的指令，接收端机根据卫星指令执行相应的操作。
所述接收端机包括射频部组件2、基带部组件3、接口部组件4和供电部组件5，所述射频部组件2的数量为两个，分别与一个所述星载天线1连接，所述基带部组件3与所述射频部组件2、接口部组件4连接，所述供电部组件5为所述射频部组件2、基带部组件3和接口部组件4供电。来自±Z方向星载天线1的高频信号首先输送至射频部组件2，两个射频部组件2采用相同的设计，主要包括滤波模块、放大模块、下变频模块、自动增益控制模块和AD模块，完成GPS L1频点信号、BD2 B1频点信号的滤波、放大、下变频、根据输入能量的大小进行自动增益控制、以及将模拟信号转换为数字信号，最终将数字信号输出到基带部组件3。基带部组件3主要完成数字信号的处理工作，输出定位结果、状态监控结果等，并将输出的结果传输至接口部组件4，接口部组件4主要完成以下两个功能：第一，将接收端机的定位结果、状态监控结果等通过内部总线输出至卫星星务及数传单元；第二，接收卫星星务输入的指令信息，并根据指令信息完成相应的操作，并返回状态量。射频部组件2与基带部组件3、基带部组件3与接口部组件4均通过板件接插件进行连接，板间接插件优选CPCI板间接插件或者HRM系列板间接插件，供电部组件5用于为接收端机提供电源，包括若干电源转换模块，主要是用于将卫星输入的电压转换为各个部组件、芯片所需要的实际电压。
所述基带部组件3包括中频信号预处理单元31、相关器单元32、环路处理单元33、选星判定单元34和融合定位解算单元35，所述中频信号预处理单元31、相关器单元32和环路处理单元33的数量均为两个，并分别依次连接，所述选星判定单元34与所述环路处理单元33、融合定位解算单元35连接。两个中频信号预处理单元31采用完全相同的处理方式，中频信号预处理单元31主要包括中频滤波模块(图中未画出)、中频降噪模块(图中未画出)，采用数字方式完成中频信号的第一级滤波、降噪，输出高质量中频信号至相关器单元32。两个相关器单元32采用相同的处理方式，主要完成信号的载波剥离、伪码相关。相关器单元32主要包括载波生产模块(图中未画出)、GPS L1码生产模块(图中未画出)、BD2 B1码生成模块(图中未画出)、载波混频模块(图中未画出)、码相干累加模块(图中未画出)、码非相干累加模块(图中未画出)。伪码相关采用1ms相干+100ms非相干的融合处理方式，非相干融合处理时间可通过软件进行配置，可自由配置成10ms、20ms之至100ms，步长间隔10ms。两个环路处理单元33采用相同的处理方式，主要完成信号的环路处理，主要包括载波环模块(图中未画出)、码环模块(图中未画出)。环路处理方式采用常规的鉴相鉴频的环路处理方式，另外一种实施方式环路采用卡尔曼滤波的处理方式，伪距与载波相位的组合采用载波相位平滑伪距的处理方式。选星判定单元34主要用于对双天线的信号进行选星判定，选用符合要求的星进行后面的融合定位解算。融合定位解算单元35主要用于完成双天线的融合定位解算，当可用星大于等于4颗时，该单元开始工作，根据定位方程求解出X、Y、Z、t，进而输出整星的位置、时间，定位解算采用最小二乘法进行解算。融合定位解算单元35中包含纠错模块(图中未画出)，纠错模块可通过解算出的卫星位置以及参与定位解算的卫星的伪距进行判定，判定该卫星参与定位解算是否导致位置超差，如果位置超差，将该星号反馈至选星判定单元34，选星判定单元34进行剔除处理。当卫星姿态发生变化时(两个天线均有导航星捕获时)，由于-Z面天线和+Z面天线的相位中心不一致，导致有些导航星参与定位结算时发生位置超差，因此通过纠错模块可完成该导航星的剔除工作。
所述选星判定单元34包括时间同步基准单元341、天线状态存储单元342、导航星星号对比单元343、信噪比对比单元344、导航星仰角对比单元345和置星单元346，所述时间同步基准单元341、天线状态存储单元342、导航星星号对比单元343、信噪比对比单元344、导航星仰角对比单元345和置星单元346依次连接，所述天线状态存储单元342的数量为两个，各存储一个所述星载天线1的信号。时间同步基准单元341用于整个单元的时间统一，为整个模块提供基准时间，时间同步基准单元341主要由高稳晶振模块(图中未画出)、倍频模块(图中未画出)、时间生成模块(图中未画出)组成。高稳晶振模块由基带部组件3上的高稳晶振(图中未画出)产生的基准10M时钟作为输入(数字化以后的)产生高稳定度数字时钟信号，倍频模块主要完成10M时钟信号的倍频操作，倍频至100M(可配)或其它需要的频率，时间生成模块主要完成多路时钟信号的生产工作，生成延迟量相同的多路时钟信号，为其它单元提供基准时间。两个天线状态存储单元342设计完全相同，主要用于存储来自两个星载天线1的导航星的状态数据，状态存储单元41包括通道捕获状态存储、通道信噪比存储、通道卫星仰角存储，各个存储单元41可至少完成12个GPS L112个BD2 B1状态的存储，N的值大于等于12。导航星星号对比单元343主要完成导航星星号的对比，整星在姿态变化过程中将存在-Z面天线有信号+Z面天线无信号、-Z面天线无信号+Z面天线有信号、-Z面天线+Z面天线均有信号、-Z面天线+Z面天线均无信号四种状态，导航星星号对比单元343首先剔除12个通道内没有捕获的通道，然后将捕获的通道按照导航卫星星号的大小顺序进行排序，当两个天线含有相同星号时，两个星号均存储，排序结束后对捕获的总的导航星数进行判定，如果可用星少于4颗，则结束进程，反馈状态信息，如果可用星大于等于4颗，则进行下一步判决。信噪比对比单元344主要完成对捕获信号信号信噪比的判定、剔除，首先对所有通道进行判定，判定所有通道是否满足设定的基准值(例如XdB)，如果满足则进行下一步，如果不满足，则剔除不满足的通道，对于两个天线均捕获的通道则采用循环累加求均值的策略进行对比，循环连续存储100个点(可自由配置)的信号比的值，并对100个点的信噪比进行累加并求取均值，最终选取均值高的通道进行下一步，均值低的通道则剔除，选用循环累加求均值的策略可以有效的降低信噪比突然跳动而引起的突变情况，更加接近真值。导航星仰角对比单元345主要完成卫星仰角的对比判定，剔除掉不符合条件的卫星，保留有用星。置星单元346主要包括置星模块、剔星模块，置星模块根据前面的计算结果及反馈的结果综合进行置星，将质量好的可用星置于融合定位解算单元35，剔星模块则是根据融合定位解算单元35中纠错模块反馈的值进行剔星。
所述接口部组件4包括依次连接的存储单元41、控制单元42、总线单元43和接口隔离单元44。总线单元43包括CAN总线单元、1553B总线单元、RS422总线单元、RS232总线单元、LVDS总线单元、I2C总线单元、网口总线单元。存储单元41完成测量数据、状态监控数据等的存储功能，并在收到整星指令时按照指令按照协议进行数据输出，控制单元42为接口单元的核心，主要完成：第一，接收整星的指令，按照指令执行相应的操作，例如按照指令进行数据的存储、数据的输出、接口的选择等；第二，按照一定的时序完成数据的分发功能，由于各个卫星通信时序不同，接口不同，控制单元42可按照一定的时序完成数据的分发功能。卫星上常用的接口包括：CAN总线单元、1553B总线单元、RS422总线单元、RS232总线单元、LVDS总线单元、I2C总线单元、网口总线单元，为了兼容不同类型卫星，本发明采用多接口兼容设计，可根据控制单元42选通其中一个或者多个接口进行数据传输；接口隔离单元44主要起到接口隔离的作用，防止由于单机接口的失效导致整星接口的失效，起到对整星接口保护的作用。
以上通过实施例对本发明进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的示例性实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。本发明的保护范围由权利要求书限定。凡利用本发明所述的技术方案，或本领域的技术人员在本发明技术方案的启发下，在本发明的实质和保护范围内，设计出类似的技术方案而达到上述技术效果的，或者对申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖保护范围之内。
Claims (6)
1.一种星载双天线联合定位装置，其特征在于：包括星载天线和接收端机，两个所述星载天线设置于卫星两侧面上，并均与所述接收端机连接，所述接收端机内设置有选星判定单元，所述选星判定单元通过对比导航星星号、信噪比和导航星仰角从两个所述星载天线的接收信号中筛选出参与定位解算的信号。
2.如权利要求1所述的星载双天线联合定位装置，其特征在于：所述选星判定单元包括时间同步基准单元、天线状态存储单元、导航星星号对比单元、信噪比对比单元、导航星仰角对比单元和置星单元，所述时间同步基准单元、天线状态存储单元、导航星星号对比单元、信噪比对比单元、导航星仰角对比单元和置星单元依次连接，所述天线状态存储单元的数量为两个，各存储一个所述星载天线的信号。
3.如权利要求1或2所述的星载双天线联合定位装置，其特征在于：所述接收端机包括射频部组件、基带部组件、接口部组件和供电部组件，所述射频部组件的数量为两个，分别与一个所述星载天线连接，所述基带部组件与所述射频部组件、接口部组件连接，所述供电部组件为所述射频部组件、基带部组件和接口部组件供电，所述选星判定单元位于所述基带部组件内。
4.如权利要求3所述的星载双天线联合定位装置，其特征在于：所述基带部组件包括中频信号预处理单元、相关器单元、环路处理单元、选星判定单元和融合定位解算单元，所述中频信号预处理单元、相关器单元和环路处理单元的数量均为两个，并分别依次连接，所述选星判定单元与所述环路处理单元、融合定位解算单元连接。
5.如权利要求4所述的星载双天线联合定位装置，其特征在于：所述融合定位解算单元内设置有用于计算位置超差的纠错模块。
6.如权利要求3所述的星载双天线联合定位装置，其特征在于：所述接口部组件包括依次连接的存储单元、控制单元、总线单元和接口隔离单元。
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