CN111884700B - 基于低轨卫星的飞行员定位报文处理装置及处理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于低轨卫星的飞行员定位报文处理装置及处理方法。该装置安装在低轨卫星上，包括：天线、低通滤波器、低噪声放大器、带通滤波器、变压器、宽带收发器、现场可编程逻辑门阵列和接口芯片；低通滤波器的输入端连接天线，低通滤波器的输出端依次连接第一低噪声放大器、第二低噪声放大器、带通滤波器、第三低噪声放大器和变压器，变压器的输出端连接宽带收发器的输入端，宽带收发器与现场可编程逻辑门阵列连接，现场可编程逻辑门阵列与接口芯片连接，接口芯片与星务计算机连接。本发明的基于低轨卫星的飞行员定位报文处理装置及处理方法能够实现遇险飞行员的快速广域搜寻定位，同时能够实现小型化、低功耗和可重配设计。

Description

基于低轨卫星的飞行员定位报文处理装置及处理方法
技术领域
本发明涉及无线电通信技术领域，尤其涉及一种基于低轨卫星的飞行员定位报文处理装置及处理方法。
背景技术
随着民用航空业的迅猛发展，飞机成为愈来愈多出行者的选择。由于航空运输的特殊性，一旦飞机遇险或紧急情况下实施迫降时，需要尽快搜寻到遇险地点，以对遇险人员实施救援。飞行员救生电台是供遇险飞行员进行远距离求救联络用的无线电通讯设备，飞行员救生电台能够发射包含当前位置信息的定位报文信号。当飞机遇险或紧急情况下实施迫降时，遇险飞行员可以利用飞行员救生电台发射包含自身当前位置信息的定位报文信号，搜救人员利用飞行员定位系统接收飞行员定位报文信号，根据飞行员定位报文信号获知遇险飞行员的位置信息以进行遇险飞行员的搜救行动。
目前，搜救人员在找寻遇险飞行员时，通过在搜救飞机上设置飞行员定位系统，利用飞行员定位系统接收并处理遇险飞行员发射的飞行员定位报文信号，根据处理结果确定遇险飞行员的具体位置。然而，现有的飞行员定位系统的有效通信距离一般为110km，利用飞行员定位系统进行遇险飞行员搜救时，无法实现上千公里范围的快速广域搜寻定位，搜救效率低。
发明内容
为解决上述现有技术中存在的技术问题，本发明提供了一种基于低轨卫星的飞行员定位报文处理装置及处理方法。
为此，本发明公开了一种基于低轨卫星的飞行员定位报文处理装置，所述装置安装在低轨卫星上，包括：天线、低通滤波器、低噪声放大器、带通滤波器、变压器、宽带收发器、现场可编程逻辑门阵列和接口芯片；
所述低通滤波器的输入端连接所述天线，所述低通滤波器的输出端连接第一低噪声放大器的输入端，所述第一低噪声放大器的输出端连接第二低噪声放大器的输入端，所述第二低噪声放大器的输出端连接所述带通滤波器的输入端，所述带通滤波器的输出端连接第三低噪声放大器的输入端，所述第三低噪声放大器的输出端连接所述变压器的输入端，所述变压器的输出端连接所述宽带收发器的输入端，所述宽带收发器与所述现场可编程逻辑门阵列连接，所述现场可编程逻辑门阵列与所述接口芯片连接，所述接口芯片与星务计算机连接。
进一步地，在上述基于低轨卫星的飞行员定位报文处理装置中，所述装置还包括晶体振荡器，所述晶体振荡器与所述宽带收发器连接。
进一步地，在上述基于低轨卫星的飞行员定位报文处理装置中，所述宽带收发器为AD9361，所述现场可编程逻辑门阵列为MPF500T。
进一步地，在上述基于低轨卫星的飞行员定位报文处理装置中，所述接口芯片通过微矩形连接器与所述星务计算机连接。
此外，本发明还公开一种飞行员定位报文处理方法，所述方法利用上述的基于低轨卫星的飞行员定位报文处理装置实施，所述方法包括如下内容：
天线接收飞行员定位报文信号；
低通滤波器、低噪声放大器、带通滤波器和变压器分别对飞行员定位报文信号进行低通滤波、信号放大、带通滤波和整形变压处理；
宽带收发器对飞行员定位报文信号进行数模转换和解调处理，获取与飞行员定位报文信号对应的有效数据；
现场可编程逻辑门阵列对有效数据进行分析处理以获取对应的报文数据。
进一步地，在上述飞行员定位报文处理方法中，宽带收发器采用二进制相移键控直接扩频序列解调方式对飞行员定位报文信号进行解调处理。
进一步地，在上述飞行员定位报文处理方法中，宽带收发器利用科斯塔斯环路进行二进制相移键控直接扩频序列解调。
进一步地，在上述飞行员定位报文处理方法中，科斯塔斯环路中的环路滤波器采用二阶锁相环滤波器。
本发明技术方案的主要优点如下：
本发明的基于低轨卫星的飞行员定位报文处理装置及处理方法能够实现遇险飞行员的快速广域搜寻定位，同时基于改进后的科斯塔斯环对飞行员定位报文信号进行二进制相移键控直接扩频序列解调，能够消除多普勒频偏效应的影响，提高通信可靠性和稳定性，且能够实现小型化、低功耗和可重配设计。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明一实施例的基于低轨卫星的飞行员定位报文处理装置的结构示意图；
图2为本发明一实施例的基于低轨卫星的飞行员定位报文处理装置的一种具体结构示意图；
图3为本发明一实施例的飞行员定位报文处理方法的流程图；
图4为本发明一实施例的科斯塔斯环的结构原理图；
图5为本发明一实施例的伪码捕获跟踪环的结构原理图；
图6为本发明一实施例的符号判决器的结构原理图；
图7为本发明一实施例的二阶锁相环滤波器的结构原理图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明具体实施例及相应的附图对本发明技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。
以下结合附图，详细说明本发明实施例提供的技术方案。
第一方面，如附图1所示，本发明一实施例提供了一种基于低轨卫星的飞行员定位报文处理装置，该装置安装在低轨卫星上，包括：天线、低通滤波器、低噪声放大器、带通滤波器、变压器、宽带收发器、现场可编程逻辑门阵列和接口芯片；低通滤波器的输入端连接天线，低通滤波器的输出端连接第一低噪声放大器的输入端，第一低噪声放大器的输出端连接第二低噪声放大器的输入端，第二低噪声放大器的输出端连接带通滤波器的输入端，带通滤波器的输出端连接第三低噪声放大器的输入端，第三低噪声放大器的输出端连接变压器的输入端，变压器的输出端连接宽带收发器的输入端，宽带收发器与现场可编程逻辑门阵列连接，现场可编程逻辑门阵列与接口芯片连接，接口芯片与星务计算机连接。
以下本发明一实施例提供的基于低轨卫星的飞行员定位报文处理装置的结构及工作原理进行具体说明；
具体地，本发明一实施例提供的基于低轨卫星的飞行员定位报文处理装置在使用时，天线接收飞行员定位报文信号，飞行员定位报文信号先通过低通滤波器进行低通滤波处理，滤波处理后的信号依次经过第一低噪声放大器和第二低噪声放大器进行放大，放大后的信号经过带通滤波器进行带通滤波，带通滤波后的信号经过第三低噪声放大器进行放大，放大后的信号再经过变压器进行整形变压处理后送至宽带收发器，宽带收发器对信号进行数模转换，并完成解调处理，以获取与飞行员定位报文信号对应的有效数据，而后现场可编程逻辑门阵列对获取的有效数据进行维特比译码和CRC校验后提取出正确的报文数据，对报文数据进行分析处理以获取对应的定位信息，并通过接口芯片将报文数据送至星务计算机进行信息交互，星务计算机根据信息交互结果确定需要发送的搜救信息并将确定的搜救信息转发给搜救人员。
进一步地，如附图1所示，本发明一实施例中，该装置还可以包括晶体振荡器，晶体振荡器与宽带收发器连接，晶体振荡器用于为宽带收发器提供稳定的工作时钟。
如附图2所示，本发明一实施例中，宽带收发器可以为AD9361，现场可编程逻辑门阵列可以为MPF500T，接口芯片可以为MAX3071。MPF500T基于Flash架构，采用28nm工艺，通过抗单事件干扰设计和对单事件锁定保护机制增强防辐射能力，采用非易失性技术实现了能耗效率更高的配置开关体系，能最大限度地减少散热，满足低轨卫星的要求；同时MFP500T芯片具备将近500K个逻辑单元，能够满足对接入信号进行信道化并行分析处理的要求。如此设置，能够实现飞行员定位报文处理装置的小型化、低功耗和可重配设计；同时，利用利用MPF500T芯片上的逻辑资源构建基于RISC-V架构的处理器，对AD9361的各类寄存器进行读写，能够实现AD9361工作模式的配置与重构，并能够根据飞行员定位报文的信号特性，设置AD9361的接收本振、发射本振和ADC采样时钟，开启AD9361内部自动增益控制电路，提高信号接收的动态范围。
可选的，基于上述设定的宽带收发器和现场可编程逻辑门阵列的具体结构，如附图2所示，本发明一实施例中，低通滤波器可以为LFCN-1000，低噪声放大器可以为WHM02AE，带通滤波器可以为CPS245A，变压器可以为TCM1-63AX+，晶体振荡器可以为TCXO。
可选的，本发明一实施例中，接口芯片通过微矩形连接器与星务计算机连接，低通滤波器可以通过SMA接口连接天线。
第二方面，如附图3所示，本发明一实施例还提供了一种飞行员定位报文处理方法，该方法利用上述的基于低轨卫星的飞行员定位报文处理装置实施，该方法包括如下内容：
天线接收飞行员定位报文信号；
低通滤波器、低噪声放大器、带通滤波器和变压器分别对飞行员定位报文信号进行低通滤波、信号放大、带通滤波和整形变压处理；
宽带收发器对飞行员定位报文信号进行数模转换和解调处理，获取与飞行员定位报文信号对应的有效数据；
现场可编程逻辑门阵列对有效数据进行分析处理以获取对应的报文数据。
具体地，本发明一实施例提供的基于低轨卫星的飞行员定位报文处理装置在使用时，天线接收飞行员定位报文信号，飞行员定位报文信号先通过低通滤波器进行低通滤波处理，滤波处理后的信号依次经过第一低噪声放大器和第二低噪声放大器进行放大，放大后的信号经过带通滤波器进行带通滤波，带通滤波后的信号经过第三低噪声放大器进行放大，放大后的信号再经过变压器进行整形变压处理后送至宽带收发器，宽带收发器对信号进行数模转换，并完成解调处理，以获取与飞行员定位报文信号对应的有效数据，而后现场可编程逻辑门阵列对获取的有效数据进行维特比译码和CRC校验后提取出正确的报文数据，对报文数据进行分析处理以获取对应的定位信息，并通过接口芯片将报文数据送至星务计算机进行信息交互，星务计算机根据信息交互结果确定需要发送的搜救信息并将确定的搜救信息转发给搜救人员。
由于低轨卫星与遇险飞行员处于相对运动状态，通过在低轨卫星上安装飞行员定位报文处理装置接收遇险飞行员发射的飞行员定位报文信号时，会受到多普勒频偏效应的影响。本发明一实施例中，为了克服多普勒频偏效应的影响，提高通信可靠性，宽带收发器采用二进制相移键控直接扩频序列解调方式对飞行员定位报文信号进行解调处理。
对于宽带收发器如何采用二进制相移键控直接扩频序列解调方式对飞行员定位报文信号进行解调处理，以下进行具体说明；
如附图4所示，本发明一实施例中，宽带收发器利用科斯塔斯环路进行二进制相移键控直接扩频序列解调；该科斯塔斯环包括：DDS信号发生器、积分清零器、乘法器、加法器、鉴相器、鉴频器、环路滤波器、I路PN码跟踪模块和Q路PN码跟踪模块。
相较于现有的经典科斯塔斯环，本发明一实施例提供的科斯塔斯环设置了I路PN码跟踪模块和Q路PN码跟踪模块，并采用两级积分清零器替代低通滤波器；在进行解调时，下变频后的第一级积分清零器的清零率取每个PN码片上的采样点数，第二级积分清零器的清零率取每位数据位上的PN码片数，积分清零器能够实现整数倍抽取的积分梳状滤波器，能够适用于采样率远高于数据数率的情况；同时，无需使用乘法器，能够节省MPF500T内部乘法器资源，满足并行信道化解扩的要求，每一个二进制相移键控直接扩频序列解调能够对多普勒频偏做一个预补偿，多个分支合并在一起能够提高装置对多普勒频偏的补偿范围。
进一步地，在对飞行员定位报文信号进行解调处理时，需要实现本地伪随机码与接收信号同步；现有的伪码同步可分为捕获和跟踪两个过程，通过扩频码的捕获可以使本地伪码与接收到的码元基本保持同步，获得二分之一码元宽的同步精度，捕获电路完成PN码的捕获后，接收PN码与本地码并未完全对齐，且由于发射机和接收机的相对运动及时钟的不稳定，二者存在频率差，则很快就会失去同步，为了保持同步且将同步精度控制在更小码元周期范围内，使本地伪码尽可能跟随接收信号的变化，需要采用锁相跟踪。如附图5所示，本发明一实施例中，伪码捕获和跟踪用一个捕获跟踪环实现，该捕获跟踪环包括：乘法器、积分清零器、平方器、门限比较器、PN码相移控制器、PN码产生器和相移控制器；捕获跟踪环接收积分清零器的输出数据，基于输出数据得到调整的PN码，捕获跟踪环在使用时，采用延迟锁相环中的超前支路、滞后支路以及同步支路相关累加器的平方和作为判断是否捕获到有用信号的依据，当存在大于判决门限的平方和时，认为已经捕获到了PN码，且PN码的相位差在1个PN码元周期内。
进一步地，如附图4所示，I支路(同相支路)和Q支路(正交支路)的两个支路数据经过积分清零器后，需要进行运算，而后再进入环路滤波器；目前，通常采用相乘运算的方式对两个支路数据进行处理，然而采用相乘运算时会消耗FPGA(现场可编程逻辑门阵列)，本发明一实施例中，利用环路滤波器中设置的符号判决器对I路数据和Q路数据进行运算处理；如附图6所示，根据I支路数据的符号位，当符号位为0时，输出正交数据，当符号位为1时输出正交数据的负值。
进一步地，由于多普勒频偏的影响，本地载波与接收信号的频差可能超出锁相环的快捕带；为此，本发明一实施例中，采用AFC环(自动频率控制环)进行补偿，采用频率鉴别器得到频率差后，将之作为辅助变量嵌入锁相环的环路滤波器，同时实现对本地DDS(Direct Digital Synthesis，直接数字频率合成)的频率校正和相位校正。
具体地，环路滤波器的作用是用来降低噪声以便在输出端对原始信号进行精确的估计，环路滤波器的阶数和噪声带宽决定了环路滤波器对信号的动态响应；为此，如附图7所示，本发明一实施例中，科斯塔斯环路中的环路滤波器采用二阶锁相环滤波器，该环路滤波器采用一阶锁频环辅助，该环路滤波器在使用时，相位误差输入被置为0，滤波器变成纯FLL(锁频环)，当频率误差输入被置为0，滤波器变为纯PLL(锁相环)；具体地，首先以纯FLL的形式闭合，然后FLL辅助的PLL对来自两个鉴别器的误差输入信号同时应用，一直到获得相位锁定，转换为纯PLL环路，直到相位锁定丢失，再启动FLL纯环路。附图7中，woF表示第一乘法器的误差比例因子，
Figure BDA0002522332900000061
表示第二乘法器的误差比例因子，a2woP表示第三乘法器的误差比例因子，T表示第四乘法器和第五乘法器的补偿系数，12表示第六乘法器的补偿系数，Z-1表示第一延迟器的第一比特延迟时间。
可见，本发明一实施例提供的基于低轨卫星的飞行员定位报文处理装置及处理方法能够实现遇险飞行员的快速广域搜寻定位，同时基于改进后的科斯塔斯环对飞行员定位报文信号进行二进制相移键控直接扩频序列解调，能够消除多普勒频偏效应的影响，提高通信可靠性和稳定性，且能够实现小型化、低功耗和可重配设计。
需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。此外，本文中“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”均以附图中表示的放置状态为参照。
最后应说明的是：以上实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (6)

1.一种基于低轨卫星的飞行员定位报文处理装置，其特征在于，所述装置安装在低轨卫星上，包括：天线、低通滤波器、低噪声放大器、带通滤波器、变压器、宽带收发器、现场可编程逻辑门阵列和接口芯片；
所述低通滤波器的输入端连接所述天线，所述低通滤波器的输出端连接第一低噪声放大器的输入端，所述第一低噪声放大器的输出端连接第二低噪声放大器的输入端，所述第二低噪声放大器的输出端连接所述带通滤波器的输入端，所述带通滤波器的输出端连接第三低噪声放大器的输入端，所述第三低噪声放大器的输出端连接所述变压器的输入端，所述变压器的输出端连接所述宽带收发器的输入端，所述宽带收发器与所述现场可编程逻辑门阵列连接，所述现场可编程逻辑门阵列与所述接口芯片连接，所述接口芯片与星务计算机连接；
其中，所述宽带收发器采用二进制相移键控直接扩频序列解调方式对飞行员定位报文信号进行解调处理，所述宽带收发器利用科斯塔斯环路进行二进制相移键控直接扩频序列解调；
其中，所述科斯塔斯环路包括：DDS信号发生器、两个第一级积分清零器、两个第二级积分清零器、两个乘法器、两个加法器、鉴相器、鉴频器、环路滤波器、I路PN码跟踪模块和Q路PN码跟踪模块；
所述DDS信号发生器输出分别连接两个所述乘法器，每个所述乘法器输出连接一个所述第一级积分清零器，两个所述第一级积分清零器中的一个所述第一级积分清零器输出分别连接所述I路PN码跟踪模块和第一个加法器，另一个所述第一级积分清零器输出分别连接所述Q路PN码跟踪模块和第二个加法器，所述I路PN码跟踪模块输出连接所述第一个加法器，所述Q路PN码跟踪模块输出连接所述第二个加法器，所述第一个加法器输出分别连接一个所述第二级积分清零器和所述鉴频器，所述第二个加法器输出分别连接另一个所述第二级积分清零器和所述鉴频器，两个所述第二级积分清零器输出分别连接所述鉴相器，所述鉴频器输出和所述鉴相器输出连接所述环路滤波器，所述环路滤波器输出连接所述DDS信号发生器；
其中，在进行解调时，所述第一级积分清零器的清零率取每个PN码片上的采样点数，所述第二级积分清零器的清零率取每位数据位上的PN码片数。
2.根据权利要求1所述的基于低轨卫星的飞行员定位报文处理装置，其特征在于，所述装置还包括晶体振荡器，所述晶体振荡器与所述宽带收发器连接。
3.根据权利要求1所述的基于低轨卫星的飞行员定位报文处理装置，其特征在于，所述宽带收发器为AD9361，所述现场可编程逻辑门阵列为MPF500T。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的基于低轨卫星的飞行员定位报文处理装置，其特征在于，所述接口芯片通过微矩形连接器与所述星务计算机连接。
5.一种飞行员定位报文处理方法，其特征在于，所述方法利用如权利要求1至4中任一项所述的基于低轨卫星的飞行员定位报文处理装置实施，所述方法包括如下内容：
天线接收飞行员定位报文信号；
低通滤波器、低噪声放大器、带通滤波器和变压器分别对飞行员定位报文信号进行低通滤波、信号放大、带通滤波和整形变压处理；
宽带收发器对飞行员定位报文信号进行模数转换和解调处理，获取与飞行员定位报文信号对应的有效数据；
现场可编程逻辑门阵列对有效数据进行分析处理以获取对应的报文数据；
其中，宽带收发器采用二进制相移键控直接扩频序列解调方式对飞行员定位报文信号进行解调处理，宽带收发器利用科斯塔斯环路进行二进制相移键控直接扩频序列解调。
6.根据权利要求5所述的飞行员定位报文处理方法，其特征在于，科斯塔斯环路中的环路滤波器采用二阶锁相环滤波器。
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