CN112363182A - 一种多波束伪卫星信号生成方法与发射装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种多波束伪卫星信号生成方法与发射装置,可产生多波束伪卫星信号,用作定位系统的伪卫星发射机。本发明提供了一种多波束伪卫星信号生成方法及发射装置,多个通道的伪卫星信道通过多个通道的导航电文生成、PRN码生成、扩频码产生及扩频调制、TDM调制、DA转换与上变频等过程有序的结合起来,产生多波束伪卫星信号,并通过多波束天线阵元发射出去。本发明将多个伪卫星信号产生与发射装置集合于一体,可降低伪卫星定位系统的布设难度,节约成本。并且由于多个伪卫星信号是共用一个时钟源产生的,因此,伪卫星信号的星间钟差可以忽略,不用再对每个伪卫星时钟源做时钟同步处理,降低误差源引入概率,提高定位精度。
Description
技术领域
本发明涉及一种多波束伪卫星信号生成方法与发射装置,属于导航定位技术领域。
背景技术
伪卫星(PL,Pseuolite)是一种能发射出与导航卫星信号高度相似信号的发射器,一般情况下其安装在高度较低的开阔地带、城市峡谷、露天矿场、室内环境、地下空间等卫星导航信号较弱的区域,用于提供实时定位服务;同时在需要高精度定位的区域,伪卫星也用于提供卫星增强定位,增加定位卫星数量,优化卫星空间分布,提高定位效果。
目前,常用的伪卫星主要是分布式单通道伪卫星。分布式单通道伪卫星一般只能发射一个伪卫星信号,多个分布式单通道伪卫星按照一定的几何布局组网形成伪卫星定位系统,每个单体伪卫星之间都需要进行时钟同步操作。各个伪卫星的信号生成都是相互独立的,依靠时钟同步模块建立时钟统一的联系,但是时钟同步技术的成本较高,会增加钟差等系列误差,同步性能不高,定位效果很差。由于当前时钟同步技术很难达到伪卫星定位要求的时频同步级别,因此时钟同步技术是限制伪卫星实用性的重要条件。分布式单通道伪卫星也存在分布比较分散,布设成本高,操作麻烦等缺点。
发明内容
技术问题:
为了克服现有技术的不足,提高室内伪卫星的定位精度,本发明提供了一种多波束伪卫星信号生成方法及发射装置,通过该方法同时生成多个伪卫星信号,并通过多波束伪卫星信号发射装置发射出去,该发射装置采用的是集中阵列式伪卫星架构。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:
一种多波束伪卫星信号发射装置,包括N个伪卫星信号通道,导航电文生成模块、C/A码产生模块、基带生成型滤波器、中频载波产生模块、TMD信号生成器和射频天线,所述N个伪卫星信号通道共用中频载波产生模块,射频天线为N个并定位在场景的不同位置。
进一步地,所述N个射频天线形成天线阵元,每个天线发射一个伪卫星信号。
一种多波束伪卫星信号生成方法,包括以下步骤:
S1:多波束伪卫星的每一个通道分别产生一路导航电文数据,导航电文中包含统一的时间信息、各自的发射天线位置信息等;
S2:生成N个伪卫星的PRN码,每个PRN码对应一个波束的伪卫星信号,N个PRN码不同;每个通道的PRN产生模块共用一个时钟源。
S3:导航电文对应的数据码与C/A码异或相加生成N个并行同步、互不干扰的扩频码;
S4:N个波束的伪卫星共用一个中频载波产生模块,对同相(I)支路的Gold码信号和正交(Q)支路的P码信号分别进行BPSK调制,生成相互正交的两路中频载波,信号的频率相同,相位相差90°;
S5:N个伪卫星信号的调制信号模块并行运行,首先数据码与伪码进行异或相加运算调制成组合码,之后组合码与载波将通过BPSK的调制方式调制成最终的伪卫星信号;
S6:在每个伪卫星通道的原信号上外加独立工作的TDM开关,分别控制每一路伪卫星信号的脉冲时隙时间;
S7:每个伪卫星通道对应1个DA转换器和1个上变频通道,产生N个伪卫星射频信号;
S8:由N个通道组成的多波束伪卫星信号发射装置连接N个射频发射天线,将N个射频发射天线分别布设在伪卫星定位场景的不同位置,每个天线可发射1颗伪卫星射频信号,N个发射天线构成多波束伪卫星定位系统。
进一步地,所述步骤S6中,N个伪卫星的TDM时隙时间独立设置并设为互补关系。
进一步地,所述步骤S7中,在基带信号和本地震荡时钟信号都生成完之后,使用上变频原理对这两个信号进行乘法运算,并使用滤波器消除不需要的干扰信号,得到需要的信号。
有益效果:本发明所带来的好处,所达到的指标。
本发明将多个伪卫星信号产生与发射装置集合于一体,可降低伪卫星定位系统的布设难度,节约成本。并且由于多个伪卫星信号是共用一个时钟源产生的,因此,伪卫星信号的星间钟差可以忽略,不用再对每个伪卫星时钟源做时钟同步处理,降低误差源引入概率,提高定位精度。
附图说明
图1为单通道伪卫星信号生成原理图。
图2为多波束伪卫星信号生成原理图。
图3位多波束伪卫星定位系统示意图。
具体实施方式
根据权利要求所包含的内容举例说明
实施例1:
多波束伪卫星信号发射机是一种可以生成多路伪卫星信号的伪卫星信号发射装置。每个通道都可以产生一路上面描述的伪卫星信号。多路伪卫星信号通道共用一个时钟源,因此在伪卫星做差分解算时,星间钟差可以忽略。因此,采用阵列伪卫星进行室内定位的方法是不需要考虑时钟同步问题。
多波束伪卫星根据用户需求和硬件装置的发射通道数目,可以发射N个波束通道的伪卫星信号,对应N个天线阵元,每个天线发射一个伪卫星信号。
阵列伪卫星发射机采用软件无线电SOC方案进行实现的.SOC硬件平台主要由ZYNQ7100和4个AD9361组成。每个AD9361有两个发射通道和两个接收通道,因此,该板可以有8个Tx和8个Rx通道。多波束阵列伪卫星发射机选用其中的8个Tx通道同时发射8路伪卫星信号。每一路伪卫星信号的PRN、发射功率等参数可以分别进行设置。
以N通道GPS L1信号为例,所述的多波束伪卫星信号生成方法包括以下步骤:
S1:生成导航电文:由于伪卫星的运动方式与GPS不同,因此伪卫星的导航电文的产生用到固定位置星历播发技术。为实现伪卫星与GNSS定位相兼容,伪卫星拟采用播发与室外GNSS卫星导航信号相同的扩频信号,传统导航卫星位置计算是基于开普勒三大定律得到的六轨道根数及其改正量计算获得。对于伪卫星来说其位置是固定和事先精确测定的,为了不改变接收机的定位算法框架,仍需采用传统的卫星位置计算方式。每一通道伪卫星信号均需要产生一路导航电文数据,导航电文中包含时间信息、发射天线位置信息等。
S2:生成PRN码:在伪卫星系统中,类GPS信号的伪随机码指的就是C/A码和P码,即测距码和精码。C/A码是伪卫星信号源中最重要的一层,是一种结构固定的伪随机码,其作用之一是用来实现码分多址,作用之二是用来测距。由伪卫星信号的结构特征可知,C/A码一个具有良好自相关性的周期二进制序列,一个周期包含1023个码片,周期长度为1ms,即C/A码的速率是1.023Mcps。N个伪卫星的PRN码不同,但是每个PRN码的初始时间是一致,每个PRN码对应一个波束的伪卫星信号。
S3:组合成扩频码:扩频码的生成过程为导航电文对应的数据码与C/A码的异或相加。每个数据码的比特发生沿时刻均与C/A码的每个周期的第一个码片发生沿重合。数据码的码率为50bit/秒,每一个bit持续时间为20ms,调制后,每一个比特变为20周期的C/A码或C/A码的反相,频宽一下子被扩大。N个波束的扩频码并行同步进行,互不干扰。
S4:产生中频载波信号:载波是特定频率的承载伪卫星信号信息的无线电波,GPSL1频点信号的载波频率为1575.42MHz,根据奈奎斯特采样定理,至少需要3150.84MHz的采样频率,然而目前的ADC转换器的工艺水平很难实现,需要在射频前端将接收到的高频信号下变频到适当的中频频段,然后再对信号进行ADC转换,变成中频数字信号。因此本文涉及的基带信号源和本地信号的采样频率fs=16.369MHz,中频载波频率fc=7.161MHz,同时本文中的信号处理功能均为数字信号处理。已知GPS伪卫星信号采用BPSK调制,对同相(I)支路的Gold码信号和正交(Q)支路的P码信号分别进行BPSK调制,因此载波模块需要生成相互正交的两路中频载波,信号的频率相同,但相位相差90°,即正交。另一方面,结合上文对时间同步信号产生原理的讨论,基带信号源中的载波模块必须具有根据同步控制信号调节载波信号的频率和相位的功能。由于N个波束的伪卫星产生对应的中心频率一致,因此,N个伪卫星信号对应的中频载波也一致,N个波束的伪卫星共用一个中频载波产生模块。
S5:调制信号:为了实现伪卫星信号与大部分现存的GNSS接收机相互兼容的特点,伪卫星信号采用与GPS L1频段相同的结构以及调制方式。伪卫星信号通过二进制相移键控(binary phase shift keying,BPSK)调制的方法将伪随机码和导航数据位调制到L1载波上。简单的说伪卫星信号调制过程如下:首先数据码与伪码进行异或相加运算调制成组合码,之后组合码与载波将通过BPSK的调制方式调制成最终的伪卫星信号。BPSK调制是键控的载波相位按基带脉冲序列的规律而改变的数字调制方式。N个伪卫星信号的调制信号模块并行运行,互不影响。
S6:TDM脉冲调制:为满足伪卫星信号抗远近效应及协同组网的要求,需要在原信号上外加开关控制信号T(t),用以实现时间分割调制(TDM)。采用这种低占空比的伪卫星信号,降低了伪卫星平均发射功率,不会出现淹没其他实际GPS卫星的信号的问题,而且不会出现丢失伪码的情况。为降低伪卫星通道间相互干扰,伪卫星的TDM时隙时间可独立设置,可设为互补关系。N个伪卫星通道的TDM开关模块独立工作,分别控制每一路伪卫星信号的脉冲时隙时间。
S7:射频后端处理过程:射频后端处理包括DA转换和上变频过程,DA转换将数字中频信号快速转换为模拟中频信号,上变频模块将中频模拟信号进行混频,实现频率搬移过程。在基带信号和本地震荡时钟信号都生成完之后,使用上变频原理对这两个信号进行乘法运算,并使用滤波器消除不需要的干扰信号,最后得到所需要的信号。对于伪卫星产生L1频段信号,基带信号频率f2为10.23MHz,那么对应的本地震荡时钟信号输出信号频率f1为1565.19MHz,在上变频过程中,也会产生如f2+f1、f1-f2、f1+2f2、f1-2f2等镜像干扰信号,这是由于上变频实现模块产生的,可以通过带通滤波器等进行干扰信号的抑制。N个伪卫星通道对应N个DA转换器和N个上变频通道,产生N个伪卫星射频信号。
S8:多波束信号发射:由N个通道组成的多波束伪卫星信号发射装置连接N个射频发射天线,分别布设在伪卫星定位场景的不同位置,每个天线可发射1颗伪卫星产生的信号,N个发射天线构成多波束伪卫星定位系统。
实施例2:
多波束伪卫星信号生成方法及发射装置的主要目的是为了产生多波束伪卫星信号,组建伪卫星定位系统,用来增强GNSS在阻挡、遮蔽、地下和室内等局部受限环境下的定位性能。多波束伪卫星在信号结构设计上可以参照GPS信号和北斗信号格式,且由于GPS L1信号与BDS B1信号的广泛使用,那么伪卫星信号可以依据GPS L1和北斗B1进行设计。为了能够更好的兼容现有的GNSS系统,本文伪卫星信号采用类GPS和BDS信号体制。另外,为了便于测试,本发明也采用了S波段(2.4G信号,包含于ISM波段中)的伪卫星信号。同大多数卫星导航系统一样采用直接序列扩频(DSSS)信号。直接序列扩频是目前应用最广泛的一种扩频技术,具有发射功率相对低、抗噪声干扰和抗多径能力强等优点。但为了抑制远近效应,伪卫星信号一般选用脉冲调制方式。伪卫星信号脉冲设计方法主要分RTCM伪卫星信号和RTCA伪卫星信号两种。目前研究所使用的信号的主要是RTCM推荐的伪卫星信号,伪卫星中频信号调制方式是CDMA-BPSK-TDM;扩频码的长度为1023,周期为1ms的Gold序列;调制数据速率为50bit/s;调制输出信号带宽是以载频L1(1575.42MHz)为中心的10MHz带宽。
多波束伪卫星信号发射装置根据室内外地面基站信号接口文件规定了伪卫星信号体制,设计了地面基站定位系统和导航用户之间的信号接口。伪卫星地面基站和导航用户(US)之间的接口为一种射频链路,可选择支持GPS L1、北斗B1和S-Band(S1~S6)多个频段的室内外定位服务。伪卫星地面基站通过使用这些链路提供连续的覆盖信号,以便向各类用户终端提供实现卫星导航任务所需的测距码和电文数据。伪卫星地面基站的L1和B1频率的载波一般要经过一个或者多个位列的调制,其中每个一般都是由伪随机噪声(PRN)测距码和下行链路系统数据(称做导航数据)模数-2叠加后生成的复合信号。发射一种PRN(伪随机噪声)测距码∶粗捕获码(C/A)(用做民用测距信号)。即使不同的伪卫星发射相同频率的信号,但通过码分多址技术可以对它们进行区分。
Claims (5)
1.一种多波束伪卫星信号发射装置,其特征在于:包括N个伪卫星信号通道,导航电文生成模块、C/A码产生模块、基带生成型滤波器、中频载波产生模块、TMD信号生成器和射频天线,所述N个伪卫星信号通道共用中频载波产生模块,射频天线为N个并定位在场景的不同位置。
2.根据权利要求1所述的多波束伪卫星信号发射装置,其特征在于:所述N个射频天线形成天线阵元,每个天线发射一个伪卫星信号。
3.一种多波束伪卫星信号生成方法,其特征在于,包括以下步骤:
S1:每一通道伪卫星信号产生一路导航电文数据,导航电文中包含时间信息、发射天线位置信息;
S2:生成N个伪卫星的PRN码,每个PRN码对应一个波束的伪卫星信号,N个PRN码不同;
S3:导航电文对应的数据码与C/A码异或相加生成N个并行同步、互不干扰的扩频码;
S4:N个波束的伪卫星共用一个中频载波产生模块,对同相(I)支路的Gold码信号和正交(Q)支路的P码信号分别进行BPSK调制,生成相互正交的两路中频载波,信号的频率相同,相位相差90°;
S5:N个伪卫星信号的调制信号模块并行运行,首先数据码与伪码进行异或相加运算调制成组合码,之后组合码与载波将通过BPSK的调制方式调制成最终的伪卫星信号;
S6:在每个伪卫星通道的原信号上外加独立工作的TDM开关,分别控制每一路伪卫星信号的脉冲时隙时间;
S7:每个伪卫星通道对应1个DA转换器和1个上变频通道,产生N个伪卫星射频信号;
S8:由N个通道组成的多波束伪卫星信号发射装置连接N个射频发射天线,将N个射频发射天线分别布设在伪卫星定位场景的不同位置,每个天线可发射1颗伪卫星射频信号,N个发射天线构成多波束伪卫星定位系统。
4.根据权利要求3所述的多波束伪卫星信号生成方法,其特征在于,所述所述步骤S6中,N个伪卫星的TDM时隙时间独立设置并设为互补关系。
5.根据权利要求3所述的多波束伪卫星信号生成方法,其特征在于,所述步骤S7中,在基带信号和本地震荡时钟信号都生成完之后,使用上变频原理对这两个信号进行乘法运算,并使用滤波器消除不需要的干扰信号,得到需要的信号。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20210212 |
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WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |