CN112835069A - 一种星载北斗三代多频导航接收系统 - Google Patents
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Abstract
本发明一种星载北斗三代多频导航接收系统，实现了射频处理单元、基带处理单元、flash存储单元一体化设计，突破了传统的FPGA+DPS模式，将在轨应用的射频处理单元和基带处理单元集成在一起，以SIP的形式实现星载导航定位。本发明的接收系统包括射频接收天线、射频滤波放大电路、晶振、定位信号处理系统(SIP)、电源模块、电压监测电路及温度监测电路。本发明将北斗三代B1c、B1I和GPS L1作为输入信号，经射频滤波放大电路完成滤波处理，利用定位信号处理模块同时解调B1c、B1I、L1多频信号并进行定位解算；同时采用PMF+FFT快速捕获算法及多频点自适应信号处理策略，极大的缩短了首次启动定位时间，扩大信号动态跟踪范围，支持高动态场景下的定位解算，适用于星载导航领域。
Description
技术领域
本发明属于定位导航技术领域，涉及一种星载北斗三代多频导航接收系统。
背景技术
北斗卫星导航定位系统目前已完成全球组网，是我国自行研制的，可在全球范围内进行全天候、全天时的高精度、高可靠定位、导航、授时，并具有短报文通信能力，北斗卫星导航系统填补了我国导航系统的空白，为维护国家安全、推动社会经济发展提供重要支撑。
微小卫星通过组网逐渐成为航天领域的重要发展趋势，为太空探索开辟了新的手段。随着微小卫星应用的快速增长，针对微小卫星配套的定位定轨导航设备也向着低成本、小体积、高可靠等方面发展。目前传统的接收机只支撑GPS 及北斗二代B1I的导航定位，缺少支持北斗三代导航系统的星载导航接收系统。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种基于北斗三代导航系统的星载导航接收系统，支持北斗三代导航信号的跟踪捕获定位，具有高可靠、低成本、高集成度，适合微小卫星导航定位的卫星导航系统。
本发明解决技术的方案是：一种星载北斗三代多频导航接收系统，包括：射频接收天线、射频滤波放大电路、晶振、定轨信号处理微系统SIP、电源模块、电压监测电路及温度监测电路。其中：
定轨信号处理微系统SIP，包含：射频处理单元、基带处理单元、flash存储单元；
射频接收天线：接收卫星导航系统发射的含有GPS卫星L1频点及北斗三代卫星导航系统B1I频点、B1c频点的混合射频信号，送至射频滤波放大电路；
射频滤波放大电路，对接收天线接收到的L1、B1c、B1I频点的混合信号进行滤波放大，得到含L1、B1c、B1I频点的射频信号，送至定轨信号处理微系统SIP中的射频处理单元；
晶振，产生基准频率信号并送至定轨信号处理微系统SIP的射频处理单元；
flash存储单元，预先存储了启动信号，在定轨信号处理微系统SIP上电后，基带处理单元读取flash存储单元中的启动信号；
射频处理单元，根据基准频率信号，将含L1、B1c、B1I频点的射频信号下变频后，进行模数转换，形成中频数字信号，送至基带处理单元；
基带处理单元，包括两个处理器；
在启动信号控制下，基带处理单元的一个处理器，根据来自射频处理单元的中频数字信号与基带处理单元预存的本地复现的载波、扩频码，实现对卫星的捕获跟踪；对捕获跟踪的卫星发出的射频信号中的载波、数据码和伪码进行数据解调和电文解码，得到卫星电文，从电文中取得伪距观测量、载波相关观测量，根据伪距观测量和载波相关观测量，通过最小二乘法，解算获得卫星实时的位置、速度、时间信息，完成定位、导航功能；
基带处理单元的另一个处理器，用来控制和监测定轨信号处理微系统SIP、电源模块、电压监测电路及温度监测电路的工作状态(是否正常)；控制获得卫星实时的位置、速度、时间信息向星载北斗三代多频导航接收系统外传输，形成并实时输出用户所需数据，对用户所需数据进行监测与控制，和星上其他设备进行通讯；
电源模块，接收外部供电，给射频滤波放大电路、晶振、定轨信号处理微系统SIP、电源模块自身、电压监测电路及温度监测电路供电；
电压监测电路能够监测定轨信号处理微系统SIP的输出电压，温度监测电路能够监测定轨信号处理微系统SIP的温度，通过监测监测定轨信号处理微系统SIP的输出电压和温度，能够判断导航接收系统的工作状态；
优选的，射频接收天线，为双频点天线。
优选的，所述的射频滤波放大电路，包含两级滤波器两级放大器、巴伦；两级滤波器包括：第一滤波器和第二滤波器；两级放大器，包括：第一放大器和第二放大器；
射频接收天线从空间中接收卫星导航系统发射的含有GPS卫星L1频点及北斗三代卫星导航系统B1I频点、B1c频点的混合射频信号，送至第一滤波器，进行一次滤波后送至第一放大器，进行一次功率放大后，送至第二滤波器进行二次滤波后，送至第二放大器，进行二次功率放大后，送至巴伦，由巴伦进行单端转差分，得到差分信号，送至定轨信号处理微系统SIP；
两级滤波器的中心频点在1.5GHz，两级放大器的增益在20dB，每级放大器噪声系数在0.5dB，经过两级滤波、两级放大后射频滤波放大电路的增益在 36dB。
优选的，所述的定轨信号处理微系统SIP将射频处理单元、基带处理单元、 flash存储单元集成在一个封装内，射频处理单元支持多模多频点射频信号处理，带宽支持10MHz、20MHz、30MHz、40MHz可选，能够通过串行外设接口SPI进行配置；射频处理单元支持0～50dB自动增益设置，星载北斗三代多频导航接收系统中增益控制在40～47dB。
优选的，基带处理单元包含两个Cortex-A5微处理器，一个微处理器主要负责与卫星信号处理相关的工作，另一个微处理器主要负责数据链路和外设调度工作，负责处理与卫星信号相关工作的处理器主要负责完成信号的跟踪捕获，卫星解调，观测量提取及导航定位工作。
优选的，flash存储单元中存储了三份导航程序，用于导航、定位；当星载北斗三代多频导航接收系统出现故障时，星载北斗三代多频导航接收系统重新上电，通过三取二表决的方式，选取导航程序，实现程序恢复；或者通过程序上注的方式，实现程序更新，保证导航接收系统的高容错和稳健性。
优选的，电压监测电路通过读取定轨信号处理微系统SIP的工作电压，为模拟信号，监控定轨信号处理微系统SIP工作状态，将模拟信号转化为数字量的电压传送到基带处理单元的另一个处理器，实现与外部的通信；
温度监测电路监测通过读取定轨信号处理微系统SIP的环境温度，为模拟信号，通过将模拟信号转换为温度数字量输出到基带处理单元的另一个处理器，实现与外部的通信。
本发明与现有技术相比优点在于：
(1)本发明提出了星载北斗三代多频导航接收系统的整体解决方案，解决了传统GNSS接收机对GPS系统的依赖性，在原来北斗导航系统B1I频点基础上增加了B1c频点，有效提高定位精度，同时提高了系统的可靠性和稳定性。
(2)本发明提出了星载北斗三代多频导航接收系统采用定轨信号处理微系统SIP的模式，将射频信号处理单元、基带处理单元及flash存储单元三个裸芯片集成在一个封装内，减少系统设计的复杂性，提高系统的集成度，压缩了接收系统体积、重量。
(3)本发明实现同时接收接收北斗三代和GPS导航信号，将射频滤波放大电路、晶振、定轨信号处理微系统SIP、电源模块、电压监测电路及温度监测电路、接口电路、复位电路、调试电路、时钟电路、板间连接器集成在同一标准电路板上，标准电路板是指1U大小(10cm×10cm)的标准板，集成度高、系统体积小，满足微小卫星小体积应用需求。
(4)本发明在信号跟踪捕获时采用匹配滤波PMF+傅立叶变换FFT快速捕获算法及多频点自适应信号处理策略，采用PMF+FFT快速捕获算法及多频点自适应信号处理策略，极大的缩短了首次启动定位时间，扩大信号动态跟踪范围，实现星载高动态场景下的定位解算。
(5)本发明为了减少空间环境对射频器件的影响，在射频滤波放大电路和定轨信号处理微系统SIP外部增加金属屏蔽罩，避免空间辐射直接作用在射频器件上，减低电路噪声系数，提高系统稳定性。
附图说明
图1为星载北斗三代多频接收系统方案设计图；
图2为射频滤波放大功能流程图；
图3为星载定轨信号处理微系统SIP构成图；
图4为星载定轨信号处理微系统SIP功能框图；
图5为星载北斗三代多频接收系统信号捕获模型图；
图6为星载北斗三代多频接收系统天线方向图定义示意图；
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
本发明涉及卫星导航技术，公布了一种星载北斗三代多频导航接收系统，实现了射频处理单元、基带处理单元、flash存储单元一体化设计，突破了传统的FPGA+DPS模式，将在轨应用的射频处理单元和基带处理单元集成在一起，以SIP的形式实现星载导航定位。本发明的接收系统包括射频接收天线、射频滤波放大电路、晶振、定位信号处理系统(SIP)、电源模块、电压监测电路及温度监测电路。本发明将北斗三代B1c、B1I和GPS L1作为输入信号，经射频滤波放大电路完成滤波处理，利用定位信号处理模块同时解调B1c、B1I、L1 多频信号并进行定位解算；同时采用PMF+FFT快速捕获算法及多频点自适应信号处理策略，极大的缩短了首次启动定位时间，扩大信号动态跟踪范围，支持高动态场景下的定位解算。本发明接收机结构简单小巧、使用方便、功耗低、产品一致性很高，适用于星载导航领域。
优选方案为：本发明主要针对近地球卫星LEO,接收系统作为LEO卫星的搭载平台实现卫星在轨实时定位，卫星轨道高度500km-1000km，载体速度 8000m/s，加速度10g，采用本发明方案可以在LEO卫星运行过程中连续实时输出卫星位置速度和精密时间信息，为姿态确定信息提供参照，辅助卫星定轨和姿态确认。
本发明一种星载北斗三代多频导航接收系统，具体方案设计如图1所示，包括：射频接收天线、射频滤波放大电路、晶振、定轨信号处理微系统SIP、电源模块、电压监测电路及温度监测电路。其中：
定轨信号处理微系统SIP，包含：射频处理单元、基带处理单元、flash存储单元；
射频接收天线：接收卫星导航系统发射的含有GPS卫星L1频点及北斗三代卫星导航系统B1I频点、B1c频点的混合射频信号，送至射频滤波放大电路；
射频滤波放大电路，对接收天线接收到的L1、B1c、B1I频点的混合信号进行滤波放大，得到含L1、B1c、B1I频点的射频信号，送至定轨信号处理微系统SIP中的射频处理单元；
晶振，产生基准频率信号并送至定轨信号处理微系统SIP的射频处理单元；
flash存储单元，预先存储了启动信号，在定轨信号处理微系统SIP上电后，基带处理单元读取flash存储单元中的启动信号；
射频处理单元，根据基准频率信号，将含L1、B1c、B1I频点的射频信号下变频后，进行模数转换，形成中频数字信号，送至基带处理单元；
基带处理单元，包括两个处理器；
在启动信号控制下，基带处理单元的一个处理器，将来自射频处理单元的中频数字信号与基带处理单元预存的本地复现的载波、扩频码，本地复现载波通过在基带处理单元的接收通道中同相支路上的正弦和正交支路上的余弦信号混频获得，扩频码通过码发生器复制一个与接收信号扩频码一致的码，对复现的载波、扩频码与接收到的载波、扩频码进行自相关计算和互相关计算，并通过调节载波相位和码相位得到自相关峰值，实现卫星的捕获跟踪；对捕获跟踪的卫星发出的射频信号中的载波、数据码和伪码进行数据解调和电文解码，得到卫星电文，从电文中取得伪距观测量、载波相关观测量，根据伪距观测量和载波相关观测量，通过最小二乘法，解算获得卫星实时的位置、速度、时间信息，完成定位、导航功能；
基带处理单元的另一个处理器，用来控制和监测定轨信号处理微系统SIP、电源模块、电压监测电路及温度监测电路的工作状态(工作状态主要为是否正常工作)；控制获得卫星实时的位置、速度、时间信息向星载北斗三代多频导航接收系统外传输，形成并实时输出用户所需数据，用户所需数据可以根据用户使用需求和卫星通信协议定制相应的定位数据格式。按照用户协议选择性输出协调世界时UTC，全球定位坐标系WGS84坐标系下的卫星位置信息和伪距信息、载波信息等原始观测量。星上其他设备可以通过监测电压、温度、接收系统运行模式、接收系统连续运行时长、上注状态、上注次数等信息监测接收系统，接收系统运行模式分为单北斗、单GPS和联合定位3种模式，可以根据用户指令切换工作模式，完成对接收系统的监测与控制，和星上其他设备进行通讯；
电源模块，接收外部供电，给射频滤波放大电路、晶振、定轨信号处理微系统SIP、电源模块自身、电压监测电路及温度监测电路供电；
优选方案为：电压监测电路能够监测定轨信号处理微系统SIP的输出电压，温度监测电路能够监测定轨信号处理微系统SIP的温度，通过监测定轨信号处理微系统SIP的输出电压和温度，输入额定电压为3.3V，如果读出的电压远小于额定电压，说明SIP启动不正常，根据温度信息判断环境温度，识别在不同温度下接收系统的运行情况，能够判断导航接收系统的工作状态；
优选的，射频接收天线，为无源双频点天线。
优选的，所述的射频滤波放大电路，包含两级滤波器两级放大器、巴伦；两级滤波器包括：第一滤波器和第二滤波器；两级放大器，包括：第一放大器和第二放大器；
射频接收天线从空间中接收卫星导航系统发射的含有GPS卫星L1频点及北斗三代卫星导航系统B1I频点、B1c频点的混合射频信号，送至第一滤波器，进行一次滤波后送至第一放大器，进行一次功率放大后，送至第二滤波器进行二次滤波后，送至第二放大器，进行二次功率放大后，送至巴伦，由巴伦进行单端转差分，得到差分信号，送至定轨信号处理微系统SIP；
优选方案为：两级滤波器的中心频点优选在1.5GHz，两级放大器的增益优选在20dB，每级放大器噪声系数优选在0.5dB，经过两级滤波、两级放大后射频滤波放大电路的增益优选在36dB。
优选方案为：优选的，所述的定轨信号处理微系统SIP将射频处理单元、基带处理单元、flash存储单元集成在一个封装内，射频处理单元支持多模多频点射频信号处理，优选带宽支持10MHz、20MHz、30MHz、40MHz可选，能够通过串行外设接口SPI进行配置；射频处理单元优选支持0～50dB自动增益设置，星载北斗三代多频导航接收系统中增益控制优选在40～47dB。
优选的，基带处理单元优选包含两个Cortex-A5微处理器，一个微处理器主要负责与卫星信号处理相关的工作，另一个微处理器主要负责数据链路和外设调度工作，负责处理与卫星信号相关工作的处理器主要负责完成信号的跟踪捕获，卫星解调，观测量提取及导航定位工作。
优选的，flash存储单元中存储了三份导航程序，用于导航、定位；当星载北斗三代多频导航接收系统出现故障时，星载北斗三代多频导航接收系统重新上电，通过三取二表决的方式，选取导航程序，实现程序恢复；或者通过程序上注的方式，实现程序更新，保证导航接收系统的高容错和稳健性。
优选的，电压监测电路通过读取定轨信号处理微系统SIP的工作电压，为模拟信号，监控定轨信号处理微系统SIP工作状态，将模拟信号转化为数字量的电压传送到基带处理单元的另一个处理器，实现与外部的通信；
温度监测电路监测通过读取定轨信号处理微系统SIP的环境温度，为模拟信号，通过将模拟信号转换为温度数字量输出到基带处理单元的另一个处理器，实现与外部的通信。
优选的，调试接口为系统在设计时进行功能调试，复位电路完成系统字符为功能，在负责数据链路和外设调度工作的处理器判断系统运行异常时通过复位电路完成系统复位。
优选的，422接口电路为接收系统和星上其他设备的通讯协议，采用422 进行通讯；板间连接器保证了整个卫星结构、大小相统一，连接均通过板间连接器保证，降低整星组装难度。
本发明针对星载导航接收系统高可靠、小体积、高集成度的要求，结合北斗导航系统的能力与特点，设计了一种星载北斗三代多频导航系统。通过对 GPS卫星L1频点以及北斗三代B1I、B1c频点的信号进行跟踪、捕获、解调、定位解算，实现了在微小卫星平台实现多频点导航信号的接收处理，满足微小卫星导航定位定轨需求。
本发明一种星载北斗三代多频导航定位系统，包括射频接收天线、射频放大电路、定轨信号处理微系统SIP、时钟电路、电源电路及电压温度监测电路。
所述的射频接收天线为无源微带层叠贴片天线，接收频率单位优选在 1.5GHz～1.7GHz，接收卫星导航系统发射的含有GPS卫星L1频点及北斗三代卫星导航系统B1I频点、B1c频点的混合射频信号；
所述射频放大电路：提供混合射频信号的方法滤波功能，增强接收到的射频信号；
所述的定轨信号处理微系统SIP：完成信号下变频采样输出数字中频信号，实现数字中频信号的跟踪捕获解调，完成接收机导航定位并进行上位机通讯；
所述时钟电路：实现信号码相位与载波相位时钟同步；
所述电压温度监测电路：提供接收系统实时电压及温度，将电压温度以数字的形式传递给上位机，实时监控接收系统工作状态。
(1)系统方案，优选如下：
如图1所示星载北斗三代多频导航接收系统包括无源射频信号接收天线、射频滤波方法电路、定轨信号处理微系统SIP、时钟生成电路、电源转换电路、电压温度监测电路。接收系统通过无源射频信号接收卫星导航系统发射的含有 GPS卫星L1频点及北斗三代卫星导航系统B1I频点、B1c频点的混合射频信号，将接收到的射频信号输入到射频滤波放大模块，经过两级方法及宽带滤波处理后变成GPSL1、北斗B1I、B1c高频信号，高频信号进入定轨信号处理微系统SIP经过下变频及采样处理后变成数字中频信号，同时通过SIP的SPI管脚将温补晶振输入时钟变频后输出同步采样时钟，将生成的数字中频信号在 SIP的一个处理器中通过PMF和FFT快速捕获，获得相应信号的载波多普勒和码相位，使用载波环和码环跟踪卫星信号，提取卫星原始观测量，对各卫星进行电文解调得到实时电文，同时计算各个卫星实时位置及速度，再将各个卫星的伪距进行修正后通过加权最小二乘计算，得到本地位置速度信息，使用定位得到的本地钟差及钟漂对本地时间进行修正得到精确本地时间并输出秒脉冲信号。将得到的载体位置速度时间信息以及温度电压情况通过SIP的另一个处理器与星上其他设备进行通讯，实时监控接收系统的运行状态。
(2)射频滤波放大电路，优选方案如下：
如图2所示：射频滤波放大电路包括两级宽带滤波器和两级放大器组成，射频滤波放大电路接收通过无源双频天线传输进来的导航信号，对导航信号进行宽带滤波，滤波器设计优选采用声表面波(SAW)带通滤波器(BPF)，其带通范围优选完全覆盖L1、B1I、B1c频点及其带宽范围，为了满足高动态使用要求，需要在优选覆盖信号带宽±10.23MHz的基础上，设计保留优选运行速度8000m/s的多普勒频移宽度，优选范围在±40KHz，选择滤波器的中心频点优选为1.5GHz，带宽优选为±200MHz，滤波器信号损失约为-1.5dB，对接收到的导航信号进行处理，抑制带外干扰。
滤波器处理后的射频信号通过放大器进行信号放大，放大器采用低噪声放大器，每一级放大器的增益优选在20dB，噪声优选在0.5dB，经过两级放大后整体信号的增益优选在32～36dB，保证导航接收系统具有较高的信噪比，且能满足射频处理单元的射频输入要求。
(3)定轨信号处理微系统SIP，优选方案如下：
如图3所示：定轨信号处理微系统SIP是将射频信号处理芯片裸芯、基带信号处理芯片裸芯、flash裸芯直接封装在一个集成电路内，减少了电路设计外围器件，缩小系统体积，降低系统成本。
如图4所示：SIP完成射频信号下变频处理中频采样，与本地复现的载波、扩频码的相关计算实现信号跟踪捕获，数据解调和电文解码，计算得到伪距观测量、载波相关观测量和卫星电文，通过最小二乘求出载体位置速度时间(PVT) 信息，并与星上其他设备进行通讯。
射频信号处理部分完成信号下变频及模数转换功能，最后采样生成数字中频信号。
优选方案为：基带信号处理芯片优选包含两个Cortex-A5微处理器，一个微处理器主要负责与卫星信号处理相关的工作，另一个微处理器主要负责数据链路和外设调度工作。负责处理与卫星信号相关工作的处理器主要负责完成信号的跟踪捕获，卫星解调，观测量提取及导航定位工作。
优选方案为：本导航系统对卫星信号采用基于分段匹配滤波(PMF)和傅立叶变换(FFT)相结合的快速捕获算法。分段匹配滤波优选采用32个时钟 16级流水线设计，每个时钟循环输出一级匹配滤波数据，傅立叶变换采用256 点的频率抽选基2算法，每个时钟完成8个FFT运算，满足256个FFT运算需要32个时钟，和分段匹配滤波相吻合。其中PMF完成对码相位的串行搜索， FFT完成对多普勒频率的并行搜索，获得卫星的载波和伪码的初始频率和相位。
如图5所示，本系统通过对同相支路(I路)和正交支路(Q路)相干积分和非相干积分相结合的方法实现长时间的积分，信号捕获采用M毫秒相干积分和K次非相干积分求和相结合方法，按照导航电文数据码的速率不同选择不同的相干积分时长和非相干积分次数，计算捕获检测门限TH，低于门限值说明信号不存在。
进一步优选方案为：对50bps的卫星频点，设置相干积分时间M优选为 10ms，非相干次数K为9次，门限TH为31.82，对应信号强度优选为-145dBm；对于500bps卫星频点，相干积分时间M优选为8ms，非相干次数K为1次，门限TH优选为29.41，对应信号强度优选为-138dBm，提高信号捕获灵敏度。
分段匹配滤波器的时间积分长度优选为10ms，捕获的分辨率精度优选是0.1KHz；将积分长度优选分为256段，然后优选利用256点FFT估计多普勒，对应的搜索频率范围优选为0.1kHz*256＝25.6KHz(捕获的中心频率±12.8KHz)。LEO卫星速度8000m/s所优选对应的多普勒频偏范围±42.011KHz，因此设计中采用扫频策略来成倍地增加频偏捕获范围，扫频以 25.6KHz为步进，4次扫描即可捕获±42.011KHz的载波频偏，满足高动态需求。
载波跟踪采用二阶锁频环FLL辅助三阶锁相环PLL的载波跟踪环结构，实时根据信号相关运算结果对信号进行跟踪功能选择，完成位同步、帧同步最终进入稳定跟踪阶段。
码跟踪主要通过延迟锁定环路(DLL)完成对卫星扩频码相位和动态频率调整的准确跟踪，使用归一化超前减滞后鉴别算法和3阶低通滤波器。通道设计同步相关运算及锁存采样时钟，保证各通道间时延小于一个时钟周期。
优选方案为：稳定跟踪卫星信号后可以获得码计数、载波计数、多普勒与原始电文等原始观测量，通过码相位累加值得到卫星观测时间，卫星观测时间与本地时间求差换算到以距离为单位的原始伪距值，通过两次载波变换量换算为伪距率，使用电文解析解算原始电文。将伪距、伪距率、解析电文发送到导航定位部分进行定位解算。本项目中采用常规的最小二乘算法进行定位解算，得到载体的位置、速度、时间信息，并按照规定接收数据协议输出导航数据。
另一个负责数据链路和外设调度工作的微处理器通过对系统中的各个模块进行有效管理和调度，形成并实时输出用户所需数据，并对输出数据进行基本检测与控制，使得整个系统长期有效运行。它保证了各个模块的协同工作，使用户根据自己的需求来实现对相应模块的操作，调整接收系统的工作状态，保证了数据传输的准确性。同时，通过监测各个模块的工作状态，保证系统工作的可靠性。
优选方案为：本导航接收系统通过三取二的程序恢复和程序上注两种方式保证导航接收系统的高容错和稳健性。在flash存储区中备份三分导航程序进行冗余设计，在进行程序恢复之前，系统的存储区中保存着三个相同的导航定位软件的程序二进制块，每一个程序块中的数据的位数相同。发送三取二程序恢复指令后开始进行程序恢复。在程序恢复时，系统首先对三个程序块中的每一个数据位执行三取二操作。整个过程需要的最长时间为六分钟。在恢复的过程中，接收机不会响应任何指令的操作，直至程序恢复成功。
优选方案为：程序上注的优选方案：首先，发送软件注入允许指令，开始整个上注的流程。发送该指令后的5秒后，依次发送上注数据包，发送的频率为每秒一包。在发送上注数据包的过程中，系统可以响应遥测指令。当发送完所有的上注数据包后，通过基本遥测数据中的数据信息查看传输错误的数据包，然后再次将出错的数据包进行上注。此时，再次上注的数据包只能是传输出错的数据包，已经正确传输的上注数据包不能再次发送给接收机。当所有的上注数据包都已经正确传输后，通过发送注入结束指令告知接收机所有的数据包已经发送完成。发送完该指令后需要等待10s才能向接收机发送其它间接指令和遥测指令。接收机在收到注入结束指令后，将不再对收到的上注数据包进行处理。此时，仍然可以发送遥测指令获取遥测数据。最后，发送启动注入程序指令，将接收到的上注数据进行注入。注入过程中，系统不会响应任何的间接指令和遥测指令。整个注入的最长时间为6分钟。注入成功后，系统恢复正常工作，响应用户发送的间接指令和遥测指令。
(4)电压温度监测，优选方案如下：
接收系统板上外接电压监测电路和温度监测电路。电压监测电路的功能是读取导航接收系统的工作电压，传送到定轨信号处理微系统SIP模块，从而监控模块的工作状态。选用ADI的模数转换芯片AD7091R-2，采集模块的供电电压模拟量，转化为数字量后通过SPI接口传送到定轨信号处理微系统SIP模块实现通信。温度传感器选用TI的单线数字温度传感器TMP141，可通过单线方式，将数字量输出与基带处理芯片的GPIO连接，实现通信。
定轨信号处理微系统SIP的射频处理单元要求信号强度在-110～-60dBm，从接收天线接收到的信号功率约为-135dBm，因此在满足阻抗匹配的基础上，只要少量的滤波器放大器就能满足信号处理要求，要求整个链路的增益不大于 50dB。设计的射频滤波放大电路增益在32～36dB范围内，满足射频信号处理要求。
如图6所示，为星载北斗三代多频接收系统天线方向图定义示意图；
射频接收天线，优选要求为：天线为无源微带天线，覆盖净增益：优选方案如下：
注：这里角度φ、θ的具体定义如图6所示，坐标系中+Z轴与星体坐标系－Z轴平行，+Y轴与星体坐标系－Y轴平行，+X轴与星体坐标系－X轴平行。
基座选用铝，表面进行氧化处理；天线馈电采用企业军标级以上的射频同轴连接器SMA射频接头，表面镀金；天线电路板表面镀金；安装螺钉选用 GB/T68-2000不锈钢螺钉。
本发明扩大信号动态跟踪范围，缩短了首次启动定位时间的方案：信号捕获跟踪采用分段匹配滤波和傅立叶变换算法。分段匹配滤波器积分长度为256 段，每段持续时间10ms，捕获的分辨率是0.1KHz；然后利用256点FFT估计多普勒，对应的搜索频率范围为0.1kHz*256＝25.6KHz(捕获的中心频率±12.8KHz)。LEO卫星速度8000m/s所对应的多普勒频偏范围±42.011KHz，因此设计中采用扫频策略来成倍地增加频偏捕获范围，扫频以25.6KHz为步进， 4次扫描即可捕获±42.011KHz的载波频偏，扫描次数的减少降低了信号跟踪捕获时长，缩短首次启动定位时间，满足高动态需求。
本发明的优选拿方案为：上注方案中必须保证收到数据包发送完指令后等待10s才能向接收机发送其它间接指令和遥测指令，发送完注入启动指令后，发送遥测指令，根据遥测指令中的上注状态和次数判断上注是否成功。上注状态为3表示上注成功，上注状态为2表示数据包成功发送，系统启动不成功，上注状态为1表示上注不成功。上注成功后上注次数加1。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。
Claims (8)
1.一种星载北斗三代多频导航接收系统，其特征在于包括：射频接收天线、射频滤波放大电路、晶振、定轨信号处理微系统SIP、电源模块、电压监测电路及温度监测电路；其中：
定轨信号处理微系统SIP，包含：射频处理单元、基带处理单元、flash存储单元；
射频接收天线：接收卫星导航系统发射的含有GPS卫星L1频点及北斗三代卫星导航系统B1I频点、B1c频点的混合射频信号，送至射频滤波放大电路；
射频滤波放大电路，对接收天线接收到的L1、B1c、B1I频点的混合信号进行滤波放大，得到含L1、B1c、B1I频点的射频信号，送至定轨信号处理微系统SIP中的射频处理单元；
晶振，产生基准频率信号并送至定轨信号处理微系统SIP的射频处理单元；
flash存储单元，预先存储了启动信号，在定轨信号处理微系统SIP上电后，基带处理单元读取flash存储单元中的启动信号；
射频处理单元，根据基准频率信号，将含L1、B1c、B1I频点的射频信号下变频后，进行模数转换，形成中频数字信号，送至基带处理单元；
基带处理单元，包括两个处理器；
在启动信号控制下，基带处理单元的一个处理器，根据来自射频处理单元的中频数字信号与基带处理单元预存的本地复现的载波、扩频码，实现对卫星的捕获跟踪；对捕获跟踪的卫星发出的射频信号中的载波、数据码和伪码进行数据解调和电文解码，得到卫星电文，从电文中取得伪距观测量、载波相关观测量，根据伪距观测量和载波相关观测量，通过最小二乘法，解算获得卫星实时的位置、速度、时间信息，完成定位、导航功能；
基带处理单元的另一个处理器，用来控制和监测定轨信号处理微系统SIP、电源模块、电压监测电路及温度监测电路的工作状态；控制获得卫星实时的位置、速度、时间信息向星载北斗三代多频导航接收系统外传输，形成并实时输出用户所需数据，对用户所需数据进行监测与控制，和星上其他设备进行通讯；
电源模块，接收外部供电，给射频滤波放大电路、晶振、定轨信号处理微系统SIP、电源模块自身、电压监测电路及温度监测电路供电；
电压监测电路能够监测定轨信号处理微系统SIP的输出电压，温度监测电路能够监测定轨信号处理微系统SIP的温度，通过监测监测定轨信号处理微系统SIP的输出电压和温度，能够判断导航接收系统的工作状态。
2.根据权利要求1所述的一种星载北斗三代多频导航接收系统，其特征在于：射频接收天线，为双频点天线。
3.根据权利要求1所述的一种星载北斗三代多频导航接收系统，其特征在于：所述的射频滤波放大电路，包含两级滤波器两级放大器、巴伦；两级滤波器包括：第一滤波器和第二滤波器；两级放大器，包括：第一放大器和第二放大器；
射频接收天线从空间中接收卫星导航系统发射的含有GPS卫星L1频点及北斗三代卫星导航系统B1I频点、B1c频点的混合射频信号，送至第一滤波器，进行一次滤波后送至第一放大器，进行一次功率放大后，送至第二滤波器进行二次滤波后，送至第二放大器，进行二次功率放大后，送至巴伦，由巴伦进行单端转差分，得到差分信号，送至定轨信号处理微系统SIP；
两级滤波器的中心频点在1.5GHz，两级放大器的增益在20dB，每级放大器噪声系数在0.5dB，经过两级滤波、两级放大后射频滤波放大电路的增益在36dB。
4.根据权利要求1所述的一种星载北斗三代多频导航接收系统，其特征在于：所述的定轨信号处理微系统SIP将射频处理单元、基带处理单元、flash存储单元集成在一个封装内，射频处理单元支持多模多频点射频信号处理，带宽支持10MHz、20MHz、30MHz、40MHz可选，能够通过串行外设接口SPI进行配置；射频处理单元支持0～50dB自动增益设置，星载北斗三代多频导航接收系统中增益控制在40～47dB。
5.根据权利要求1或3所述的一种星载北斗三代多频导航接收系统，其特征在于：基带处理单元包含两个Cortex-A5微处理器，一个微处理器主要负责与卫星信号处理相关的工作，另一个微处理器主要负责数据链路和外设调度工作，负责处理与卫星信号相关工作的处理器主要负责完成信号的跟踪捕获，卫星解调，观测量提取及导航定位工作。
6.根据权利要求1或3所述的一种星载北斗三代多频导航接收系统，其特征在于：flash存储单元中存储了三份导航程序，用于导航、定位；当星载北斗三代多频导航接收系统出现故障时，星载北斗三代多频导航接收系统重新上电，通过三取二表决的方式，选取导航程序，实现程序恢复；或者通过程序上注的方式，实现程序更新，保证导航接收系统的高容错和稳健性。
7.根据权利要求1所述的一种星载北斗三代多频导航接收系统，其特征在于：电压监测电路通过读取定轨信号处理微系统SIP的工作电压，为模拟信号，监控定轨信号处理微系统SIP工作状态，将模拟信号转化为数字量的电压传送到基带处理单元的另一个处理器，实现与外部的通信。
8.根据权利要求1所述的一种星载北斗三代多频导航接收系统，其特征在于：温度监测电路监测通过读取定轨信号处理微系统SIP的环境温度，为模拟信号，通过将模拟信号转换为温度数字量输出到基带处理单元的另一个处理器，实现与外部的通信。
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