CN113189627B - 一种基于北斗卫星的通信定位一体化双模机载系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于北斗卫星的通信定位一体化双模机载系统，属于通信技术领域。本发明包括天线、主机和手持终端；天线接收北斗卫星信号，送给主机完成基带信号处理、定位解算和报文信息处理，机组人员通过手持终端完成北斗短报文的编辑、存储、发送以及接收。本发明通过保证最优的动态阈值和设备接收灵敏度，使通信成功率达98％以上。

Description

一种基于北斗卫星的通信定位一体化双模机载系统

技术领域

本发明涉及到通信技术领域，特别涉及一种基于北斗卫星的通信定位一体化双模机载系统。

背景技术

目前，直升机在反恐处突、抢险救灾等非战争军事行动中起到越来越重要的作用。随着北斗应用领域的逐步扩展，直升机平台加装北斗设备的需求也随之增加。直升机旋翼由桨毂和桨叶构成，旋翼周期性地越过天线面，遮挡卫星的入射波束。部分直升机的旋翼为全金属，而且在实际飞行过程中，卫星的仰角和位置以及直升机的飞行方向和姿态，都会对卫星通信信号的通断时间比造成影响，必然会引起通信信号的瞬时衰减甚至中断，进而导致北斗通信成功率严重降低。

由于现有直升机平台的北斗天线安装位置受限，基本上没有净空安装位置。因此在飞行过程中，天线面会受到直升机旋翼的遮挡，加上飞行动态影响，必然会引起信号的瞬时衰减甚至中断，导致定位和通信成功率严重降低，甚至造成通信中断。常规的接收机在旋翼遮挡条件下北斗通信只能达到50％～60％的通达率水平，严重制约了北斗通信功能的使用。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种基于北斗卫星的通信定位一体化双模机载系统。该设备通过保证最优的动态阈值和设备接收灵敏度，使通信成功率达98％以上。

为了实现上述目的，本发明所采取的技术方案为：

一种基于北斗卫星的通信定位一体化双模机载系统，包括天线和主机；

所述天线为有源一体化天线，其包括天线振子、功率放大器、合路器和滤波器；

所述主机用于基带信号处理、定位解算和报文通信；其包括射频模块和通信导航一体化模块；所述通信导航一体化模块包括AD转换模块、FPGA和DSP；

所述手持终端用于编辑、存储、发送和接收北斗短报文；

RDSS通信发射时，由手持终端编辑短报文内容，发送给主机；在主机内，经通信导航一体化模块生成对应的电文并扩频处理，之后发送到射频模块对入站信息进行上变频和滤波处理，生成L频段入站射频信号；射频信号经天线的功率放大器完成功率放大后，经滤波器处理，再由天线振子发射至卫星；

RNSS通信接收时，天线将接受到的信号经低噪放放大、滤波器滤波，之后再输出主机的射频模块；射频模块将射频信号下变频、滤波，最终输出中频信号，送到通信导航一体化模块；在通信导航一体化模块中，AD转换单元将中频信号进行采样量化，输出出站信号的数字采样值，通过通信导航一体化模块的FPGA和DSP完成码捕获、码跟踪和解扩，以此完成内部数据以及通信结果的存储；

RNSS定位时，天线接收北斗卫星播发的B1和B3信号，此信号经低噪放放大、滤波器滤波后合路输出给主机的射频模块；再由射频模块进行分路、下变频、滤波处理，发送至通信导航一体化模块；通信导航一体化模块，将射频模块输出的中频信号经过AD采样后完成伪码捕获和跟踪、解扩、解调、伪距测量、载波测量，并根据接收到导航电文、伪距测量值、载波测量值、星历，完成RNSS定位功能。

进一步的，所述FPGA用于执行以下步骤：

步骤一，由射频模块和AD转换模块生成的基带数字信号经FPGA完成跟踪、捕获和信号同步，并使接收通道输出的相关累加值作为信号功率计算的数据点；

步骤二，累计接收一定时间长度的数据后对每个数据点进行信号功率计算并求平均得到信号在这一时段的平均功率；将计算得到的平均功率存入到寄存器中；

步骤三，多次重复步骤二；

步骤四，比较器从寄存器中读取平均功率，并与调制解调器预设的阈值进行比较；调制解调器设定阈值为调制解调器的接收机灵敏度加上某个固定值；平均功率高于调制解调器的阈值，则认为接收到的信号没有被遮挡；

步骤五，步骤一中的中频信号经跟踪捕捉和同步后，由FPGA和DSP进行译码、电文解析得出信号误码率；并且使得到的信号误码率与北斗卫星的门限值进行比较，得到误码率周期性变化；误码率低于门限值则判断为信号此时无遮挡；

步骤六，由步骤四中的平均功率确定信号未遮挡时间段，在所述信号未遮挡时间段中误码率低于门限值的范围即为通信时间窗口；

步骤七，在通信时间窗口，对北斗卫星进行接收或发送信号。

进一步的，所述主机还通过以下步骤进行电文拼接：

步骤一，主机收到当前卫星的原始电文信息后进行校验；

步骤二，校验通过的电文的32位字进行缓存；

步骤三，收到当前卫星新的一帧电文时，再次校验，如果没有全部通过校验，那么将通过校验的字存放到缓存区；直到缓存区凑齐一帧完整的电文为止；

步骤四，对凑齐的这帧电文进行解析，得到具体的电文参数。

本发明采取上述技术方案所产生的有益效果在于：

1、本发明的通信链路通过滤波剔除无效数据，使设备获得足够的有效信息；通过应用收发隔离技术，解决机载环境下北斗RDSS和RNSS互干扰问题，实现小型化、高可靠度双模北斗航空通信导航装备。

2、本发明采用抗旋翼遮挡技术，通过在直升机旋翼未遮挡时间段接收或发送信息，并保证最优的动态阈值以及设备接收灵敏度，能够使通信的成功率能够到达98％以上。

3、本发明采用电文拼接技术，使通信环境下RNSS星历接收信息更加完整，以此实现RNSS连续稳定定位。

附图说明

图1是本发明实施例的硬件结构框图。

图2是本发明实施例的整体方案设计图。

图3是本发明实施例的非遮挡通信窗口算法流程图。

图4是本发明实施例的电文拼接算法流程图。

图中：1、天线，2、主机，3、手持终端。

具体实施方式

下面，结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的说明。

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

参照图1，本实施例北斗双模机载系统包括天线1、主机2和手持终端3三部分。

天线接收北斗卫星信号，送给主机完成基带信号处理、定位解算和报文信息处理，机组人员通过手持终端完成北斗短报文的编辑、存储、发送以及接收。

卫星通信的有效时间就是相对于天线面和卫星连线的旋翼无遮挡时间。无遮挡缝隙时间越大，卫星通信的有效通信时间就越长。最有效的设计就是确定旋翼遮挡周期，寻找通信时间窗口，达到最优通信效果。

天线是有源一体化天线，天线包括微带组合天线振子、低噪声放大器、功率放大器和合路器。主要完成北斗卫星信号的接收和发射功能。

主机包括射频模块、通信导航一体化模块、电源模块与通信接口模块等。主机是北斗双模机载系统的核心设备，主要完成基带信号处理、定位解算和报文通信等功能。

手持终端包括MCU主控模块、显示屏、存储单元以及按键等模块。可方便机组人员完成北斗短报文的编辑、存储、发送以及接收等功能。

本实施例具有北斗定位与通信功能，保证直升机飞行时的连续位置监控与通信能力。主要的信号处理流程如下：

RDSS通信：

由手持终端编辑短报文内容，发送给主机，主机经通信导航一体化模块，生成相应的电文并完成扩频处理，送给射频模块，射频模块对入站信息进行上变频和滤波处理，生成L频段入站射频信号，经过天线功率放大器完成功率放大后，经腔体滤波器滤波处理，通过RDSS发射天线发射给卫星；

RDSS接收天线将所收集到的S频段信号经低噪放放大、滤波后合路输出给主机的射频模块；射频模块将天线馈送的射频信号下变频、滤波，最终输出中频信号，送到通信导航一体化模块；A/D转换单元将中频信号进行采样量化，输出出站信号的数字采样值，通过通信导航一体化模块经基带和信息处理完成码捕获、码跟踪和解扩，完成内部数据以及通信结果的存储；

经通信接口模块与直升机或者手持终端进行交联，显示通信报文结果。

RNSS定位：

RNSS接收天线接收当前可见北斗卫星播发的B1、B3信号，经低噪声放大、滤波后合路输出给主机的射频模块；再由射频模块进行分路、下变频、滤波处理，送给通信导航一体化模块；通信导航一体化模块，将射频模块输出的中频信号经过A/D采样后完成伪码捕获和跟踪、解扩、解调、伪距测量、载波测量等功能；根据接收到导航电文、伪距测量值、载波测量值、星历等数据，完成RNSS定位功能。通过通信接口模块与直升机进行交联，为其提供连续定位信息。

机载主机RDSS链路实际设计中，根据接收卫星信号的质量情况，计算旋翼遮挡时序，建立信号衰减模型，确定周期通信窗口。实现通信窗口与数据发送的精确同步。图3是非遮挡通信窗口周期算法流程图。步骤如下：

步骤一，主机将接收到射频信号后经射频模块处理成中频信号，AD转换模块对中频信号进行采样并完成模拟信号到数字信号的变换，得到基带数字信号；

步骤二，基带数字信号经FPGA完成跟踪、捕获和信号同步，并使接收通道输出的相关累加值作为信号功率计算的数据点；

步骤三，累计接收一定时间长度的数据后对每个数据点进行信号功率计算并求平均得到信号在这一时段的平均功率；将计算得到的平均功率存入到寄存器中；

步骤四，多次重复步骤三；

步骤五，比较器从寄存器中读取平均功率，并与调制解调器预设的阈值进行比较；调制解调器设定阈值为调制解调器的接收机灵敏度加上某个固定值；平均功率高于调制解调器的阈值，则认为接收到的信号没有被遮挡；

步骤六，步骤一中的中频信号经跟踪捕捉和同步后，由FPGA和DSP进行译码、电文解析得出信号误码率；并且使得到的信号误码率与北斗卫星的门限值进行比较，得到误码率周期性变化；误码率低于门限值则判断为信号此时无遮挡；

步骤七，由步骤五中的平均功率确定信号未遮挡时间段，在所述信号未遮挡时间段中误码率低于门限值的范围即为通信时间窗口；

步骤八，在通信时间窗口，对北斗卫星进行接收或发送信号。

北斗双模机载系统所采取的整体技术方案如图2。RDSS通信发射通路采用非遮挡窗口通信技术，接收通路利用滤波剔除无效数据，保证最优的动态阈值以及接收灵敏度。RNSS定位采用电文拼接技术，实现RNSS连续稳定定位。

导航电文采用BCH编码，具有一定的电文纠错能力和电文校验能力，但是不足以应对机载设备复杂的使用环境。为了降低高误码率对RNSS定位的影响，本机载设备采取电文拼接技术。根据电文组帧特性及星历参数编排特性，充分利用各种先验信息以提高机载RNSS定位成功率。解决断续通信环境下RNSS星历完整性接收难题，实现RNSS连续稳定定位。

图4是RNSS定位的电文拼接技术算法流程图。步骤如下：

(1)主机收到当前卫星的原始电文信息后进行校验；

(2)校验通过的电文的32位字进行缓存；

(3)收到当前卫星的新的一帧电文时，如果没有全部通过校验，那么将通过校验的字存放到缓存区。直到缓存区凑齐一帧完整的电文为止。

(4)对凑齐的这帧电文进行解析，得到具体的电文参数。

作为空中通信定位设备，产品设计要求小型化、集成化、轻量化。北斗双模机载系统天线采用有源一体化设计技术，内部集成无源天线阵子、滤波器、合路器、低噪声放大器、功率放大器等部件。无源天线阵子包括北斗RNSS接收天线阵子、北斗RDSS接收天线阵子、北斗RDSS收发天线阵子，工作频点覆盖了B3、B1、S、L频点。

北斗双模机载系统天线的对外接口为1个射频接口，通过1根射频电缆与收发机主机交联，使得天线的安装使用非常方便。因北斗RDSS发射天线与B3天线空间上距离近，另外发射具有一定的发射功率，必然会对接收天线产生一定的干扰。

收发隔离技术，解决北斗RDSS和RNSS互干扰问题

滤波器的选用，是该技术的关键。常规介质滤波器体积小，符合天线内部空间安装需求，但其性能指标有限，不能提供很高的隔离度，不满足收发隔离要求。腔体滤波器的收发隔离能够做得很高，但传统腔体滤波器的体积比较大，空间不满足使用要求。本设计采用小型化超高隔离度的腔体滤波器，从而高质量地解决收发干扰难题。

Claims (2)

1.一种基于北斗卫星的通信定位一体化双模机载系统，其特征在于，包括天线和主机；

所述天线为有源一体化天线，其包括天线振子、功率放大器、合路器和滤波器；

所述主机用于基带信号处理、定位解算和报文通信；其包括射频模块和通信导航一体化模块；所述通信导航一体化模块包括AD转换模块、FPGA和DSP；

手持终端用于编辑、存储、发送和接收北斗短报文；

RDSS通信发射时，由手持终端编辑短报文内容，发送给主机；在主机内，经通信导航一体化模块生成对应的电文并扩频处理，之后发送到射频模块对入站信息进行上变频和滤波处理，生成L频段入站射频信号；射频信号经天线的功率放大器完成功率放大后，经滤波器处理，再由天线振子发射至卫星；

RNSS通信接收时，天线将接受到的信号经低噪放放大、滤波器滤波，之后再输出主机的射频模块；射频模块将射频信号下变频、滤波，最终输出中频信号，送到通信导航一体化模块；在通信导航一体化模块中，AD转换单元将中频信号进行采样量化，输出出站信号的数字采样值，通过通信导航一体化模块的FPGA和DSP完成码捕获、码跟踪和解扩，以此完成内部数据以及通信结果的存储；

RNSS定位时，天线接收北斗卫星播发的B1和B3信号，此信号经低噪放放大、滤波器滤波后合路输出给主机的射频模块；再由射频模块进行分路、下变频、滤波处理，发送至通信导航一体化模块；通信导航一体化模块，将射频模块输出的中频信号经过AD采样后完成伪码捕获和跟踪、解扩、解调、伪距测量、载波测量，并根据接收到导航电文、伪距测量值、载波测量值、星历，完成RNSS定位功能；

所述FPGA用于执行以下步骤：

步骤一，主机将接收到的射频信号经射频模块处理成中频信号，AD转换模块对中频信号进行采样并完成模拟信号到数字信号的变换，得到基带数字信号后，由射频模块和AD转换模块生成的基带数字信号经FPGA完成跟踪、捕获和信号同步，并使接收通道输出的相关累加值作为信号功率计算的数据点；

步骤二，累计接收一定时间长度的数据后对每个数据点进行信号功率计算并求平均得到信号在这一时段的平均功率；将计算得到的平均功率存入到寄存器中；

步骤三，多次重复步骤二；

步骤四，比较器从寄存器中读取平均功率，并与调制解调器预设的阈值进行比较；调制解调器设定阈值为调制解调器的接收机灵敏度加上某个固定值；平均功率高于调制解调器的阈值，则认为接收到的信号没有被遮挡；

步骤五，步骤一中的中频信号经跟踪捕获和同步后，由FPGA和DSP进行译码、电文解析得出信号误码率；并且使得到的信号误码率与北斗卫星的门限值进行比较，得到误码率周期性变化；误码率低于门限值则判断为信号此时无遮挡；

步骤六，由步骤四中的平均功率确定信号未遮挡时间段，在所述信号未遮挡时间段中误码率低于门限值的范围即为通信时间窗口；

步骤七，在通信时间窗口，对北斗卫星进行接收或发送信号。

2.根据权利要求1所述的一种基于北斗卫星的通信定位一体化双模机载系统，其特征在于，所述主机还通过以下步骤进行电文拼接：

步骤一，主机收到当前卫星的原始电文信息后进行校验；

步骤二，校验通过的电文的32位字进行缓存；

步骤三，收到当前卫星新的一帧电文时，再次校验，如果没有全部通过校验，那么将通过校验的字存放到缓存区；直到缓存区凑齐一帧完整的电文为止；

步骤四，对凑齐的这帧电文进行解析，得到具体的电文参数。

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