CN113933587B - 一种基于北斗卫星的高精度多普勒频率测量系统及测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于北斗卫星的高精度多普勒频率测量系统及测量方法，包括多普勒频率产生模块、脉冲变换模块、精密时钟频率模块、第一计数器模块、DDS频率合成模块、闸门信号产生模块、第二计数器模块、数据处理模块、显示模块和电源模块；本发明能够大幅度提高北斗卫星测控系统的定位与定轨精度，任意时刻北斗多普勒信号的频率测量分辨率优于1ps，秒级频率稳定度优于10‑13，加强了北斗卫星导航系统的稳定性、靠性和位置服务能力。

Description

一种基于北斗卫星的高精度多普勒频率测量系统及测量方法
技术领域
本发明涉及一种频率测量系统及测量方法，尤其涉及一种基于北斗卫星的高精度多普勒频率测量系统及测量方法。
背景技术
北斗卫星无论是对静止目标的定位还是对运动目标的导航，多普勒频率都是客观存在的，由多普勒频率所引起的多普勒频移是地面接收机与北斗卫星之间距离的函数，因此多普勒频率测量在北斗卫星测控系统中发挥着重要作用，其测量精度决定了北斗卫星测控系统的定位、定轨精度，也就是说，北斗高精度取决于北斗卫星多普勒频率的测量精度，而传统的高精度频率测量方法如多周期同步测量法、模拟内插法、时间间隔扩展法等在测量过程中均存在±1个字的计数误差，难以满足北斗卫星对多普勒频率测量的高精度需求，大大降低了北斗卫星测控系统的定位、定轨精度及位置服务能力。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于北斗卫星的高精度多普勒频率测量系统及测量方法，采用FPGA控制技术，能够大幅度提高北斗卫星测控系统的定位与定轨精度，加强北斗卫星导航系统的稳定性、可靠性和位置服务能力。
本发明采用下述技术方案：
一种基于北斗卫星的高精度多普勒频率测量系统，包括多普勒频率产生模块、脉冲变换模块、精密时钟频率模块、第一计数器模块、DDS频率合成模块、闸门信号产生模块、第二计数器模块、数据处理模块、显示模块和电源模块；多普勒频率产生模块的信号输出端连接脉冲变换模块的信号输入端，脉冲变换模块的信号输出端分别连接第一计数器模块的信号输入端和闸门信号产生模块的信号输入端，第一计数器模块的信号输出端分别连接DDS频率合成模块的信号输入端和数据处理模块的信号输入端，精密时钟频率模块的信号输出端连接DDS频率合成模块的信号输入端，DDS频率合成模块的信号输出端连接闸门信号产生模块的信号输入端，闸门信号产生模块的信号输出端连接第二计数器模块的信号输入端，第二计数器模块的信号输出端连接数据处理模块的信号输入端，数据处理模块的信号输出端连接显示模块的信号输入端；
所述的多普勒频率产生模块由北斗接收机组成，主要用于接收北斗卫星B1波段频率信号即北斗多普勒频率信号；
所述的脉冲变换模块由脉冲变换电路组成，主要用于将北斗卫星B1波段频率信号转换为北斗线脉冲信号；
所述的精密时钟频率模块，由高稳晶体振荡器组成，用以提供DDS频率合成模块的外部时钟频率；
所述的第一计数器模块，由FPGA内部的计数器组成，用以实时测量北斗线脉冲信号的频率，获得第一频率值；
所述的DDS频率合成模块由DDS直接频率合成器组成，用以产生频率为第一频率值的北斗准多普勒信号；
所述的闸门信号产生模块由群相位重合点脉冲电路组成，用以提供第二计数器模块的实际闸门开关信号；
所述的第二计数器模块，由FPGA内部的计数器组成，主要用于实现74LS系列芯片的逻辑功能和产生以第一频率值为标准频率的实时北斗多普勒频移，获得第二频率值；
所述的数据处理模块由单片机组成，主要用于处理第一频率值和第二频率值，获得北斗多普勒频率测量结果；
所述的显示模块，用于接收北斗多普勒频率测量结果并进行显示。
所述电源模块用于对整个系统进行供电。
所述的北斗接收机采用XHTF7107-B型北斗接收机。
所述的脉冲变换电路由施密特触发器74LS14N芯片、逻辑与门74LS08D芯片、触发器74LS375N芯片和逻辑非门74LS04N芯片组成，施密特触发器74LS14N芯片的信号输入端连接多普勒频率产生模块的信号输出端，施密特触发器74LS14N芯片的信号输出端分别连接逻辑与门74LS08D芯片的A信号输入端和触发器74LS375N芯片的信号输入端，触发器74LS375N芯片的信号输出端连接逻辑非门74LS04N芯片的信号输入端,逻辑非门74LS04N芯片的信号输出端连接逻辑与门74LS08D芯片的B信号输入端,逻辑与门74LS08D芯片的信号输出端为脉冲变换模块的信号输出端。
所述的高稳晶体振荡器采用高性能OSA 5MHz OCXO8607B晶体振荡器(时钟频率的秒级频率稳定度为5E-13量级)。
所述的FPGA采用Cyclone IV芯片EP4CE75，用于实现74LS系列芯片的逻辑功能。
所述的第一计数器和第二计数器均由FPGA硬件描述语言通过编程实现。
所述的DDS直接频率合成器采用AD9858芯片(时钟频率的秒级频率稳定度为10-7量级)。
所述的群相位重合点脉冲电路采用逻辑与门74LS08D芯片。
所述的单片机采用单片机STM32 F103C8T6芯片。
传统的多普勒频率测量技术建立在脉冲测频基础之上，虽有很高的测量分辨率，但在测量过程中存在±1个字的计数误差，难以满足北斗卫星对多普勒频率测量的高精度需求，相对于传统的普勒频率测量技术，本发明利用FPGA控制技术能够大幅度提高北斗卫星测控系统的定位与定轨精度，本发明中的电路结构简单，成本低廉，集成度高，噪声极低。由于采用了区别于传统频率测量技术的群量子化相位处理方法，本发明的频率测量分辨率和秒级频率稳定度均得到了大幅度提高，系统更加稳定，可靠性更高，任意时刻北斗多普勒信号的频率测量分辨率优于1ps，测量精度即秒级频率稳定度优于10-13。
一种利用基于北斗卫星的高精度多普勒频率测量系统进行的测量方法，依次包括以下步骤：
A:利用FPGA技术，将北斗接收机接收到的北斗多普勒信号送入脉冲变换电路，获得北斗线脉冲信号；
B:将FPGA内部时钟频率进行锁相倍频至100MHz并对北斗线脉冲信号进行填充测量，获得第一频率值分别送入DDS频率合成器模块和数据处理模块；
C:通过第一频率值对DDS频率合成器模块外部时钟频率的控制，产生频率为第一频率值的北斗准多普勒信号；
D：将北斗准多普勒信号和北斗线脉冲信号同时送入闸门信号产生模块进行群相位重合点脉冲检测，获得的群相位重合点脉冲被作为第二计数器模块的开门信号和关门信号；
E：将FPGA内部时钟频率锁相倍频至100MHz，在开门信号和关门信号所形成的实际闸门时间内进行脉冲计数，获得两个群相位重合点脉冲之间的时间间隔值并送入数据处理模块转换为第二频率值即北斗多普勒频移；
F：利用数据处理模块对第二频率值与来自第一计数器模块的第一频率值进行处理，最终获得北斗多普勒频率。
本发明的有益效果为：针对北斗多普勒信号的频率测量方法，既要兼顾北斗多普勒信号频率测量的分辨率和测量精度，也要兼顾系统的稳定性和可靠性，本发明采用群量子化相位处理技术，实现了北斗多普勒频率测量的高分辨率和高测量精度，采用FPGA控制技术，保证了北斗多普勒频率测量系统的稳定性和可靠性。
附图说明
图1为本发明所述基于北斗卫星的高精度多普勒频率测量系统的原理框图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明作以详细的描述：
如图1所示，本发明所述的基于北斗卫星的高精度多普勒频率测量系统，包括多普勒频率产生模块、脉冲变换模块、精密时钟频率模块、第一计数器模块、DDS频率合成模块、闸门信号产生模块、第二计数器模块、数据处理模块、显示模块和电源模块；多普勒频率产生模块的信号输出端连接脉冲变换模块的信号输入端，脉冲变换模块的信号输出端分别连接第一计数器模块的信号输入端和闸门信号产生模块的信号输入端，第一计数器模块的信号输出端分别连接DDS频率合成模块的信号输入端和数据处理模块的信号输入端，精密时钟频率模块的信号输出端连接DDS频率合成模块的信号输入端，DDS频率合成模块的信号输出端连接闸门信号产生模块的信号输入端，闸门信号产生模块的信号输出端连接第二计数器模块的信号输入端，第二计数器模块的信号输出端连接数据处理模块的信号输入端，数据处理模块的信号输出端连接显示模块的信号输入端。
所述的多普勒频率产生模块采用XHTF7107-B型北斗接收机，主要用于接收北斗卫星B1波段频率信号即北斗多普勒频率信号；
所述的脉冲变换模块由脉冲变换电路组成，主要用于将北斗卫星B1波段频率信号转换为北斗线脉冲信号，脉冲变换电路由施密特触发器74LS14N芯片、逻辑与门74LS08D芯片、触发器74LS375N芯片和逻辑非门74LS04N芯片组成，施密特触发器74LS14N芯片的信号输入端连接多普勒频率产生模块的信号输出端，施密特触发器74LS14N芯片的信号输出端分别连接逻辑与门74LS08D芯片的A信号输入端和触发器74LS375N芯片的信号输入端，触发器74LS375N芯片的信号输出端连接逻辑非门74LS04N芯片的信号输入端,逻辑非门74LS04N芯片的信号输出端连接逻辑与门74LS08D芯片的B信号输入端,逻辑与门74LS08D芯片的信号输出端为脉冲变换模块的信号输出端，利用FPGA技术，将北斗接收机接收到的北斗多普勒信号送入脉冲变换电路，获得北斗线脉冲信号；
所述的第一计数器模块，由FPGA内部的计数器组成(通过FPGA硬件描述语言编程实现)，用以实时测量北斗线脉冲信号的频率，获得第一频率值，将FPGA内部时钟频率进行锁相倍频至100MHz并对北斗线脉冲信号进行填充测量，获得第一频率值分别送入DDS频率合成器模块和数据处理模块；
所述的精密时钟频率模块采用高性能OSA 5MHz OCXO8607B高稳晶体振荡器(时钟频率的秒级频率稳定度为5E-13量级)，用以提供DDS频率合成模块的外部时钟频率；
所述的DDS频率合成模块采用DDS直接频率合成器AD9858芯片(时钟频率的秒级频率稳定度为10-7量级)，用以产生频率为第一频率值的北斗准多普勒信号，通过第一频率值对DDS频率合成器模块外部时钟频率的控制，产生频率为第一频率值的北斗准多普勒信号；
所述的闸门信号产生模块由群相位重合点脉冲电路组成，采用逻辑与门74LS08D芯片，用以提供第二计数器模块的实际闸门开关信号，将北斗准多普勒信号和北斗线脉冲信号同时送入闸门信号产生模块进行群相位重合点脉冲检测，获得的群相位重合点脉冲被作为第二计数器模块的开门信号和关门信号；
所述的第二计数器模块，由FPGA内部的计数器组成(通过FPGA硬件描述语言编程实现)，主要用于产生以第一频率值为标准频率的实时北斗多普勒频移，获得第二频率值，将FPGA内部时钟频率锁相倍频至200MHz，在开门信号和关门信号所形成的实际闸门时间内进行脉冲计数，获得两个群相位重合点脉冲之间的时间间隔值并送入数据处理模块转换为第二频率值即北斗多普勒频移；
所述的数据处理模块由单片机组成，采用单片机STM32 F103C8T6芯片，主要用于处理第一频率值和第二频率值，获得北斗多普勒频率测量结果，利用数据处理模块对第二频率值与来自第一计数器模块的第一频率值进行处理，最终获得北斗多普勒频率；
所述的显示模块，采用LCD液晶显示器，用于接收北斗多普勒频率测量结果并进行显示。
电源模块对整个系统进行供电，可采用开关电源，相比于模拟电源具有输出稳定的优点。
本发明针对北斗卫星多普勒频率的测量采用群量子化相位处理的方法，被测信号和频率标准信号之间仅存在一个很小的相对频率偏差，该相对频率偏差的倒数即为两个群相位重合点脉冲之间的时间间隔，因此在北斗多普勒频移测量过程中，无需被测频率的各种频率变换，避免了附加线路的噪声，通过单片机对被测时间间隔的处理便可获得高精度的频率测量结果。
综上所述，传统的多普勒频率测量技术建立在频率处理基础之上，相对于传统的多普勒频率测量技术，本发明无需混频、分频、倍频等复杂的频率变换线路即无需被测多普勒频率的归一化处理，利用FPGA控制技术能够大幅度提高北斗卫星测控系统的定位与定轨精度。
本发明中的电路结构简单，成本低廉，集成度高，相位噪声低，由于采用了区别于多普勒频率测量技术的群量子化相位处理方法，本发明的频率测量分辨率和测量精度均得到了大幅度提高，系统更加稳定，可靠性更高，任意时刻北斗多普勒信号的频率测量分辨率优于1ps，测量精度即秒级频率稳定度优于10-13。

Claims (8)

1.一种基于北斗卫星的高精度多普勒频率测量系统，其特征在于：包括多普勒频率产生模块、脉冲变换模块、精密时钟频率模块、第一计数器模块、DDS频率合成模块、闸门信号产生模块、第二计数器模块、数据处理模块、显示模块和电源模块；所述多普勒频率产生模块的信号输出端连接脉冲变换模块的信号输入端，所述脉冲变换模块的信号输出端分别连接第一计数器模块的信号输入端和闸门信号产生模块的信号输入端，所述第一计数器模块的信号输出端分别连接DDS频率合成模块的信号输入端和数据处理模块的信号输入端，所述精密时钟频率模块的信号输出端连接DDS频率合成模块的信号输入端，所述DDS频率合成模块的信号输出端连接闸门信号产生模块的信号输入端，所述闸门信号产生模块的信号输出端连接第二计数器模块的信号输入端，所述第二计数器模块的信号输出端连接数据处理模块的信号输入端，数据处理模块的信号输出端连接显示模块的信号输入端；
所述多普勒频率产生模块由北斗接收机组成，用于接收北斗卫星B1波段频率信号；
所述脉冲变换模块由脉冲变换电路组成，用于将北斗卫星B1波段频率信号转换为北斗线脉冲信号；所述的脉冲变换电路由施密特触发器74LS14N芯片、逻辑与门74LS08D芯片、触发器74LS375N芯片和逻辑非门74LS04N芯片组成，所述施密特触发器74LS14N芯片的信号输入端连接多普勒频率产生模块的信号输出端，所述施密特触发器74LS14N芯片的信号输出端分别连接逻辑与门74LS08D芯片的A信号输入端和触发器74LS375N芯片的信号输入端，所述触发器74LS375N芯片的信号输出端连接逻辑非门74LS04N芯片的信号输入端,所述逻辑非门74LS04N芯片的信号输出端连接逻辑与门74LS08D芯片的B信号输入端,所述逻辑与门74LS08D芯片的信号输出端为脉冲变换模块的信号输出端；
所述密时钟频率模块，由高稳晶体振荡器组成，用以提供DDS频率合成模块的外部时钟频率；
所述第一计数器模块，由FPGA内部的计数器组成，用以实时测量北斗线脉冲信号的频率，获得第一频率值；
所述DDS频率合成模块由DDS直接频率合成器组成，用以产生频率为第一频率值的北斗准多普勒信号；
所述闸门信号产生模块由群相位重合点脉冲电路组成，用以提供第二计数器模块的实际闸门开关信号；
所述第二计数器模块，由FPGA内部的计数器组成，主要用于产生以第一频率值为标准频率的实时北斗多普勒频移，获得第二频率值；
所述数据处理模块由单片机组成，主要用于处理第一频率值和第二频率值，获得北斗多普勒频率测量结果；
所述显示模块，用于接收北斗多普勒频率测量结果并进行显示；
所述电源模块用于对整个系统进行供电。
2.根据权利要求1所述的基于北斗卫星的高精度多普勒频率测量系统，其特征在于：所述的北斗接收机采用XHTF7107-B型北斗接收机。
3. 根据权利要求1所述的基于北斗卫星的高精度多普勒频率测量系统，其特征在于：所述的高稳晶体振荡器采用高性能OSA 5MHz OCXO8607B晶体振荡器，其时钟频率的秒级频率稳定度为5E-13量级。
4.根据权利要求1所述的基于北斗卫星的高精度多普勒频率测量系统，其特征在于：所述的FPGA采用Cyclone IV芯片EP4CE75，用于实现74LS 系列芯片的逻辑功能及由硬件描述语言通过编程实现的第一计数器和第二计数器。
5.根据权利要求1所述的基于北斗卫星的高精度多普勒频率测量系统，其特征在于：所述的DDS直接频率合成器采用AD9858芯片，其时钟频率的秒级频率稳定度为10-7量级。
6.根据权利要求1所述的基于北斗卫星的高精度多普勒频率测量系统，其特征在于：所述的群相位重合点脉冲电路采用逻辑与门74LS08D芯片。
7.根据权利要求1所述的基于北斗卫星的高精度多普勒频率测量系统，其特征在于：所述的单片机采用单片机STM32 F103C8T6 芯片。
8.一种利用权利要求1-7所述的基于北斗卫星的高精度多普勒频率测量系统进行的测量方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1: 利用FPGA技术，将北斗接收机接收到的北斗多普勒信号送入脉冲变换电路，获得北斗线脉冲信号；
步骤2: 将FPGA内部时钟频率进行锁相倍频至100MHz并对北斗线脉冲信号进行填充测量，获得第一频率值分别送入DDS频率合成器模块和数据处理模块；
步骤3: 通过第一频率值对DDS频率合成器模块外部时钟频率的控制，产生频率为第一频率值的北斗准多普勒信号；
步骤4：将北斗准多普勒信号和北斗线脉冲信号同时送入闸门信号产生模块进行群相位重合点脉冲检测，获得的群相位重合点脉冲被作为第二计数器模块的开门信号和关门信号；
步骤5: 将FPGA内部时钟频率锁相倍频至100MHz，在开门信号和关门信号所形成的实际闸门时间内进行脉冲计数，获得两个群相位重合点脉冲之间的时间间隔值并送入数据处理模块转换为第二频率值即北斗多普勒频移；
步骤6：利用数据处理模块对第二频率值与来自第一计数器模块的第一频率值进行处理，最终获得北斗多普勒频率。
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