CN114839655B - 一种六频三模高精度gnss掩星探测装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本申请提供了一种六频三模高精度GNSS掩星探测装置，包括：天顶天线、前视天线阵列、后视天线阵列、合成单元、RF处理单元、AD采集板卡、相关处理模块、电源及时钟单元，其中：所述的天顶天线用于接收来自天顶的直射信号；所述前视天线阵列、后视天线阵列用于接收前向、后向掩星信号；所述天顶天线、前视天线阵列、后视天线阵列均采用双层微带天线；所述合成单元用于将掩星信号低噪声放大后进行信号合成；所述RF处理单元用于将直射信号、掩星合成信号进行放大、滤波、混频成中频信号；所述AD采集板卡用于将中频信号采样后送入相关处理模块；所述相关处理模块用于将中频信号变频至近零中频后进行捕获、跟踪、定位解算以及载波相位提取。

Description

一种六频三模高精度GNSS掩星探测装置及方法
技术领域
本发明属于探测技术领域，具体涉及一种六频三模高精度GNSS掩星探测装置及方法。
背景技术
六频三模高精度GNSS掩星探测装置采用双基雷达原理，是一项低成本的、高收益的微波遥感技术，通过对掩星信号载波相位的连续观测与提取，可应用于大气温湿度、电离层电子密度等要素的探测。
目前，掩星探测仪都是在GNSS导航接收机的基础上简单改进制成的。本专利提出的一种六频三模高精度GNSS掩星探测装置采用的双层微带阵列天线结构设计和布局设计，接收多个导航星座信号，通过高精度捕获和跟踪算法，装置可以探测到更多的掩星事件、提高掩星的探测精度，使得载荷可应用于大气温湿度、电离层电力密度等大气环境要素探测方面。
发明内容
基于上述问题，本发明提供了一种六频三模高精度GNSS掩星探测装置，包括分别与处理模块连接的：天顶天线模组、前视天线模组、后视天线模组以及电源及时钟单元；
所述天顶天线模组包括依次连接的天顶天线、RF处理单元、AD采集板卡，所述AD采集板卡与所述处理模块连接；
所述前视天线模组包括依次连接的前视天线阵列、合成单元、RF处理单元、AD采集板卡，所述AD采集板卡与所述处理模块连接；
所述后视天线模组包括依次连接的后视天线阵列、合成单元、RF处理单元、AD采集板卡，所述AD采集板卡与所述处理模块连接；
其中：
所述的天顶天线用于接收来自天顶的直射信号；
所述前视天线阵列、后视天线阵列用于接收前向、后向掩星信号；
所述合成单元用于将掩星信号低噪声放大后进行信号合成；
所述RF处理单元用于将直射信号、掩星合成信号进行放大、滤波、混频成中频信号；
所述AD采集板卡用于将中频信号采样后送入处理模块；
所述处理模块用于将中频信号变频至近零中频后进行捕获、跟踪、定位解算以及载波相位提取；
所述电源及时钟单元用于给所述处理模块、合成单元、RF处理单元、AD采集板卡供电以及提供参考时钟。
在一个可能的实现方式中，所述的天顶天线、前视天线阵列、后视天线阵列均采用双层微带天线，通过上、下两层微带辐射元分别满足射频信号的接收要求，覆盖BD-2B1、B3、BD-3B1、B2、GPS L1、L5频段，采用双频消除电离层误差，提高观测精度。
在一个可能的实现方式中，所述的前视天线阵列、后视天线阵列采用十二单元微带阵列天线，所述天线单元的设计方案采用单馈电的空气微带天线。
在一个可能的实现方式中，所述的前视天线阵列以30°倾角安装于卫星平台的迎风面，所述的后视天线阵列以30°倾角安装于卫星平台的背风面，以提高观测数量。
在一个可能的实现方式中，所述的合成单元采用先低噪放再合成的方案，以减小馈电损耗，提高阵列效率。
在一个可能的实现方式中，所述处理模块同时处理GPS、BD-2、BD-3三个导航星座六个频点的卫星信号，提观测数量。
在一个可能的实现方式中，所述的处理模块采用频域差分的快捕方式进行直射信号的捕获，能获得较高的信噪比，提高捕获精度。
在一个可能的实现方式中，所述的处理模块采用载波环和码环组合的方式实现信号跟踪；
所述载波环采用二阶FLL辅助三阶PLL的结构。
在一个可能的实现方式中，所述的处理模块完成导航卫星位置解算、掩星探测装置定位解算、掩星几何关系判决、掩星信号控制量计算和载波观测量下传。
另一方面，本申请提供了一种六频三模高精度GNSS掩星探测方法，所述方法包括以下步骤：
S1：处理模块进入导航捕获、跟踪、定位、预测的工作状态，采用PMF-FFT的方式对导航信号进行捕获，通过门限判决对直射信号进行码相位和多普勒的二维捕获；利用载波环和码跟踪环对直射信号的码相位和多普勒进行精准跟踪；
S2：对跟踪后的结果进行掩星探测装置定位计算以及历书解算；
S3：利用历书解算得到的所有导航卫星的位置与掩星探测装置位置实时判决掩星事件是否发生；
S31：如果发生，选择对应的卫星PRN作为掩星通道，将选定的PRN对应的卫星的控制量传输至掩星通道，对前后视阵列天线接收到的信号进行对应PRN的捕获、跟踪，并将跟踪得到的载波相位观测量下传；
S32：如果没有发生，继续进行下一时刻的掩星事件判决。
由于上述技术方案的运用，本发明与现有技术相比具有下列有益效果：
1、本发明实施例六频三模高精度GNSS掩星探测装置，均采用双层微带天线设计，为导航信号的双频接收提供可能，以利用双频观测消除电离层误差，提高掩星探测精度和大气、电离层观测量反演精度。
2、本发明实施例六频三模高精度GNSS掩星探测装置，通过特殊的天线安装方式，可以大幅提高掩星事件的观测数量。
3、本发明实施例六频三模高精度GNSS掩星探测装置，通过接收GPS、BD-2、BD-3三个导航星座六个频点的卫星信号，可以成倍提高掩星事件的观测数量。
4、本发明实施例六频三模高精度GNSS掩星探测装置，其软件可以同时处理GPS、BD-2、BD-3三个导航星座六个频点的卫星信号，可以成倍提高掩星事件的观测数量。
5、本发明实施例六频三模高精度GNSS掩星探测装置采用基于频域差分的PMF-FFT捕获算法，能够消除PMF-FFT存在扇贝损失、频谱泄露、平方损失等问题，捕获效率更高、捕获精度更高。
6、本发明实施例六频三模高精度GNSS掩星探测装置采用载波环和码环组合的方式共同完成信号的跟踪。所述的载波环采用二阶FLL辅助三阶PLL的结构。所述的二阶FLL有较宽的噪声带宽，动态性好，能准确地跟踪频率斜升信号。所述的二阶FLL辅助三阶PLL的结构能紧密跟踪高动态信号,载波相位观测值相当精确。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用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申请的一些实施例，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。
图1为本发明一示例性实施例提供的星六频三模高精度GNSS掩星探测装置的结构示意图；
图2为本发明一示例性实施例提供的星六频三模高精度GNSS掩星探测装置的流程示意图
标号说明：1-天顶天线、2-前视天线阵列、3-后视天线阵列、4-合成单元、5-RF处理单元、6-AD采集板卡、7-处理模块、8-电源及时钟单元。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
为了更好的说明本发明，下方结合附图对本发明进行详细的描述。
请参考图1，一种六频三模高精度GNSS掩星探测装置，包括：1-天顶天线、2-前视阵列天线、3-后视阵列天线、4-合成单元、5-RF单元、6-AD采集板卡、7-处理模块、8-电源及时钟模块，其中，
天顶天线1与RF单元5通过射频电缆相连，传输的是GPS和BDS卫星的直射信号；前视阵列天线2、后视阵列天线3与合成单元4通过射频电缆相连，传输的是GPS和BDS卫星的前后、后视掩星信号；合成单元与RF单元5通过射频电缆相连，传输的是合成后的GPS和BDS卫星的前后、后视掩星信号；RF单元5与AD采集板卡6通过低频电缆相连，传输的是混频后的中频GNSS信号；AD采集板卡6与处理模块7通过相连，传输的是AD后的GNSS数字信号；电源及时钟模块8与各模块相连，为各模块提供电源。
本实施例中，天顶天线、前视天线阵列、后视天线阵列均采用双层微带天线，通过上、下两层微带辐射元分别满足射频信号的接收要求，覆盖BD-2B1、B3、BD-3B1、B2、GPS L1、L5频段，以利用双频消除电离层误差，提高观测精度。
本实施例中，前视天线阵列、后视天线阵列采用三单元微带阵列天线设计方案，所述天线单元的设计方案采用单馈电的空气微带天线设计方案，提高天线增益，获得更高的信噪比。
本实施例中，前视天线阵列、后视天线阵列采用特殊的天线安装方式，可以大幅提高掩星事件的观测数量。
本实施例中，合成单元采用先低噪放再合成的方案，以减小馈电损耗，提高阵列效率。
本实施例中，处理模块可以同时处理GPS、BD-2、BD-3三个导航星座六个频点的卫星信号，提高掩星事件观测数量。
本实施例中，处理模块采用频域差分的快捕方式进行直射信号的捕获，能获得较高的信噪比，提高捕获精度。
本实施例中，处理模块采用载波环和码环组合的方式共同完成信号的跟踪。所述的载波环采用二阶FLL辅助三阶PLL的结构。所述的二阶FLL有较宽的噪声带宽，动态性好，能准确地跟踪频率斜升信号。所述的二阶FLL辅助三阶PLL的结构能紧密跟踪高动态信号,载波相位观测值相当精确。
基于上述实施例提供的装置，本实施例进一步提供一种六频三模高精度GNSS掩星探测装置的工作流程，该流程包括以下步骤：
S1：处理模块进入导航捕获、跟踪、定位、预测的工作状态，采用PMF-FFT的方式对导航信号进行捕获，通过门限判决对直射信号进行码相位和多普勒的二维捕获；利用载波环和码跟踪环对直射信号的码相位和多普勒进行精准跟踪；
S2：对跟踪后的结果进行掩星探测装置定位计算以及历书解算；
S3：利用历书解算得到的所有导航卫星的位置与掩星探测装置位置实时判决掩星事件是否发生；
S31：如果发生，选择对应的卫星PRN作为掩星通道，将选定的PRN对应的卫星的控制量传输至掩星通道，对前后视阵列天线接收到的信号进行对应PRN的捕获、跟踪，并将跟踪得到的载波相位观测量下传；
S32：如果没有发生，继续进行下一时刻的掩星事件判决。
本文中应用了具体个例对发明构思进行了详细阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离该发明构思的前提下，所做的任何显而易见的修改、等同替换或其他改进，均应包含在本发明的保护范围之内。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本申请的其它实施方案。本申请旨在涵盖本申请的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本申请的一般性原理并包括本申请未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性地，本申请的真正范围和精神由上述的权利要求指出。
应当理解的是，本申请并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本申请的范围仅由所附的权利要求来限制。
应当理解的是，在本文中提及的“多个”是指两个或两个以上。“和/或”，描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分步骤可以通过硬件来完成，也可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。
以上所述仅为本申请的较佳实施例，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种六频三模高精度GNSS掩星探测装置，其特征在于，包括分别与处理模块连接的：天顶天线模组、前视天线模组、后视天线模组以及电源及时钟单元；
所述天顶天线模组包括依次连接的天顶天线、RF处理单元、AD采集板卡，所述AD采集板卡与所述处理模块连接；
所述前视天线模组包括依次连接的前视天线阵列、合成单元、RF处理单元、AD采集板卡，所述AD采集板卡与所述处理模块连接；
所述后视天线模组包括依次连接的后视天线阵列、合成单元、RF处理单元、AD采集板卡，所述AD采集板卡与所述处理模块连接；
其中：
所述的天顶天线用于接收来自天顶的直射信号；
所述前视天线阵列、后视天线阵列用于接收前向、后向掩星信号；
所述合成单元用于将掩星信号低噪声放大后进行信号合成；
所述RF处理单元用于将直射信号、掩星合成信号进行放大、滤波、混频成中频信号；
所述AD采集板卡用于将中频信号采样后送入处理模块；
所述处理模块用于将中频信号变频至近零中频后进行捕获、跟踪、定位解算以及载波相位提取；
所述电源及时钟单元用于给所述处理模块、合成单元、RF处理单元、AD采集板卡供电以及提供参考时钟；
所述的天顶天线、前视天线阵列、后视天线阵列均采用双层微带天线，通过上、下两层微带辐射元分别满足射频信号的接收要求，覆盖BD-2B1、B3、BD-3B1、B2、GPS L1、L5频段，采用双频消除电离层误差，提高观测精度；
所述处理模块同时处理GPS、BD-2、BD-3三个导航星座六个频点的卫星信号，提观测数量；
所述的处理模块采用频域差分的快捕方式进行直射信号的捕获，能获得较高的信噪比，提高捕获精度；
所述的处理模块采用载波环和码环组合的方式实现信号跟踪；
所述载波环采用二阶FLL辅助三阶PLL的结构。
2.根据权利要求1所述的一种六频三模高精度GNSS掩星探测装置，其特征在于，所述的前视天线阵列、后视天线阵列采用十二单元微带阵列天线，所述天线单元的设计方案采用单馈电的空气微带天线。
3.根据权利要求1所述的一种六频三模高精度GNSS掩星探测装置，其特征在于，所述的前视天线阵列以30°倾角安装于卫星平台的迎风面，所述的后视天线阵列以30°倾角安装于卫星平台的背风面，以提高观测数量。
4.根据权利要求1所述的一种六频三模高精度GNSS掩星探测装置，其特征在于，所述的合成单元采用先低噪放再合成的方案，以减小馈电损耗，提高阵列效率。
5.根据权利要求1所述的一种六频三模高精度GNSS掩星探测装置，其特征在于，所述的处理模块完成导航卫星位置解算、掩星探测装置定位解算、掩星几何关系判决、掩星信号控制量计算和载波观测量下传。
6.一种使用权利要求1的六频三模高精度GNSS掩星探测装置的探测方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
S1：处理模块进入导航捕获、跟踪、定位、预测的工作状态，采用PMF-FFT的方式对导航信号进行捕获，通过门限判决对直射信号进行码相位和多普勒的二维捕获；利用载波环和码跟踪环对直射信号的码相位和多普勒进行精准跟踪；
S2：对跟踪后的结果进行掩星探测装置定位计算以及历书解算；
S3：利用历书解算得到的所有导航卫星的位置与掩星探测装置位置实时判决掩星事件是否发生；
S31：如果发生，选择对应的卫星PRN作为掩星通道，将选定的PRN对应的卫星的控制量传输至掩星通道，对前后视阵列天线接收到的信号进行对应PRN的捕获、跟踪，并将跟踪得到的载波相位观测量下传；
S32：如果没有发生，继续进行下一时刻的掩星事件判决。
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