CN115856943A - 一种基于三线天线的星载全视场四模gnss接收系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于三线天线的星载全视场四模GNSS接收系统，包括：用于接收导航信号的高精度测量三天线阵列和三组用于处理导航信号的四模八频点接收机；所述高精度测量三线阵列包括三角锥底座和分别安装在三角锥底座三侧面上的天线组件，所述三角锥底座的侧面与底面的夹角呈60°，每个所述天线组件用于接收覆盖±120°空域范围的导航信号；所述四模八频点接收机包括射频前端模块，基带信号处理模块，解算模块以及数据处理模块。本发明提供的系统可以提高卫星的导航定位性能以及信号覆盖范围。

Description

一种基于三线天线的星载全视场四模GNSS接收系统

技术领域

本发明属于卫星导航技术领域，尤其涉及一种基于三线天线的星载全视场四模GNSS接收系统。

背景技术

在宇宙空间环境探测领域，会对星载GNSS接收系统的视角范围、数据采样频率、支持的卫星信号频点数量有着较大需求。扩大视角范围可以使卫星接收到更多导航卫星的信号；高频率数据采样可以极大提升数据精细程度，细腻刻画数据变化情况；支持更多的卫星信号频点意味着数据量成倍增加，特别是来自于不同卫星导航系统的卫星轨道和分布，这能极大丰富宇宙环境探测数据。

另一方面，卫星在太空中会有一些特殊的位姿要求，其中最常见的就是卫星侧摆，通常见于光学成像，由于低轨卫星的轨道高度较低，直接对地观测会导致成像幅宽较小，于是会调整卫星姿态，采用侧摆技术来提高对地观测效率。此时就会对星间GNSS测量产生负面影响，最直接的影响就是减少了共视星的数目，从而降低了卫星编队相对定位的性能，在中长基线下甚至还会导致无法定位。

目前对于共视星数目减少的情况，主要是从软件层面解决问题，其中较为典型的方法为模糊度空间的传递，避免了模糊度重新搜索的过程，可节省一定的时间。

专利文献CN107490800A公开了一种卫星导航快速定位方法、装置和卫星导航接收机，其方法包括：判断观测方程是否病态；当观测方程病态时，利用自适应加权的差分进化算法结合正则化求解快速定位时的病态观测方程，得到病态观测方程中待求向量的实数解模糊度分量；将观测方程中待求向量的实数解模糊度分量作为输入值，搜索得到观测方程中待求向量的模糊度整数解；将模糊度整数解回代到观测方程中，重新求解得到更新模糊度后的基线参数，基线参数与准确的基准站卫星导航接收机坐标相加，得到目标卫星导航接收机的准确坐标。该方法更容易得到全局最优解，提高解算精度和速度。但是这种方法仅适用于短时间内的共视星减少，且观测量中需含有载波相位测量值的情况。对于需要较长时间处于侧摆模式的卫星并不适用。

专利文献CN107728172A公开了一种北斗/GPS双模星载接收机及其导航定位方法，该方法通过环路跟踪以及快速定位算法为卫星绕地飞行的超高动态和太空环境的超低温、强磁场干扰提供解决方案。但是该专利只适用于北斗和GPS系统。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供的一种基于三线天线的星载全视场四模GNSS接收系统，该系统可以提高卫星的导航定位性能以及信号覆盖范围。

一种基于三线天线的星载全视场四模GNSS接收系统，包括：

用于接收导航信号的高精度测量三天线阵列和三组用于处理导航信号的四模八频点接收机；

所述高精度测量三线阵列包括三角锥底座和分别安装在三角锥底座三侧面上的天线组件，所述三角锥底座的侧面与底面的夹角呈60°，每个所述天线组件用于接收覆盖±120°空域范围的导航信号；

所述四模八频点接收机包括射频前端模块，基带信号处理模块，解算模块以及数据处理模块，所述射频前端模块用于对天线组件获取的导航信号进行分路处理，输出多路射频信号，所述基带信号处理模块包括信号捕获器和跟踪器，所述信号捕获器用于对多路射频信号并行接收，所述跟踪器用于多路信号同步控制，输出射频信号对应的导航测量值和导航电文，所述解算模块根据导航测量值和导航电文进行定位解算，输出对应的定位观测值，所述数据处理模块用于汇总三组基带信号处理模块和解算模块产生的测量数据，筛选输出最终的定位观测值。

本发明提供的系统通过三天线组件设计，视角覆盖范围更大，能覆盖±120°空域范围，能使得低轨卫星接收到除了被地球遮挡之外的所有导航信号；得益于更大的视角范围，GNSS系统可以不受到卫星姿势的影响，可以解决双星编队中卫星侧摆情况下共视星较少的问题，从而提高导航定位性能。

优选的，所述射频前端模块的输入端还设有用于抑制镜像信号的一级滤波器。

优选的，所述基带信号处理模块采用ASPeCT算法进行旁瓣消除。

具体的，所述多路射频信号包括接收机位置、速度和时间PVT。

具体的，所述数据处理模块的筛选包括原始数据管理，多天线数据优选，钟差反馈以及多天线数据补偿。

具体的，所述多天线数据优选的策略具体为三个天线对应接收机通道的两个或三个接收到同一导航卫星时，选取信噪比较高的卫星。

具体的，所述钟差反馈的具体操作如下：

将数据处理模块在接收到主接收机数据结算生成的钟差信息，发送至三个接收机的基带信号处理模块进行数据采样时刻的统一校准。

具体的，所述多天线数据补偿包括补偿钟差和天线相位中心补偿；

所述补偿钟差的具体操作过程为：当完成钟差反馈后，将统一的钟差值补偿到三个接收机输出的伪距和载波相位数据中；

所述天线相位中心补偿采用补偿算法，根据已知的三天线安装矩阵将观测数据补偿到统一的空间基准中。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

(1)本发明使用三天线组件设计，视角覆盖范围更大，能覆盖±120°空域范围，能使得低轨卫星接收到除了被地球遮挡之外的所有导航信号。

(2)天线采用微小型化微带天线，组成适用于微纳卫星的敏捷型全视场GNSS接收系统。

(3)得益于更大的视角范围，GNSS系统可以不受到卫星姿势的影响，可以解决双星编队中卫星侧摆情况下，共视星较少的情况。

(4)突破相对于常规单天线导航所特有的多路射频信号并行接收方式，可实现对多通道GNSS接收机原始测量数据的管理、多天线数据优选、钟差反馈和多天线数据补偿功能。

附图说明

图1为本发明中星载全视场四模GNSS接收系统的三天线组件的结构示意图；

图2为本发明中星载全视场四模GNSS接收系统的三天线@60°视角覆盖范围；

图3为本发明中星载全视场四模GNSS接收系统的三天线视角±120°并与地球相切示意图；

图4为本发明中星载全视场四模GNSS接收机的射频前端一分八功分图；

图5为本发明中星载全视场四模GNSS接收机的射频前端模块；

图6为本发明中星载全视场四模GNSS接收机的捕获器的结构图；

图7为本发明中星载全视场四模GNSS接收机的跟踪器的结构图。

具体实施方式

一种基于三线天线的星载全视场四模GNSS接收系统，包括：

用于接收导航信号的高精度测量三天线阵列和三组用于处理导航信号的四模八频点接收机；

如图1所示，三副天线分别安装于三角锥底座上，且三角锥的侧面与底面的夹角互呈60°，天线的垂直覆盖角为-30°～90°，天线增益可以达到-1dBi@60°，如图2所示。天线组件接收导航信号覆盖±120°空域范围，空域范围内最小增益大于等于-1dBi，如图3所示。对于500km低轨卫星而言，其视角范围仅为±111.99°。由于±120°的三天线组件视角存在夹角，所以仍有小部分区域未覆盖，总体覆盖区域达到95％以上。对于因为视角夹角而未覆盖区域，若按照单天线-3dBi的范围计算，可以达到100％覆盖，而本发明设计的四模八频点接收机的灵敏度高，可以弥补-3dBi的天线增益，因此本接收系统除去被地球遮挡的视角之外，可以满足视角全覆盖。配合上微小型微带天线，可以组成适用于微纳卫星的敏捷型全视场GNSS接收系统。

同时，宽覆盖范围可以有效解决侧摆技术带来的共视星减少的问题。

四模八频点接收机包括以下模块：(1)射频前端模块；(2)基带信号处理模块；(3)解算模块；(4)数据处理模块。

如图4和图5所示，射频前端模块中通过功分器来实现天线输入到八个频点的射频信号的分路，针对各个频点中心频率和带宽选定特定滤波器，对于各个频点的卫星信号进行下混频、中频滤波、自动增益控制和数模转换，最终得到数字射频信号。基带信号处理模块同时对多路射频信号并行接收以及多路信号同步控制。对接收到的数字中频信号进行捕获、跟踪、电文解析处理，得到导航测量值和导航电文。解算模块利用导航测量值和导航电文进行定位解算，最终得到用户的卫星信息，获取定位观测值。数据处理模块汇总三路基带信号处理模块和解算模块产生的原始测量数据，将数据传输至数据处理单元，完成四模八频星载宽视角多通道GNSS接收机大规模原始测量数据的管理、多天线数据优选、钟差反馈和多天线数据的补偿功能，最终输出定位观测值。

其中，四模八频点接收机的具体硬件说明如下：

射频前端模块需要将各个频点的寄存器配置字通过SPI接口写入射频前端芯片，并采样射频前端输出的各频点数字中频数据。考虑到北斗B3I及GALILEO E5频点10.23MHz的码速率，以及GLONASS频分多址特点，为满足奈奎斯特采样定理，采样射频前端输出的数字中频信号时采用了20.48MHz的采样频率。同时对射频前端输出的数字中频信号进行降采样处理。降采样模块内部集成了中频下变频、数字低通滤波以及降采样的功能。

如图6所示，基带信号处理模块通过SPI总线接收射频芯片产生的数字射频信号，并提供给捕获器进行处理。

为了提高卫星盲捕效率，GPS和北斗卫星信号捕获器采用预积分频域并行捕获算法实现，流程如下：

Step 1.每个伪码周期，将基带信号变频，然后与本地伪码序列相关。由此得到的相关结果i和q是一个关于自相关值R(τ)与残余载波频率损耗因子sinc(f_eT_coh)乘积的函数。其中，τ为码片相位的偏差值，f_e为载波频率与复制载波的频率差，T_coh为相关时长。

Step 2.关进行短时间预积分，再将预积分结果i′+jq′经傅里叶变换后被转换成频域信号，它反映了预积分结果i′+jq′在各个频率成分处的强度。

Step 3.个码周期FFT结果进行非相干积分，并对其大小进行分析，从中找出残余频率值f_e及其相应的接收信号载波频率值。

只有当本地扩频码与信号扩频码相位对齐时，傅里叶变换输出结果幅值中才有可能出现一个明显的峰值，而该峰值所对应的傅里叶变换频带频率值就是频率误差f_e的估计值。

GLONASS卫星信号捕获器采用频分多址，因此需要对其设置单独的捕获控制器以及捕获器，在接收到要捕获的卫星号时生成不同频率的本地载波信号而非码分多址的本地码。对G2频点而言，其余部分与L1/B1频点捕获器功能完全一致。对于GLONASS系统G1频点，在G2频点捕获完成后，采用G2频点引导捕获G1频点。

GLAILEO卫星信号捕获器对于E1频点，由于其采用MBOC(6,1,1/11)的调制方式，存在许多旁瓣，会在很大程度上产生误捕的情况，因此本方案采用ASPeCT(AutocorrelationSide-Peak Cancellation Technique)自相关旁瓣消除技术。算法处理流程如下：

Step 1.对于每个伪码周期，将基带信号变频，然后分成两路，第一路与MBOC(6,1,1/11)伪码序列相关。由此得到的相关结果i1和q1是一个关于互相关值R1(τ)与残余载波频率损耗因子sinc(f_eT_coh)乘积的函数；第二路与MBOC(6,1,1/11)复合码序列相关。由此得到的相关结果i2和q2是一个关于自相关值R2(τ)与残余载波频率损耗因子sinc(f_eT_coh)乘积的函数。其中，τ为码片相位的偏差值，f_e为载波频率与复制载波的频率差，T_coh为相关时长。

Step 2.对第一路相关进行短时间预积分，再将预积分结果i1'+jq1'经傅里叶变换后被转换成频域信号，它反映了预积分结果i1‘+jq1’在各个频率成分处的强度，第二路同理。

Step 3.第一路和第二路都对多个码周期FFT结果进行非相干积分，并将自相关值的平方减去互相关值的平方，对其大小进行分析，从中找出残余频率值f_e及其相应的接收信号载波频率值。

GLAILEO卫星信号捕获器对于E5频点可以简略看成一个BPSK调制信号，并且E5信号的单边带接收的自相关曲线是三角形曲线，因此采用类似于L2的引导捕获方法就可以完成E5的捕获。

在捕获器完成信号的捕获工作后，将捕获到的粗略伪码相位、粗略载波相位、粗略多普勒频移、基带信号等数据传输给跟踪器进行信号的跟踪，如图7所示，为跟踪器的具体结构：

整个环路由码环、锁频环和锁相环构成。由于伪码具有良好的自相关特性，码环采用延迟锁定环路(DLL)来跟踪伪码码相位。而对于载波的跟踪，采用锁频环(FLL)或锁相(PLL)。对高动态接收机而言为了兼顾环路动态性能和载波相位测量精度，采用FLL级联PLL的方式完成载波跟踪，其中PLL采用COSTAS环以提取导航电文信息。同时，由于载波多普勒与伪码多普勒同源，通过锁频环得到的载波多普勒转换得到伪码多普勒。

特别的，针对GALILEO E1、E5频点，其中对于E1信号MBOC(6,1,1/11)结构，由于其自相关结果存在绝对值较大的旁瓣，对应的DLL环采用ASPeCT处理方式抑制旁瓣。

基于ASPeCT的延迟锁定环的具体跟踪步骤如下：

Step 1.根据当前的多普勒频率估计值生成本地载波；

Step 2.对接收信号进行载波剥离；

Step 3.根据当前的伪码相位估计值分别生成E/P/L三路本地伪码和E/P/L三路MBOC(6,1,1/11)复合码信号；

Step 4.将第(2)步的信号分别与E/P/L三路本地伪码和E/P/L三路MBOC(6,1,1/11)信号做相关。

Step 5.将第(4)步中获得的相关值送入DLL鉴相器进行鉴相函数的运算。

Step 6.将DLL鉴相器输出结果送入环路滤波器，然后调整本地码NCO。

解调电文由跟踪模块送入对应电文解析模块。对L2电文，解析通道中增加卷积码译码器，将50bps数据流解析为25bps的原始电文信息。

电文信息逐比特输入移位寄存器，按需求进行校验，流程如下：

Step 1.电文同步状态下每输入1bit电文信息，进行一次Parity校验，若校验通过且电文高8位为10001011，则认为检测到电文帧头，转入电文解析状态。若电文帧头在电文输入起始后600bit内未找到则转入失锁判决状态；

Step 2.电文解析状态下每输入30bit信息进行一次Parity校验。若校验成功则将高24bit按照当前WORD在帧内的位置写入输出缓冲，否则累计错误次数。若1帧内校验错误达到2，则转入失锁判决状态；

Step 3.失锁判决状态下模块给出失锁指示信号，电文解析顶层向对应的跟踪通道发出失锁指示信号，并重置该电文解析通道。

对于GALILEO系统的E1信号，在解帧之前，需完成位同步，帧同步等过程。E1信号的导航电文数据经过(2，1，6)卷积码编码，导航电文符号率为250symbols/s，每4ms对应一个扩频码周期，每一个扩频码周期对应一个导航数据符号。当信号被跟踪上以后，由于每个扩频码周期直接对应一个导航数据符号，因此，此时已经完成了位同步，然后进行帧同步。E1信号是I/NAV信号，其同步头为0101100000，将0和1分别转换为电平值1和-1，因此同步头电平为1-11-1-111111。

通过同步头便可以进行帧同步，其过程为：

Step 1.将连续的10个I路输出相关值与同步头电平做相关。

Step 2.如果第1步的相关值绝对值为10，则认为帧同步成功，如果相关值为-10，则后面跟踪结果进行电平转换，反之，则不变化。否则，跟踪过程向后延长一位，重复第(1)步。由于E1信号的导航数据在卷积码编码之后进行了30列8行的矩阵交织，写入过程采用按列写入，读出过程按行读出。导航数据的交织过程发生在(2,1,6)卷积码编码之后，导航信号同步头不参与卷积码编码过程。因此在解交织之后，然后进行Viterbi译码。经过Viterbi译码之后的数据便是原始的导航数据比特，此时便可进行解帧。

对于GLONASS系统G2信号，一个数据比特持续时间为20ms，但是上面调制了一个明德码，在一个20ms的完整数据比特中，前10个1ms环路输出电平相位保持一致，然后发生反相，后10个1ms环路输出电平继续保持一致。所以GLONASS位同步需要找到该每10ms发生一次的跳变的起始沿。

G2信号位同步方法使用直方图法，其具体实现过程类似于GPS位同步，主要区别是GPS寻找的是20ms电平跳变起始沿，而GLONASS寻找10ms电平跳变起始沿。所以GLONASS位同步程序中最大偏移值设置为10，对连续10个位置的电平跳变情况进行统计，当某一位置的跳变次数达到预设阈值N1时，判断其它9个偏移位置的跳变次数是否有超过阈值N2(N1>N2),若没有，则位同步通过，该位置即为电平跳变起始沿。否则不通过，重置计数器，重新进行上述统计判断。当重置次数达到一定次数时，认为此卫星信号质量不好，将该卫星剔除，清空通道。

G2信号帧同步算法具体实现步骤为：首先进行数据累积，累积长度达到330后，取数据前30个与时间序列进行互相关，未通过互相关(互相关结果不是30或-30)，则丢弃数据最前的一位，继续进行数据输入。若通过互相关，则每隔1个取85个数据(因为数据比特长度为20ms)，并利用互相关结果消除相位模糊。然后对这85个数据进行汉明码校验，若通过校验，则取下一个字符串的页编号F2，与当前字符串页编号F1做比较，若两者连续(F2＝F1+1,或者F1＝15时F2＝1),则判断完成帧同步。

解算模块利用利用导航测量值和导航电文进行定位解算，得到定位观测值，具体如下：

定位算法：为确定用户的三维位置(x_u,y_u,z_u)和钟差偏移量t_u，对n颗卫星进行测量时，产生方程组

其中，(x_j,y_j,z_j)为第j颗卫星的三维位置，ω_j为第j颗卫星对应的伪距信息中的噪声分量。将上述方程表述为f(x_u,y_u,z_u,t_u)＝ρ_j，假设当前的预测值为

预测值与中心值误差为(Δx_u,Δy_u,Δz_u,Δt_u)。则以(x_u,y_u,z_u,t_u)为中心，将该函数按照泰勒级数展开，记/>

忽略展开式中的一阶以上的偏导项，可以将测量方程组对于(Δx_u,Δy_u,Δz_u,Δt_u)线性化为：

记

可得/>

或简化为Δρ＝HΔx+ω，根据最小二乘原理，可以得到误差量的最小二乘估计为Δx＝(H^TH)^-1H^TΔρ。

测速算法：从卫星导航电文中，可以得到卫星实际发射频率的修正值Δf_Tj，记卫星标称发射频率为f₀，可知f_Tj＝f₀+Δf_Tj记接收机时钟漂移速率为

由环路获得的接收信号频率估计值为f_j，可得实际接收到的信号载波频率/>

记

为接收机测量的伪距变化率，可得

可以利用当前历元测量的伪距与上一历元测量的伪距做差并对历元间隔平均后的值作为当前伪距变化率的测量值，利用最小二乘方法求解方程组，从而得到用户速度的估计值。

数据处理模块会对数据进行优选、多天线补偿与钟差反馈操作：数据优选操作中，因为每个频点各占12通道，单个接收机会发送96通道的数据给数据处理模块，数据处理模块共接收12*8*3＝288通道数据，但其中通道间各个导航系统卫星会有所重叠，因此需要进行数据的优选工作，优选完成后分配给每个频点各24通道，共计192通道。数据优选算法的基本设计策略为：三个天线对应接收机通道的两个或三个接收到同一导航卫星时，选取信噪比较高的卫星。

多天线补偿操作包括两个部分：

补偿钟差：在完成钟差反馈后，三个接收机采样时间完全同步，将统一的钟差值补偿到三个接收机输出的伪距及载波相位数据中，完成接收机钟差的补偿。

天线相位中心补偿：由于三个接收机接收的数据来自不同安装位置的天线，因此其空间基准是不统一的。利用已知的三天线安装矩阵，利用补偿算法，将三天线对应的原始观测数据补偿到统一的空间基准(三天线的几何中心)。

数据处理模块中的钟差反馈模块原理为由于三个接收机为三个独立的系统，为统一时间基准，确保三个接收机采样数据为同一时刻采出，数据处理模块在接收到主接收机数据解算生成的钟差信息后，将钟差反馈至三个接收机基带信号处理模块，进而调整数据处理模块原始数据采样的时刻，达到统一时间基准的目的。

在数据处理模块完成原始数据的管理，多天线数据的优选，钟差反馈，多天线数据的补偿功能后将各个频点共192通道数据进行打包传输给综合电子系统。

接收机的原始观测数据采样频率为20Hz，能获取全视场范围内大规模、高频次的全球星载观测数据，微纳卫星组成星座之后，观测数据可得到数量级提升。

Claims (8)

1.一种基于三线天线的星载全视场四模GNSS接收系统，其特征在于，包括：

用于接收导航信号的高精度测量三天线阵列和三组用于处理导航信号的四模八频点接收机；

所述高精度测量三线阵列包括三角锥底座和分别安装在三角锥底座三侧面上的天线组件，所述三角锥底座的侧面与底面的夹角呈60°，每个所述天线组件用于接收覆盖±120°空域范围的导航信号；

所述四模八频点接收机包括射频前端模块，基带信号处理模块，解算模块以及数据处理模块，所述射频前端模块用于对天线组件获取的导航信号进行分路处理，输出多路射频信号，所述基带信号处理模块包括信号捕获器和跟踪器，所述信号捕获器用于对多路射频信号并行接收，所述跟踪器用于多路信号同步控制，输出射频信号对应的导航测量值和导航电文，所述解算模块根据导航测量值和导航电文进行定位解算，输出对应的定位观测值，所述数据处理模块用于汇总三组基带信号处理模块和解算模块产生的测量数据，筛选输出最终的定位观测值。

2.根据权利要求1所述的基于三线天线的星载全视场四模GNSS接收系统，其特征在于，所述射频前端模块的输入端还设有用于抑制镜像信号的一级滤波器。

3.根据权利要求1所述的基于三线天线的星载全视场四模GNSS接收系统，其特征在于，所述基带信号处理模块采用ASPeCT算法进行旁瓣消除。

4.根据权利要求1所述的基于三线天线的星载全视场四模GNSS接收系统，所述多路射频信号包括接收机位置、速度和时间PVT。

5.根据权利要求1所述的基于三线天线的星载全视场四模GNSS接收系统，所述数据处理模块的筛选包括原始数据管理，多天线数据优选，钟差反馈以及多天线数据补偿。

6.根据权利要求5所述的基于三线天线的星载全视场四模GNSS接收系统，所述多天线数据优选的策略具体为三个天线对应接收机通道的两个或三个接收到同一导航卫星时，选取信噪比较高的卫星。

7.根据权利要求5所述的基于三线天线的星载全视场四模GNSS接收系统，所述钟差反馈的具体操作如下：

将数据处理模块在接收到主接收机数据结算生成的钟差信息，发送至三个接收机的基带信号处理模块进行数据采样时刻的统一校准。

8.根据权利要求5所述的基于三线天线的星载全视场四模GNSS接收系统，所述多天线数据补偿包括补偿钟差和天线相位中心补偿；

所述补偿钟差的具体操作过程为：当完成钟差反馈后，将统一的钟差值补偿到三个接收机输出的伪距和载波相位数据中；

所述天线相位中心补偿采用补偿算法，根据已知的三天线安装矩阵将观测数据补偿到统一的空间基准中。

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