CN118276134A - 基于无人机的地空协同民码多模卫星导航信号的产生方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于无人机的地空协同民码多模卫星导航信号的产生方法，属于信号处理技术领域，解决了现有技术中民码多模卫星导航信号的产生，存在视距较近、作用距离有限，且星历接收和导航信号投送的电磁兼容可能引起无法稳定接收星历数据、导航信号跳变等问题。通过获取卫星导航系统的星历数据，经解算，得到解算后的星厉数据；对其进行数据打包，获得星历数据包，然后进行数据转换，获得传输数据包，将其上传至无人机的机载导航信号处理设备；基于所述传输数据包，通过处理，获得投送信号，并对投送信号进行投送。该方法大幅提升了投送视距，能够稳定接收传输数据包，进而提取星历数据，导航信号不易发生跳变。
Description
技术领域
本发明涉及信号处理技术领域，尤其涉及一种基于无人机的地空协同民码多模卫星导航信号的产生方法。
背景技术
信号产生技术的原理是采用数字基带信号生成的方式，并将数字基带信号调制成为射频激励信号，通过功率放大器对射频激励信号进行功率放大，经过发射天线进行信号投送。信号产生技术广泛用于电子战、广播站等军/民领域，有地面固定站、车载、机载等多种装载形式。
目前，民码多模卫星导航信号的产生设备主要为地面固定和车载形式，但是同平台的星历接收和导航信号投送有其固有的劣势，首先是地面设备进行信号投送，视距较近、作用距离有限，其次星历接收和导航信号投送的电磁兼容可能引起无法稳定接收星历数据、导航信号跳变等诸多问题。
综上，目前民码多模卫星导航信号的产生，存在视距较近、作用距离有限，且星历接收和导航信号投送的电磁兼容可能引起无法稳定接收星历数据、导航信号跳变等问题。
发明内容
鉴于上述的分析，本发明实施例旨在提供一种基于无人机的地空协同民码多模卫星导航信号的产生方法，用以解决现有民码多模卫星导航信号的产生，存在视距较近、作用距离有限，且星历接收和导航信号投送的电磁兼容可能引起无法稳定接收星历数据、导航信号跳变等问题。
本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：
本发明实施例提供了一种基于无人机的地空协同民码多模卫星导航信号的产生方法，包括如下步骤：
S1.获取卫星导航系统的星历数据，经解算，得到解算后的星厉数据；
S2.对所述解算后的星历数据进行数据打包，获得星历数据包；
对所述星历数据包进行数据转换，获得传输数据包；
将传输数据包上传至无人机的机载导航信号处理设备；
S3.基于所述传输数据包，通过机载导航信号处理设备进行处理，获得投送信号，并对投送信号进行投送。
基于上述方法的进一步改进，基于所述传输数据包，通过机载导航信号处理设备进行处理，获得投送信号，包括：
基于传输数据包提取出星历数据包；
利用机载导航信号处理设备，对星历数据包中各卫星导航系统的导航信号的参数进行建模仿真，产生基带信号；
基于基带信号得到最终延时导航信号；
通过导航信号处理设备，按照数字合成的方式对最终延时导航信号进行转换，获得模拟信号；
通过射频调制模块对模拟信号进行处理，得到射频仿真信号；
对射频仿真信号进行实时功率放大，得到投送信号。
基于上述方法的进一步改进，利用机载导航信号处理设备，对星历数据包中各卫星导航系统的导航信号的参数进行建模仿真，产生基带信号，包括：
生成普通测距码Cj(t)和精密测距码Pj(t)；
对所述普通测距码Cj(t)和精密测距码Pj(t)进行校正，得到存在压缩或拉伸的普通测距码C(t)和精密测距码P(t)；
基于存在压缩或拉伸的普通测距码C(t)和精密测距码P(t)，得到发射信号，表示为：
其中，t表示时间，P(t)为存在压缩或拉伸的单颗卫星的精密测距码，C(t)为存在压缩和拉伸效应的单颗卫星的普通测距码，表示频点的载波频率，为多普勒频率；
基于所述发射信号经变形得到基带信号。
基于上述方法的进一步改进，生成普通测距码Cj(t)，包括：
先由两个11级线性移位寄存器生成导航系统G1和G2序列，再由两个导航系统G1和G2序列模二和得到GOLD码，再去掉1bit，得到普通测距码Cj(t)；其中，G1和G2序列的多项式为：
其中，X指相应级别的线性移位寄存器。
基于上述方法的进一步改进，所述存在压缩或拉伸的普通测距码C(t)，表示为：
其中TSX为压缩因子，表示为：
其中，v为无人机飞行速度，Ts为发射间隔时间，c为发射信号的传播速度。
基于上述方法的进一步改进，所述基带信号由多普勒存在情况下单颗卫星单载波的发射信号变形得到；其中，所述多普勒存在情况下单颗卫星单载波的发射信号表示为：
其中，P(t)、C(t)表示存在压缩或拉伸的基带扩频信号，为多普勒频率；经过变形得到基带信号：
其中：
基于上述方法的进一步改进，所述最终延时导航信号为基带信号的I、Q路分量的组合，由所述基带信号推导得到，所述最终延时导航信号表示为：
其中：
其中，分别是压缩和拉伸效应、多普勒附加相位、精密时延的基带信号的I、Q路分量，T(u)为采样时刻，ωd为载波频率，(t-τ)为时间延迟，ωcτ为多普勒频率，为相位。
基于上述方法的进一步改进，星历数据包中各卫星导航系统的导航信号的参数包括可见卫星星座的卫星轨道、导航电文、卫星钟差、延时差分TGD、地球自转效应。
基于上述方法的进一步改进，无人机控制链路通信协议包括卫星类型、CAN ID号、数据名称、数据总包数、当前包数和参数。
基于上述方法的进一步改进，所述解算后的星厉数据包括卫星的星历、钟差、电离层。
与现有技术相比，本发明至少可实现如下有益效果之一：
1、本发明通过无人机上的机载导航信号处理设备对投送信号进行投送，大幅提升了投送视距。
2、本发明通过地面星历接收机接收星历数据，并利用数据打包模块对其打包后再发送至无人机，使得机载导航信号处理设备能够稳定接收传输数据包，进而提取星历数据，导航信号不易发生跳变。
本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。
附图说明
附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。
图1为本发明提供的流程示意图；
图2为本发明提供的导航系统电文格式示意图；
图3为本发明提供的解算后的星厉数据示意图。
具体实施方式
下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。
实施例1
本发明的一个具体实施例，公开了一种基于无人机的地空协同民码多模卫星导航信号的产生方法，如图1所示，包括如下步骤：
S1.获取卫星导航系统的星历数据，经解算，得到解算后的星厉数据；
S2.对所述解算后的星历数据进行数据打包，获得星历数据包；
对所述星历数据包进行数据转换，获得传输数据包；
将传输数据包上传至无人机的机载导航信号处理设备；
S3.基于所述传输数据包，通过机载导航信号处理设备进行处理，获得发射信号，并对发射信号进行投送。
实施例2
在实施例1的基础上进行优化，步骤S1可进一步细化为如下步骤：
S11.对于BDS(中国北斗卫星导航系统，BeiDouNavigation Satellite System)、GPS(全球定位系统，Global Positioning System)、GLONASS(全球轨道导航卫星系统，Global Orbiting Navigation Satellite System)、Galileo(伽利略卫星导航系统，Galileo Satellite Navigation System)、QZSS(准天顶卫星系统，Quasi-ZenithSatellite System)、IRNSS(印度区域卫星导航系统，Indian Regional NavigationSatellite System)卫星导航系统卫星导航系统，其民码信号的卫星轨道、导航电文等信息是非密并公开的，利用地面星历接收机，接收BDS、GPS、GLONASS、Galileo、QZSS、IRNSS卫星导航系统的星历数据。
S12.通过地面星历接收机接收星历数据中可见区域内各频点导航信号。
示例性的，如图2所示，电文的基本单位是长达1500bit的一个主帧，广播速率为50bit/s，则一个主帧的长度为30s；每一主帧又分为五个子帧，每个子帧长度为6s，第1，2，3子帧各有10个字码，每个字码为30bit，第804，5子帧各有25个页面，共有37500bit，时长为12.5min。
输出解算得到的实际卫星的星历、钟差、电离层等信息，即解算后的星厉数据。
示例性的，如图3所示，子帧1输出解算得到标识码(如GPS星期序号)、星钟数据龄期(AODC)、卫星时钟改正数；子帧2、子帧3输出解算得到GPS卫星星历(轨道参数)；子帧4输出解算得到第25～32颗GPS卫星的历书、UTC和电离层改正参数、第25～32颗GPS卫星的健康状况；子帧5输出解算得到第1～24颗GPS卫星的历书和健康状况。
优选地，步骤S2可进一步细化为如下步骤：
S21.通过无人机地面控制站对解算后的星历数据进行数据打包，获得星历数据包。
示例性的，星历数据包中的信息类型包括GPS观测数据、GLONAS观测数据、Galileo观测数据、BDS观测数据、GPS星历、GLONASS星历、Galileo星历、GPS电离层参数、Galileo电离层参数、QZSS星历、QZSS观测数据、IRNSS星历、IRNSS观测数据等；这些数据在星历数据包中，对应的序号、类型号、发送频率和备注等信息如表1所示。
值得注意的是，星历数据包中的信息均属于导航信号的内容。
表1星历数据包中的信息内容
| 序号 | 类型号 | 信息类型 | 发送频率 | 备注 |
| 1. | 1077 | GPS观测数据 | 1帧/秒 | RTCM 10403.2中的已有类型 |
| 2. | 1087 | GLONAS观测数据 | 1帧/秒 | RTCM 10403.2中的已有类型 |
| 3. | 1097 | Galileo观测数据 | 1帧/秒 | RTCM 10403.2中的已有类型 |
| 4. | 1127 | BDS观测数据 | 1帧/秒 | 定义BDS信号ID映射 |
| 5. | 1019 | GPS星历 | 1帧/2分钟 | RTCM 10403.2中的已有类型 |
| 6. | 1020 | GLONASS星历 | 1帧/2分钟 | RTCM 10403.2中的已有类型 |
| 7. | 1045 | Galileo星历 | 1帧/2分钟 | RTCM 10403.2中的已有类型 |
| 8. | 29 | BDS星历 | 1帧/2分钟 | 自定义信息类型 |
| 9. | 31 | BDS电离层参数 | 1帧/2分钟 | 自定义信息类型 |
| 10. | 32 | GPS电离层参数 | 1帧/2分钟 | 自定义信息类型 |
| 11. | 33 | Galileo电离层参数 | 1帧/2分钟 | 自定义信息类型 |
| 12. | 1044 | QZSS星历 | 1帧/2分钟 | RTCM 10403.2中的已有类型 |
| 13. | 1117 | QZSS观测数据 | 1帧/秒 | RTCM 10403.2中的已有类型 |
| 14. | 37 | IRNSS星历 | 1帧/2分钟 | 自定义信息类型 |
| 15. | 38 | IRNSS观测数据 | 1帧/秒 | 自定义信息类型 |
S22.按照具体的无人机控制链路通信协议对所述星历数据包进行数据转换，获得传输数据包；其中，无人机控制链路通信协议包括卫星类型、CAN ID号、数据名称、数据总包数、当前包数和参数。
具体来说，无人机控制链路通信协议按表2体现：
表2无人机控制链路通信协议
示例性的，在传输数据包中，GPS类型的数据，其CAN ID号为1844，数据名称为系统1；数据包总数、当前包数和参数分别存放于第1～2字节、第3～4字节和第5～8字节。
S23.将传输数据包上传至无人机的机载导航信号处理设备。
优选地，步骤S3可进一步细化为如下步骤：
S31.根据传输数据包提取出星历数据包，利用机载导航信号处理设备，对星历数据包中各卫星导航系统的导航信号的参数，即可见卫星星座的卫星轨道、导航电文、卫星钟差、延时差分TGD、地球自转效应等进行建模仿真，产生基带信号，包括：
BDS、GPS、GLONASS、Galileo、QZSS和IRNSS卫星导航系统的导航信号包括载波、测距码和数据码三种信号分量；其中，载波为具体选配频点，测距码分为普通测距码(C码)和精密测距码(P码)，数据码(D码)根据卫星类型、载波频点的不同，其相应的信息速率、信息内容不同。
具体来说，BDS系统包括三个频点：B1、B2和B3；GPS系统包括三个频点：L1、L2和L5；GLONASS系统包括五个频点：G1、G2、G1(CDMA)、G2(CDMA)和G3(CDMA)；Galileo系统包括三个频点：E1、E5和E6；QZSS系统包括四个频点：L1、L2、L5和L6；IRNSS系统包括两个频点：L1和L5。
在每个频点上，载波分别对经数据码调制的普通测距码和经数据码调制的精密测距码进行调制，在一个频点上的调制对应一个调制方程，在一个卫星导航系统的N个频点上进行调制，对应包含N个调制方程的调制方程组。
值得注意的是，在每个卫星导航系统的调制方程组中，不仅调制方程的数目与该系统所包括的频点数目相同，并且每个卫星导航系统之间的调制方程的形式一致，即每个卫星导航系统的调制算法相同。
卫星导航信号可用如下方式进行调制：
其中，t表示时间；j表示卫星编号；Ac表示调制于各频点载波的普通测距码振幅；Ap表示调制于各频点载波的精密测距码振幅；Cj表示普通测距码；Pj表示精密测距码；表示普通测距码上调制的数据码；表示精密测距码上调制的数据码；f’表示各个频点，f”表示各个频点的载波频率；表示各个频点的载波普通测距码初相，表示各个频点的载波精密测距码初相。
示例性的，BDS系统包括B1、B2和B3这三个频点，则对应的调制方程组中包括三个调制方程，通过如下方式进行调制：
其中，t表示时间；j表示卫星编号；Ack表示调制于各频点载波的普通测距码振幅；Apk表示调制于各频点载波的精密测距码振幅；Cj(t)表示普通测距码；Pj(t)表示精密测距码；表示普通测距码上调制的数据码；表示精密测距码上调制的数据码；fi(i＝1,2,3)分别表示频点B1、B2和B3的载波频率；表示频点B1、B2和B3的载波普通测距码初相，表示频点B1、B2和B3的载波精密测距码初相。
值得注意的是，Cj(t)、Pj(t)指的是经过了脉冲成型的基带扩频信号。在BDS系统卫星导航系统中采用的扩频码分为两种，一种是2.046Mcps码速率的普通测距码，一种是10.23Mcps码速率的精密测距码。
示例性的，下面以BDS系统卫星导航系统中2.046Mcps码速率的普通测距码Cj(t)的生成方式进行说明。
普通测距码是码长2046的Gold码，其生成方式为：先由两个11级线性移位寄存器生成导航系统G1和G2序列，再由两个11级m序列G1和G2模二和产生平衡GOLD码，最后截短生成2046bit测距码；其中，G1和G2序列的多项式为：
其中，X指的是相应级别的线性移位寄存器。
普通测距码利用两个11级小m序列模2和得到周期为2047bit的GOLD码序列，去掉1bit，就是长为2046bit的C码。通过对G2码的不同抽头模2和，实现不同卫星的不同编码。按照以下方式生成C码：
其中，t表示时间，nj表示第j个卫星的第n次采样。
值得注意的是，精密测距码Pj(t)的生成方式与普通测距码的生成方式一致，但是民码接收机对精密测距码不作解算且加密方式不是公开的，且本方案不涉及精密测距码的解算，在此不作说明。
至此，获得了未受到拉伸或者压缩效应影响的普通测距码Cj(t)和精密测距码Pj(t)。
由于机载导航信号处理设备设置在无人机上，而无人机本身具有飞行速度，机载导航信号处理设备投送的发射信号会受到拉伸或者压缩效应，即多普勒效应的影响，因此在投送前，需要对发射信号进行校正，以消除多普勒效应的影响。
具体来说，记无人机发射的载波频率为f，采样周期为Ts，初始时刻无人机与接收机距离为d，无人机飞行速度为v，接收机静止。无人机以Ts为间隔发射信号，c为发射信号的传播速度。
第一个采样点在位置0，0时刻发射，在时刻收到；
第二个采样点在位置vTs，Ts时刻发射，在时刻收到；
第三个采样点在位置2vTs，2Ts时刻发射，在时刻收到；
后续采样点以此类推。
因此对于发端每个样点间隔为Ts，而接收端每个样点间隔为这样接收波形是被压缩的。如果v为定值，则压缩因子Tsx为定值；如果v为变值，则压缩因子Tsx为变值。周期将相对于标准值发生轻微的改变，
改变后的压缩因子为：
因此，无人机的飞行速度给信号带来的影响是使信号产生了压缩和拉伸效应，对于窄带信号实际上是带来多普勒频移。则存在压缩和拉伸效应的单颗卫星的普通测距码为：
值得注意的是，存在压缩或拉伸的单颗卫星的精密测距码P(t)所受到多普勒的影响，与普通测距码所受到多普勒的影响一致，但是民码接收机对精密测距码不作解算且加密方式不是公开的，在此不作说明。
为了表达的简洁，存在压缩和拉伸效应情况下实际卫星信号的表达式均指单颗卫星的一个载波，且所有卫星在每个载波和路径上、各个频点上的信号均与下面的表达一致。不考虑幅度项的影响，且根据工程经验，当数据比特串为无限长时，一般数据码取1，导航信号电文超过30000比特，和取1，多普勒存在情况下单颗卫星单载波的发射信号表达为：
其中，P(t)、C(t)表示存在压缩或拉伸的基带扩频信号，P(t)为存在压缩或拉伸的单颗卫星的精密测距码，C(t)为存在压缩和拉伸效应的单颗卫星的普通测距码，为fi(i＝1,2,3)，为多普勒频率。经过化简得到基带信号：
其中：
对于接收机而言，受到无人机飞行的姿态变化影响，其收到多颗导航卫星信号之间存在传播时延，因此射频信号仿真涉及到高精度、高动态范围的多通道信号实时产生，最终延时导航信号为基带信号的I、Q路分量的组合，表示为：
其中：
其中，分别是压缩和拉伸效应、多普勒附加相位、精密时延的基带信号的I、Q路分量，T(u)为采样时刻，ωd为载波频率，(t-τ)为时间延迟，ωcτ为多普勒频率，为相位。
值得注意的是，GPS、GLONASS、Galileo、QZSS和IRNSS卫星导航系统，均可以按照BDS系统的调制方式来获得延时的导航信号。
S32.基于通过导航信号处理设备，按照数字合成的方式对最终延时导航信号进行转换，获得模拟信号，并通过射频调制模块成为射频仿真信号，并进行实时的功率放大得到投送信号，通过天线进行针对性的信号投送。
与现有技术相比，本发明通过无人机上的机载导航信号处理设备对投送信号进行投送，大幅提升了投送视距；本发明通过地面星历接收机接收星历数据，并利用数据打包模块对其打包后再发送至无人机，使得机载导航信号处理设备能够稳定接收传输数据包，进而提取星历数据，导航信号不易发生跳变。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于无人机的地空协同民码多模卫星导航信号的产生方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1.获取卫星导航系统的星历数据，经解算，得到解算后的星厉数据；
S2.对所述解算后的星历数据进行数据打包，获得星历数据包；
对所述星历数据包进行数据转换，获得传输数据包；
将传输数据包上传至无人机的机载导航信号处理设备；
S3.基于所述传输数据包，通过机载导航信号处理设备进行处理，获得投送信号，并对投送信号进行投送。
2.根据权利要求1所述的基于无人机的地空协同民码多模卫星导航信号的产生方法，其特征在于，基于所述传输数据包，通过机载导航信号处理设备进行处理，获得投送信号，包括：
基于传输数据包提取出星历数据包；
利用机载导航信号处理设备，对星历数据包中各卫星导航系统的导航信号的参数进行建模仿真，产生基带信号；
基于基带信号得到最终延时导航信号；
通过导航信号处理设备，按照数字合成的方式对最终延时导航信号进行转换，获得模拟信号；
通过射频调制模块对模拟信号进行处理，得到射频仿真信号；
对射频仿真信号进行实时功率放大，得到投送信号。
3.根据权利要求2所述的基于无人机的地空协同民码多模卫星导航信号的产生方法，其特征在于，利用机载导航信号处理设备，对星历数据包中各卫星导航系统的导航信号的参数进行建模仿真，产生基带信号，包括：
生成普通测距码Cj(t)和精密测距码Pj(t)；
对所述普通测距码Cj(t)和精密测距码Pj(t)进行校正，得到存在压缩或拉伸的普通测距码C(t)和精密测距码P(t)；
基于存在压缩或拉伸的普通测距码C(t)和精密测距码P(t)，得到发射信号，表示为：
其中，t表示时间，P(t)为存在压缩或拉伸的单颗卫星的精密测距码，C(t)为存在压缩和拉伸效应的单颗卫星的普通测距码，表示频点的载波频率，为多普勒频率；
基于所述发射信号经变形得到基带信号。
4.根据权利要求3所述的基于无人机的地空协同民码多模卫星导航信号的产生方法，其特征在于，生成普通测距码Cj(t)，包括：
先由两个11级线性移位寄存器生成导航系统G1和G2序列，再由两个导航系统G1和G2序列模二和得到GOLD码，再去掉1bit，得到普通测距码Cj(t)；其中，G1和G2序列的多项式为：
其中，X指相应级别的线性移位寄存器。
5.根据权利要求4所述的基于无人机的地空协同民码多模卫星导航信号的产生方法，其特征在于，所述存在压缩或拉伸的普通测距码C(t)，表示为：
其中TSX为压缩因子，表示为：
其中，v为无人机飞行速度，Ts为发射间隔时间，c为发射信号的传播速度。
6.根据权利要求5所述的基于无人机的地空协同民码多模卫星导航信号的产生方法，其特征在于，所述基带信号由多普勒存在情况下单颗卫星单载波的发射信号变形得到；其中，所述多普勒存在情况下单颗卫星单载波的发射信号表示为：
其中，P(t)、C(t)表示存在压缩或拉伸的基带扩频信号，为多普勒频率；经过变形得到基带信号：
其中：
7.根据权利要求6所述的基于无人机的地空协同民码多模卫星导航信号的产生方法，其特征在于，所述最终延时导航信号为基带信号的I、Q路分量的组合，由所述基带信号推导得到，所述最终延时导航信号表示为：
其中：
其中，分别是压缩和拉伸效应、多普勒附加相位、精密时延的基带信号的I、Q路分量，T(u)为采样时刻，ωd为载波频率，(t-τ)为时间延迟，ωcτ为多普勒频率，为相位。
8.根据权利要求7所述的基于无人机的地空协同民码多模卫星导航信号的产生方法，其特征在于，所述星历数据包中各卫星导航系统的导航信号的参数包括可见卫星星座的卫星轨道、导航电文、卫星钟差、延时差分TGD、地球自转效应。
9.根据权利要求8所述的基于无人机的地空协同民码多模卫星导航信号的产生方法，其特征在于，所述无人机控制链路通信协议包括卫星类型、CAN ID号、数据名称、数据总包数、当前包数和参数。
10.根据权利要求9所述的基于无人机的地空协同民码多模卫星导航信号的产生方法，其特征在于，所述解算后的星厉数据包括卫星的星历、钟差、电离层。
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