一種北斗終端信號(hào)接收與處理的裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于無(wú)線電導(dǎo)航定位技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種北斗終端信號(hào)接收與處理的 裝置及方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 如何在衛(wèi)星信號(hào)被嚴(yán)重遮擋，衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)服務(wù)連續(xù)性降低的情況下，依然保證 為用戶提供可靠的導(dǎo)航定位服務(wù)是現(xiàn)在各大衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)急于解決的問(wèn)題。地基導(dǎo)航信號(hào) 網(wǎng)絡(luò)是在容易被建筑物、樹(shù)木、地形所遮擋，特別是在城市內(nèi)的"高樓峽谷"、隧道、室內(nèi)或者 較深的開(kāi)挖礦區(qū)等地區(qū)，架設(shè)一定數(shù)量的偽衛(wèi)星，發(fā)射類(lèi)似于導(dǎo)航衛(wèi)星的偽衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)， 形成對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的地基導(dǎo)航增強(qiáng)系統(tǒng)，增加用戶的可見(jiàn)衛(wèi)星數(shù)目，改善觀測(cè)衛(wèi)星星座 的幾何構(gòu)形，增強(qiáng)和提高覆蓋區(qū)域用戶定位精度、完好性和有效性，提升用戶導(dǎo)航性能。
[0003] 我國(guó)的北斗地基增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)尚處于建設(shè)階段，目前市場(chǎng)上的北斗定位終端只能接收 相應(yīng)的衛(wèi)星信號(hào)，在條件惡劣衛(wèi)星信號(hào)有干擾的情況下，其服務(wù)性能不能令人滿意，而且本 身不具備在地基導(dǎo)航信號(hào)網(wǎng)絡(luò)獨(dú)立定位、地基導(dǎo)航信號(hào)網(wǎng)絡(luò)與北斗衛(wèi)星協(xié)同定位的位置解 算能力，這在某種程度上阻礙了北斗地基導(dǎo)航系統(tǒng)的研發(fā)和應(yīng)用。在技術(shù)應(yīng)用層面，由于 偽衛(wèi)星信號(hào)PN碼長(zhǎng)度較短，功率遠(yuǎn)強(qiáng)于衛(wèi)星信號(hào)，且不同的偽衛(wèi)星信號(hào)功率相差可達(dá)幾十 dB，信號(hào)間會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的遠(yuǎn)近效應(yīng)，這也不利于地基增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)和應(yīng)用。為此在終端的 信號(hào)接收及處理單元必須具備解決此問(wèn)題的功能，我國(guó)此領(lǐng)域的探索研宄尚處于起步階 段。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 為了解決了終端同時(shí)接收偽衛(wèi)星信號(hào)和北斗衛(wèi)星信號(hào)及其處理的問(wèn)題，本發(fā)明提 出了一種北斗終端信號(hào)接收與處理的裝置及方法，其中裝置包括：依次相連的天線單元、射 頻單元、基帶信號(hào)處理單元、信息處理單元、電源單元以及顯控單元；
[0005] 天線單元包括Bl、B3頻點(diǎn)的天線和低噪聲放大器，用于完成射頻信號(hào)的接收和放 大；
[0006] 射頻單元將B1、B3頻點(diǎn)的射頻輸入信號(hào)下變頻至中頻輸出；
[0007] 基帶信號(hào)處理單元實(shí)現(xiàn)對(duì)Bl、B3頻點(diǎn)衛(wèi)星信號(hào)和地基偽衛(wèi)星信號(hào)的捕獲、跟蹤以 及數(shù)據(jù)通道信息解調(diào)的功能；
[0008] 信息處理單元實(shí)現(xiàn)裝置的控制、PVT解算和導(dǎo)航信息的輸出；
[0009] 電源單元為整個(gè)裝置提供電源，顯控單元實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互和接收機(jī)控制。
[0010] 所述射頻單元由射頻混頻器、中頻可變?cè)鲆娣糯笃?、中頻混頻器、中頻濾波器、自 動(dòng)增益控制電路、兩個(gè)獨(dú)立的頻率合成器構(gòu)成。
[0011] 所述射頻單元輸出能驅(qū)動(dòng)50歐姆負(fù)載的模擬中頻信號(hào)和供基帶信號(hào)處理單元使 用的62MHz低相噪時(shí)鐘信號(hào)。
[0012] 所述射頻單元包括AD轉(zhuǎn)換器，在62MHz鐘的采樣頻率下工作，生成8位的數(shù)字中 頻信號(hào)傳給基帶信號(hào)處理單元。
[0013] 所述裝置同時(shí)接收偽衛(wèi)星信號(hào)和實(shí)際衛(wèi)星信號(hào)。
[0014] 方法包括：
[0015] 步驟1、接收機(jī)采用基于存儲(chǔ)的基帶實(shí)現(xiàn)捕獲方式，分別對(duì)偽衛(wèi)星和衛(wèi)星進(jìn)行捕 獲；
[0016] 步驟2、接收機(jī)同時(shí)接收偽衛(wèi)星信號(hào)和實(shí)際衛(wèi)星信號(hào)進(jìn)行偽衛(wèi)星和衛(wèi)星電文譯 碼；
[0017] 步驟3、對(duì)提取出來(lái)的導(dǎo)航參數(shù)進(jìn)行更新操作；
[0018] 步驟4、提取載波相位、碼相位和多普勒的觀測(cè)量信息，進(jìn)行定位測(cè)速授時(shí)的解 算；
[0019] 步驟5、將定位和測(cè)速結(jié)果通過(guò)串口輸出用于導(dǎo)航；將解算得到的本地鐘差傳給 授時(shí)模塊，授時(shí)模塊據(jù)此修正本地鐘，使得本地逼近系統(tǒng)鐘，從而達(dá)到授時(shí)的效果。
[0020] 所述步驟1中捕獲方式包括：先用接收機(jī)自存數(shù)據(jù)分別對(duì)偽衛(wèi)星的PN碼進(jìn)行相 關(guān)，找到最強(qiáng)偽衛(wèi)星信號(hào)并跟蹤，在下次捕獲搜索時(shí)，通過(guò)對(duì)跟蹤信號(hào)在捕獲相關(guān)器中進(jìn)行 門(mén)控制，對(duì)跟蹤信號(hào)存在的時(shí)隙進(jìn)行消隱處理，從而捕獲次強(qiáng)信號(hào)，以此類(lèi)推，在捕獲多顆 偽衛(wèi)星信號(hào)后，根據(jù)跟蹤信息對(duì)其他信號(hào)捕獲進(jìn)行消隱處理，從而在時(shí)間上避免強(qiáng)信號(hào)對(duì) 其他信號(hào)的遠(yuǎn)近效應(yīng)的干擾，最后完成所有的偽衛(wèi)星信號(hào)跟蹤后，捕獲衛(wèi)星信號(hào)時(shí)對(duì)所有 偽衛(wèi)星信號(hào)時(shí)隙進(jìn)行消隱，進(jìn)而消除偽衛(wèi)星信號(hào)對(duì)實(shí)際衛(wèi)星信號(hào)遠(yuǎn)近效應(yīng)的影響。
[0021] 所述步驟3中定位測(cè)速授時(shí)的解算包括：將故障衛(wèi)星和異常觀測(cè)量剔除，調(diào)用導(dǎo) 航參數(shù)管理模塊接口函數(shù)提取有效衛(wèi)星的相關(guān)星歷參數(shù)。
[0022] 所述步驟4中的授時(shí)模塊每隔一段時(shí)間比較實(shí)時(shí)時(shí)鐘時(shí)間和本地時(shí)間的差異，如 果差異超過(guò)設(shè)定門(mén)限，則用本地時(shí)間修正實(shí)時(shí)時(shí)鐘時(shí)間；當(dāng)衛(wèi)星星歷、鐘差、歷書(shū)更新時(shí)，調(diào) 用FLASH文件系統(tǒng)接口模塊更新FLASH中的相關(guān)參數(shù)以便在下次啟動(dòng)時(shí)提供相應(yīng)的星歷參 數(shù)。
[0023] 所述步驟3中定位測(cè)速授時(shí)的解算包括用戶位置的計(jì)算：地面監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)解算出偏 移分量的矯正量，并將校正量發(fā)送至偽衛(wèi)星和衛(wèi)星，再由偽衛(wèi)星和衛(wèi)星在導(dǎo)航電文中廣播 至用戶，對(duì)于偽衛(wèi)星信號(hào)來(lái)說(shuō)不存在電離層和對(duì)流層延遲誤差，則第i顆衛(wèi)星到接收終端 的偽距方程寫(xiě)成：
[0024]
[0025] 式中，Xi(t)、yi(t)、Zi(t)分別為t時(shí)刻第i顆衛(wèi)星的三維坐標(biāo) (Xi (t)，yi (t)，Zi (t))的坐標(biāo)值，其中偽衛(wèi)星坐標(biāo)固定不隨時(shí)間變化，xu、yu、zu為接收終端的 三維坐標(biāo)（x u，yu，zu)的坐標(biāo)值，C為光速，tu為信號(hào)延遲誤差，使用最小二乘法計(jì)算用戶位 置：
[0026]
[0027] 其中，APi為第i顆衛(wèi)星到接收終端的偽距的變量，戎為下一時(shí)刻第i顆衛(wèi)星到接 收終端的偽距，Pi為第i顆衛(wèi)星到接收終端的偽距，x 為第i顆衛(wèi)星位置信息的三維 坐標(biāo)值，axi、ayi、azi為用戶位置與第i顆衛(wèi)星觀測(cè)矢量上的余弦，元、丸、毛為用戶位置 信息的三維坐標(biāo)值4為用戶和衛(wèi)星間距離的近似值；
[0028] 假設(shè)有3顆北斗導(dǎo)航衛(wèi)星與2顆偽衛(wèi)星，在得到未知量以后通過(guò)迭代的方法，得到 用戶精度要求的位置坐標(biāo)；方程如下：
[0029] Ap = HAx
[0030]
[0031] 得出方程解為 Ax = tAp，即：Ax = (tfHrtfAp。
[0032] 同理得出通解，當(dāng)觀測(cè)星數(shù)量大于4時(shí)，方程的最小二乘解為： 心=(/^4//"* 4廣/^4々凡4，進(jìn)而解得用戶位置；
[0033] 其中，Ap為常數(shù)項(xiàng)矢量，H為未知參數(shù)系數(shù)矩陣，Ax為未知參數(shù)矢量，ApBD1、 aPBD2、aPbd3*APwi、aPw2分別為三顆北斗衛(wèi)星與兩顆偽衛(wèi)星的偽距，axl~ax5、ayl~ay5、 azl~a z5分別是三顆北斗衛(wèi)星和兩顆偽衛(wèi)星所對(duì)應(yīng)的三維坐標(biāo)，Ax u、A yu、A zu為用戶所 在位置三維坐標(biāo)，A tBD為北斗系統(tǒng)鐘差，At w為偽衛(wèi)星系統(tǒng)鐘差，為觀測(cè)星數(shù)量大于4 時(shí)的未知參數(shù)系數(shù)矩陣，A Pn#1為觀測(cè)星數(shù)量大于4時(shí)的常數(shù)項(xiàng)矢量，n為觀測(cè)星數(shù)。
[0034] 本發(fā)明的有益效果在于：本發(fā)明通過(guò)接收衛(wèi)星信號(hào)和偽衛(wèi)星信號(hào)、兩種信號(hào)歸一 化天線和射頻前端的設(shè)計(jì)，依托獨(dú)立定位和兼容定位實(shí)現(xiàn)無(wú)縫定位的算法、解決兩種信號(hào) 遠(yuǎn)近效應(yīng)的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)對(duì)偽衛(wèi)星信號(hào)與北斗衛(wèi)星信號(hào)的接收和位置解算，能同時(shí)接收偽衛(wèi) 星信號(hào)和北斗衛(wèi)星RNSS信號(hào)，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的檢測(cè)、捕獲、跟蹤和解調(diào)譯碼，進(jìn)而完成從終端上 實(shí)現(xiàn)偽衛(wèi)星信號(hào)與衛(wèi)星信號(hào)的接收與聯(lián)合定位，改善星座幾何構(gòu)型，提高用戶定位精度。
【附圖說(shuō)明】
[0035] 圖1北斗地基偽衛(wèi)星定位終端整體組成圖
[0036] 圖2北斗地基偽衛(wèi)星定位終端整機(jī)硬件組成圖
[0037] 圖3北斗地基偽衛(wèi)星定位終端軟件框圖
[0038] 圖4北斗地基偽衛(wèi)星終端定位數(shù)據(jù)處理流程圖
【具體實(shí)施方式】
[0039] 下面結(jié)合附圖，對(duì)實(shí)施例作詳細(xì)說(shuō)明。
[0040] 實(shí)施例1
[0041] 圖1為本發(fā)明的整體組成圖，其主要功能是接收北斗區(qū)域體制衛(wèi)星信號(hào)，實(shí)現(xiàn)信 號(hào)的檢測(cè)、捕獲、跟蹤和解調(diào)譯碼，提取偽距、載波相位原始觀測(cè)量和導(dǎo)航電文?？蓪?shí)現(xiàn)衛(wèi)星 信號(hào)的PVT解算、地基偽衛(wèi)星信號(hào)的PVT解算以及衛(wèi)星信號(hào)和地基偽衛(wèi)星信號(hào)的聯(lián)合PVT 解算。整機(jī)由天線單元、射頻單元、基帶信號(hào)處理單元、信息處理單元、電源單元、顯控單元 組成。天線單元包括B1、B3頻點(diǎn)的天線和低噪聲放大器，用于完成射頻信號(hào)的接收和放大； 射頻單元將Bl、B3頻點(diǎn)的射頻輸入信號(hào)下變頻至中頻輸出；基帶信號(hào)處理單元實(shí)現(xiàn)對(duì)B1、 B3頻點(diǎn)衛(wèi)星信號(hào)和地基偽衛(wèi)星信號(hào)的捕獲、跟蹤以及數(shù)據(jù)通道信息解調(diào)等功能；信息處理 單元實(shí)現(xiàn)接收機(jī)的控制、PVT解算和導(dǎo)航信息的輸出；電源單元為整個(gè)接收終端提供電源， 顯控單元實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互和接收機(jī)控制。
[0042] 地基偽衛(wèi)星增強(qiáng)系統(tǒng)接收機(jī)需要同時(shí)接收偽衛(wèi)星信號(hào)和實(shí)際衛(wèi)星信號(hào)。與實(shí)際衛(wèi) 星信號(hào)不同，偽衛(wèi)星測(cè)距碼周期（1ms)等分為16個(gè)時(shí)隙，每個(gè)測(cè)距碼周期（1ms)僅發(fā)送一 個(gè)時(shí)隙的測(cè)距碼和電文信號(hào)，且各個(gè)衛(wèi)星具有唯一的發(fā)送時(shí)隙。偽衛(wèi)星由于距離接收機(jī)距 離近因此信號(hào)較強(qiáng)通常在_60dB到-100dB左右。針對(duì)偽衛(wèi)星的以上特點(diǎn)，接收信號(hào)針對(duì)偽 衛(wèi)星信號(hào)還需要一些特殊的處理以實(shí)現(xiàn)偽衛(wèi)星和實(shí)際衛(wèi)星信號(hào)的同時(shí)接收。
[0043] 本發(fā)明裝置硬件組成如圖2所示，天線接收的信號(hào)經(jīng)過(guò)低噪聲放大器（LNA)后輸 入射頻模塊；射頻模塊內(nèi)部由射頻混頻器（RF Mixer)、中頻可變?cè)鲆娣糯笃鳎↖F VGA)、中頻 混頻器（IF Mixer)、中頻濾波器（IF Filter)、自動(dòng)增益控制電路（AGC)、兩個(gè)獨(dú)立的頻率 合成器（PLL)等功能單元構(gòu)成?？奢敵瞿茯?qū)動(dòng)50歐姆負(fù)載的模擬中頻信號(hào)和供基帶部分 使用的62MHz低相噪時(shí)鐘信號(hào)。AD轉(zhuǎn)換器在62MHz鐘的采樣頻率下工作，生成8位的數(shù)字 中頻信號(hào)傳給FPGA，在FPGA中完成對(duì)數(shù)字中頻信號(hào)的搜索和捕獲，完成載波環(huán)的捕獲和跟 蹤，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星信號(hào)的解