北斗星基高精度差分服務接收裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種北斗星基高精度差分服務接收裝置，北斗天線接收北斗二代B1、B2頻點的北斗導航信號，CAPS天線接收C1、C2頻點的北斗差分信號；導航信息接收單元接收從北斗天線獲取的GNSS信號，轉(zhuǎn)換得到數(shù)字中頻信號，并完成導航信息和原始觀測數(shù)據(jù)的提?。徊罘中畔⒔邮諉卧邮諒腃APS天線獲取的北斗差分信號，轉(zhuǎn)換得到數(shù)字中頻信號，并完成差分信息的提取；微處理器通過差分算法對原始觀測數(shù)據(jù)和差分數(shù)據(jù)進行融合，得到廣域差分用戶的位置和速度。本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)廣域的、實時的北斗差分定位。
【專利說明】北斗星基高精度差分服務接收裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及衛(wèi)星導航【技術(shù)領(lǐng)域】。

【背景技術(shù)】
[0002]北斗衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)提供開放服務和授權(quán)服務。開放服務在服務區(qū)免費提供定位、測速和授時服務；授權(quán)服務則用于軍事，將向授權(quán)用戶提供更安全與更高精度的定位、測速和授時服務，外加繼承自北斗試驗系統(tǒng)的通信服務功能。2012年左右，北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)提供覆蓋亞太地區(qū)的導航、授時和短報文通信服務能力。2020年左右，建成覆蓋全球的北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)。
[0003]第二代北斗導航衛(wèi)星系統(tǒng)的用戶機可免發(fā)上行信號，不再依靠中心站電子高程圖處理或由用戶提供高程信息，而是直接接收衛(wèi)星單程測距信號自己定位，系統(tǒng)的用戶容量不受限制，并可提高用戶位置隱蔽性。
[0004]中國區(qū)域?qū)Ш蕉ㄎ幌到y(tǒng)(CAPS)是我國具有自主知識產(chǎn)權(quán)的新的衛(wèi)星導航體制和系統(tǒng)。它采用在軌的赤道同步(GEO)通信衛(wèi)星作為導航星，并對導航星實行精確測定軌，構(gòu)成了導航的空間位置基準；在導航地面站放置高精度的原子鐘，產(chǎn)生測距碼、導航電文和時間信息并發(fā)射上行，經(jīng)同步通信衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器轉(zhuǎn)發(fā)后廣播下行。與直播式衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)相比，CAPS具有導航通信一體化的優(yōu)勢；同時，在導航星座布置上，CAPS也比較靈活，可以根據(jù)情況選擇地球同步軌道衛(wèi)星、傾斜軌道衛(wèi)星、中高度軌道衛(wèi)星等。此外，轉(zhuǎn)發(fā)式衛(wèi)星導航系統(tǒng)采用的是C波段，可租用的衛(wèi)星資源豐富。
[0005]目前的北斗差分數(shù)據(jù)的發(fā)布方式基本上有兩種:一是利用差分技術(shù)，借助無線電指向標播發(fā)差分修正信息；二是仿照‘GPS差分系統(tǒng)的實施方案’向用戶提供高精度的導航定位差分改正信息。但是借用無線電發(fā)播差分修正信息一是要占用寶貴的頻段資源，二是不能實現(xiàn)廣域差分。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種北斗星基高精度差分服務接收裝置，能夠同時接收兩個相互獨立運行的導航系統(tǒng)的信息，即在接收北斗系統(tǒng)播發(fā)的導航信號的同時，還要接收CAPS系統(tǒng)播發(fā)的北斗差分信息。
[0007]本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:包括天線模塊、導航信息接收單元、時鐘單元、差分信息接收單元和微處理器單元；
[0008]所述天線模塊包括北斗天線和CAPS天線，北斗天線接收北斗二代B1、B2頻點的北斗導航信號，CAPS天線接收Cl、C2頻點的北斗差分信號；
[0009]所述導航信息接收單元接收從北斗天線獲取的GNSS信號，轉(zhuǎn)換得到數(shù)字中頻信號，并完成導航信息和原始觀測數(shù)據(jù)的提?。?br> [0010]所述差分信息接收單元接收從CAPS天線獲取的北斗差分信號，轉(zhuǎn)換得到數(shù)字中頻信號，并完成差分信息的提??；
[0011]所述時鐘單元為導航信息接收單元和差分信息接收單元提供時鐘基準；
[0012]所述微處理器首先接收導航信息接收單元輸入的導航信息和原始觀測數(shù)據(jù)，從中提取原始載波相位觀測值，包括偽距信息、載波信息和多普勒信息；其次接收差分信息接收單元輸入的北斗差分信息，包括北斗軌道修正、時鐘修正、碼偏移和用戶測距精度及快速時鐘修正信息；最后通過差分算法對原始觀測數(shù)據(jù)和差分數(shù)據(jù)進行融合，得到廣域差分用戶的位置和速度。
[0013]本發(fā)明的有益效果是:根據(jù)我國北斗二代衛(wèi)星導航系統(tǒng)應用需求，提出了基于中國區(qū)域衛(wèi)星導航系統(tǒng)(CAPS)的北斗星基高精度差分服務接收裝置。CAPS信號使用二相頻移鍵控(BPSK)調(diào)制直序擴頻信號(DSSS)，CAPS系統(tǒng)衛(wèi)星利用Cl (4143MHz)和C2 (3826MHz)載頻，采用短精碼形式，發(fā)射北斗軌道修正、時鐘修正、碼偏移和用戶測距精度及快速時鐘修正信息，從而能夠?qū)崿F(xiàn)廣域的、實時的北斗差分定位。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1是本發(fā)明實施例的結(jié)構(gòu)示意圖。

【具體實施方式】
[0015]下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進一步說明，本發(fā)明包括但不僅限于下述實施例。
[0016]本發(fā)明是針對北斗二代衛(wèi)星導航系統(tǒng)和中國區(qū)域?qū)Ш蕉ㄎ幌到y(tǒng)CAPS兩個獨立的衛(wèi)星導航系統(tǒng)的一種北斗星基高精度差分服務接收裝置。
[0017]本發(fā)明的技術(shù)解決方案是:
[0018]一種北斗星基高精度差分服務接收裝置包括:天線模塊、導航信息接收單元、時鐘單元、差分信息接收單元和微處理器單元。
[0019]所述天線模塊包括北斗天線和CAPS天線，北斗天線能夠接收北斗二代BI (1561MHz)、B2 (1207MHz)頻點的北斗導航信號，CAPS天線能夠接收Cl (4143MHz)、C2 (3826MHz)頻點的北斗差分信號。
[0020]所述導航信息接收單元接收通過同軸電纜從北斗天線獲取的GNSS信號，射頻部分完成射頻輸入信號到中頻信號的轉(zhuǎn)換以及模擬中頻信號到數(shù)字中頻信號的轉(zhuǎn)換；基帶處理單元負責完成導航信息和原始觀測數(shù)據(jù)的提取。該單元支持北斗二代的B1、B2頻點，提供毫米級載波相位觀測值和RTK定位精度，適合高精度測量定位應用。
[0021]所述差分信息接收單元接收通過同軸電纜從CAPS天線獲取北斗差分信號，射頻部分完成射頻輸入信號到中頻信號的轉(zhuǎn)換以及模擬中頻信號到數(shù)字中頻信號的轉(zhuǎn)換；基帶處理單元負責完成差分信息的提取，該單元支持CAPS的Cl、C2頻點信號。
[0022]所述時鐘單元由本振和倍頻電路組成，為導航信息接收單元和差分信息接收單元提供時鐘基準。
[0023]所述微處理器首先接收導航信息接收單元輸入的信息，從信息中提取原始載波相位觀測值，包括偽距信息、載波信息和多普勒信息；其次接收差分信息接收單元輸入的北斗差分信息，包括北斗軌道修正、時鐘修正、碼偏移和用戶測距精度及快速時鐘修正信息?’最后通過差分算法對原始觀測數(shù)據(jù)和差分數(shù)據(jù)進行融合，得到廣域差分用戶的位置和速度。
[0024]舉例來說，北斗星基高精度差分服務接收裝置包括北斗天線1，CAPS天線2，北斗射頻處理單元3，北斗信號基帶處理單元4，時鐘單元5，CAPS射頻處理單元6，北斗差分信號基帶處理單元7，微處理器單元8。
[0025]北斗天線I是雙頻有源天線，其技術(shù)指標如下:
[0026]頻率:B1= 1561MHz, B2 = 1207MHz ；
[0027]極化方式:右旋圓極化；
[0028]輸入輸出駐波<2.0;
[0029]軸比:<3dB;
[0030]增益:?40dB；
[0031]噪聲系數(shù):彡2dB
[0032]阻抗:50Ω。
[0033]CAPS天線2是雙頻有源天線，有源天線由無源全向微帶貼片天線和有源放大網(wǎng)絡(LNA)組成。由天線接收的射頻信號經(jīng)LNA放大后輸入到功分器(即中心頻率分別為Cl、C2的帶通濾波器)分離出Cl和C2，然后分成Cl通道和C2通道兩路信號輸出。雙頻有源天線技術(shù)指標如下:
[0034]工作頻段:3800?4200MHz ；
[0035]極化方式:右旋圓極化RHCP ；
[0036]軸比:<2dB;
[0037]增益:?35dB；
[0038]噪聲系數(shù):彡1.5dB
[0039]輸入輸出駐波:彡1.7;
[0040]阻抗:50Ω。
[0041]北斗射頻處理單元3包括下變頻器和AD轉(zhuǎn)換器。首先對接收到的北斗衛(wèi)星信號進行濾波、放大，然后將放大后的射頻信號送至下變頻器，下變頻將輸入的射頻信號下變頻為模擬中頻信號。該模擬中頻信號經(jīng)濾波、放大后，送往AD轉(zhuǎn)換模塊進行采樣。采樣率的選擇要根據(jù)輸出的中頻載波頻率，在滿足奈奎斯特采樣定律的條件下盡可能采用較低的采樣率，以便提高系統(tǒng)的可靠性。采樣產(chǎn)生的數(shù)字中頻信號被送往北斗信號基帶處理單元4。
[0042]北斗射頻處理單元3主要參數(shù):
[0043]信號中心頻率:B1-1561MHz
[0044]B2-1207MHz
[0045]輸入射頻信號動態(tài)范圍:-80?_105dBm
[0046]中頻通道中心頻率:B1-46.098MHz ±2.046MHz
[0047]B2-46.14MHz 土 10.23MHz
[0048]本振參考時鐘:頻率-1OMHz
[0049]波形——正弦
[0050]電壓峰峰值-1.2?1.8V
[0051]頻率穩(wěn)定度-^ 0.5ppm
[0052]北斗信號基帶處理單元4內(nèi)置300MHz處理器和30個邏輯通道，包括調(diào)制模塊、相關(guān)器、匹配濾波器、碼發(fā)生器和內(nèi)嵌CPU。每個調(diào)制模塊可支持不同的調(diào)制模式，包括BPSK、BOC、mBOC、ALtBOC等；相關(guān)器、匹配濾波器和FFT混合應用，實現(xiàn)捕獲跟蹤算法最優(yōu)化；碼發(fā)生器可支持不規(guī)則測距碼、PRN和片外產(chǎn)生的實時更換的測距碼等各種不同的測距碼；內(nèi)嵌CPU實現(xiàn)算法功能一體化，可快速捕獲北斗系統(tǒng)BI和B2頻點的精密測距碼，具有較快的捕獲速度、極高的動態(tài)跟蹤范圍和測量精度。北斗信號基帶處理單元采用了抗多路徑干擾算法，能夠提供高質(zhì)量的原始觀測量輸出，其原始觀測量更新頻率達1Hz。北斗信號基帶處理單元支持接收機自主完好性檢測，保障了位置信息的安全性和可靠性。其解碼產(chǎn)生的原始觀測量以及導航電文信息以NMEA0183格式送往微處理器單元8。
[0053]時鐘單元5由本振和倍頻電路構(gòu)成，為北斗射頻處理單元3和CAPS射頻處理單元6提供基準頻率，從而保證兩個接收單元時鐘信號的相位一致性。倍頻電路的控制信號由北斗差分信號基帶處理單元7提供。由于本振信號的低端相位噪聲對時鐘信號的質(zhì)量有較大影響，因此設計中本振信號采用穩(wěn)定度優(yōu)于0.5PPM的溫補晶振。該溫補晶振相位噪聲滿足-120dBc/Hz@100Hz、-130dBc/Hz@lKHz。
[0054]CAPS射頻處理單元6包含低噪放、本振信號產(chǎn)生器、混頻器、中頻濾波器、中頻放大器和ADC。
[0055]射頻部分包括兩級低噪聲放大器(LNA)，其工作的中心頻率為3826MHz。
[0056]本振信號產(chǎn)生器是一個鎖相環(huán)，其參考頻率信號從片外輸入。參考頻率信號的幅度可以是Vpp彡800mV的削峰正弦波，也可以是3V的CM0S/LVTTL邏輯電平。
[0057]在本振信號的驅(qū)動下，混頻器將來自LNA，頻率為3826MHz的射頻小信號變換為頻率為16MHz的中頻信號。
[0058]中頻濾波器由兩級濾波器級聯(lián)而成，為貝塞爾型，具有最大群時延平坦特性。其中心頻率的調(diào)節(jié)范圍在12MHz?20MHz附近，標稱值16.02MHz，3dB帶寬的調(diào)節(jié)范圍在17MHz?24MHz附近，標稱值20.46MHz。當接收裝置工作環(huán)境有帶外強干擾時，考慮到貝塞爾原型的帶外抑制有限，因此在硬件設計中增加了額外的射頻濾波器。
[0059]中頻放大器共7級，每級增益可獨立設置。中頻放大器具有AGC工作模式，AGC邏輯根據(jù)ADC編碼結(jié)果的統(tǒng)計規(guī)律自動調(diào)節(jié)中頻放大器的增益，調(diào)節(jié)目標是使ADC的量化噪聲功率與信號總功率的比值最小。打開AGC之前必須使ADC正常工作，AGC電路控制中頻放大器的第I級?第6級增益。
[0060]ADC電路依靠外部輸入的采樣時鐘工作，輸出4位數(shù)字中頻信號，采樣時鐘的頻率可在50MHz?10MHz之間任意選擇。ADC有折疊碼和補碼2種編碼格式供選擇，折疊碼的對稱性較好，因此設計中選擇折疊碼格式。
[0061 ] CAPS射頻處理單元6主要參數(shù):
[0062]信號中心頻率:3826.02MHz
[0063]輸入射頻信號動態(tài)范圍S -75dBm
[0064]中頻通道中心頻率:12MHz?20MHz
[0065]本振參考時鐘:10MHz或20MHz
[0066]模擬中頻輸出幅度:差分lVp-p
[0067]ADC輸入時鐘頻率:50MHz?10MHz
[0068]北斗差分信號基帶處理單元7由相關(guān)器和DSP組成，可同時跟蹤多路衛(wèi)星信號，可實現(xiàn)多系統(tǒng)組合導航。
[0069]相關(guān)器是專門用于處理中頻導航信號的部件，包括24個相關(guān)器通道、匹配濾波器和時標產(chǎn)生器。經(jīng)ADC轉(zhuǎn)換后的中頻信號由數(shù)字中頻輸入口引入相關(guān)器，送往相關(guān)器通道。相關(guān)器有兩個作用:一是用本地載波和本地擴頻碼對中頻信號進行解調(diào)和解擴，從而解調(diào)出導航電文；二是進行偽距測量。所有打開的通道都會在測量時標信號的驅(qū)動下同時鎖存本地碼和本地載波的狀態(tài)，當本地碼和載波與信號同步時，它們的狀態(tài)就反映了信號的狀態(tài)從而換算出偽距。
[0070]匹配濾波器用于快速捕獲導航信息，其與通道連接后具有與通道相同的載波頻率、碼鐘速率和積分起止時間，對通道起作用的修改載波頻率、修改碼鐘速率、本地碼滑移、修改積分時間等操作同時也對匹配濾波器起作用。它所包含的并行相關(guān)陣列中共有1024個相關(guān)器，每一節(jié)對應一個碼片周期的延遲。為了使匹配濾波器正常工作，采樣頻率應大于其所操作的碼片速率的8倍。
[0071]時標產(chǎn)生器以采樣時鐘為基準時鐘，產(chǎn)生一個周期性的中斷信號、偽距測量信號和PPS脈沖輸出信號。
[0072]DSP包括兩條總線一數(shù)據(jù)總線和程序總線，程序總線主要提供DSP運行時取指令，也可用于程序存儲器保存數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)總線連接DSP和數(shù)據(jù)存儲器、相關(guān)器、匹配濾波器以及所有的I/O設備，對相關(guān)器、匹配濾波器及所有I/O設備的操作都是通過讀寫存儲器映射的寄存器實現(xiàn)的。該DSP不支持對片外存儲器空間的訪問，其產(chǎn)生的差分信息送往微處理器單元8。
[0073]微處理器單元8負責對接收到的北斗原始觀測量、導航數(shù)據(jù)和北斗差分數(shù)據(jù)進行響應、處理和控制，它通過串口與北斗信號基帶處理單元4和北斗差分信息基帶處理單元7相連接。通過該接口微處理器單元8可對北斗信號基帶處理單元4和北斗差分信息基帶處理單元7進行配置，得到導航電文、集成電路工作狀態(tài)等信息。然后完成差分改正信息處理、定位解算、完善性分析、導航參數(shù)計算和標準導航信息輸出等功能。微處理器單元功能在PC機上實現(xiàn)。
【權(quán)利要求】
1.一種北斗星基高精度差分服務接收裝置，包括天線模塊、導航信息接收單元、時鐘單元、差分信息接收單元和微處理器單元，其特征在于:所述天線模塊包括北斗天線和CAPS天線，北斗天線接收北斗二代B1、B2頻點的北斗導航信號，CAPS天線接收Cl、C2頻點的北斗差分信號；所述導航信息接收單元接收從北斗天線獲取的GNSS信號，轉(zhuǎn)換得到數(shù)字中頻信號，并完成導航信息和原始觀測數(shù)據(jù)的提??；所述差分信息接收單元接收從CAPS天線獲取的北斗差分信號，轉(zhuǎn)換得到數(shù)字中頻信號，并完成差分信息的提取；所述時鐘單元為導航信息接收單元和差分信息接收單元提供時鐘基準；所述微處理器首先接收導航信息接收單元輸入的導航信息和原始觀測數(shù)據(jù)，從中提取原始載波相位觀測值，包括偽距信息、載波信息和多普勒信息；其次接收差分信息接收單元輸入的北斗差分信息，包括北斗軌道修正、時鐘修正、碼偏移和用戶測距精度及快速時鐘修正信息；最后通過差分算法對原始觀測數(shù)據(jù)和差分數(shù)據(jù)進行融合，得到廣域差分用戶的位置和速度。
【文檔編號】G01S19/33GK104459735SQ201410810144
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年12月22日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月22日
【發(fā)明者】邢燕, 趙愛萍, 葛建, 胡永輝, 陳穎鳴, 成芳, 肖夏 申請人:中國科學院國家授時中心