专利名称：一种互操作接收机的接收方法
技术领域：
本发明涉及互操作接收技术领域，具体涉及一种互操作接收机的接受方法。
背景技术：
所谓兼容互操作指的是多个卫星导航系统间导航信息的相互利用，一台导航终端可以同时接收和利用多个卫星导航系统的信号，从而达到提高导航性能的目的，同时在单独接收一个导航系统信号的时候仍然能够正常工作。对应，拥有这样能力的导航终端就被称作互操作接收机。目前，全球正在计划或实施的GNSS项目主要包括美国的GPS现代化、欧盟的Galileo计划、俄罗斯的GLONASS复兴及其现代化以及中国的北斗系统，可以预见，在不久的将来，全新的GNSS系统将成为全世界导航的首选。对一般用户而言，可以跟踪多个系统的卫星信号，相当于获得了冗余的卫星信号，从而能够保证信号的完好性和连续性，提高系统导航性能。
互操作接收机在许多方面都具有先天的优势，如由于接受多个系统的卫星信号，因此相应的DOP值便会减小，有利于提高导航定位精度；可接收信号的卫星数目多了，信息的冗余度增加，相应的接收机抗欺骗干扰能力提升，同时自主完整性检测能力增强；在一些特殊地形的应用条件下，能够大大提高卫星导航的可用性，等等。
随着互操作技术的不断发展，许多国家都开始针对互操作接收技术进行研究，其中最早始于欧美的GPS与Galileo系统的互操作接收机已经取得一定进展。但仍然在某些方面存在不足，或者说有待改进:
(I)、考虑到兼容互操作接收机的界定，在接收机能够同时接收多个系统卫星信号进行导航定位解算的同时，确保接收额外的制造成本和结构复杂性最小化，即在接收机单独接收一个系统的卫星信号的时候具有最小化结构。因此，现有的接收技术过于复杂，同时硬件的利用率不高；
(2)、当接收机同时处理多个卫星导航系统信号的时候，对接收信号所属系统的判断以及通道选择等操作相当复杂，此时，可以发挥软件接收机在算法更新灵活和选择性强等优势，即选用尽量少的硬件结构，同时做到软件结构的最大化，将尽可能多的信号处理过程放到软件中进行操作。发明内容
本发明的目的在于:提供一种互操作接收机的接收方法，该方法应用于一种能够同时接收和处理多个导航系统卫星信号、并且在仅接收一个导航系统卫星信号的时候仍然能够正常工作的兼容互操作软件接收机中，该发明包括:首先使用单独的硬件资源进行卫星导航信号的射频接收；其次通过软件接收机进行信号的初步判断；再次对接收信号通道进行选择；最后进行导航定位解算。本发明充分发挥互操作接收机的灵活性特点，做到互操作接收机功能的最大化。
本发明采用的技术方案为:一种互操作接收机的接收方法，该方法使互操作接收机可以工作在单一卫星系统独立接收和多个卫星系统兼容互操作接收两种工作状态，并且同时，使用的是同一套硬件设备。工作在单一卫星系统独立接收状态时，类似于普通的接收机，信号经过下变频、混频、采样、捕获、跟踪等步骤，最后进行导航定位解算。当接收机工作在多个卫星导航系统互操作状态时，相应地分为以下信号处理步骤:(a)真实空间卫星射频信号接收；(b)信号的射频调整；(c)进行第一级和第二级下变频处理，得到若干个卫星信号混合的中频信号；(d)采用相同的带通滤波器以及可控增益放大器对中频信号进行处理，得到的仍然是多个系统信号混合的中频信号；(e)使用同一个模数转换器对模拟的中频信号进行数字化采样，得到若干个系统信号混合的基带数字信号，送入软件处理模块；(f)判断软件处理通道中的信号所属的导航卫星系统；(g)分通道独立处理一路信号，进行捕获跟踪等操作；(h)选择有效的通道的测量值，并进行最优组合，进行导航定位解算。
进一步的，所述的接收机为一种GNSS互操作接收机，使用单一射频前端同时接收多个系统的卫星信号，其中可能包括GPS、Galileo、GLONASS以及北斗系统。
进一步的，所述的GNSS互操作接收机采用分级混频策略，包括第一级下变频和第二级下变频。相应的下变频混频中所使用的本地振荡器拥有固定的输出频率，其中:第一级下变频混频时选用的是1582.581MHz的本地载波频率，第二级下变频混频时选用的是13.299MHz的本地载波频率。
进一步的，所述的GNSS互操作接收机接收到的射频信号经过变频后，将各个系统的信号都下变频到IOMHz以下的中频信号。
进一步的，所述的GNSS互操作接收机的混合中频信号经过A/D转换器后一同送入软件接收机部分进行基带信号处理，其中，基带信号中可能包括GPS、Galileo、GLONASS以及北斗系统信号。
进一步的，所述的GNSS互操作接收机采用同一套硬件设备同时对各个系统的卫星信号进行接收和处理，其中至少包括GPS、Galileo、GLONASS以及北斗系统信号。相应的滤波器，本地振荡器的输入输出特性都是固定的。
进一步的，所述的GNSS互操作接收机的软件处理部分包括对基带信号中所含系统的判断，通道选择以及量测值的组合与利用。
本发明与现有技术相比的优点在于:
(I)、本发明使用最小的硬件结构对多系统的卫星信号进行接收和处理，相应的硬件成本低、硬件结构间单；
(2)、本发明多系统信号的分离处理在软件结构中进行，因此接收机的算法更新更加简便，灵活性更强；
(3)、本发明增加了通道选择以及测量结果组合模块，为提高接收机定位精度提供了可能。
图1为接收机基本结构框图2为接收机硬件部分结构；
图3为接收机软件通道结构；
图4为软件通道的信号处理结构框图5为GPS软件接收机跟踪环路基本方框图6为测量通道选取流程。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例进一步说明本发明。
重新分析互操作接收机的定义:能够同时接收和利用两个或两个以上的卫星导航系统的信号，进行导航定位解算，在接收一个系统信号时能够正常工作，接收多个系统信号时能够获得一定程度的性能提升。考虑到接收机只能够接收到单一卫星导航系统信号时的正常工作，相应的硬件设计应该尽量简便，即射频前端部分应该尽量与普通的单一系统接收机相似或是略有不同，从而减少不必要的结构资源的占用；另一方面，针对不同系统信号载波频段不同、信号调制方式不同、导航电文及扩频码结构不同等特性所带来的结构功能上的要求，应该尽量发挥软件定义的接收机使用灵活性，以及在不改变硬件设计的同时能够实现算法重构的潜在优势。
由以上分析可以得到，接收机应主要包括硬件部分和软件部分。其中，硬件部分又可分为天线部分、射频前端以及模数转换部分。如图1所示，软件接收机的基本框图:
其中，天线接收到的卫星导航模拟信号，通过硬件形式的射频前端，变频到中频信号，再通过模数转化器，经采样后，变为数字的基带信号，而相应的捕获、跟踪、子帧识别、星历和伪距解算、卫星位置计算以及接收机位置解算等过程都是由软件来实现的。
考虑到此处使用的天线及射频前端需要具备同时接收和处理多个导航系统卫星信号的能力，因此硬件部分应进行如下设计，如图2所示:
为了同时处理至少包括GPS1574.42-1576.42MHz LI频段信号、Galileol573.42-1577.42MHz 频段信号、GLONASS 1597.62-1605.62MHz 频段信号以及北斗的1559.052-1563.144MHz频段信号，射频信号调整部分的带通滤波器至少应该为1559-1606MHZ的通带，相应的放大器则基本与普通接收机相似。
至于关键的下变频部分，建议第一级下变频混频过程中的本地振荡器I产生介于上述频段之间的频点的本地载波，如1582.581MHz，则对于以上所提到的至少4中卫星系统信号GPS信号、Galileo信号、GLONASS信号以及北斗系统信号而言，经过第一级下变频混频后的中频信号的中心频率将分别变为GPS7.161MHz、Galileo7.161MHz、GLONASS 15.039-23.039MHz以及北斗的21.483MHz频带内。第二级下变频混频过程中的本地振荡器2产生介于上述中频频段之间频点的本地载波，此处可选择13.299MHz，则经过第二级下变频混频后，此时的中频信号的中心频率将变为GPS6.138MHz、Galileo6.138MHz、GLONASS 1.74-9.74MHz以及北斗8.184MHz。如上所述，经过两次下变频混频后，可以将含有的各个系统信号都转换到6-lOMHz的中频频段内，由此一方面可以降低对混频前镜像抑制滤波器的性能要求，另一方面可以使混频后的滤波、放大以及采样功能变得容易实现。
对于后续的针对中频信号的滤波及放大操作则可以将不同的导航系统信号进行相同的处理，直至模数转换部分，可以使用同一个采样频率同时处理各个系统的信号，而真正将各个系统的信号分通道地进行解码等操作，是在最后的软件部分中进行，从而做到将软件最大化，充分发挥软件结构变化灵活的特点。同时，可以看出，此时对于单一系统的导航工作完全没有任何影响，以GPS信号单独工作为例，单独工作时如下:经过假设射频调整后的信号为:
s (t) = Ax (t- τ ) D (t_ τ ) sin (2 π (fi+fd) t+ θ )
本地振荡器产生的信号为:
sL01 (t) = Aloisin (2 π fL01t+ Θ L01)
fL01为1582.581MHz,经过第一级混频器后信号为:
Smixl (t) = s (t) *sL01 (t)
= Ax (t- τ ) D (t_ τ ) sin (2 π (fi+fd) t+ θ ) Aloisin (2 π fL01t+ θ L01)
混频后经过滤波器，又假设暂时不考虑多普勒频移，则模拟的中频信号为:
Sifi (t) = AifiX (t_ τ ) D (t- τ ) sin (_2 n (fIF1) t+ Θ IF1)
其中，fIF1即为7.161MHz。中频频率前面的负号可以认为是双边频的时域表现，也可提到前面作为整个信号的正负颠倒，可以通过后期的软件设计进行识别和修正。
经过第二级混频器后信号为:
Smix2 (t) = Sif1 (t) *SL02 (t)
= AifiX (t- τ ) D (t_ τ ) sin (_2 π (fIF1) t+ Θ IF1) AL02sin (2 n fL02t+ Θ L02)
混频后经过滤波器，又假设暂时不考虑多普勒频移，则模拟的中频信号为:
Sif2 (t) = Aif2X (t_ τ ) D (t_ τ ) sin (2 n (fIF2) t+ Θ IF2)
其中，fIF2即为6.138MHz，为整个下变频混频模块的中频输出频率。
随后，中频信号将通过固有的模数转换器进行模拟信号的数字化采样，考虑到香农采样定理的约束，此时的中频信号频率不超过10MHz，对于A/D转换器的要求并不是很闻。
由此，可以看到，按照此设计，不但在单一系统工作的时候能够尽量简化硬件结构，同时又能够保证互操作接收的性能。至于，真正将各个系统信号分离处理的过程，将在软件的基带信号处理中进行。其软件多通道设计如下:
图3中仅仅列出三个通道,但实际应用中应该至少包括8路通道。
其中，每一个信号通道中都将进行独立的信号处理，包括:信号所属卫星导航系统的判断、卫星信号的捕获与跟踪、测量单独一颗卫星的伪距量以及相应的信噪比和载噪比。相应的软件结构框图如下:
如图4所示，信号所属系统的判断过程类似于GPS信号的粗捕获，或者称为信号的预捕获，即对数字的中频信号进行各种导航系统独有的信号捕获识别操作，如GPS的码分多址C/A码的粗捕获，捕获的相关结果超过预设的门限值的话，则相应系统相应卫星的信号被判定为存在，则此通道作为该信号的专有通道进行后续的跟踪以及伪距测量等操作，而如果没有达到预设的门限值的话则继续搜索。然而，不同于传统的单一卫星系统信号接收机，此处在确定接受到的混合信号含有GPS某一颗或几颗卫星的信号后，仍然继续进行搜索，即至少依次搜索Galileo卫星信号、GLONASS卫星的信号以及北斗卫星信号，如果得到的相关结果同样超过预设的门限值，同样记为含有该系统该卫星的信号。
其中，至少包括的GPS信号处理模块、Galileo信号处理模块、GLONASS信号处理模块以及北斗信号处理模块为经过模块化处理后的软件部分，可在信号所属系统判断后直接调用，对判定的信号进行处理，以此实现类似于硬件重构的功能。
以判断信号为GPS某颗星信号为例，相应的信号处理过程包括信号捕获、码跟踪、载波跟踪以及导航数据提取，最后进行伪距的计算。其中，信号的捕获过程可以分为串行搜索、并行搜索等多种方式，在此不详述。而其中有环路的跟踪可以如图5所示:
当每一个通道都得到自己的测量值后，交由再往后的测量值选择模块进行选择，挑选出最优通道的测量值参与导航定位解算，挑选的标准包括各自通道的信号载噪比和预估计的测量精度，以及各个通道所跟踪卫星组合后的几何精度因子:
(I)将信噪比超过预设门限值的通道的测量值记为有效通道测量值；
(2)将有效通道内预估计测量误差值低于预设门限值的通道记为可用通道，并将可用通道所跟踪的卫星位置一同记录，用于最终导航定位解算过程中通道选取的准则；
(3)将记为可用的通道所跟踪的卫星位置进行组合，对于相对接收机视线角较为接近的某两颗或更多卫星，判断不同组合情况下的几何精度因子变化；
(4)将最终选定的通道的测量值进行卡尔曼滤波，参与导航定位解算。
具体的执行流程如图6所示:
注意，上述(I)、⑵中所提及的预设门限可以根据不同的应用条件及情况进行设定，如相对可视卫星数较少时，可以适当降低信噪比、载噪比的门限，适当的提高容许预估计测量误差；而当相对可视卫星数量较多时，则可以适当的提高信噪比、载噪比门限，并降低容许误差门限。但同时必须固定最基本容许值。
对比与现有的单一导航系统的接收机，采用上述提出的互操作接收机的接收技术可以保证单一系统能够独立工作，同时具有多系统互操作的能力，至于接收机成本上的改变如表1:
表I互操作接收机成本变化
采用更大带宽的接收天线和更大带宽的射频滤波器，虽然提高带 射频调整.宽，但相对硬件结构固定.HJffi用，因此相应的接收机硬件成本的丰矣块 改变可以接受；仅仅改变混频处理时使用的混频信号频率，即改变本地振荡器的 中频信号 输出频率，但改变后即为固定值，不需要根据不同的工作卫星系 处理移[块 ' 统而改变，复杂度不变，相对于普通振荡器改变频率，难度不大； 基带信号由于中频频段没有发生改变，因此模数转换的采样频率可以不变，
权利要求
1.一种互操作接收机的接收方法，其特征在于，该方法使互操作接收机可以工作在单一卫星系统独立接收和多个卫星系统兼容互操作接收两种工作状态，并且同时，使用的是同一套硬件设备，工作在单一卫星系统独立接收状态时，其功能相当于普通的接收机，信号经过下变频、混频、采样、捕获、跟踪的步骤，最后进行导航定位解算；当接收机工作在多个卫星导航系统互操作状态时，相应地分为以下信号处理步骤:(a)真实空间卫星射频信号接收；(b)信号的射频调整；(c)进行第一级和第二级下变频处理，得到若干个卫星信号混合的中频信号；(d)采用相同的带通滤波器以及可控增益放大器对中频信号进行处理，得到的仍然是多个系统信号混合的中频信号；(e)使用同一个模数转换器对模拟的中频信号进行数字化采样，得到若干个系统信号混合的基带数字信号，送入软件处理模块；(f)判断软件处理通道中的信号所属的导航卫星系统；(g)分通道独立处理一路信号，进行捕获跟踪等操作；(h)选择有效的通道的测量值，并进行最优组合，进行导航定位解算。
2.如权利要求1所述的一种互操作接收机的接收方法，其特征在于，所述的接收机为一种GNSS互操作接收机，使用单一射频前端同时接收多个系统的卫星信号，其中可能包括GPS、Galileo、GLONASS 以及北斗系统。
3.如权利要求2所述的一种互操作接收机的接收方法，其特征在于，所述的GNSS互操作接收机采用分级混频策略，包括第一级下变频和第二级下变频；相应的下变频混频中所使用的本地振荡器拥有固定的输出频率，其中:第一级下变频混频时选用的是1582.581MHz的本地载波频率，第二级下变频混频时选用的是13.299MHz的本地载波频率。
4.如权利要求2所述的一种互操作接收机的接收方法，其特征在于，所述的GNSS互操作接收机接收到的射频信号经过变频后，将各个系统的信号都下变频到IOMHz以下的中频信号。
5.如权利要求2所述的一种互操作接收机的接收方法，其特征在于，所述的GNSS互操作接收机的混合中频信号经过A/D转换器后一同送入软件接收机部分进行基带信号处理，其中，基带信号中可能包括GPS、Galileo、GLONASS以及北斗系统信号。
6.如权利要求2所述的一种互操作接收机的接收方法，其特征在于，所述的GNSS互操作接收机采用同一套硬件设备同时对各个系统的卫星信号进行接收和处理，其中至少包括GPS、Galileo、GLONASS以及北斗系统信号；相应的滤波器，本地振荡器的输入输出特性都是固定的。
7.如权利要求1至6中任一项所述的一种互操作接收机的接收方法，其特征在于，所述的GNSS互操作接收机的软件处理部分包括对基带信号中所含系统的判断，通道选择以及量测值的组合与利用。
全文摘要
本发明涉及一种互操作接收机的接收方法，该方法应用于一种能够同时接收和处理多个导航系统卫星信号、并且在仅接收一个导航系统卫星信号的时候仍然能够正常工作的兼容互操作软件接收机中，其包括首先使用单独的硬件资源进行卫星导航信号的射频接收；其次通过软件接收机进行信号的初步判断；再次对接收信号通道进行选择；最后进行导航定位解算。本发明充分发挥互操作接收机的灵活性特点，做到互操作接收功能的最大化。
文档编号G01S19/37GK103176196SQ20131006815
公开日2013年6月26日 申请日期2013年3月4日 优先权日2013年3月4日
发明者王可东, 薛清宇 申请人:北京航空航天大学