适用于低轨导航增强系统的高精度接收处理系统及方法与流程

1.本发明属于星载高精度接收领域，具体涉及一种适用于低轨导航增强系统的高精度接收处理系统及方法。


背景技术：

2.全球导航卫星系统(gnss)是重要的时空信息基础设施，在国民经济建设与国防安全领域发挥着十分重要的作用。近年来，为解决当前gnss系统存在精度差、信号弱，gnss增强系统覆盖范围有限的问题，国内外学者提出利用低轨星座播发导航信号来增强信号的构想。利用低轨卫星运动速度快几何构型变化快的特点，用户可以更快的获得高精度导航服务，同时，低轨星座卫星数量庞大，卫星与卫星之间互为冗余，提高了gnss系统的健壮性。
3.为了在低轨卫星上实现导航增强功能，首先要通过高精度gnss接收设备接收中高轨gnss信号，获取测量数据后计算得到低轨卫星的精密轨道、精密钟差等信息，再将精密轨道、钟差等信息形成电文，通过射频信号向地面播发。低轨导航增强卫星考虑与传统gnss系统的兼容性，为了使用户在不改变硬件设备的情况下使用导航增强服务，低轨导航增强卫星用于播发增强信号的频点与传统gnss信号的频点通常相同或者非常相近，这就导致了低轨导航增强卫星上收发设备的信号干扰问题变得非常严重。
4.针对低轨导航增强卫星收发干扰问题，如中国专利申请号201910069710.2公开了一种基于低轨卫星导航增强平台的同频带收发方法及系统，在该专利公开的方法及系统中，根据特定占空比将每个时间周期划分为发射时隙和接收时隙，发射时隙和节后时隙不重叠，在发射时隙播发导航增强信号，在接收时隙接收卫星导航系统发送的导航信号。
5.该方法本质上是通过时分复用的方式来规避了收发信号干扰问题，高精度gnss信号接收设备接收gnss信号的时间减半，接收载噪比降低，影响精密轨道、钟差的计算，使得用户定位精度变差。同时，时分复用的方式使得导航增强发射设备发射的信号不再连续，接收处理程序同样会变复杂。


技术实现要素：

6.针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种适用于低轨导航增强系统的高精度接收处理系统及方法解决了低轨导航增强卫星发射的导航增强信号对低轨导航增强卫星接收中高轨gnss信号的干扰问题。
7.为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：一种适用于低轨导航增强系统的高精度接收处理系统，包括高隔离度gnss信号接收天线、高精度gnss接收设备、导航增强信号生成设备和导航增强信号发射天线，所述高隔离度gnss信号接收天线的信号输出端与高精度gnss接收设备的信号输入端连接，所述导航增强信号生成设备的信号输出端分别与高精度gnss接收设备的信号输入端和导航增强信号发射天线的信号输入端连接。
8.进一步地：所述高隔离度gnss信号接收天线用于接收中高轨卫星播发的导航射频信号，将接收到射频信号送入至高精度gnss接收设备。
9.进一步地：所述高精度gnss接收设备包括射频干扰抵消模块、变频接收模块和接收处理模块；
10.所述射频干扰抵消模块用于对干扰信号在射频端进行初步抵消；
11.所述变频接收模块用于完成下变频、放大、滤波，输出中频信号；
12.所述接收处理模块用于完成对消控制、数字采样、数字干扰抵消、信号接收处理功能。
13.进一步地：所述导航增强信号生成设备包括信号产生、放大处理单元和导航信号耦合单元；
14.所述导航增强信号生成设备将导航增强信号耦合至高精度gnss接收设备，用作射频干扰消除、数字干扰消除的参考信号。
15.进一步地：所述导航增强信号发射天线用于完成导航增强射频信号对地播发，导航增强信号发射天线通过与gnss信号接收天线背对背安装，实现天线的高隔离度。
16.一种适用于低轨导航增强系统的高精度接收处理方法，包括以下步骤：
17.s1、启动导航增强载荷，播发导航增强信号；
18.s2、启动高精度gnss接收设备中的射频干扰抵消模块，通过调整导航增强信号as(t)的幅度和相位，通过多条射频模拟通道的线性组合来模拟高隔离度gnss信号接收天线收到的干扰信号s'(t)，在射频干扰抵消末端与高隔离度gnss信号接收天线收到的信号相减，得到射频干扰抵消后的信号；
19.s3、启动变频接收模块，进入数字干扰对消处理流程，采用lms算法，抑制射频干扰抵消后的残留能量，恢复出接收的有用信号；
20.s4、启动接收处理模块，采集接收的有用信号进行测距精度评估。
21.进一步地：所述步骤s2中射频干扰抵消具体为：
22.干扰信号s'(t)的表达式为：其中，n为射频抽头数量，ai(t)为第i个抽头的幅度，w
t
为在t时刻干扰信号的角速率，θi为第i个抽头的相位；
23.s21、仅第一路抽头参与射频消除，其他抽头断开，利用遍历方式确定第一路抽头的a1(t)和θ1，确定标准为选用该组系数时，残留功率最低；
24.s22、保持第一抽头的a1(t)和θ1不变，将第二路抽头参与射频消除，利用步骤s21中同样的确定标准确定a2(t)和θ2，直到确定最后的an(t)和θn，得到n组参数，使得射频消除后的残留功率最低，射频干扰抵消结束。
25.进一步地：所述步骤s3中数字干扰对消具体为：利用自适应滤波器，在输入信号和噪声的统计特性未知或者变化的情况下，通过调整自身的参数，使得滤波器的输出信号与期望输出信号之间的均方误差最小；
26.误差信号为：
27.e(n)＝d(n)-y(n)
28.其中，d(n)为期望信号，y(n)为滤波器的输出；
29.滤波器的输出为：
30.y(n)＝w(n)
·
x(n)
31.其中，w(n)表示滤波器抽头系数矢量，x(n)为输入信号的采样；
32.抽头系数的迭代公式为：
33.w(n+1)＝w(n)+2ux(n)e(n)
34.其中，u表示步长因子，u取值范围为：0《u《1/λ
max
，λ
max
为输入信号x(n)自相关矩阵的最大特征值，2ux(n)e(n)表示抽头矢量w(n)当前估计的最大特征值；
35.该迭代从初始值w(0)开始，在每一次抽头系数更新中，lms算法都需要更新x(n)、d(n)、w(n)信息，多次迭代后使得目标函数j＝e{e2(n)}达到最小值，e为均值，数字干扰对消结束。
36.本发明的有益效果为：本发明通过高隔离度天线技术、射频干扰抵消技术和数字干扰抵消技术相结合的方法，解决了低轨导航增强卫星发射的导航增强信号对低轨导航增强卫星接收高轨gnss信号的干扰问题；本发明中的高精度gnss接收设备输出的原始观测量数据连续稳定，测距精度能够满足低轨导航增强卫星定位精度的要求；本发明中的低轨导航增强卫星播发的导航增强信号连续，便于地面用户捕获跟踪信号，简化了地面终端的软件复杂度；在本发明中已有的用户不需要对射频通道进行改造，仅需要进行软件的升级便可使用低轨导航增强服务，实现了用户设备向下兼容，为低轨导航增强系统提供了全新的解决思路，提升国家pnt系统的多样性和健壮性。
附图说明
37.图1为一种适用于低轨导航增强系统的高精度接收处理系统结构图；
38.图2为射频干扰抑制架构示意图；
39.图3为干扰抑制lms算法架构示意图；
40.图4为导航增强设备发射关闭后接收机伪距测距精度图；
41.图5为导航增强设备发射开启后接收机伪距测距精度图；
42.图6为导航增强设备发射关闭后接收机载波相位测距精度图；
43.图7为导航增强设备发射开启后接收机载波相位测距精度图。
具体实施方式
44.下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
45.如图1所示，一种适用于低轨导航增强系统的高精度接收处理系统，包括高隔离度gnss信号接收天线、高精度gnss接收设备、导航增强信号生成设备和导航增强信号发射天线，所述高隔离度gnss信号接收天线的信号输出端与高精度gnss接收设备的信号输入端连接，所述导航增强信号生成设备的信号输出端分别与高精度gnss接收设备的信号输入端和导航增强信号发射天线的信号输入端连接。
46.高隔离度gnss信号接收天线，对天安装，用于接收中高轨卫星播发的gnss射频信号，将接收到射频信号送入至高精度gnss接收设备，gnss信号接收天线与导航增强信号发射天线背对背安装，可在有限卫星平台空间实现最高隔离度，确保高精度gnss接收设备射频接收通道不饱和；
130dbm，频点同样为1575.42mhz。测试在暗室中开展。
57.第一步，启动导航增强载荷，播发导航信号；
58.第二步，启动高精度gnss接收设备中的射频对消模块，通过调整耦合信号as(t)的幅度、相位，使得耦合信号的线性组合无限接近于s'(t)，耦合信号的线性组合与s'(t)相减后，通过adc芯片采样对射频对消残差值进行估计，实例中共采用4抽头，具体包括以下步骤：
59.1.第一路抽头参与射频消除，其他抽头断开，采用遍历方式确定第一路抽头的a1(t)和θ1，判决标准为选用该组系数时，残留功率最低；
60.2.保持第一抽头的a1(t)和θ1不变，将第二路抽头参与射频消除，利用同样的方法确定a2(t)和θ2；
61.3.保持第一抽头的a1(t)和θ1不变，保持第二抽头的a2(t)和θ2不变，将第三路抽头参与射频消除，利用同样的方法确定a3(t)和θ3；
62.4.保持第一、二、三抽头系数不变，将第四路抽头参与射频消除，利用同样方案确定a4(t)和θ4，射频干扰消除结束。
63.第三步，启动数字对消模块，进入数字干扰对消处理流程，采用lms算法，抑制射频干扰对消后的残留能量，恢复出接收的有用信号，具体包含以下步骤：
64.1.取第一组w(0)，判决j＝e{e2(n)}是否超过门限，如果超过门限，则进行下一步，如没有超过门限，则结束迭代；
65.2.进行一次迭代w(n+1)＝w(n)+2ux(n)e(n)，其中0《u《1/λ
max
；
66.3.计算e(n)＝d(n)-w(n)
·
x(n)；
67.4.判决j＝e{e2(n)}是否超过门限，如果超过门限，则回到第2步，如果没有超过门限，则结束迭代，数字干扰消除结束。
68.第四步，启动中高轨导航信号接收处理模块，采集观测数据进行测距精度评估。
69.为了验证本发明提出的系统和方法有效的，实例将导航增强信号发射开启前后接收机伪距、载波相位测量精度进行对比。附图4和附图5给出了伪距测距精度对比，附图6和附图7给出了载波相位测距精度对比。导航增强发射信号开启后，信号载噪有1～2db的恶化，伪距测量精度由0.0974米降至0.1356米，载波相位精度由0.0007987米降至0.0013848米，可以满足低轨导航增强卫星定位精度的要求。
70.本发明解决了低轨导航增强卫星发射的导航增强信号对低轨导航增强卫星接收中高轨gnss信号的干扰问题，接收机测距精度能够满足低轨导航增强卫星定位精度的要求，实现了导航增强信号的连续发射，使得低轨导航增强卫星完美兼容了中高轨gnss卫星的信号频点，为低轨导航增强系统提供了全新的方法和方案。