一种频点可灵活设置的导航信号接收装置及卫星导航系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种频点可灵活设置的导航信号接收装置，该装置包括天线模块、多通道变频单元和基带处理单元。本发明进一步公开了一种用户终端和卫星导航系统。本发明所述技术方案能够通过对导航卫星的选择，降低系统的定位几何精度因子，提高系统的定位性能；本方案通过频率管理通道和接收不同频率信号的多通道变频单元的配合可智能关闭多余的射频通道，从而降低用户终端的使用能耗；本方案可以以传统导航卫星为基础，快速搭建能够满足不同频率信号的接收和管理的卫星导航系统，极大的降低了系统的维护费用。同时，可以对于不同导航频点在接收、发射环节引入的误差进行广播修正，提高系统的定位精度。
【专利说明】
一种频点可灵活设置的导航信号接收装置及卫星导航系统
技术领域
[0001]本发明涉及卫星导航技术，特别是涉及一种频点可灵活设置的导航信号接收装置及卫星导航系统。
【背景技术】
[0002]卫星导航技术的发展始于20世纪70年代，典型系统有美国开发的全球定位系统(GPS)，前苏联开发的全球卫星无线电导航系统(GL0NASS)和我国建设中的北斗卫星导航定位系统(BDS)等系统。上述卫星导航定位系统有一个共同的特点，就是组成空间段的各导航卫星需要发射已知的固定频点，一旦当该频点受到无意或故意干扰时，在该频点上工作的用户接收机就可能无法实现定位，或者定位错误。
[0003]作为中国二代卫星导航通信系统的试验系统的中国区域通信定位系统(CAPS)(专利申请号:CN200410046064.1，发明名称:转发器卫星通信导航定位系统，发明人:艾国祥等，2009年7月29日获得授权)，是中国自主知识产权的卫星导航系统，采用商用通信卫星转发导航信号，不用专门发射导航卫星，大大降低了系统建设成本和周期，低成本地实现了卫星定位，开创了 C波段转发器卫星导航系统的先河。
[0004]CAPS系统采用的导航信号频率也是统一固定频率，由于不同的卫星上转发器频率划分有所不同，为实现合适的卫星布局而选择的卫星上却不一定有需要的转发器频率资源，若退而求其次选择有需要的转发器频率的卫星，其轨位又不一定在最佳的位置，给空间卫星星座的布局带来了很大困难。
[0005]为此，我们基于变频技术和数字滤波技术，发明了一种频点可以灵活设置的卫星导航系统，对原有的卫星导航地面站和用户接收装置进行相应地改造，可以采用灵活设置的频点作为载波调制导航信号，另设一个专用的频率管理信道，专门播发当前系统的时间、星座布局、频点选择、误差校正信息。用户接收装置首先接收频率管理信道的信息，然后自动设置本机射频前端的接收参数，接收不同导航卫星播发的不同频点导航信号，进行捕获、跟踪、解调出导航电文信息，实现定位解算。
[0006]本发明不需要发射专门的导航卫星，也不需要每颗卫星上下行相同频率的导航信号，具有很高的灵活性。考虑到不同频点在电离层、对流程试验误差和接收端不同射频通道处理时的不一致性，在导航地面站设置信号标校站，对不同频率导航信号的传播误差、处理误差进行校正，可以实现高精度的导航定位。
【发明内容】
[0007]本发明要解决的技术问题是提供一种频点可灵活设置的导航信号接收装置及卫星导航系统，以克服现有技术中单一固定频点的转发式体制的卫星导航系统在卫星部署的灵活性欠佳，易被干扰的缺陷。
[0008]为解决上述技术问题，本发明采用下述技术方案:
[0009]—种频点可灵活设置的导航信号接收装置，该装置包括
[0010]天线模块，用于接收多个不同频点的卫星导航信号，并对其进行预处理；
[0011]多通道变频单元，基于基带处理单元的频点控制信号，对多个射频通道进行频点调整，并通过其中一个射频通道传输频率管理信号，其余通道传输与其频点相对应的卫星导航信号；
[0012]基带处理单元，根据对频率管理信号进行分析处理，向变频单元发出频点控制信号，并对变频后的卫星导航信号进行解析，获得当前用户的位置、速度和时间信息。
[0013]优选地，所述天线模块包括:依次连接的覆盖工作频点的宽带接收天线和低噪声放大器。
[0014]优选地，所述多通道变频单元包括:
[0015]分路器，将预处理后的卫星导航信号分为多路卫星导航信号；
[0016]多个可变频射频通道，用于传输频率管理信号和不同频点的卫星导航信号；
[0017]所述射频通道包括:
[0018]频综器，基于频点控制信号，向混频器发出本振信号；
[0019]混频器，将分路器输出的卫星导航信号与频综器输出的本振信号混频，获得导航模拟中频信号。
[0020]优选地，所述变频单元进一步包括:时钟模块，用于为所有频综器提供时钟基准。
[0021]优选地，所述射频通道进一步包括依次连接在混频器输出端的放大器和滤波器。
[0022]优选地，所述基带处理单元包括:
[0023]多通道同步采样模数转换器，将变频单元输出的中频信号进行模数转换，输出数字化中频信号；
[0024]频点控制模块，对所述数字化中频信号中的频率管理信号进行分析处理，产生多个频点控制信号；
[0025]解析模块，对所述数字化中频信号中的卫星导航信号进行解析，获得多颗导航卫星的星历数据，并解算当前用户的位置、速度和时间信息。
[0026I优选地，该装置进一步包括:
[0027]通道管理模块，对获取的导航信号频点的数量进行判断;若接收的信号数量少于当前开通的射频通道数量，则发出多余通道关闭信号;若接收的信号数量多于当前开通的射频通道数量，则发出备用通道开启信号；
[0028]通道控制模块，基于通道关闭信号或通道开启信号，关闭或开启空闲射频通道。
[0029]—种包含上所述导航信号接收装置的用户终端。
[°03°] 一种卫星导航系统，该系统包括:
[0031]如上所述的用户终端；
[0032]用于转发不同频点导航信号的导航卫星星座;和
[0033]用于对导航信号频率进行管理，并发射根据频率管理的设置情况，产生的不同频点的导航信号的导航地面站。
[0034]优选地，所述导航地面站包括:
[0035]导航频率管理单元，根据当前拥有的频点信息生成频点设置表；
[0036]导航基带信号生成单元，基于导航频率管理单元生成的频点设置表，生成不同频点的导航基带信号；
[0037]信号发射单元，对导航基带生成单元生成的导航基带信号进行变频和放大处理，并将其发射至卫星。
[0038]本发明的有益效果如下:
[0039]本发明所述技术方案可以直接以传统导航卫星为基础构建导航系统，不需要发射专门的导航卫星，定位所需的导航信号的频率在不同卫星上也可以不同，这样就降低了对导航卫星选择的要求，可以选择更好的卫星星座布局，使系统定位的几何精度因子(GDOP)大大降低，从而提尚系统的定位性能。
[0040]本发明所述技术方案利用频率的不同对通道进行管理，并利用多通道变频单元接收不同频率信号，可以有效降低用户终端的使用功耗。
[0041]与发射专用导航卫星组网相比，本发明所述系统的建设、维护费用大大降低，建设速度快。由于系统设有频率管理信道，除发布频率组成信息外，还可以对于不同导航频点在接收、发射环节引入的误差进行广播修正，提高系统的定位精度。
【附图说明】
[0042]下面结合附图对本发明的【具体实施方式】作进一步详细的说明；
[0043]图1示出本发明所述导航信号接收装置的示意图；
[0044]图2示出本发明所述可变频卫星导航系统的示意图。
【具体实施方式】
[0045]为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。
[0046]如图1所示，本发明公开了一种频点可灵活设置的导航信号接收装置，该装置包括:用于接收多个不同频点的卫星导航信号，并对其进行预处理的天线模块、基于基带处理单元的频点控制信号，对多个射频通道进行频点调整，并通过射频通道中的一个传输频率管理信号，其余传输与其频点相对应的卫星导航信号的变频单元和根据对频率管理信号进行分析处理，向变频单元发出频点控制信号，并对变频后的卫星导航信号进行解析，获得当前用户的位置、速度和时间信息的基带处理单元。
[0047]本方案中，所述天线模块包括:依次连接的接收天线和低噪声放大器。
[0048]本方案中，所述变频单元包括:将预处理后的卫星导航信号分为多路卫星导航信号的分路器、用于传输频率管理信号和不同频点的卫星导航信号的多个射频通道、用于为所有频综器提供时钟基准的时间同步模块。其中，所述射频通道包括:基于频点控制信号，向混频器发出本振信号的频综器和将分路器输出的卫星导航信号与频综器输出的本振信号混合，获得导航模拟中频信号的混频器。所述射频通道进一步包括依次连接在混频器输出端的放大器和滤波器。
[0049]本方案中，所述基带处理单元包括:将变频单元输出的中频信号进行模数转换，输出数字化中频信号的能够多通道同步采样的模数转换器;对所述数字化中频信号中的频率管理信号进行分析处理，产生多个频点控制信号的频点控制模块；以及，对所述数字化中频信号中的卫星导航信号进行解析，获得多颗导航卫星的星历数据，并解算当前用户的位置、速度和时间信息的解析模块。本方案中，所述频点控制模块和解析模块可以采用基带处理器完成上述两个t旲块的功能。
[0050]该装置进一步包括:通道管理模块，对获取的导航信号频点的数量进行判断;若接收的信号数量少于当前开通的射频通道数量，则发出多余通道关闭信号;若接收的信号数量多于当前开通的射频通道数量，则发出备用通道开启信号。通道控制模块，基于通道关闭信号或通道开启信号，关闭或开启空闲射频通道。
[0051]本发明进一步公开了一种包含如上所述导航信号接收装置的用户终端。
[0052]本发明进一步公开了一种卫星导航系统，该系统包括:如上所述的用户终端；用于转发不同频点导航信号的导航卫星星座;和用于对导航信号频率进行管理，并发射根据频率管理的设置情况，产生的不同频点的导航信号的导航地面站。
[0053]所述导航地面站包括:导航频率管理单元，根据当前拥有的频点信息生成频点设置表，并把当前工作频点的组成通过卫星广播给上述导航信号接收装置;导航基带生成单元，基于导航频率管理单元的频点控制信号，生成不同频点的导航基带信号；以及，信号发射单元，对导航基带生成单元生成的导航基带信号进行变频和放大处理，并将其发射至射频系统和天线系统。
[0054]本方案中，所述导航卫星星座，可以采用商用地球同步通信卫星、小倾角同步轨道通信卫星、倾斜轨道运动通信卫星、专用导航卫星或地面伪卫星。
[0055]下面通过一组实例对本发明作进一步说明:
[0056]附图1给出了本发明所述频点可灵活设置的卫星导航系统的接收装置结构图。由天线模块、变频单元和基带处理单元三大部分组成。
[0057]天线模块由全向天线201和低噪声放大器(LNA)202和组成，为了改善系统的噪声特性，低噪声放大器202应当与天线装配在一起或者尽量靠近天线；
[0058]变频单元包括分路器和与其相连接的多个射频通道。本实例中，变频单元包括5个工作频点可以改变的射频通道，每个射频通道的结构类似，所述射频通道包括频综器206、混频器207、放大器208、带通滤波器209。各射频通道的频点参数可以由基带处理器211控制，改变工作频点。5个射频通道中其中4个通道为导航信号变频通道，可以最多接收4个不同频点的导航信号，第五个变频通道为接收频率管理信道的射频通道，频率管理信号的频点为公共已知频率。
[0059]基带处理单元包括多通道中频同步采样器210、频点控制模块和解析模块。本实例中，所述频点控制模块和解析模块采用基带数字信号处理器211来产生频点控制信号和对卫星导航信号的解析。基带数字信号处理器211首先接收并解析频率管理信号，获得当前组成空间星座的的各卫星的频点信息，然后调整各导航信号接收射频通道的参数，分别接收各个不同频点的导航信号，经过解扩、解调，解析出导航电文，采用至少4颗卫星信号可求出4个伪距信息，求解伪距方程组可解算用户的位置、速度、时间信息。
[0060]该装置进一步包括:通道管理模块，对获取的导航信号频点的数量进行判断;若接收的信号数量少于当前开通的射频通道数量，则发出多余通道关闭信号;若接收的信号数量多于当前开通的射频通道数量，则发出备用通道开启信号；以及，通道控制模块，基于通道关闭信号或通道开启信号，关闭或开启空闲射频通道。当不同的导航频点数少于四个时，基带处理器可以控制关闭一个或数个射频前端，以降低用户终端功耗。
[0061]如图2所示，为本发明的频点可灵活设置的转发器卫星导航系统的示意图，也是实现本发明所述转发器卫星导航系统的一个实例。该实例由如上述的用户终端、导航卫星星座和导航地面站三大部分组成，对于组成导航系统所需的其他系统如测定轨系统、时频系统和导航信号系统等均设置于在本发明所述的导航地面站中，以配合本发明所述导航系统工作。
[0062]所述导航地面站包括:导航频率管理单元，根据用户需要，向导航基带生成单元发出频点控制信号，并把当前工作频点的组成通过频率管理信号广播给导航信号接收装置；导航基带生成单元，基于导航频率管理单元的频点控制信号，生成不同频点的导航基带信号；以及，信号发射单元，对导航基带生成单元生成的导航基带信号进行变频和放大处理，并将其发射至射频系统和天线系统。
[0063]导航地面站的变频导航功能的实现过程如下:
[0064]导航地面站的导航频率管理单元根据当前拥有的频点信息生成频点设置表，通知导航基带生成单元生成不同频点的导航基带信号，并通过导航地面站上的频率管理信道上行到卫星，再由卫星广播给本发明所述导航信号接收装置。
[0065]导航基带生成单元根据所述频点设置表，产生相应频点的导航信号，利用导航地面站上的频率管理信道，经过信号发射单元的射频转换、功率放大等处理后，发送至指定的卫星，并利用该指定的卫星广播给信号接收装置。通过导航地面站上行到卫星的导航信号可以根据导航卫星上的频率资源分别设置，各导航卫星上的信号的频点可以相同，也可以不同。各频点相同时，本系统可以直接转换为传统的固定频点卫星导航系统，因此，本发明所述的卫星导航系统可以超越传统卫星导航系统，实现多功能的突破。
[0066]所述导航地面站的频率管理信道为将导航频率管理单元当前的工作频率发送至卫星而设置。并通过导航地面站上行至卫星，卫星接收该信号后，向用户终端发出导航信号，用户终端利用本发明所述接收装置实时获取该信号，经过解析该信号后，并相应设置接收装置的射频通道接收频点。此外，频率管理信道还可以播发不同频点信号的系统误差修正信息。
[0067]本发明所述导航卫星星座可以采用在轨使用的商用通信卫星、小倾角同步轨道卫星、专用的导航卫星以及地面伪卫星。采用在轨使用的商用通信卫星时，卫星被地面测控系统调控在赤道上空的固定点附近做经玮度±0.05°的小幅椭圆运动，而小倾角同步轨道卫星则是只对东西方向进行位置保持，南北方向上不作位置保持，由于地球引力分布不均和日月摄动的影响，小倾角卫星会逐渐向南北漂移，最大可能达到15度。
[0068]由于本导航系统对需要的卫星转发器频点可以灵活设置，因此在进行空间导航星座布局时可以根据需要选择合适的轨位上的卫星，而采用的频点则可以是该卫星上的任意空闲转发器，大大降低了星座布局难度。
[0069]需要指出的是，卫星导航系统的信号是经过扩频调制的弱信号，本身具有一定的抗带内干扰能力，地面站信号采用大天线窄波瓣上行信号，用户接收机只收不发信号，因此不会对常规的卫星通信产生干扰。但在与非常强的其他信号共转发器时，可能会引起导航信号被压制的问题，由于本发明系统具有的频点灵活设置能力，可以方便地将工作频带内转移到本卫星的其他转发器频点上，不影响系统的导航定位功能的实现。
[0070]本发明不仅实现了转发式体制的卫星导航系统采用不同频点实现定位，不同卫星的频点还可以根据需要灵活设置，解决了在卫星星座布局和频率分配的矛盾。由于射频前端采用多通道接收，接收频点参数可变，可以容易地和已有的其他卫星导航系统组成双模或多模导航系统，具有很大的灵活性和适用性。
[0071]显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。
【主权项】
1.一种频点可灵活设置的导航信号接收装置，其特征在于，该装置包括 天线模块，用于接收多个不同频点的卫星导航信号，并对其进行预处理； 多通道变频单元，基于基带处理单元的频点控制信号，对多个射频通道进行频点调整，并通过其中一个射频通道传输频率管理信号，其余通道传输与其频点相对应的卫星导航信号； 基带处理单元，根据对频率管理信号进行分析处理，向变频单元发出频点控制信号，并对变频后的卫星导航信号进行解析，获得当前用户的位置、速度和时间信息。2.根据权利要求1所述的导航信号接收装置，其特征在于，所述天线模块包括:依次连接的覆盖工作频点的宽带接收天线和低噪声放大器。3.根据权利要求1所述的导航信号接收装置，其特征在于，所述多通道变频单元包括: 分路器，将预处理后的卫星导航信号分为多路卫星导航信号； 多个可变频射频通道，用于传输频率管理信号和不同频点的卫星导航信号； 所述射频通道包括: 频综器，基于频点控制信号，向混频器发出本振信号； 混频器，将分路器输出的卫星导航信号与频综器输出的本振信号混频，获得导航模拟中频信号。4.根据权利要求3所述的导航信号接收装置，其特征在于，所述变频单元进一步包括:时钟模块，用于为所有频综器提供时钟基准。5.根据权利要求3所述的导航信号接收装置，其特征在于，所述射频通道进一步包括依次连接在混频器输出端的放大器和滤波器。6.根据权利要求3所述的导航信号接收装置，其特征在于，所述基带处理单元包括: 多通道同步采样模数转换器，将变频单元输出的中频信号进行模数转换，输出数字化中频信号； 频点控制模块，对所述数字化中频信号中的频率管理信号进行分析处理，产生多个频点控制信号； 解析模块，对所述数字化中频信号中的卫星导航信号进行解析，获得多颗导航卫星的星历数据，并解算当前用户的位置、速度和时间信息。7.根据权利要求1所述的导航信号接收装置，其特征在于，该装置进一步包括: 通道管理模块，对获取的导航信号频点的数量进行判断；若接收的信号数量少于当前开通的射频通道数量，则发出多余通道关闭信号;若接收的信号数量多于当前开通的射频通道数量，则发出备用通道开启信号； 通道控制模块，基于通道关闭信号或通道开启信号，关闭或开启空闲射频通道。8.—种包含如权利要求1所述导航信号接收装置的用户终端。9.一种卫星导航系统，其特征在于，该系统包括: 如权利要求8所述的用户终端； 用于转发不同频点导航信号的导航卫星星座;和 用于对导航信号频率进行管理，并发射根据频率管理的设置情况，产生的不同频点的导航信号的导航地面站。10.根据权利要求9所述的卫星导航系统，其特征在于，所述导航地面站包括: 导航频率管理单元，根据当前拥有的频点信息生成频点设置表； 导航基带信号生成单元，基于导航频率管理单元生成的频点设置表，生成不同频点的导航基带信号； 信号发射单元，对导航基带生成单元生成的导航基带信号进行变频和放大处理，并将其发射至卫星。
【文档编号】G01S19/28GK105891852SQ201610190706
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2016年3月30日
【发明人】李圣明, 马利华, 庞峰, 王晓岚, 侯金爽
【申请人】中国科学院国家天文台