一種gnss無線電掩星探測儀的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種GNSS無線電掩星探測儀，包括：定位天線、掩星接收天線、射頻單元和掩星處理單元；所述的射頻單元用于將定位天線、大氣掩星天線和電離層掩星天線接收的GNSS信號進(jìn)行放大、射頻濾波處理后，將生成的射頻信號輸入至掩星處理單元；所述的掩星處理單元通過接收的射頻信號進(jìn)行信號捕獲和跟蹤，并利用跟蹤后的信號計算獲得衛(wèi)星位置及速度信息，以及GNSS信號的載波相位；所述的定位天線、大氣掩星天線、電離層掩星天線均采用雙頻層疊式微帶天線，以分別覆蓋GNSS衛(wèi)星中GPS系統(tǒng)和BDS系統(tǒng)的高、低兩個工作頻段。本發(fā)明的GNSS無線電掩星探測儀實現(xiàn)了GPS和BDS導(dǎo)航系統(tǒng)的兼容，提高了探測能力。
【專利說明】
一種GNSS無線電掩星探測儀
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及空間探測儀器領(lǐng)域，具體涉及一種GNSS無線電掩星探測儀。
【背景技術(shù)】
[0002] 星載GNSS無線電掩星探測儀通過低軌衛(wèi)星接收來自GNSS衛(wèi)星發(fā)射的GNSS信號，該 信號穿過大氣和電離層，會產(chǎn)生附加的相位延遲。然后，接收機通過測量該附加相位延遲， 再通過地面反演，最終可以獲得信號傳輸路徑的大氣溫濕壓廓線和電離層電子密度廓線。
[0003] GNSS無線電掩星探測儀通常由定位信號接收處理和掩星信號接收處理兩大功能 組成。掩星信號一般是通過預(yù)測來進(jìn)行捕獲和跟蹤的，掩星預(yù)測需要知道探測儀的位置信 息，另外地面反演獲得大氣和電離層附加相位延遲，也需準(zhǔn)確知道探測儀的精確位置信息， 因此定位信號接收處理是探測儀必不可少的功能。根據(jù)低軌衛(wèi)星以及GNSS衛(wèi)星之間的相對 運動特點，掩星信號接收天線一般放置在前進(jìn)方向及其反方向上。隨著兩顆星的相對運動， GNSS衛(wèi)星由可視逐漸運動至被地球遮擋的位置，或是由被地球遮擋逐漸運動至可視的位 置，在此運動過程中存在一段時間的GNSS信號穿過地球的大氣和電離層，經(jīng)過折射到達(dá)低 軌衛(wèi)星上的掩星探測儀上。
[0004] 但是，現(xiàn)有的GNSS無線電掩星探測儀受自身結(jié)構(gòu)的局限性設(shè)計，只能接收某一單 獨的GNSS系統(tǒng)所發(fā)射的信號，而無法實現(xiàn)多個GNSS系統(tǒng)的兼容，特別是針對GPS系統(tǒng)及我國 發(fā)明的BDS系統(tǒng)之間的兼容問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于，為解決現(xiàn)有的GNSS無線電掩星探測儀無法同時兼容GPS系統(tǒng) 與BDS系統(tǒng)的技術(shù)問題，提供一種用于大氣和電離層廓線探測的GNSS無線電掩星探測儀，適 用于星載GNSS無線電掩星探測領(lǐng)域。該探測儀能夠兼容GPS和BDS導(dǎo)航系統(tǒng)，其探測能力較 單一采用GPS系統(tǒng)相比提高較大。
[0006] 為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供的一種GNSS無線電掩星探測儀，包括:定位天線、掩 星接收天線、射頻單元和掩星處理單元;所述的定位天線用于探測并接收GNSS衛(wèi)星發(fā)射的 來自天頂?shù)腉NSS信號，所述的掩星接收天線包括大氣掩星天線和電離層掩星天線，所述的 大氣掩星天線和電離層掩星天線分別用于探測并接收GNSS衛(wèi)星發(fā)射的穿過大氣和電離層 的GNSS信號；所述的射頻單元用于將定位天線、大氣掩星天線和電離層掩星天線接收的 GNSS信號進(jìn)行放大、射頻濾波處理后，將生成的射頻信號輸入至掩星處理單元;所述的掩星 處理單元通過接收的射頻信號進(jìn)行信號捕獲和跟蹤，并利用跟蹤后的信號計算獲得衛(wèi)星位 置及速度信息，以及GNSS信號的載波相位;所述的定位天線、大氣掩星天線、電離層掩星天 線均采用雙頻層疊式微帶天線，以分別覆蓋GNSS衛(wèi)星中GPS系統(tǒng)和BDS系統(tǒng)的高、低兩個工 作頻段。
[0007] 作為上述技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)，所述的定位天線、大氣掩星天線、電離層掩星天 線均包括由上至下疊放的第一復(fù)合介質(zhì)板、第二復(fù)合介質(zhì)板、第三復(fù)合介質(zhì)板、第四復(fù)合介 質(zhì)板和第五復(fù)合介質(zhì)板;所述的第一復(fù)合介質(zhì)板作為天線的蓋板，所述的第二層復(fù)合介質(zhì) 板上印制有高頻輻射貼片，用于接收高頻段的GNSS信號，該高頻輻射貼片的工作頻率為 1575.42MHz和1561.098MHz;所述的第三層復(fù)合介質(zhì)板上印制有低頻輻射貼片，用于接收低 頻段的GNSS信號，該低頻輻射貼片的工作頻率為1227.6MHz和1207.14MHz，所述的第四層復(fù) 合介質(zhì)板上印制有饋電網(wǎng)絡(luò)，并與第五層復(fù)合介質(zhì)板共同組成帶狀線饋電網(wǎng)絡(luò);所述定位 天線和電離層掩星天線中的高頻輻射貼片和低頻輻射貼片均附有單一陣元;所述大氣掩星 天線的高頻輻射貼片和低頻輻射貼片均附有4個陣元組成的1X4高增益陣列天線。
[0008]作為上述技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)，所述的1X4高增益陣列天線中所有陣元輸入的 功率均相等，且相鄰的兩個陣元之間相差保持恒定，形成線性相位漸變等間距線陣，所述相 鄰的兩個陣元之間相差的計算公式為：
[0010] 其中，d為相鄰陣元的間距，0表示掃描角度，A為接收頻率對應(yīng)的自由空間波長， A =__lgV^，.Xg表不復(fù)合介質(zhì)板的介質(zhì)波長，eY表不復(fù)合介質(zhì)板的介電常數(shù)。
[0011] 作為上述技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)，所述的射頻單元包括:低噪聲放大器和射頻濾 波器;所述的低噪聲放大器用于將定位天線、大氣掩星天線和電離層掩星天線接收的GNSS 信號進(jìn)行放大，并通過射頻濾波器進(jìn)行射頻濾波。
[0012] 作為上述技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)，所述的掩星處理單元包括：中頻處理電路和基 帶處理電路；
[0013] 所述的中頻處理電路包括:混頻器、中頻濾波器和AGC放大器，所述的混頻器用于 將射頻信號下變頻至中頻信號，并通過中頻濾波器將該中頻信號進(jìn)行濾波處理，所述的AGC 放大器用于將濾波后的中頻信號進(jìn)行放大處理后輸出至基帶處理電路；
[0014] 所述的基帶處理電路包括:AD轉(zhuǎn)換器、FPGA芯片和DSP芯片，所述的AD轉(zhuǎn)換器將AGC 放大器輸出的中頻信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號后，通過DSP芯片控制FPGA芯片對該數(shù)字信號進(jìn)行 捕獲和跟蹤，對跟蹤后的信號進(jìn)行偽距、載波相位測量，并解算出衛(wèi)星位置及速度信息。
[0015] 本發(fā)明的一種GNSS無線電掩星探測儀的優(yōu)點在于：
[0016] 本發(fā)明的探測儀通過將定位天線、大氣掩星天線及電離層掩星天線采用雙頻層疊 式微帶天線，以分別覆蓋GNSS衛(wèi)星中GPS系統(tǒng)和BDS系統(tǒng)的高、低兩個工作頻段，從而實現(xiàn)在 GPS和BDS導(dǎo)航系統(tǒng)中同時獲得信號傳輸路徑的大氣溫濕壓廓線和電離層電子密度廓線，提 高了探測能力。
【附圖說明】
[0017] 圖1為本發(fā)明實施例中的一種GNSS無線電掩星探測儀的系統(tǒng)組成框圖。
【具體實施方式】
[0018] 下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明所述的一種GNSS無線電掩星探測儀進(jìn)行詳細(xì)說 明。
[0019] 本發(fā)明的一種GNSS無線電掩星探測儀，包括:定位天線、掩星接收天線、射頻單元 和掩星處理單元;所述的定位天線用于探測并接收GNSS衛(wèi)星發(fā)射的來自天頂?shù)腉NSS信號， 所述的掩星接收天線包括大氣掩星天線和電離層掩星天線，所述的大氣掩星天線和電離層 掩星天線分別用于探測并接收GNSS衛(wèi)星發(fā)射的穿過大氣和電離層的GNSS信號;所述的射頻 單元用于將定位天線、大氣掩星天線和電離層掩星天線接收的GNSS信號進(jìn)行放大、射頻濾 波處理后，將生成的射頻信號輸入至掩星處理單元;所述的掩星處理單元通過接收的射頻 信號進(jìn)行信號捕獲和跟蹤，并利用跟蹤后的信號計算獲得衛(wèi)星位置及速度信息，以及GNSS 信號的載波相位;所述的定位天線、大氣掩星天線、電離層掩星天線均采用雙頻層疊式微帶 天線，以分別覆蓋GNSS衛(wèi)星中GPS系統(tǒng)和BDS系統(tǒng)的高、低兩個工作頻段。
[0020] 基于上述結(jié)構(gòu)的GNSS無線電掩星探測儀，如圖1所示，在本實施例中，所述的GNSS 無線電掩星探測儀由三副天線、三臺射頻單元和一臺掩星處理單元組成。三副天線分別為 定位天線、前向掩星接收天線和后向掩星接收天線。三臺射頻單元分別為定位射頻單元、前 向掩星射頻單元和后向掩星射頻單元。
[0021] 所述的前向掩星接收天線和后向掩星接收天線分別接收上升掩星信號和下降掩 星信號，所述的上升掩星信號是指一開始被地球遮擋的GNSS衛(wèi)星仰角為負(fù)角度，然后仰角 逐漸上升變大過程中的接收信號。所述的下降掩星信號是指運動的GNSS衛(wèi)星仰角逐漸減 小，最后被地球遮擋過程中的接收信號。例如:在由多顆衛(wèi)星組成的GPS系統(tǒng)中，每顆衛(wèi)星相 對于定位和掩星天線的位置是實時變化的。如果衛(wèi)星的仰角大于〇°，為直接信號，由定位天 線接收。如果仰角小于〇°，為掩星信號，再通過方位角判斷是用前向掩星接收天線還是后向 掩星接收天線接收。
[0022]定位天線采用雙頻層疊式微帶天線形式，可分別覆蓋GPS及BDS系統(tǒng)的高、低兩個 頻段。定位天線為單元天線，即只有一個輻射元的天線，采用右旋圓極化半球形方向圖覆 蓋。右旋圓極化是指天線的極化方式，半球形方向圖覆蓋是指方向圖形狀，即指能夠接收的 空間范圍。
[0023] GNSS無線電掩星探測儀包含兩副完全相同的掩星接收天線，每副掩星接收天線由 電離層掩星天線和大氣掩星天線聯(lián)合組成。電離層掩星天線用來接收穿過電離層的GNSS信 號，大氣掩星天線用來接收穿過大氣層的GNSS信號。在本實施例中，電離層掩星天線為單元 天線，與上述定位天線的結(jié)構(gòu)相同。大氣掩星天線是由4個單元組成的1X4高增益陣列天 線，同時采用偏波束設(shè)計。
[0024]所有陣元輸入的功率均相等，且相鄰的兩個陣元之間相差保持恒定，形成線性相 位漸變等間距線陣，所述相鄰的兩個陣元之間相差的計算公式為：
[0026]其中，d為相鄰陣元的間距，0表示掃描角度，A為接收頻率對應(yīng)的自由空間波長， A = 表不復(fù)合介質(zhì)板的介質(zhì)波長，eY表不復(fù)合介質(zhì)板的介電常數(shù)。
[0027]所述的大氣掩星天線和電離層掩星天線均采用雙頻層疊式微帶天線。所述的雙頻 層疊式微帶天線由5層復(fù)合介質(zhì)板和一層金屬底板組成。由上至下疊放的第一復(fù)合介質(zhì)板、 第二復(fù)合介質(zhì)板、第三復(fù)合介質(zhì)板、第四復(fù)合介質(zhì)板和第五復(fù)合介質(zhì)板;所述的第一復(fù)合介 質(zhì)板作為天線的蓋板，所述的第二層復(fù)合介質(zhì)板上印制有高頻輻射貼片，用于接收高頻段 的GNSS信號，該高頻輻射貼片的工作頻率為1575.42MHz和1561.098MHz;所述的第三層復(fù)合 介質(zhì)板上印制有低頻輻射貼片，用于接收低頻段的GNSS信號，該低頻輻射貼片的工作頻率 為1227.6MHz和1207.14MHz，所述的第四層復(fù)合介質(zhì)板上印制有饋電網(wǎng)絡(luò)，并與第五層復(fù)合 介質(zhì)板共同組成帶狀線饋電網(wǎng)絡(luò);所述定位天線和電離層掩星天線中的高頻輻射貼片和低 頻輻射貼片均附有單一陣元;所述的金屬底板通過螺釘將各層復(fù)合介質(zhì)板固定在一起。
[0028]所述的射頻單元由低噪聲放大器和射頻濾波器組成。系統(tǒng)噪聲系數(shù)主要取決于第 一級放大器的噪聲系數(shù)，GNSS無線電掩星探測儀的第一級放大器采用低噪聲放大器，設(shè)計 中采用的低噪聲放大器為寬帶放大器，覆蓋1.2~1.6GHz，噪聲系數(shù)小于l.OdB，增益大于 30dB。射頻濾波器功能是濾除鏡像干擾，采用介質(zhì)濾波器形式。所述的低噪聲放大器和射頻 濾波器分別用于將定位天線、大氣掩星天線和電離層掩星天線接收的GNSS信號進(jìn)行放大和 帶外濾波。因為氣象衛(wèi)星一般較大，天線分別放置在不同的位置，天線到前級低噪聲放大器 的高頻電纜長度越長，信號的衰減就越大，因此，將本可以放在主機內(nèi)的"低噪聲放大器和 射頻濾波器"獨立出來，靠近天線安裝，可以降低電纜的損耗。
[0029] 所述的掩星處理單元由中頻處理電路和基帶處理電路組成。中頻處理電路由混頻 器、中頻濾波器、AGC放大器構(gòu)成。所述的混頻器用于將射頻信號下變頻至中頻信號，并通過 中頻濾波器將該中頻信號進(jìn)行濾波處理，所述的AGC放大器用于將濾波后的中頻信號進(jìn)行 放大處理后輸出至基帶處理電路。中頻處理電路輸出經(jīng)AD采樣后送至基帶處理電路。
[0030] 所述的基帶處理電路由AD轉(zhuǎn)換器、FPGA芯片和DSP芯片組成，F(xiàn)PGA芯片實現(xiàn)對下變 頻和AD采樣后的GNSS信號進(jìn)行捕獲和跟蹤。DSP芯片主要功能是對捕獲跟蹤后的GNSS信號 進(jìn)行偽距、載波相位觀測量的高精度測量，對偽距觀測量可進(jìn)行實時的定位，對載波相位測 量可用于事后精密定軌和提取掩星信號附加相位信息。DSP芯片可通過EMIF接口與基帶 FPGA進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，通過DSP芯片控制FPGA芯片對GPS和BDS系統(tǒng)衛(wèi)星進(jìn)行捕獲，將捕獲成功 的衛(wèi)星放入跟蹤通道進(jìn)行跟蹤。從FPGA通道中讀取原始測量值，并利用原始測量值計算出 載波相位和碼偽距，同時對成功跟蹤的衛(wèi)星信號進(jìn)行電文解碼，電文中包含GNSS衛(wèi)星的相 關(guān)信息，以獲取實時的位置速度信息，以及大氣和電離層物理參數(shù)。
[0031] 最后所應(yīng)說明的是，以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制。盡管參 照實施例對本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，對本發(fā)明的技術(shù)方 案進(jìn)行修改或者等同替換，都不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明 的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。
【主權(quán)項】
1. 一種GNSS無線電掩星探測儀，其特征在于，包括:定位天線、掩星接收天線、射頻單元 和掩星處理單元;所述的定位天線用于探測并接收GNSS衛(wèi)星發(fā)射的來自天頂?shù)腉NSS信號， 所述的掩星接收天線包括大氣掩星天線和電離層掩星天線，所述的大氣掩星天線和電離層 掩星天線分別用于探測并接收GNSS衛(wèi)星發(fā)射的穿過大氣和電離層的GNSS信號;所述的射頻 單元用于將定位天線、大氣掩星天線和電離層掩星天線接收的GNSS信號進(jìn)行放大、射頻濾 波處理后，將生成的射頻信號輸入至掩星處理單元;所述的掩星處理單元通過接收的射頻 信號進(jìn)行信號捕獲和跟蹤，并利用跟蹤后的信號計算獲得衛(wèi)星位置及速度信息，以及GNSS 信號的載波相位;所述的定位天線、大氣掩星天線、電離層掩星天線均采用雙頻層疊式微帶 天線，以分別覆蓋GNSS衛(wèi)星中GPS系統(tǒng)和BDS系統(tǒng)的高、低兩個工作頻段。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的GNSS無線電掩星探測儀，其特征在于，所述的定位天線、大氣 掩星天線、電離層掩星天線均包括由上至下疊放的第一復(fù)合介質(zhì)板、第二復(fù)合介質(zhì)板、第三 復(fù)合介質(zhì)板、第四復(fù)合介質(zhì)板和第五復(fù)合介質(zhì)板;所述的第一復(fù)合介質(zhì)板作為天線的蓋板， 所述的第二層復(fù)合介質(zhì)板上印制有高頻輻射貼片，用于接收高頻段的GNSS信號，該高頻輻 射貼片的工作頻率為1575.42MHz和1561.098MHz;所述的第三層復(fù)合介質(zhì)板上印制有低頻 輻射貼片，用于接收低頻段的GNSS信號，該低頻輻射貼片的工作頻率為1227.6MHz和 1207.14MHz，所述的第四層復(fù)合介質(zhì)板上印制有饋電網(wǎng)絡(luò)，并與第五層復(fù)合介質(zhì)板共同組 成帶狀線饋電網(wǎng)絡(luò);所述定位天線和電離層掩星天線中的高頻輻射貼片和低頻輻射貼片均 附有單一陣元;所述大氣掩星天線的高頻輻射貼片和低頻輻射貼片均附有4個陣元組成的1 X 4高增益陣列天線。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的GNSS無線電掩星探測儀，其特征在于，所述的1X4高增益陣列 天線中所有陣元輸入的功率均相等，且相鄰的兩個陣元之間相差保持恒定，形成線性相位 漸變等間距線陣，所述相鄰的兩個陣元之間相差的計算公式為：其中，d為相鄰陣元的間距，Θ表示掃描角度，λ為接收頻率對應(yīng)的自由空間波長， 夂=Xg表不復(fù)合介質(zhì)板的介質(zhì)波長，ε γ表不復(fù)合介質(zhì)板的介電常數(shù)。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的GNSS無線電掩星探測儀，其特征在于，所述的射頻單元包括： 低噪聲放大器和射頻濾波器;所述的低噪聲放大器用于將定位天線、大氣掩星天線和電離 層掩星天線接收的GNSS信號進(jìn)行放大，并通過射頻濾波器進(jìn)行射頻濾波。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的GNSS無線電掩星探測儀，其特征在于，所述的掩星處理單元包 括：中頻處理電路和基帶處理電路； 所述的中頻處理電路包括：混頻器、中頻濾波器和AGC放大器，所述的混頻器用于將射 頻信號下變頻至中頻信號，并通過中頻濾波器將該中頻信號進(jìn)行濾波處理，所述的AGC放大 器用于將濾波后的中頻信號進(jìn)行放大處理后輸出至基帶處理電路； 所述的基帶處理電路包括:AD轉(zhuǎn)換器、FPGA芯片和DSP芯片，所述的AD轉(zhuǎn)換器將AGC放大 器輸出的中頻信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號后，通過DSP芯片控制FPGA芯片對該數(shù)字信號進(jìn)行捕獲 和跟蹤，對跟蹤后的信號進(jìn)行偽距、載波相位測量，并解算出衛(wèi)星位置及速度信息。
【文檔編號】G01S19/33GK105891856SQ201610212977
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2016年4月7日
【發(fā)明人】杜起飛, 孫越強, 白偉華, 王先毅, 王冬偉, 蔡躍榮, 吳迪, 孟祥廣, 李偉, 吳春俊, 柳聰亮, 劉成, 夏俊明
【申請人】中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心