彭旭飛，李立功

(中國航空工業(yè)集團(tuán)公司西安飛行自動控制研究所，西安 710065)

【信息科學(xué)與控制工程】

北斗2機(jī)載雙天線定向接收機(jī)研究與設(shè)計

彭旭飛，李立功

(中國航空工業(yè)集團(tuán)公司西安飛行自動控制研究所，西安 710065)

針對使用北斗二代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)飛機(jī)航向確定的接收機(jī)尚無實(shí)際應(yīng)用，提出了一種機(jī)載雙天線定向接收機(jī)；首先介紹了雙天線定向原理，從射頻前端處理、基帶數(shù)字信號處理、定位測向解算模塊等方面分析了適用于北斗二代信號體制的接收機(jī)設(shè)計方案，研究了基于LAMBDA算法的載波相位雙差定向算法；最后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明接收機(jī)平均定向精度可達(dá)0.121°/m，可以滿足飛機(jī)定向應(yīng)用要求。

衛(wèi)星導(dǎo)航；衛(wèi)星定向；載波相位差分；衛(wèi)星接收機(jī)本文引用格式：彭旭飛，李立功.北斗2機(jī)載雙天線定向接收機(jī)研究與設(shè)計[J].兵器裝備工程學(xué)報，2017(5):110-113.

飛機(jī)的航向是指從所取基準(zhǔn)線北端沿順時針方向至飛機(jī)縱軸在水平面上的投影間的夾角。常用定向算法有：幾何定向法、天文定向法、陀螺經(jīng)緯儀定向法、磁定向法、衛(wèi)星定向法。衛(wèi)星定向技術(shù)是由衛(wèi)星導(dǎo)航定位派生出來的新技術(shù)，與上述其他定向技術(shù)相比具有初始化時間短、體積小、重量輕、精度高、成本低等多種優(yōu)點(diǎn)[1]。為此，國內(nèi)外眾多學(xué)者研究了基于GPS的火炮[2]、船舶[3]的精密定位測向系統(tǒng)，并提出附有基線長度約束的定向算法[4-5]。但是，這些精密測向系統(tǒng)都是基于GPS，隨著中國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)不斷建設(shè)組網(wǎng)并已具備覆蓋亞太的區(qū)域?qū)Ш侥芰6]，為使用北斗二代實(shí)現(xiàn)精密定向提供了保證。

在此基礎(chǔ)上，本文對基于北斗二代的雙天線定向接收機(jī)的硬件模塊，定向算法進(jìn)行研究并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明接收機(jī)定向時間和精度可以滿足航空應(yīng)用的要求。

1 雙天線定向原理

衛(wèi)星定向技術(shù)是通過實(shí)時觀測相互獨(dú)立的接收機(jī)的載波相位信號，確定載體本體坐標(biāo)系與當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)系之間的角度差，從而給出載體的航向角[7]衛(wèi)星定向原理如圖1所示，其中主副天線所構(gòu)成的基線矢量位于以主天線為原點(diǎn)建立起來的東北天坐標(biāo)系中。航向角α代表基線矢量偏離正北方向的角度(偏東為正)，俯仰角β代表基線矢量偏離地平面的角度(偏上為正)。當(dāng)計算出兩個天線之間的基線矢量(δx,δy,δz)，則可以通過式(1)和式(2)計算出航向角α及俯仰角β。

(1)

(2)

利用衛(wèi)星載波相位差分可以達(dá)到厘米級甚至是毫米級的相對定位精度，因此可通過構(gòu)建雙差觀測方程，求解出整周模糊度之后，即可計算出雙天線之間的基線矢量(δx,δy,δz)。具體定向算法在2.3節(jié)中進(jìn)行詳細(xì)介紹。

圖1 衛(wèi)星定向原理

2 接收機(jī)設(shè)計方案

如圖2所示，根據(jù)北斗定向接收機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)沿其工作流程的先后順序，通常分為射頻前端處理、基帶數(shù)字信號處理和定位測向解算三大功能模塊。

圖2 北斗定向型接收機(jī)功能模塊

2.1 射頻前端處理

射頻前端信號處理單元通過射頻前放大、下變頻，將射頻信號轉(zhuǎn)換為中頻信號，再經(jīng)過A/D采樣轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。其中，中頻信號頻率是接收機(jī)設(shè)計的重要參數(shù)，會對接收機(jī)后端A/D采用頻率范圍和接收機(jī)數(shù)字處理方案造成影響[8]。因此，射頻前端處理單元的設(shè)計應(yīng)考慮以下幾點(diǎn)：

1) 北斗接收機(jī)最大信號帶寬為20.46 MHz(B3)，為使得可同時處理B1、B2、B3不同帶寬的射頻信號，故中頻頻率的選擇應(yīng)以20.46 MHz為最大信號帶寬。

2) 采用I/Q復(fù)信號雙通道輸出模式，采用這種信號輸出方式使得A/D采樣頻率與中頻頻率無關(guān)，在滿足A/D采樣頻率大于信號帶寬的前提下，對于中頻頻率的選擇較為靈活。

2.2 基帶數(shù)字信號處理

基帶數(shù)字信號處理通過處理射頻前端所輸出的數(shù)字中頻信號，復(fù)制出與接收到的衛(wèi)星信號一致的本地載波和本地偽碼信號，實(shí)現(xiàn)對北斗信號的捕獲與跟蹤。一方面，接收機(jī)通過載波跟蹤環(huán)路不斷調(diào)整其內(nèi)部所復(fù)制的載波，使復(fù)制載波頻率(或相位)與數(shù)字中頻信號中的載波頻率(或相位)保持一致，通過下變頻混頻實(shí)現(xiàn)載波剝離；另一方面，接收機(jī)通過碼跟蹤環(huán)路，不斷調(diào)整其內(nèi)部復(fù)制的偽碼，使復(fù)制偽碼的相位與數(shù)字中頻信號中的偽碼相位保持一致，然后通過碼相關(guān)運(yùn)算實(shí)現(xiàn)偽碼剝離，進(jìn)而解調(diào)出導(dǎo)航電文。

2.2.1 信號捕獲

信號捕獲是從偽碼、多普勒頻移、偽碼相位三維進(jìn)行搜索，一旦在捕獲過程中偵測到衛(wèi)星信號的存在，就可得到衛(wèi)星信號、多普勒頻移及偽碼信號。捕獲過程如圖3所示。

中頻數(shù)字信號和本地載波的正余弦分量混頻后得到I和Q兩路分量，然后再分別和本地偽碼做相關(guān)運(yùn)算，經(jīng)過積分器的相干積分分別給出各自的積分結(jié)果I(t)與Q(t)，再做非相干積分得到信號的模并進(jìn)行閾值判斷。

圖3 捕獲的過程

2.2.2 信號跟蹤

信號的捕獲存在誤差，其精度不足以實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航電文的解調(diào)。為得到精確的衛(wèi)星信息，需進(jìn)行后續(xù)的跟蹤環(huán)節(jié)，使得解調(diào)數(shù)據(jù)進(jìn)入穩(wěn)定的跟蹤狀態(tài)。設(shè)置載波環(huán)和碼環(huán)分別實(shí)現(xiàn)對載波和偽碼的跟蹤，跟蹤過程如圖4所示。

圖4 跟蹤環(huán)路工作過程

同相載波和中間載波與中間碼積分后，輸出到載波環(huán)路鑒相器，得到誤差信號，然后通過載波環(huán)路濾波器反饋到偽碼發(fā)生器，控制本地載波調(diào)整，實(shí)現(xiàn)載波環(huán)的跟蹤。同相載波和中間載波與超前碼和滯后碼積分后，通過偽碼鑒相器得到誤差信號，然后通過碼環(huán)濾波器反饋到偽碼發(fā)生器，調(diào)整本地偽碼，實(shí)現(xiàn)碼環(huán)跟蹤。

2.3 定位測向解算

定位測向解算模塊通過基帶數(shù)字信號處理單元得到的載波相位觀測信號，構(gòu)建雙差載波相位觀測方程，求解出整周模糊度之后即可計算出主輔天線之間的基線向量，進(jìn)而得到測向信息。

2.3.1 構(gòu)建雙差載波相位觀測方程

如圖5所示，衛(wèi)星的位置分別為(xi,yi,zi)、(xj,yj,zj)，主天線的位置為(xr,yr,zr)，副天線的位置為(xu,yu,zu)，主副天線的位置偏差為

(3)

衛(wèi)星i到主天線r的距離為

(4)

衛(wèi)星i到副天線u的距離為

(5)

圖5 單差、雙差示意圖

(6)

?。?/p>

故：

(7)

主副天線的載波相位觀測方程為[10]

(8)

(9)

對上式做單差，并在短基線情況下忽略電離層誤差與對流層誤差，可得：

(10)

在衛(wèi)星i，j的單差載波相位測量值之間再做一次差分，進(jìn)一步消除測量值中的接收機(jī)鐘差，可得雙差載波相位觀測方程：

(11)

2.3.2 整周模糊度求解

載波相位差分的關(guān)鍵在于快速準(zhǔn)確地求解出整周模糊度。常用算法有FARA法、Cholesky分解法、LAMBDA算法等，其中LAMBDA算法[11]理論體系完整，其中的降相關(guān)過程可以大幅降低模糊度間的相關(guān)性，改善搜索空間結(jié)構(gòu)，提升搜索效率。此外，在機(jī)載雙天線定向系統(tǒng)中，兩個天線固連在剛性載體上，基線長度固定不變，因此采用附有基線約束的LAMBDA算法求解整周模糊度。

當(dāng)兩個接收機(jī)同時觀測M顆衛(wèi)星，可形成(M-1)個獨(dú)立的觀測值。在求解整周模糊度時，首先不考慮其整型約束，使用最小二乘和卡爾曼濾波法求得模糊度浮點(diǎn)解及其協(xié)方差陣。

當(dāng)整周模糊度浮點(diǎn)解和協(xié)方差陣確定之后，附有基線長度的模糊度目標(biāo)函數(shù)為

(12)

其中n為整周模糊度浮點(diǎn)解歷元個數(shù)；k1、k2為歷元節(jié)點(diǎn)，k1和k2的值可以根據(jù)搜索算法所需的最少歷元確定。根據(jù)LAMBDA算法求解目標(biāo)函數(shù)，即可得到整周模糊度固定解。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

本文對該北斗雙天線定向接收機(jī)的功能及性能進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。在周圍無明顯多徑和遮擋條件下，將天線置于A，B，C三點(diǎn)，構(gòu)成一個三角形，試驗(yàn)天線部署如圖6所示。

圖6 實(shí)驗(yàn)天線部署

如圖7所示，通過試驗(yàn)獲取各角度的測量數(shù)據(jù)，計算該模塊的定向精度。

圖7 三角形測試示意圖

根據(jù)幾何理論，θA+θB+θC=180°，則關(guān)于絕對基準(zhǔn)180°的測量誤差為

(12)

統(tǒng)計得υ樣本標(biāo)準(zhǔn)差συ，則雙天線定向誤差1-σ標(biāo)準(zhǔn)差為

(13)

反復(fù)開機(jī)10次，計算測向系統(tǒng)的航向標(biāo)準(zhǔn)差以及換算為基線長度1 m時的航向精度，結(jié)果如表1所示。

表1 航向標(biāo)準(zhǔn)差及航向精度

由結(jié)果可知，測向系統(tǒng)的航向精度在0.101°/m～0.157°/m，平均航向精度為0.121°/m。精度較高，可以滿足航空定向的要求。

4 結(jié)論

本文為使用北斗二代實(shí)現(xiàn)精密定向，研究設(shè)計了一種基于北斗二代的雙天線定向型接收機(jī)。首先介紹了雙天線定向的基本原理，然后從射頻前端處理、基帶數(shù)字信號處理、定位測向解算介紹了接收機(jī)的設(shè)計方案，最后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，經(jīng)過統(tǒng)計計算，該定向型接收機(jī)的平均航向精度可達(dá)0.121°/m，可以滿足航空定向的要求。

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(責(zé)任編輯 楊繼森)

Research and Design of Onboard Double Antenna Orientation BD2 Receiver

PENG Xu-fei, LI Li-gong

(Xi’an Flight Automatic Control Research Institute of Aviation Industry Corporation of China, Xi’an 710065, China)

According to the fact that the receiver which utilize BD2 satellite navigation system to determine the orientation of aircraft have not put into practical application, this paper presented an onboard double antenna orientation receiver. First of all, the principle of double-antenna orientation was introduced. The receiver design scheme which is adapt to BD2 signal system was introduced from RF front-end processing unit, baseband digital signal processing unit and position/orientation determination module three aspects. What’s more, carrier phase double differential algorithm based on LAMBDA was researched and designed. Finally, examination was carried out. The result shows that average orientation accuracy of receiver is 0.121°/m, which meets the requirement of aircraft orientation.

satellite navigation; satellite orientation; carrier phase differential; satellite receiver

2016-12-18；

2017-01-20 基金項(xiàng)目：國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(863計劃)項(xiàng)目(2012AA7053029)

彭旭飛(1991—)，男，碩士，工程師，主要從事導(dǎo)航制導(dǎo)與控制研究。

10.11809/scbgxb2017.05.025

format:PENG Xu-fei, LI Li-gong.Research and Design of Onboard Double Antenna Orientation BD2 Receiver[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(5):110-113.

V249.3

A

2096-2304(2017)05-0110-04