一种北斗卫星导航系统选星定位设备的制作方法

本发明属于卫星导航技术领域，具体涉及一种北斗卫星导航系统选星定位设备。

背景技术：

全球卫星导航系统已经成为了国家非常重要的信息基础设施，在某些重要领域如依赖国外卫星导航系统，一旦出现紧急情况或重大利益冲突，整个国家的国防军事以及社会经济安全都将受到威胁，这对国家利益的影响将是惨重的。因此，北斗卫星导航系统应运而生。它的诞生，使得我国在一些特殊的场合不再受制于国外卫星系统，无论在军事战略还是日常生活中都对我国具有非常重大的意义。

北斗卫星导航系统是我国自主研制的，目前已经可为亚洲和太平洋地区提供无源定位、授时、导航服务。预计在未来二十年内，北斗卫星导航系统将逐渐成长为覆盖全球的卫星导航系统。可以预见的到，关系到国防军事方面将最先普及北斗导航应用，随着北斗导航系统逐渐完善和成熟，再普及到各类民用方面，最终成为普及度非常高的成熟的全球卫星定位导航系统，并拉动北斗产业的蓬勃发展。

为了能够正确接收并解调北斗导航卫星信号，研制北斗用户终端，就必须掌握如扩频测距码、导航电文格式、导航电文参数及算法等接口的相关参数，进而进行定位和导航，而这些内容构成了北斗空间信号接口控制（icd）文件。2012年12月，北斗icd文件正式公布，使得相关的接口特征和参数公开化，降低了北斗终端的开发成本及难度，北斗终端的研发的方向性更加明确，研制的思路步骤也更加清晰。依靠强大的市场需求及政府部门的支持，国内外对北斗导航系统感兴趣的厂商均可对北斗客户终端进行相关产品的开发，这标志着北斗导航系统的客户终端将向通用化、开放化、高速和网络化方向发展。

北斗导航接收机将会成为北斗产业中应用面最广、生产量最大的技术产品，它的性能高低将直接影响到北斗卫星导航系统的普及度。然而对于大多数厂商来说，北斗导航包含5颗geo地球同步静止轨道卫星，以及igso和meo卫星，在中国的某一时刻可能跟踪到14颗及以上北斗卫星，对于运算处理能力有限的小型接收机来说，无疑制约着接收机实时性定位解算性能。

因此，有必要提出一种北斗卫星导航系统选星定位设备，降低接收机信号处理和信息融合解算过程中的运算复杂度以及提高小型接收机实时性pvt定位解算性能，并成为了一种新的技术需求。

技术实现要素：

（一）要解决的技术问题

为了解决现有技术存在的上述问题，本发明提供了一种北斗卫星导航系统选星定位设备。该设备采用时频二维fft信号捕获、高阶环路跟踪、比特及帧同步等信号处理技术，结合北斗可见卫星预测、失锁重捕、北斗快速选星、最小二乘信息解算技术，通过北斗快速选星技术能够降低北斗导航接收机信息解算过程中跟踪卫星的通道数，极大降低了接收机处理器的运行空间及存储空间需求，进一步降低了接收机运算处理时间，提高了接收机实时性pvt定位解算性能。

（二）技术方案

本发明提出了一种北斗卫星导航系统选星定位设备，该设备包括北斗信号处理单元a和北斗信息解算单元b，其中所述北斗信号处理单元a用于接收北斗卫星导航系统b1和b2频点信号，并完成由射频到中频信号的前置放大、带通滤波、模数转换及自动增益控制，所述北斗信息解算单元b用于根据北斗icd文档计算卫星在cgcs2000坐标系下位置速度信息、并完成北斗可见卫星预测、北斗信号失锁重捕、北斗快速选星及最小二乘定位解算。

优选的，所述北斗信号处理单元a包括北斗天线a01、中频模块a02、滤波器a03、放大器a04、自动增益控制器a05、中频信号采集器a06、伪随机码发生器a07、nco控制器a08、混频器ia09，相关器ia10、混频器qa11、相关器qa12、时频二维fft模块a13、捕获控制模块a14、跟踪模块a15、同步模块a16、导航电文提取模块a17。

优选的，所述北斗天线a01用于接收北斗卫星导航系统b1和b2频点信号，并将接收到的信号传输至中频模块a02。

进一步的，所述中频模块a02包括前置放大器、下变频器和a/d转换器。

优选的，所述中频模块a02连接至滤波器a03，其中滤波器a03采用带通滤波器，过滤掉北斗卫星导航信号带外噪声。

优选的，所述滤波器a03连接至放大器a04，所述放大器a04将通过带通滤波器后的北斗导航信号进一步放大。

优选的，所述放大器a04连接至自动增益控制器a05，所述自动增益控制器a05用于将北斗导航信号强度控制在适当范围内，防止北斗导航信号强度落入放大器的非线性区。

优选的，所述自动增益控制器a05连接至中频信号采集器a06，所述中频信号采集器a06将北斗天线a01所接收的北斗卫星导航系统b1和b2频点信号转换为数字中频信号，实现模数转换及下变频滤波放大处理。

优选的，所述中频信号采集器a06同时连接至混频器ia09和混频器qa11，用于将北斗导航信号与本地产生的正弦余弦码表进行混频运算。

进一步的，所述混频器ia09与所述nco控制器a08产生的正弦表连接，所述混频器qa11与所述nco控制器a08产生的余弦表连接，用于将本地nco控制器a08产生的正弦余弦码表与中频信号采集器a06的北斗导航信号混频运算。

优选的，所述混频器ia09与相关器ia10连接，所述混频器qa11与相关器qa12连接，伪随机码发生器a07产生的北斗伪随机码同时与相关器ia10和相关器qa12连接，用于相关消除所接收的北斗卫星信号中的伪随机码。

优选的，所述相关器ia10和相关器qa12同时连接至时频二维fft模块a13，通过时域和频域两个维度进行北斗导航信号的信号捕获处理。

进一步的，所述时频二维fft模块a13连接至捕获控制模块a14，所述捕获控制模块a14根据时频二维fft模块a13相关运算后的结果与预先设置的阈值比较，时频二维fft模块a13相关运算后的结果超过阈值后则证明北斗导航信号捕获成功，否则移动本地伪随机码发生器a07产生的北斗伪随机码的码片，重新进行时频二维fft捕获，直至时频二维fft模块a13相关运算后的结果超过阈值门限则进行北斗导航信号跟踪处理。

优选的，所述捕获控制模块a14连接至跟踪模块a15，采用锁频环辅助锁相环的方式进行北斗导航信号跟踪。

优选的，所述跟踪模块a15连接至同步模块a16，所述同步模块a16先进行比特同步然后进行子帧同步处理。

优选的，所述同步模块a16连接至导航电文提取模块a17，根据北斗icd文件和同步模块a16输出的比特流进行北斗卫星的星历信息进行导航电文提取。

优选的，所述北斗信息解算单元b包括导航星历提取模块b01、卫星信息计算模块b02、预测可见卫星模块b03、失锁重捕模块b04、搜星切换模块b05、北斗快速选星模块b06、最小二乘解算模块b07和输出显示模块b08。

优选的，所述导航星历提取模块b01连接至卫星信息计算模块b02，用于接收北斗信号处理单元a中导航电文提取模块a17的比特流导航信息，并根据北斗icd文件进行接收机捕获跟踪上的北斗卫星导航星历提取，获取北斗卫星开普勒轨道参数和伪距、伪距率量测值。

优选的，所述卫星信息计算模块b02连接至预测可见卫星模块b03，用于计算接收机捕获跟踪上的卫星在北斗坐标系cgcs2000下的卫星空间位置和运行速度信息。

进一步的，所述预测可见卫星模块b03根据接收机预先存储的本地位置和星历信息，可进行预测目前接收机可见卫星的prn号和位置，利于接收机通道直接捕获可见卫星，节省接收机冷启动时间。

优选的，所述预测可见卫星模块b03连接至失锁重捕模块b04，其中所述失锁重捕模块b04用于在接收机遇到信号遮挡或者经过隧道等信号丢失情况下，能够直接重新捕获失锁前的卫星信号，避免循环搜索下一颗卫星，进一步节省接收机捕获跟踪可见卫星信号的时间。

优选的，所述失锁重捕模块b04连接至搜星切换模块b05，其中搜星切换模块b05用于接收机捕获特定prn号卫星失败时，证明此时接收机可见卫星中并没有特定prn号，则通过搜星切换模块b05切换到下一号prn卫星，进行重新捕获。

优选的，所述搜星切换模块b05连接至北斗快速选星模块b06，其中北斗快速选星模块b06用于接收机从众多的北斗可见卫星中选择特定数量的可见卫星进行接收机定位解算，通过确定数量的北斗可见卫星，能够节省接收机信息解算单元的程序空间，同时降低了接收机信息解算单元的计算复杂度，提高了接收机定位解算效率。

进一步的，所述北斗快速选星模块b06中确定数量的北斗可见卫星数量是7颗或者8颗或者9颗，根据接收机实际性能进行确定。

优选的，所述北斗快速选星模块b06连接至最小二乘解算模块b07，其中最小二乘解算模块b07利用北斗快速选星模块b06选择的北斗可见卫星，提取出北斗卫星的空间位置和运动速度信息，同时结合相应的伪距、伪距率信息，最后通过最小二乘法进行接收机定位解算，获取接收机的本地位置、速度、接收机钟差和接收机钟漂信息。

优选的，所述最小二乘解算模块b07连接至输出显示模块b08，其中输出显示模块b08通过显示模块输出最小二乘解算模块b07计算出的接收机本地位置、速度、接收机钟差和接收机钟漂信息。

（三）有益效果

本发明能够产生积极的有益效果，该设备采用时频二维fft信号捕获、高阶环路跟踪、比特及帧同步等信号处理技术，结合北斗可见卫星预测、失锁重捕、北斗快速选星、最小二乘信息解算技术，通过北斗快速选星技术能够降低北斗导航接收机信息解算过程中跟踪卫星的通道数，极大降低了接收机处理器的运行空间及存储空间需求，进一步降低了接收机运算处理时间，提高了接收机实时性pvt定位解算性能。

附图说明

图1显示了本发明优选实施例的北斗卫星导航系统选星定位设备整体示意图；

图2显示了本发明优选实施例的北斗卫星导航系统信号处理原理示意图；

图3显示了本发明优选实施例的北斗卫星导航系统信息解算原理示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

图1显示了本发明优选实施例的北斗卫星导航系统选星定位设备整体示意图。

如图1所示，本发明优选实施例的北斗卫星导航系统选星定位设备包括北斗信号处理单元a和北斗信息解算单元b。其中所述北斗信号处理单元a用于接收北斗卫星导航系统b1和b2频点信号，并完成由射频到中频信号的前置放大、带通滤波、模数转换及自动增益控制，所述北斗信息解算单元b用于根据北斗icd文档计算卫星在cgcs2000坐标系下位置速度信息、并完成北斗可见卫星预测、北斗信号失锁重捕、北斗快速选星及最小二乘定位解算。

北斗信号处理单元a包括北斗天线a01、中频模块a02、滤波器a03、放大器a04、自动增益控制器a05、中频信号采集器a06、伪随机码发生器a07、nco控制器a08、混频器ia09，相关器ia10、混频器qa11、相关器qa12、时频二维fft模块a13、捕获控制模块a14、跟踪模块a15、同步模块a16、导航电文提取模块a17。

北斗信息解算单元b包括导航星历提取模块b01、卫星信息计算模块b02、预测可见卫星模块b03、失锁重捕模块b04、搜星切换模块b05、北斗快速选星模块b06、最小二乘解算模块b07和输出显示模块b08。

图2显示了本发明优选实施例的北斗卫星导航系统信号处理原理示意图。

如图2所示，本发明优选实施例的北斗卫星导航系统信号处理单元a包括北斗天线a01、中频模块a02、滤波器a03、放大器a04、自动增益控制器a05、中频信号采集器a06、伪随机码发生器a07、nco控制器a08、混频器ia09，相关器ia10、混频器qa11、相关器qa12、时频二维fft模块a13、捕获控制模块a14、跟踪模块a15、同步模块a16、导航电文提取模块a17。本发明具体实施例中，所述北斗天线a01用于接收北斗卫星导航系统b1和b2频点信号，并将接收到的信号传输至中频模块a02。所述中频模块a02包括前置放大器、下变频器和a/d转换器。所述中频模块a02连接至滤波器a03，其中滤波器a03采用带通滤波器，过滤掉北斗卫星导航信号带外噪声。所述滤波器a03连接至放大器a04，所述放大器a04将通过带通滤波器后的北斗导航信号进一步放大。所述放大器a04连接至自动增益控制器a05，所述自动增益控制器a05用于将北斗导航信号强度控制在适当范围内，防止北斗导航信号强度落入放大器的非线性区。所述自动增益控制器a05连接至中频信号采集器a06，所述中频信号采集器a06将北斗天线a01所接收的北斗卫星导航系统b1和b2频点信号转换为数字中频信号，实现模数转换及下变频滤波放大处理。其中北斗卫星导航系统b1频点信号载波标称频率为1561.098mhz，北斗卫星导航系统b2频点信号载波标称频率为1207.140mhz。所述中频信号采集器a06同时连接至混频器ia09和混频器qa11，用于将北斗导航信号与本地产生的正弦余弦码表进行混频运算。所述混频器ia09与所述nco控制器a08产生的正弦表连接，所述混频器qa11与所述nco控制器a08产生的余弦表连接，用于将本地nco控制器a08产生的正弦余弦码表与中频信号采集器a06的北斗导航信号混频运算。所述混频器ia09与相关器ia10连接，所述混频器qa11与相关器qa12连接，伪随机码发生器a07产生的北斗伪随机码同时与相关器ia10和相关器qa12连接，用于相关消除所接收的北斗卫星信号中的伪随机码。所述相关器ia10和相关器qa12同时连接至时频二维fft模块a13，通过时域和频域两个维度进行北斗导航信号的信号捕获处理。所述时频二维fft模块a13连接至捕获控制模块a14，所述捕获控制模块a14根据时频二维fft模块a13相关运算后的结果与预先设置的阈值比较，时频二维fft模块a13相关运算后的结果超过阈值后则证明北斗导航信号捕获成功，否则移动本地伪随机码发生器a07产生的北斗伪随机码的码片，重新进行时频二维fft捕获，直至时频二维fft模块a13相关运算后的结果超过阈值门限则进行北斗导航信号跟踪处理。所述捕获控制模块a14连接至跟踪模块a15，采用锁频环辅助锁相环的方式进行北斗导航信号跟踪。所述跟踪模块a15连接至同步模块a16，所述同步模块a16先进行比特同步然后进行子帧同步处理。所述同步模块a16连接至导航电文提取模块a17，根据北斗icd文件和同步模块a16输出的比特流进行北斗卫星的星历信息进行导航电文提取，最后将提取出的北斗卫星导航电文传输至信息解算单元b，最后实现接收机定位解算。

图3显示了本发明优选实施例的北斗卫星导航系统信息解算原理示意图。

如图3所示，本发明优选实施例的北斗卫星导航系统信息解算单元b包括导航星历提取模块b01、卫星信息计算模块b02、预测可见卫星模块b03、失锁重捕模块b04、搜星切换模块b05、北斗快速选星模块b06、最小二乘解算模块b07和输出显示模块b08。所述导航星历提取模块b01连接至卫星信息计算模块b02，用于接收北斗信号处理单元a中导航电文提取模块a17的比特流导航信息，并根据北斗icd文件进行接收机捕获跟踪上的北斗卫星导航星历提取，获取北斗卫星开普勒轨道参数和伪距、伪距率量测值。所述卫星信息计算模块b02连接至预测可见卫星模块b03，用于计算接收机捕获跟踪上的卫星在北斗坐标系cgcs2000下的卫星空间位置和运行速度信息。所述预测可见卫星模块b03根据接收机预先存储的本地位置和星历信息，可进行预测目前接收机可见卫星的prn号和位置，利于接收机通道直接捕获可见卫星，节省接收机冷启动时间。所述预测可见卫星模块b03连接至失锁重捕模块b04，其中所述失锁重捕模块b04用于在接收机遇到信号遮挡或者经过隧道等信号丢失情况下，能够直接重新捕获失锁前的卫星信号，避免循环搜索下一颗卫星，进一步节省接收机捕获跟踪可见卫星信号的时间。所述失锁重捕模块b04连接至搜星切换模块b05，其中搜星切换模块b05用于接收机捕获特定prn号卫星失败时，证明此时接收机可见卫星中并没有特定prn号，则通过搜星切换模块b05切换到下一号prn卫星，进行重新捕获。所述搜星切换模块b05连接至北斗快速选星模块b06，其中北斗快速选星模块b06用于接收机从众多的北斗可见卫星中选择特定数量的可见卫星进行接收机定位解算，通过确定数量的北斗可见卫星，能够节省接收机信息解算单元的程序空间，同时降低了接收机信息解算单元的计算复杂度，提高了接收机定位解算效率。所述北斗快速选星模块b06中确定数量的北斗可见卫星数量是7颗或者8颗或者9颗，根据接收机实际性能进行确定。所述北斗快速选星模块b06连接至最小二乘解算模块b07，其中最小二乘解算模块b07利用北斗快速选星模块b06选择的北斗可见卫星，提取出北斗卫星的空间位置和运动速度信息，同时结合相应的伪距、伪距率信息，最后通过最小二乘法进行接收机定位解算，获取接收机的本地位置、速度、接收机钟差和接收机钟漂信息。所述最小二乘解算模块b07连接至输出显示模块b08，其中输出显示模块b08通过显示模块输出最小二乘解算模块b07计算出的接收机本地位置、速度、接收机钟差和接收机钟漂信息。

应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。