一种GNSS无线电掩星探测仪

摘要

本发明提供了一种GNSS无线电掩星探测仪，包括：定位天线、掩星接收天线、射频单元和掩星处理单元；所述的射频单元用于将定位天线、大气掩星天线和电离层掩星天线接收的GNSS信号进行放大、射频滤波处理后，将生成的射频信号输入至掩星处理单元；所述的掩星处理单元通过接收的射频信号进行信号捕获和跟踪，并利用跟踪后的信号计算获得卫星位置及速度信息，以及GNSS信号的载波相位；所述的定位天线、大气掩星天线、电离层掩星天线均采用双频层叠式微带天线，以分别覆盖GNSS卫星中GPS系统和BDS系统的高、低两个工作频段。本发明的GNSS无线电掩星探测仪实现了GPS和BDS导航系统的兼容，提高了探测能力。

说明书

技术领域

本发明涉及空间探测仪器领域，具体涉及一种GNSS无线电掩星探测仪。

背景技术

星载GNSS无线电掩星探测仪通过低轨卫星接收来自GNSS卫星发射的GNSS信号，该信号穿过大气和电离层，会产生附加的相位延迟。然后，接收机通过测量该附加相位延迟，再通过地面反演，最终可以获得信号传输路径的大气温湿压廓线和电离层电子密度廓线。

GNSS无线电掩星探测仪通常由定位信号接收处理和掩星信号接收处理两大功能组成。掩星信号一般是通过预测来进行捕获和跟踪的，掩星预测需要知道探测仪的位置信息，另外地面反演获得大气和电离层附加相位延迟，也需准确知道探测仪的精确位置信息，因此定位信号接收处理是探测仪必不可少的功能。根据低轨卫星以及GNSS卫星之间的相对运动特点，掩星信号接收天线一般放置在前进方向及其反方向上。随着两颗星的相对运动，GNSS卫星由可视逐渐运动至被地球遮挡的位置，或是由被地球遮挡逐渐运动至可视的位置，在此运动过程中存在一段时间的GNSS信号穿过地球的大气和电离层，经过折射到达低轨卫星上的掩星探测仪上。

但是，现有的GNSS无线电掩星探测仪受自身结构的局限性设计，只能接收某一单独的GNSS系统所发射的信号，而无法实现多个GNSS系统的兼容，特别是针对GPS系统及我国发明的BDS系统之间的兼容问题。

发明内容

本发明的目的在于，为解决现有的GNSS无线电掩星探测仪无法同时兼容GPS系统与BDS系统的技术问题，提供一种用于大气和电离层廓线探测的GNSS无线电掩星探测仪，适用于星载GNSS无线电掩星探测领域。该探测仪能够兼容GPS和BDS导航系统，其探测能力较单一采用GPS系统相比提高较大。

为实现上述目的，本发明提供的一种GNSS无线电掩星探测仪，包括：定位天线、掩星接收天线、射频单元和掩星处理单元；所述的定位天线用于探测并接收GNSS卫星发射的来自天顶的GNSS信号，所述的掩星接收天线包括大气掩星天线和电离层掩星天线，所述的大气掩星天线和电离层掩星天线分别用于探测并接收GNSS卫星发射 的穿过大气和电离层的GNSS信号；所述的射频单元用于将定位天线、大气掩星天线和电离层掩星天线接收的GNSS信号进行放大、射频滤波处理后，将生成的射频信号输入至掩星处理单元；所述的掩星处理单元通过接收的射频信号进行信号捕获和跟踪，并利用跟踪后的信号计算获得卫星位置及速度信息，以及GNSS信号的载波相位；所述的定位天线、大气掩星天线、电离层掩星天线均采用双频层叠式微带天线，以分别覆盖GNSS卫星中GPS系统和BDS系统的高、低两个工作频段。

作为上述技术方案的进一步改进，所述的定位天线、大气掩星天线、电离层掩星天线均包括由上至下叠放的第一复合介质板、第二复合介质板、第三复合介质板、第四复合介质板和第五复合介质板；所述的第一复合介质板作为天线的盖板，所述的第二层复合介质板上印制有高频辐射贴片，用于接收高频段的GNSS信号，该高频辐射贴片的工作频率为1575.42MHz和1561.098MHz；所述的第三层复合介质板上印制有低频辐射贴片，用于接收低频段的GNSS信号，该低频辐射贴片的工作频率为1227.6MHz和1207.14MHz，所述的第四层复合介质板上印制有馈电网络，并与第五层复合介质板共同组成带状线馈电网络；所述定位天线和电离层掩星天线中的高频辐射贴片和低频辐射贴片均附有单一阵元；所述大气掩星天线的高频辐射贴片和低频辐射贴片均附有4个阵元组成的1×4高增益阵列天线。

作为上述技术方案的进一步改进，所述的1×4高增益阵列天线中所有阵元输入的功率均相等，且相邻的两个阵元之间相差保持恒定，形成线性相位渐变等间距线阵，所述相邻的两个阵元之间相差的计算公式为：

$\psi =\frac{2\pi }{\lambda }dcos\theta$

其中，d为相邻阵元的间距，θ表示扫描角度，λ为接收频率对应的自由空间波长，λ_g表示复合介质板的介质波长，ε_γ表示复合介质板的介电常数。

作为上述技术方案的进一步改进，所述的射频单元包括：低噪声放大器和射频滤波器；所述的低噪声放大器用于将定位天线、大气掩星天线和电离层掩星天线接收的GNSS信号进行放大，并通过射频滤波器进行射频滤波。

作为上述技术方案的进一步改进，所述的掩星处理单元包括：中频处理电路和基带处理电路；

所述的中频处理电路包括：混频器、中频滤波器和AGC放大器，所述的混频器用于将射频信号下变频至中频信号，并通过中频滤波器将该中频信号进行滤波处理，所述的AGC放大器用于将滤波后的中频信号进行放大处理后输出至基带处理电路；

所述的基带处理电路包括：AD转换器、FPGA芯片和DSP芯片，所述的AD转换器将AGC放大器输出的中频信号转换成数字信号后，通过DSP芯片控制FPGA芯片对该数字信号进行捕获和跟踪，对跟踪后的信号进行伪距、载波相位测量，并解算出卫星位置及速度信息。

本发明的一种GNSS无线电掩星探测仪的优点在于：

本发明的探测仪通过将定位天线、大气掩星天线及电离层掩星天线采用双频层叠式微带天线，以分别覆盖GNSS卫星中GPS系统和BDS系统的高、低两个工作频段，从而实现在GPS和BDS导航系统中同时获得信号传输路径的大气温湿压廓线和电离层电子密度廓线，提高了探测能力。

附图说明

图1为本发明实施例中的一种GNSS无线电掩星探测仪的系统组成框图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明所述的一种GNSS无线电掩星探测仪进行详细说明。

本发明的一种GNSS无线电掩星探测仪，包括：定位天线、掩星接收天线、射频单元和掩星处理单元；所述的定位天线用于探测并接收GNSS卫星发射的来自天顶的GNSS信号，所述的掩星接收天线包括大气掩星天线和电离层掩星天线，所述的大气掩星天线和电离层掩星天线分别用于探测并接收GNSS卫星发射的穿过大气和电离层的GNSS信号；所述的射频单元用于将定位天线、大气掩星天线和电离层掩星天线接收的GNSS信号进行放大、射频滤波处理后，将生成的射频信号输入至掩星处理单元；所述的掩星处理单元通过接收的射频信号进行信号捕获和跟踪，并利用跟踪后的信号计算获得卫星位置及速度信息，以及GNSS信号的载波相位；所述的定位天线、大气掩星天线、电离层掩星天线均采用双频层叠式微带天线，以分别覆盖GNSS卫星中GPS系统和BDS系统的高、低两个工作频段。

基于上述结构的GNSS无线电掩星探测仪，如图1所示，在本实施例中，所述的GNSS无线电掩星探测仪由三副天线、三台射频单元和一台掩星处理单元组成。三副天线分别为定位天线、前向掩星接收天线和后向掩星接收天线。三台射频单元分别为定位射频单元、前向掩星射频单元和后向掩星射频单元。

所述的前向掩星接收天线和后向掩星接收天线分别接收上升掩星信号和下降掩星信号，所述的上升掩星信号是指一开始被地球遮挡的GNSS卫星仰角为负角度，然 后仰角逐渐上升变大过程中的接收信号。所述的下降掩星信号是指运动的GNSS卫星仰角逐渐减小，最后被地球遮挡过程中的接收信号。例如：在由多颗卫星组成的GPS系统中，每颗卫星相对于定位和掩星天线的位置是实时变化的。如果卫星的仰角大于0°，为直接信号，由定位天线接收。如果仰角小于0°，为掩星信号，再通过方位角判断是用前向掩星接收天线还是后向掩星接收天线接收。

定位天线采用双频层叠式微带天线形式，可分别覆盖GPS及BDS系统的高、低两个频段。定位天线为单元天线，即只有一个辐射元的天线，采用右旋圆极化半球形方向图覆盖。右旋圆极化是指天线的极化方式，半球形方向图覆盖是指方向图形状，即指能够接收的空间范围。

GNSS无线电掩星探测仪包含两副完全相同的掩星接收天线，每副掩星接收天线由电离层掩星天线和大气掩星天线联合组成。电离层掩星天线用来接收穿过电离层的GNSS信号，大气掩星天线用来接收穿过大气层的GNSS信号。在本实施例中，电离层掩星天线为单元天线，与上述定位天线的结构相同。大气掩星天线是由4个单元组成的1×4高增益阵列天线，同时采用偏波束设计。

所有阵元输入的功率均相等，且相邻的两个阵元之间相差保持恒定，形成线性相位渐变等间距线阵，所述相邻的两个阵元之间相差的计算公式为：

$\psi =\frac{2\pi }{\lambda }dcos\theta$

其中，d为相邻阵元的间距，θ表示扫描角度，λ为接收频率对应的自由空间波长，λ_g表示复合介质板的介质波长，ε_γ表示复合介质板的介电常数。

所述的大气掩星天线和电离层掩星天线均采用双频层叠式微带天线。所述的双频层叠式微带天线由5层复合介质板和一层金属底板组成。由上至下叠放的第一复合介质板、第二复合介质板、第三复合介质板、第四复合介质板和第五复合介质板；所述的第一复合介质板作为天线的盖板，所述的第二层复合介质板上印制有高频辐射贴片，用于接收高频段的GNSS信号，该高频辐射贴片的工作频率为1575.42MHz和1561.098MHz；所述的第三层复合介质板上印制有低频辐射贴片，用于接收低频段的GNSS信号，该低频辐射贴片的工作频率为1227.6MHz和1207.14MHz，所述的第四层复合介质板上印制有馈电网络，并与第五层复合介质板共同组成带状线馈电网络；所述定位天线和电离层掩星天线中的高频辐射贴片和低频辐射贴片均附有单一阵元；所述的金属底板通过螺钉将各层复合介质板固定在一起。

所述的射频单元由低噪声放大器和射频滤波器组成。系统噪声系数主要取决于第一级放大器的噪声系数，GNSS无线电掩星探测仪的第一级放大器采用低噪声放大器，设计中采用的低噪声放大器为宽带放大器，覆盖1.2～1.6GHz，噪声系数小于1.0dB，增益大于30dB。射频滤波器功能是滤除镜像干扰，采用介质滤波器形式。所述的低噪声放大器和射频滤波器分别用于将定位天线、大气掩星天线和电离层掩星天线接收的GNSS信号进行放大和带外滤波。因为气象卫星一般较大，天线分别放置在不同的位置，天线到前级低噪声放大器的高频电缆长度越长，信号的衰减就越大，因此，将本可以放在主机内的“低噪声放大器和射频滤波器”独立出来，靠近天线安装，可以降低电缆的损耗。

所述的掩星处理单元由中频处理电路和基带处理电路组成。中频处理电路由混频器、中频滤波器、AGC放大器构成。所述的混频器用于将射频信号下变频至中频信号，并通过中频滤波器将该中频信号进行滤波处理，所述的AGC放大器用于将滤波后的中频信号进行放大处理后输出至基带处理电路。中频处理电路输出经AD采样后送至基带处理电路。

所述的基带处理电路由AD转换器、FPGA芯片和DSP芯片组成，FPGA芯片实现对下变频和AD采样后的GNSS信号进行捕获和跟踪。DSP芯片主要功能是对捕获跟踪后的GNSS信号进行伪距、载波相位观测量的高精度测量，对伪距观测量可进行实时的定位，对载波相位测量可用于事后精密定轨和提取掩星信号附加相位信息。DSP芯片可通过EMIF接口与基带FPGA进行数据交互，通过DSP芯片控制FPGA芯片对GPS和BDS系统卫星进行捕获，将捕获成功的卫星放入跟踪通道进行跟踪。从FPGA通道中读取原始测量值，并利用原始测量值计算出载波相位和码伪距，同时对成功跟踪的卫星信号进行电文解码，电文中包含GNSS卫星的相关信息，以获取实时的位置速度信息，以及大气和电离层物理参数。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。