專利名稱：一種提高掩星gps接收機捕獲并跟蹤弱信號的方法
技術領域：
本發明涉及空間探測技術領域，特別是一種提高掩星GPS接收機捕獲并跟蹤弱信號的方法。
背景技術：
無線電掩星技術是從行星掩星(飛行器)探測行星大氣和電離層的遙感技術發展而來的。80年代末和90年代初，人們提出將這種技術應用于地球大氣和電離層的探測。無線電掩星大氣探測與其它大氣探測相比不但具有全天候、全球覆蓋、高垂直分辨率、高精度、高長期穩定性、無需標定等諸多優點，而且利用從大氣層開始的剝皮測量，可以得到大氣參量的垂直分布，為大氣研究和預報提供了全球性的基礎觀測資料，彌補了其它大氣觀測系統的觀測盲區，如海洋和極區等，從而促進天氣和氣候預報工作，提高天氣預報的準確度，改善全球天氣分析效果。同時它還能改善數字天氣模型的性能，改進對對流層及平流層間交換過程的了解，加強對厄爾尼諾(特別是在遠洋區)引起的現象的研究。
無線電掩星大氣及電離層探測所利用的GPS信號經過大氣層與電離層的折射后，信號強度變得十分微弱，此時接收機對弱信號的捕獲及跟蹤能力對于掩星事件的觀測極為重要。
發明內容
本發明的目的在于提供一種提高掩星GPS接收機捕獲并跟蹤弱信號的方法及掩星GPS接收機。特別是適合于提高星載掩星及山基掩星觀測的掩星GPS接收機捕獲并跟蹤弱信號的方法。
一種提高掩星GPS接收機捕獲并跟蹤弱信號的方法，利用朝向天頂方向的定位天線接收高仰角的GPS衛星信號，利用掩星天線接收掩星信號，而后通過功率合成器進行功率合成，合成后的信號再送至GPS信號接收及處理單元利用共同跟蹤技術進行信號的跟蹤、解調與觀測量提取，同時設定接收機的定位屏蔽角。
所述的提高掩星GPS接收機捕獲并跟蹤弱信號的方法，通過將來自定位天線與掩星天線的信號進行合成后，利用了共同跟蹤技術提高了掩星GPS接收機對GPS信號特別是經過大氣層與電離層折射的GPS掩星信號捕獲及跟蹤能力，接收機的定位屏蔽角最低設定為15°。
一種提高捕獲并跟蹤微弱GPS掩星信號的掩星GPS接收機，掩星GPS接收機由定位天線、前向掩星天線、后向掩星天線，功率合成器，與GPS信號接收及處理單元組成，功率合成器分別與定位天線、前向掩星天線、后向掩星天線連接，將來自三個天線的信號進行合成后送至GPS信號接收及處理單元。
本發明的發明點為1.采用多天線合成的方式利用共同跟蹤技術進行掩星信號的接收；2.在山基掩星試驗中首次采用信號合成，利用共同跟蹤進行了山基掩星觀測。
為了進一步說明本發明的技術內容，以下結合附圖詳細說明如后，其中圖1是本發明的掩星GPS接收機組成示意圖；圖2是采用本發明方法與不采用本發明方法下的跟蹤時間對比圖。
具體實施例方式
如圖1所示，掩星GPS接收機由定位天線、前向掩星天線(用于接收上升掩星事件)、后向掩星天線(用于接收下降掩星事件)，功率合成器，與GPS信號接收及處理單元組成。功率合成器分別與定位天線、前向掩星天線、后向掩星天線連接，將來自三個天線的信號進行合成后送至GPS信號接收及處理單元。
本發明GPS信號接收處理單元采用共同跟蹤技術。對GPS衛星的跟蹤的傳統做法是通過單獨的跟蹤環對每一顆衛星進行跟蹤，為了跟蹤每個碼，需要一個跟蹤載波碼的鎖相環(PLL)和一個跟蹤每個星碼的延遲鎖相環(DLL)。PLL可以加到DLL上以降低DLL的噪聲。由于每個衛星是分開跟蹤的，所以跟蹤上一顆衛星對其它衛星的跟蹤不會有任何幫助。而共同跟蹤技術則改進了GPS接收機的跟蹤能力，較單獨跟蹤提高了10倍。改進的基礎是同時用兩種類型的鎖相環(PLL)。第一種PLL跟蹤接收機視在動力學特性(包括接收機的運動和內部振蕩器)，這一PLL利用的是所有可見衛星的總功率，具有20Hz左右的寬帶寬。跟蹤接收機運動及其振蕩器的變化，可以改進跟蹤能力，特別是在高動態和低信號功率條件下。對于跟蹤接收機動力學瞬時失鎖后，要想重新鎖定衛星，最好的辦法是跟蹤平滑的和可預報的衛星群體的運動，能明顯改進跟蹤能力。這是因為接收機的位置變化已由其它衛星認定，一旦不在群衛星的信號重新出現，便很容易地實現跟蹤，這對于單個衛星跟蹤是不容易做到的。第二種鎖相環是專門為跟蹤某一顆衛星的動力學而設計的，這些單獨的環路具有比較窄的帶寬(約2Hz)。這樣的兩種環路的組合，既能改進跟蹤能力，同時又能降低測量噪聲。
由于上述可知，要利用共同跟蹤技術的一個前提是接收機必須處于定位狀態。GPS接收機定位時要求至少同時接收四顆GPS衛星的導航信號方可，而掩星天線為窄波束天線(在俯仰方向主瓣只有約±7.5°左右)，在進行掩星觀測時需要對掩星天線在俯仰方向進行調節使得掩星天線的法向指向與地平面相切，此時通過掩星天線通常至多只能接收到兩至三顆衛星的信號，且信號強度十分微弱，在這種情況下無法利用共同跟蹤技術。
為了解決這個問題，本發明采用了如下的方法1)利用朝向天頂方向的定位天線接收高仰角的GPS衛星信號，利用掩星天線接收掩星信號，而后通過功率合成器進行功率合成；2)開啟GPS信號接收及處理單元的共同跟蹤功能，對合成后的信號進行信號解調與觀測量提取；3)同時設定接收機的定位屏蔽角設為15°(或更高一些)，以消除來自掩星的弱信號對定位精度的影響。
利用此方法明顯提高了掩星信號的捕獲能力，并延長了掩星信號的跟蹤時間。此方法經山基掩星試驗得到了驗證。驗證結果為，采用信號合成并利用共同跟蹤接收的掩星信號載噪比高于單用掩星天線不使用共同跟蹤接收的掩星信約7dB；采用此方法跟蹤下降掩星時間長于不采用此方法約2分鐘，見圖2。
權利要求
1.一種提高掩星GPS接收機捕獲并跟蹤弱信號的方法，其特征在于，利用朝向天頂方向的定位天線接收高仰角的GPS衛星信號，利用掩星天線接收掩星信號，而后通過功率合成器進行功率合成，合成后的信號再送至GPS信號接收及處理單元利用共同跟蹤技術進行信號的跟蹤、解調與觀測量提取，同時設定接收機的定位屏蔽角。
2.根據權利要求1所述的提高掩星GPS接收機捕獲并跟蹤弱信號的方法，其特征在于，通過將來自定位天線與掩星天線的信號進行合成后，利用了共同跟蹤技術提高了掩星GPS接收機對GPS信號特別是經過大氣層與電離層折射的GPS掩星信號捕獲及跟蹤能力，接收機的定位屏蔽角最低設定為15°。
3.一種提高捕獲并跟蹤微弱GPS掩星信號的掩星GPS接收機，其特征在于，掩星GPS接收機由定位天線、前向掩星天線、后向掩星天線，功率合成器，與GPS信號接收及處理單元組成，功率合成器分別與定位天線、前向掩星天線、后向掩星天線連接，將來自三個天線的信號進行合成后送至GPS信號接收及處理單元。
全文摘要
本發明涉及空間探測技術領域，特別是一種提高掩星GPS接收機捕獲并跟蹤弱信號的方法。通常情況下掩星信號的捕獲及跟蹤與定位信號的捕獲及跟蹤是獨立完成的，此時頂部定位信號的捕獲及跟蹤情況對掩星信號的捕獲及跟蹤不能起到輔助作用。本發明利用朝向天頂方向的定位天線接收高仰角的GPS衛星信號，利用掩星天線接收經大氣層及電離層折射的GPS掩星信號，再通過功率合成器進行信號合成后，合成后的信號再送至GPS信號接收及處理單元利用共同跟蹤技術進行信號的跟蹤、解調與觀測量提取。利用本發明的方法接收的掩星GPS信號載噪比與單獨使用掩星天線無法使用共同跟蹤技術情況下相比高約7dB。
文檔編號G01S5/02GK101063714SQ20061007454
公開日2007年10月31日 申請日期2006年4月27日 優先權日2006年4月27日
發明者陶鵬, 孫越強, 朱光武, 符養, 劉正廷, 杜起飛, 王世金, 梁金寶, 王晶, 喬萬里, 白偉華, 王先毅, 袁慶智, 劉超 申請人:中國科學院空間科學與應用研究中心
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