專利名稱：北斗/gps雙系統授時接收機的制作方法
技術領域：
本發明屬于一種授時裝置，具體地說是涉及一種將北斗信號和GPS信號進行融 合，并可相互備份的授時接收機。
背景技術：
當前GPS系統授時接收機在我國的各相關行業的應用占據主導地位，但GPS信號 的控制權掌握在美國軍方，對我國運用用GPS授時接收機的安全產生很大的隱患，隨著我 國北斗導航系統的逐步完善，北斗系統授時型接收機的設計也逐步成熟，但GPS系統授時 接收機已廣泛應用，考慮到產品應用的小型化、兼容性、高可靠性、高穩定性，北斗/GPS雙 模接收機的出現十分必要。申請號為200810020283. 0，發明名稱為“衛星導航系統與GPS雙模授時裝置”的專 利申請，采用北斗、GPS獨立兩套天饋線連接方式，給出基于北斗授時模塊、GPS授時模塊兩 套獨立接收模塊的外置式切換融合裝置，不能滿足設備小型化與現場工程安裝的需要。
發明內容
本發明要解決的是目前北斗/GPS授時產品不兼容、不能互為備份的缺陷，提供一 種具有北斗及GPS系統授時信號互為備份功能，能夠使在其中的一個授時系統出現故障時 自動切換到另一個授時系統的北斗/GPS雙系統授時接收機。為實現上述目的，本發明采用以下技術方案它包括雙系統射頻接收單元，它包括北斗/GPS信號功分電路以及與其相連接的北斗射 頻接單元和GPS射頻接收單元，所述的雙系統射頻接收單元能同時接收北斗衛星信號和 GPS衛星信號；GPS接收處理單元，其與雙系統射頻接收單元相連接；所述的GPS接收處理單元為 具有至少8個信號接收通道的GPS接收模塊，最終獲取GPS信號的時標及電文信息；北斗接收單元，其與雙系統射頻接收單元相連接；所述的北斗接收單元具有至少 二個信號接收通道，對接收到的北斗信號進行一次下變頻，最終獲取北斗信號的時標及電 文信息；雙系統融合單元，其輸入端分別與GPS接收處理單元和北斗接收單元相連接；所 述的雙系統融合單元根據接收到的GPS信號的時標及電文信息和北斗信號的時標及電文 信息，綜合本地時鐘的特性，對兩個系統的授時信號進行融合，使接收機的授時信號在兩個 系統間擇優自動切換；時鐘單元，其輸出端分別與雙系統射頻接收單元、GPS接收處理單元、北斗接收單 元和雙系統融合單元相連接，所述的時鐘單元提供本地時鐘信號。具體地說，上述的雙系統融合單元包括北斗電文處理模塊，它對各個信號接收通道電文信息中的時標及狀態信息進行比 對、容錯，獲取準確的時標及狀態信息；同時，根據電文信息獲取時延信息，并對時延信息進行濾波、擇優及擬合處理，獲取校正后的時標時延校正信息；北斗時標合成模塊，其與北斗電文處理模塊相連接；所述的北斗時標合成模塊包 括本地時標生成單元和本地時標與北斗時標的鑒相單元；所述的本地時標生成單元根據從 北斗接收單元獲取的北斗時標，通過DDS生成本地時標；所述本地時標與北斗時標的鑒相 單元，在每個北斗時標信號的上升沿，鎖存DDS相位累加值，根據時標信號對應的分幀號及 衛星信號傳播時延計算得到鑒相值；高精度鑒相模塊，它包括北斗鑒相單元和GPS鑒相單元；所述的北斗鑒相單元根 據獲取的本地時標和北斗時標形成用于測量相位差的門脈沖，對落入門脈沖的信號進行計 數，可得反映本地時標與北斗時標的相位差；所述的GPS鑒相單元根據獲取的本地時標和 GPS時標形成用于測量相位差的門脈沖，對落入門脈沖的信號進行計數，可得反映本地時標 與GPS時標的相位差；控制算法模塊，其與高精度鑒相模塊相連接，它對獲取的本地時標與北斗時標相 位差和本地時標與GPS時標相位差進行濾波處理，然后利用以PID控制算法為基礎的專家 控制系統，判斷北斗和GPS時標信號的性能優劣，生成控制字，進行跟蹤源的自動切換；本地時頻信號合成模塊，其與控制算法模塊相連接，它根據獲取的控制字，利用 DDS頻率生成IOMHz信號，然后對IOMHz信號進行分頻得到本地時間脈沖信號。在本地時頻信號合成模塊中，所述利用DDS生成本地時間脈沖信號的技術在FPGA 內部實現。上述的高精度鑒相模塊包括北斗鑒相單元和GPS鑒相單元；所述的北斗鑒相單元 包括依次相連接的門脈沖形成器I和數據鎖存器I，所述的GPS鑒相單元包括依次相連接的 門脈沖形成器II和數據鎖存器II，數據鎖存器I和數據鎖存器II的輸出端均與數據接口 單元相連接。在雙系統射頻接收單元的北斗射頻接單元中設有帶通濾波器，所述的帶通濾波器 為高頻高Q值的電感和電容組成的帶通濾波器，其中，電感的品質因數Q值至少為16，電容 的品質因數Q值至少為1X104。上述的北斗/GPS授時型雙模接收天線以單根饋線方式與接收機板上功分電路相 連接。上述帶通濾波器的輸出端與自動增益控制電路相連接。采用上述技術方案的本發明，采用本地晶體鐘、智能控制算法，高集成化的FPGA 時頻處理方法，解決了北斗/GPS雙系統授時的融合，實現了北斗/GPS授時的模塊化。另外， 本發明采用北斗/GPS雙模接收天線一體化接收衛星信號，簡化了整體結構，體積小。另外， 對本地時頻信號的控制采用DDS方式而非壓控方法，并且其DDS功能在FPGA內部實現，而 非采用DDS芯片方法；為保證授時精度，采用了智能的控制算法，并且在跟蹤北斗或GPS信 號發生切換時，該相位不發生突變。
圖1為本發明的整體結構框圖；圖2為本發明中雙系統融合單元的結構原理框圖；圖3為本發明雙系統融合單元中高精度鑒相模塊的原理框圖4為本發明控制流程圖；圖5為本發明中本地時標合成模塊的原理框圖。
具體實施例方式如圖1所示，本發明由雙系統射頻接收單元、GPS接收處理單元、北斗接收單元和 雙系統融合單元組成，能夠接收三通道的北斗衛星信號及多通道的GPS衛星信號，輸出高 精度的本地授時信號。1)雙系統射頻接收單元它包括北斗/GPS信號功分電路以及與其相連接的北斗射頻接單元和GPS射頻接 收單元，它可同時接收北斗信號和GPS信號，并通過板上功分電路將北斗和GPS信號分為兩 路。此功分電路不但實現了北斗信號和GPS信號的分離，而且還保證了北斗和GPS信號的隔 離度。北斗射頻接收單元對北斗信號進行一次下變頻，進入中頻后，其濾波部分采用高性能 的LC帶通濾波器，其帶通濾波器由高頻高Q值的電感和電容組成，其中，電感的品質因數Q 值至少大于16，一般采用16或18或20或沈等等；電容的品質因數Q值至少大于1 X IO4, 一般可以采用1 X IO4或2 X IO4或6 X IO4或1 X IO5等等，這樣與傳統的聲表面波濾波器相 比，時延隨溫度變化很小。另外，北斗射頻接收單元中增加了自動增益控制電路，這樣能擴 大射頻接收電路的動態范圍，使信號在較寬的功率電平范圍內，都工作在線性區域。GPS射 頻接收單元采用單芯片下變頻模式，使用GPS下變頻芯片實現了整個射頻接收單元的小型 化。總之，雙系統射頻接收單元采用申請號為200910064713. 3，發明名稱為“北斗/ GPS信號功分器及其制造方法和雙系統射頻接收模塊”中所公開的技術，其中本發明專利申 請中的帶通濾波器即為申請號為200910064713. 3專利申請中的“頻道選擇濾波器”。2) GPS接收處理單元GPS接收處理單元與雙系統射頻接收單元相連接；它采用高性能GPS接收模塊，并 具有多通道接收處理能力，最終獲取GPS信號的時標及電文信息，上述的電文信息包括狀 態、時間、衛星定位信息等等，并送到雙系統融合處理單元。在本發明中，可選用不同的GPS 模塊，以使不同的GPS模塊具有不同的接收通道，但接收通道的數量至少為8通道。另外 GPS接收處理單元也應具有接收靈敏度高及授時精度高的特點，在位置保持模式下，可在單 顆可視衛星的情況下精確授時，并可消除因定位誤差引起的授時誤差。3)北斗接收單元北斗接收單元與雙系統射頻接收單元相連接，它具有至少二個信號接收通道，最 終獲取北斗時標信號及電文信息，上述的北斗信號電文信息包括時間、衛星坐標、時延信息 等。在本發明中，北斗接收單元的可根據實際需要及北斗系統可用衛星數進行設定，可以僅 為二個，也可以為三個，四個或甚至達到六個。在本實施例中，北斗信號接收單元接收三通 道的北斗衛星信號，采用單向授時技術和一次下變頻射頻接收技術。上述的一次下變頻電 路與零中頻電路相比，結構簡單，時延的一致穩定性較好。經過一次下變頻電路后，信號變 為中頻信號，此時通過高階AD快速采樣提高數據接收動態范圍，采用大規模的可編程邏輯 陣列，完成北斗接收單元的工作過程，即AD采樣-捕獲-跟蹤-解調-同步-獲取衛星電 文及時標信號。
4)雙系統融合單元雙系統融合單元包括北斗電文處理模塊、北斗時標合成模塊、高精度鑒相模塊、控 制算法模塊、本地時頻信號合成模塊等5個模塊。其輸入端分別與GPS接收處理單元和北 斗接收單元相連接；所述的雙系統融合單元根據接收到的GPS信號電文信息和北斗信號電 文信息，綜合本地時鐘的特性，對兩個系統的授時信號進行融合，使接收機的授時信號在兩 個系統間擇優自動切換，同時使時間報文信息保持正確性及連續性，系統融合單元的原理 如圖2所示。i、北斗電文處理模塊北斗電文處理模塊包括三部分的處理過程對單通道電文信息的處理對收到的北斗電文信息進行VTB譯碼、CRC校驗、電文 信息冗余比對、分幀信息組合，通過對重播信息的比對及重組，最大限度地提高了電文的可 用度及容錯性。對多通道電文信息的處理在多通道的電文信息收齊后，對各個通道電文中的時 標及狀態信息進行比對，并采用多數判決的方法進行容錯處理，獲取準確的時間報文及狀
態fe息。對時延相關信息的處理本發明所指的時延相關信息從北斗電文中獲取，這些時 延相關信息包括上行時延、電離層參數、衛星坐標，根據電離層參數、衛星坐標和已知的接 收機本地坐標，及電離層及相對論校正模型。可以此計算出電離層時延，下行時延，衛星自 轉引起的時延等，對這些時延相關信息進行最小二乘濾波，剔除異常點，使數據曲線更加平 滑，最終獲取校正后的時標時延校正信息，上述的電離層及相對論校正模型為北斗一號導 航系統所特有的修正模型，為國家北斗導航系統領域中普通技術人員所熟知的技術，準確 的時標時延校正信息是高精度北斗時標合成的基礎。ii、北斗時標合成模塊北斗時標合成模塊與北斗電文處理模塊相連接，它包括本地時標生成單元和本地 時標與北斗時標的鑒相單元。其中，本地時標生成單元根據從北斗接收單元通過捕獲、跟 蹤、同步電路從衛星信號中恢復得到的北斗時標，通過DDS生成本地時標，即在FPGA內，高 位寬的DDS相位累加器在系統時鐘的每個周期，累加相應的頻率控制字的值，當相位累加 器計數大于其最大值時，輸出脈沖信號，該脈沖信號即為本地時標。從上可知，本地時標的 生成主要依據本地時標和北斗時標的相位差，并且本地時標信號與北斗系統時標同步。而 本地時標與北斗時標的鑒相單元，在每個北斗時標信號的上升沿，鎖存DDS相位累加值，根 據時標信號對應的分幀號及衛星信號傳播時延計算得到鑒相值。iii、高精度鑒相模塊高精度鑒相模塊包括北斗鑒相單元和GPS鑒相單元，其輸入端連接的信號有北斗 時標信號、GPS時標信號和本地時標信號。其中，北斗鑒相單元根據獲取的本地時標和北斗 時標形成用于測量相位差的門脈沖，對落入門脈沖的信號進行計數，可得反映本地時標與 北斗時標的相位差。而GPS鑒相單元根據獲取的本地時標和GPS時標形成用于測量相位差 的門脈沖，對落入門脈沖的信號進行計數，可得反映本地時標與GPS時標的相位差。這樣， 就能夠使處理器實現對各路信號進行歷史分析、判優選擇。在本發明中，鑒相模塊的計數脈 沖參考源采用具有高穩定頻率的本地時鐘源，這樣時間分辨率可達到0. 5ns，其具體的原理框圖如圖3所示，它包括北斗鑒相單元和GPS鑒相單元。其中，北斗鑒相單元包括依次相連 接的門脈沖形成器I和數據鎖存器I，GPS鑒相單元包括依次相連接的門脈沖形成器II和 數據鎖存器II，數據鎖存器I和數據鎖存器II的輸出端均與數據接口單元相連接。iv、控制算法模塊如圖2、圖4所示，控制算法模塊與高精度鑒相模塊相連接，它對獲取的本地時標 與北斗時標相位差和本地時標與GPS時標相位差進行數字濾波處理。由于在相差數據中， 存在各種不確定因素，對于衛星信號，由于星歷不健康引入的時延誤差、無線鏈路的傳輸 衰耗、多徑效應、外界干擾引入的誤碼及時延抖動，這些不確定因素造成了虛假的相位差數 據，因此在本發明中，數字濾波算法通過信號參考源的狀態信息及歷史數據，對虛假相差進 行緩沖、判斷、加權、剔除，并對相差進行準確的預測，通過上述的數字濾波方法，可以得到 準確的反映本地信號和參考源信號相位差信息。然后利用以PID控制算法為基礎的專家控制系統，判斷北斗和GPS時標信號的性 能優劣，生成控制字，進行跟蹤源的自動切換。上述的專家控制系統，以各信號參考源的特 性和存儲的歷史特征信息為知識庫，根據相位差及狀態信息等控制輸入量，采用強耦合跟 蹤、弱耦合跟蹤、異常情況辨識、歷史數據遞推等控制模式，使輸出量具備較高的穩定度和 準確度。上文所講的強耦合跟蹤是指采用較小控制阻尼系數，使本地時標和跟蹤源時標的 相位始終在一較小范圍內，增快系統響應速度；弱耦合跟蹤是指采用較大的控制阻尼系數， 保證本地時標的穩定性；異常情況辨識是指，根據知識庫中本地時鐘的老化特性、衛星軌道 特點，辨識出衛星調軌、信號干擾造成相位差的異常情況；歷史數據遞推是在異常情況辨識 的作用下，在跟蹤源異常時，采用歷史控制量、老化特性、軌道特性遞推系統的控制量。本發 明采用不同的控制參數和控制模式，使控制過程能夠靈巧處理多變的不確定因素，從而使 輸出量具備較高的高穩定度和準確度。需要說明的是，該控制算法模塊也可接收外部指令，進行跟蹤源的切換。其外部的 指令可來自于外部串口設置，在切換的過程中，根據BD及GPS時標信號的差，采用平滑切換 的策略，避免本地輸出的時標信號有大的抖動。V、本地時頻信號合成模塊如圖5所示，本地時頻信號合成模塊與控制算法模塊相連接，它根據獲取的控制 字，利用FPGA實現高位寬的DDS生成IOMHz信號，其中高位寬的DDS可確保輸出頻率調整 的高精度及大值域，然后對IOMHz的信號進行分頻獲得本地時間脈沖信號。在此過程中，控 制算法模塊通過對鑒相器的鑒相值進行處理，從而獲取控量頻率控制字，對DDS合成的頻 率信號進行調整，從而調整時標信號，使本地時標信號和衛星時標信號同步，同時具備衛星 信號的長穩特性及本地時鐘的短穩特性。5)時鐘單元如圖1所示，時鐘單元的輸出端分別與雙系統射頻接收單元、GPS接收處理單元、 北斗接收單元和雙系統融合單元相連接，提供本地時鐘信號。綜上可以看出，本發明通過BD/GPS雙模天線接收衛星信號后，經射頻模塊的功 分及帶通濾波電路，GPS接收單元恢復出GPS系統時間脈沖信號；北斗接收模塊恢復出電 文、同步信號，經電文處理及時頻合成輸出北斗系統的時間脈沖信號；北斗時間脈沖信號及 GPS時間脈沖信號經鑒相器獲得鑒相值，雙系統融合模塊根據鑒相值及系統狀態信息獲得本地時間脈沖信號。
權利要求
1.一種北斗/GPS雙系統授時接收機，其特征在于，它包括雙系統射頻接收單元，它包括北斗/GPS信號功分電路以及與其相連接的北斗射頻接 單元和GPS射頻接收單元，所述的雙系統射頻接收單元能同時接收北斗衛星信號和GPS衛星信號；GPS接收處理單元，其與雙系統射頻接收單元相連接；所述的GPS接收處理單元為具有 至少8個信號接收通道的GPS接收模塊，最終獲取GPS信號的時標及電文信息；北斗接收單元，其與雙系統射頻接收單元相連接；所述的北斗接收單元具有至少二個 信號接收通道，對接收到的北斗信號進行一次下變頻，最終獲取北斗信號的時標及電文信 息；雙系統融合單元，其輸入端分別與GPS接收處理單元和北斗接收單元相連接；所述的 雙系統融合單元根據接收到的GPS信號的時標及電文信息和北斗信號的時標及電文信息， 綜合本地時鐘的特性，對兩個系統的授時信號進行融合，使接收機的授時信號在兩個系統 間擇優自動切換；時鐘單元，其輸出端分別與雙系統射頻接收單元、GPS接收處理單元、北斗接收單元和 雙系統融合單元相連接，所述的時鐘單元提供本地時鐘信號。
2.根據權利要求1所述的北斗/GPS雙系統授時接收機，其特征在于，所述的雙系統融 合單元包括北斗電文處理模塊，它對各個信號接收通道電文信息中的時標及狀態信息進行比對、 容錯，獲取準確的時標及狀態信息；同時，根據電文信息獲取時延信息，并對時延信息進行 濾波、擇優及擬合處理，獲取校正后的時標時延校正信息；北斗時標合成模塊，其與北斗電文處理模塊相連接；所述的北斗時標合成模塊包括本 地時標生成單元和本地時標與北斗時標的鑒相單元；所述的本地時標生成單元根據從北斗 接收單元獲取的北斗時標，通過DDS生成本地時標；所述本地時標與北斗時標的鑒相單元， 在每個北斗時標信號的上升沿，鎖存DDS相位累加值，根據時標信號對應的分幀號及衛星 信號傳播時延計算得到鑒相值；高精度鑒相模塊，它包括北斗鑒相單元和GPS鑒相單元；所述的北斗鑒相單元根據獲 取的本地時標和北斗時標形成用于測量相位差的門脈沖，對落入門脈沖的信號進行計數， 可得反映本地時標與北斗時標的相位差；所述的GPS鑒相單元根據獲取的本地時標和GPS 時標形成用于測量相位差的門脈沖，對落入門脈沖的信號進行計數，可得反映本地時標與 GPS時標的相位差；控制算法模塊，其與高精度鑒相模塊相連接，它對獲取的本地時標與北斗時標相位差 和本地時標與GPS時標相位差進行濾波處理，然后利用以PID控制算法為基礎的專家控制 系統，判斷北斗和GPS時標信號的性能優劣，生成控制字，進行跟蹤源的自動切換；本地時頻信號合成模塊，其與控制算法模塊相連接，它根據獲取的控制字，利用DDS頻 率生成IOMHz信號，然后對IOMHz信號進行分頻得到本地時間脈沖信號。
3.根據權利要求2所述的北斗/GPS雙系統授時接收機，其特征在于在本地時頻信號 合成模塊中，所述利用DDS生成本地時間脈沖信號的技術在FPGA內部實現。
4.根據權利要求2所述的北斗/GPS雙系統授時接收機，其特征在于所述的高精度鑒 相模塊包括北斗鑒相單元和GPS鑒相單元；所述的北斗鑒相單元包括依次相連接的門脈沖形成器I和數據鎖存器I，所述的GPS鑒相單元包括依次相連接的門脈沖形成器II和數據 鎖存器II，數據鎖存器I和數據鎖存器II的輸出端均與數據接口單元相連接。
5.根據權利要求1所述的北斗/GPS雙系統授時接收機，其特征在于在雙系統射頻 接收單元的北斗射頻接單元中設有帶通濾波器，所述的帶通濾波器為高頻高Q值的電感和 電容組成的帶通濾波器，其中，電感的品質因數Q值至少為16，電容的品質因數Q值至少為IXlO4O
6.根據權利要求5所述的北斗/GPS雙系統授時接收機，其特征在于所述的北斗/GPS 授時型雙模接收天線以單根饋線方式與接收機板上功分電路相連接。
7.根據權利要求6所述的北斗/GPS雙系統授時接收機，其特征在于所述帶通濾波器 的輸出端與自動增益控制電路相連接。
全文摘要
本發明公開了一種北斗/GPS雙系統授時接收機，它包括雙系統射頻接收單元、GPS接收處理單元、北斗接收單元、雙系統融合單元和時鐘單元。采用上述技術方案的本發明，采用本地晶體鐘、智能控制算法，高集成化的FPGA時頻處理方法，解決了北斗/GPS雙系統授時的融合，實現了北斗/GPS授時的模塊化。另外，本發明采用北斗/GPS雙模接收天線一體化接收衛星信號，簡化了整體結構，體積小。另外，對本地時頻信號的控制采用DDS方式而非壓控方法，并且其DDS功能在FPGA內部實現，而非采用DDS芯片方法；為保證授時精度，采用了智能的控制算法，并且在跟蹤北斗或GPS信號發生切換時，該相位不發生突變。
文檔編號G01S19/33GK102073056SQ200910172658
公開日2011年5月25日 申請日期2009年11月20日 優先權日2009年11月20日
發明者吳淑琴, 張筱南, 徐銀召, 王文瑜, 賈小波, 鄒世合 申請人:鄭州威科姆科技股份有限公司
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