CN105988126A - 应用于农业物联网领域的多模卫星导航模块 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种应用于农业物联网领域的卫星导航模块，包括天线、射频模块、基带信号处理模块、应用信息处理模块和电源，所述射频模块分别与天线和基带信号处理模块连接，基带信号处理模块与应用信息处理模块在同一块FPGA中实现，电源模块为整个卫星导航模块提供电源。本发明同时兼容GPS和BD两种导航***，支持三种定位模式，采用伪码捕快技术和多阶环路跟踪载波技术，可充分适应高速度、高加速度载体的高精度定位和导航需求，有效提高***的连续性、可靠性、导航精度及可用性，在农业物联网应用中，可实现对农业信息资源进行准确的定位。

Description

应用于农业物联网领域的多模卫星导航模块

技术领域

本发明涉及一种卫星导航模块，尤其涉及一种应用于农业物联网领域的多模卫星导航模块。

背景技术

传统农业生产模式已远不能适应农业可持续发展的要求，利用现代信息技术转变农业生产方式成为当今农业发展的普遍趋势。物联网技术是新一代信息技术，在农业资源利用、农业生态环境监测、农业生产、农产品***等领域已得广泛应用，对提高资源利用率、环境保护、节本增收、产品质量等方面发挥了重要作用。

在农业物联网应用中，需要对农业信息资源进行准确的定位，而采用传统方法难以实现。卫星导航技术具有精确定位与授时功能，美国的GPS***和我国的北斗导航***在农业领域中已经有了一定的应用和发展。但是，单一制式的导航***在***的连续性、可靠性、导航精度性、可用性等方面远不如多模兼容卫星导航***，另外在定位导航时存在严重的定位漂移问题，难以实现对高动态、高加速度物体的精准定位和导航。

发明内容

本发明目的在于针对上述存在的问题，提供一种应用于农业物联网领域的多模卫星导航模块，同时兼容GPS和BD两种导航***，充分适应高速度，高加速度载体的高精度定位和导航需求。

本发明的技术方案是：应用于农业物联网领域的多模卫星导航模块，包括天线、射频模块、基带信号处理模块、信息处理模块和电源模块，其中，所述天线为GPS/BD双频天线，用于完成GPS和BD卫星信号的接收；所述射频模块与基带信号处理模块连接，用于完成信号的预放大、变频射频信号转换为标准的中频信号及提供时钟信号；所述基带信号处理模块与应用信息处理模块在同一块FPGA中实现，主要完成码捕获、通道相关器、观测向量的测量、导航电文解调；所述应用信息处理模块主要用于完成对基带信号处理模块的观测信息和卫星电文信息进行数据转换和融合，实现对实时导航信息的解算；所述电源模块用于为整个接收机***提供电源。

所述射频模块包括BD射频模块和GPS射频模块，BD射频模块用于输出IF-B3信号和10MHz时钟信号，GPS射频模块用于输出IF-L1信号和10MHz外时钟信号。

所述基带信号处理模块包括24个独立的数字接收通道，同时跟踪多颗卫星信号，每个通道主要完成码捕获、环路跟踪、解扩解调和测距功能。

所述码捕获采用数字匹配滤波器+FFT快速捕获技术，码捕获大体工作流程如下：

首先对接收信号进行下变频，并进行3点平均，得到同相和正交支路基带信号，然后通过数字匹配滤波器；数字匹配滤波器包括24个分段匹配滤波器，每个分段匹配滤波器大约提供0.0833ms的相干积分时间，并分时对同相和正交基带信号进行处理，采用通道复用技术节省FPGA资源；24个分段匹配滤波器的输出送往FFT单元进行频谱分析，完成载频搜索； FFT单元的结果送往非相干积累单元进行积累；非相干积累达到规定次数（1-3次）后，进行检测判决。

所述环路跟踪功能主要包括相关器、载波环路控制、伪码环路控制和载噪比估计。

所述相关器每路均有独立的6路积分信号输出和2路测量信号输出，共用一个采样时钟和一个测量取样时钟；其中，相关器间距可配置，码发生器产生或存储所有已知卫星导航***中的伪随机码，保证跟踪通道的通用性。

所述载波环路控制和伪码环路控制完成对载波频率/相位和伪码相位的估计，实现载波和伪码的精确同步，并通过载噪比估计的方法判断环路的锁定状态。

所述载波环路控制，主要包括锁频环FLL、锁相环PLL、归一化的点积鉴别器和归一化的超前减滞后功率器鉴相器；所述锁频环参数设计为：选取FLL积分长度1ms，通过仿真确定环路带宽；所述锁相环参数设计为：选取PLL积分长度1ms，通过仿真确定环路带宽；所述归一化的点积鉴别器的增益为2；所述归一化的超前减滞后功率鉴别器的增益为4。

本发明的有益效果：

应用于农业物联网领域的多模卫星导航模块，同时兼容GPS和BD两种导航***，支持三种定位模式，定位模式可自动切换，也可手动设置成任意定位模式。通过采用伪码快捕技术和多阶环路跟踪载波技术，能充分适应高速度、高加速度载体的高精度定位和导航需求，有效提高***的连续性、可靠性、导航精度及可用性，在农业物联网应用中，可实现对农业信息资源进行准确的定位。

附图说明

图1为应用于农业物联网领域的多模卫星导航模块组成框图；

图2为射频模块的组成及原理框图；

图3为数字接收通道组成及原理框图；

图4为数字匹配滤波器结构框图；

图5为相关器和NCO结构框图；

图6为FLL环路带宽与热噪声关系图；

图7为FLL环路带宽与动态应力关系图；

图8为PLL环路带宽与热噪声关系图；

图9为PLL环路带宽与动态应力关系图；

图10为归一化点积鉴相器特性曲线图；

图11为归一化超前减滞鉴相器特性曲线；

图12为二阶DLL伪码环路滤波器结构图；

图13为FLL鉴频结果；

图14为PLL鉴相结果；

图15为DLL伪码鉴相结果。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的最佳实施例作进一步描述：

如图1所示，应用于农业物联网领域的多模卫星导航模块主要包括天线、射频模块、基带信号处理模块、应用信息处理模块和电源模块。其中，所述天线为GPS/BD双频天线，用于完成GPS和BD卫星信号的接收；所述射频模块与基带信号处理模块连接，用于完成信号的预放大、变频射频信号转换为标准的中频信号及提供时钟信号；所述基带信号处理模块与应用信息处理模块在同一块FPGA中实现，主要完成码捕获、通道相关器、观测向量的测量、导航电文解调；所述应用信息处理模块主要用于完成对基带信号处理模块的观测信息和卫星电文信息进行数据转换和融合，实现对实时导航信息的解算；所述电源模块用于为整个接收机***提供电源。

应用于农业物联网领域的多模卫星导航模块的工作原理为：通过天线模块接收来自空间段BD和GPS卫星发射的无线电信号，GPS/BD卫星信号经过射频模块和基带信号处理模块，完成对信号的解调和观测量的实时提取，然后将卫星信息和观测信息传输至应用信息处理模块完成对当前观测时刻的位置信息、速度信息和守时信息的解算及完好性监测，并进行捕获跟踪层次的惯导信息融合、原始观测量层次和位置速度层次的惯导信息融合，整个接收机***的供电由电源模块统一完成。

射频模块主要承担BD信号和GPS信号的接收任务，并同时提供相干时钟信号。射频模块的组成及原理框图如图2所示，天线送来的BD B1及GPS L1两路微弱卫星信号经各自对应的低噪声放大器放大及长电缆传输后再送入对应的射频模块，信号在射频模块内经混频、AGC放大、基带滤波并放大到+4dBm电平后输出给基带信号处理模块。

基带信号处理模块包括24个独立的接收通道，同时跟踪多颗卫星信号，每一个通道完成BD的伪码或GPS CA码的捕获、跟踪、解扩解调和测距。

数字处理接收通道设计

数字处理接收通道设计原理如图3所示，将数字通道设计成24路，同时对多颗卫星连续跟踪，关键是调制在I支路上的短码（C码）的快速捕获、精确跟踪和观测量的提取。

码捕获设计

为提高捕获速度，对于码的捕获采用匹配滤波+FFT快速捕获技术，可以实现接收信号与本地码序列连续相关运算，并同时完成频率鉴别。数字匹配滤波器结构如图4所示。首先对接收信号下变频，并进行3点平均，得到同相和正交支路基带信号，然后将其通过匹配滤波器。整个匹配滤波器包含24个分段匹配滤波器CMFn（n=1到24），每个CMFn大约提供0.0833ms的相干积分时间，并分时对同相和正交基带信号进行处理，通过复用的方法来节省资源；24个分段匹配滤波器的输出接着送往FFT单元进行频谱分析，来完成载频搜索；FFT的结果再送非相干积累单元进行积累。当非相干积累达到规定次数（1-3次）后，最后进行检测判决。

环路跟踪设计

环路跟踪功能主要包括相关器、载波和伪码环路控制、载噪比估计及结合环路数据产生测量数据。相关器的功能包括了载波解调和伪码解扩两个过程，解调和解扩后的信号再通过一个积分清除器（相当于低通滤波器）输出，图5表示了一路相关器的实现结构。每路相关器都有独立的6路积分信号输出和2路测量信号输出，所有的相关器支路都共用一个采样时钟和一个测量取样时钟。其中相关器间距可配置，而且码发生器/码表产生或存储所有已知卫星导航***中的伪随机码，保证跟踪通道的通用性。载波和伪码环路控制完成对载波频率/相位和伪码相位的估计，以实现载波和伪码的精确同步，并通过载噪比估计方法判断环路的锁定状态。

载波环路滤波器结构设计

载波环路滤波器主要包括锁频环FLL、锁相环PLL、归一化的点积鉴别器和归一化的超前减滞后功率器鉴相器。

锁频环参数设计

选取FLL积分长度为1ms，通过仿真确定环路带宽，以满足***动态指标要求。仿真结果如图6、7所示。

锁相环参数设计

选取PLL积分长度为1ms，通过仿真确定环路带宽，以满足***动态指标要求。仿真结果如图8、9所示。

DLL鉴相算法

归一化的点积鉴别器：归一化点积鉴相器特性如图10所示。归一化点积鉴相器在零点的斜率为2，因此归一化点积鉴相器的增益为2。归一化的超前减滞后功率鉴别器：归一化超前减滞后功率鉴相器特性如图11所示。归一化超前减滞后功率鉴相器在零点的斜率为4，因此归一化超前减滞后鉴相器的增益为4。归一化的超前减滞后功率鉴相器具有适于窄相关间距的优点，其增益较大和鉴相灵敏度比较高，但线性牵引范围比点积鉴别器小一些，适用于后期的精密跟踪。

伪码环路滤波器结构设计

本设计采用二阶环路滤波器结构，如图12所示。采用载波辅助方法来消除大部分的码多普勒频率，降低伪码相位跟踪环的阶数，简化伪码相位跟踪环设计。

环路跟踪仿真结果

仿真环境：初始速度：1000m/s；加速度：20g/s，如图13、图14、图15所示。

应用信息处理模块主要用于完成对基带信号处理模块的GPS和BD观测信息和卫星电文信息进行数据转换和融合，实现对实时导航信息的解算。主要功能包括多星座数据融合处理和通道配置。

多星座数据融合处理

多星座数据融合处理主要完成对数据源的正确采集，共性提取和统一偏差修正；统一多星座卫星时间***和坐标***。所需的原始观测量和导航电文等信息由信号处理模块给出。二者通过串口进行交互，采用命令-响应模式，即信息处理模块给出数据请求命令，信号处理模块根据命令，通过串口送出响应的数据。为了能够在数据请求时刻给出对应的信息，信号处理模块需要对观测量和导航电文首先进行缓存。

通道配置

12个通道分配给GPS，12个通道分配给BD。通道分配由信息处理模块完成计算，通过发送命令，预置给信号处理模块。

本发明并不限于上文讨论的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在于为了描述和说明本发明涉及的技术方案。基于本发明启示的显而易见的变换或替代也应当被认为落入本发明的保护范围。以上的具体实施方式用来揭示本发明的最佳实施方法，以使得本领域的普通技术人员能够应用本发明的多种实施方式以及多种替代方式来达到本发明的目的。

Claims (8)

1.应用于农业物联网领域的多模卫星导航模块，其特征在于：包括天线、射频模块、基带信号处理模块、应用信息处理模块和电源模块，

所述天线为GPS/BD双频天线，用于完成GPS和BD卫星信号的接收；

所述射频模块与基带信号处理模块连接，用于完成信号的预放大、变频射频信号转换为标准的中频信号及提供时钟信号；

所述基带信号处理模块与应用信息处理模块在同一块FPGA中实现，主要完成码捕获、通道相关器、观测向量的测量、导航电文解调；

所述应用信息处理模块主要用于完成对基带信号处理模块的GPS和BD观测信息和GPS和BD的卫星电文信息进行数据转换和融合，实现对实时导航信息的解算；

所述电源模块用于为整个接收机***提供电源。

2.根据权利要求1所述的应用于农业物联网领域的多模卫星导航模块，其特征在于，所述射频模块包括BD射频模块和GPS射频模块；所述BD射频模块用于输出IF-B3信号和10MHz时钟信号；所述GPS射频模块用于输出IF-L1信号和10MHz外时钟信号。

3.根据权利要求1所述的应用于农业物联网领域的多模卫星导航模块，其特征在于，所述基带信号处理模块包括24个独立的数字接收通道；所述数字接收通道同时跟踪多颗卫星信号，每个通道主要完成码捕获、环路跟踪、解扩解调和测距功能。

4.根据权利要求3所述的应用于农业物联网领域的卫星导航模块，其特征在于，所述码捕获采用数字匹配滤波器+FFT快速捕获技术，码捕获大体工作流程如下：

首先对接收信号进行下变频，并进行3点平均，得到同相和正交支路基带信号，然后通过数字匹配滤波器；

所述数字匹配滤波器包括24个分段匹配滤波器，每个分段匹配滤波器大约提供0.0833ms的相干积分时间，并分时对同相和正交基带信号进行处理，采用通道复用技术节省FPGA资源；

所述24个分段匹配滤波器的输出送往FFT单元进行频谱分析，完成载频搜索；

所述FFT单元的结果送往非相干积累单元进行积累；

所述非相干积累达到规定次数（1-3次）后，进行检测判决。

5.根据权利要求3所述的应用于农业物联网领域的卫星导航模块，其特征在于，所述环路跟踪功能主要包括相关器、载波环路控制、伪码环路控制和载噪比估计。

6.根据权利要求5所述的应用于农业物联网领域的卫星导航模块，其特征在于，所述相关器每路均有独立的6路积分信号输出和2路测量信号输出，共用一个采样时钟和一个测量取样时钟；其中，相关器间距可配置，码发生器产生或存储所有已知卫星导航***中的伪随机码，保证跟踪通道的通用性。

7.根据权利要求5所述的应用于农业物联网领域的卫星导航模块，其特征在于，所述载波环路控制和伪码环路控制完成对载波频率/相位和伪码相位的估计，实现载波和伪码的精确同步，并通过载噪比估计的方法判断环路的锁定状态。

8.根据权利要求7所述的应用于农业物联网领域的卫星导航模块，其特征在于，所述载波环路控制，主要包括锁频环FLL、锁相环PLL、归一化的点积鉴别器和归一化的超前减滞后功率器鉴相器；所述锁频环参数设计为：选取FLL积分长度1ms，通过仿真确定环路带宽；

所述锁相环参数设计为：选取PLL积分长度1ms，通过仿真确定环路带宽；所述归一化的点积鉴别器的增益为2；所述归一化的超前减滞后功率鉴别器的增益为4。