处理用于大气监测的无线电导航信号的方法和设备技术

本发明专利技术提供了一种根据全球导航卫星系统射频信号的处理的大气监测和测量系统。本发明专利技术的特征在于：从所接收的卫星信号中提取振幅及相位信息的开环解调架构，以及可以提供与由大气诱发的振幅和相位变化相关的统计资料的信号处理技术。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及使用陆基全球导航卫星系统接收器进行大气测量，并且具体涉及与电离层和电离层活动相关的统计资料的测量。
技术介绍
空基无线电信号广泛地用于大气监测。由于这些信号从其空基发射器传播至地球，大气会诱发相位偏移、群延迟以及振幅变化。以合适的方式处理这些信号的接收器可以提取这些相位、延迟以及振幅变化的估计值，并且可以进而推断出关于大气的一些信息。由于全球导航卫星系统(GNSS)信号的充足性、全球覆盖以及其以不止一个频率发射的事实，其被广泛地用于该目的。电离层和对流层都是使用这些信号被监测的，因为它们二者都会对在L波段发射的信号诱发传播速度和方向的改变。为测量这些影响，采用GNSS接收器。这些接收器跟踪这些信号的载波频率、相位以及调制测距码，并产生信号功率、载波相位以及测距码延迟的测量值。然后这些值(下文称为原始信号测量值)被用于计算与穿过大气的信号传播相关的多种性质(下文称为大气测量值)。通常，为了产生这些原始信号测量值，接收器对感兴趣的参数执行闭环跟踪，并且典型的系统包括对测距码使用延迟锁定环路(DLL)并对载波使用相位锁定环路(PLL)。尽管有许多其他系统可用，但通常，接收器依靠某种递归反馈/前馈机制来产生原始信号测量值。大气测量值的计算取决于原始信号测量值的可用性和质量二者。因此，当接收器跟踪算法在准确地跟踪信号参数方面经历困难时，会降低结果形成的大气测量值的质量。跟踪算法的具体实施也对结果形成的大气测量值有影响；例如，跟踪算法中的滤波效应或瞬时误差可以在大气测量值中产生伪迹。大气异常(例如，电离层闪烁(scintillation))可以对接收器跟踪算法造成困难，并且当使用接收器测量这种异常时，在跟踪算法失败的情况下，由于原始信号测量值的质量下降或由于其不可用，大气测量值的质量可能显著地下降。用于提高接收器跟踪稳健性和测量可用性(诸如延长积分时间和减少跟踪带宽)的许多技术也会促使原始信号测量值的下降，并最终在大气测量值中造成伪迹。某些大气测量值(包括例如被称为(sigma-phi)的电离层测量值)的生成需要对原始信号测量值进行滤波。通常被称为退势的滤波级具有显著较长的收敛时间。当原始信号测量值出现间歇性不可用时，结果形成的大气测量值的不可用性会更长。现代方法的弱点是估计阶段。原始信号参数在用于计算大气测量值之前由接收器估计或跟踪。当非理想条件占主导时，该跟踪阶段是有问题的。将联系图1和图2(现有技术)讨论常规系统在处理一些理论因素时的缺点。典型地，在陆基接收器的天线处接收的GNSS信号被建模为：其中，Ssig是在观察中的卫星信号组，si(t)表示从可见卫星接收的ith信号并且n(t)表示加性热噪声。在等式(1)中的各种参数代表以下信号性质：Pi是总接收信号功率，单位瓦特；ωi是标称射频(RF)载波频率，单位拉德/秒(rad/s)；di(t)代表双跖数据信号或副码；ci(t)是信号传播序列和子载波；θi(t)是总计接收的相位处理，包括传播延迟、卫星对用户动态、大气效应以及卫星时钟效应；处理τi(t)代表在接收器处观察到的总延迟，包括传播延迟、卫星时钟效应以及大气延迟。具体地，等式(1)中的载波相位项θi(t)代表多个不同的相位处理。在数学上，其可以表示为线性组合：θi(t)＝θ0+θLos(t)+θSVClk.(t)+θAtm.(t)，(2)其中，θ0代表某个任意初始相位，θLOS(t)代表由卫星和接收器之间的视线几何/动态诱发的相位处理，θSVClk.(t)代表由卫星时钟中的误差诱发的相位处理，而θAtm.(t)代表由信号传播穿过的大气诱发的相位处理。图1(现有技术)是常规接收器的数字匹配滤波器102-1的框图，示出了如何使用载波相位和测距码延迟的本地估计值生成相关器值Yi[n]。通常，GNSS接收器会将接收到的RF信号降频转换至零或非零中频(IF)，并且随后对该信号进行取样。然后用实施以下运算的数字匹配滤波器(DMF)102-1处理这些信号样本(r)：其中，如等式(1)限定的，变量和是变量τi和θi的接收器估计值，并且Yi[n]项被称为相关器值。等式(3)描述的运算在接收器的跟踪算法中实施，作为载波相位和测距码相位跟踪环路的一部分。图2(现有技术)是典型闭环跟踪架构的框图，示出了用于载波跟踪环路104和测距码跟踪106二者的环路。本领域技术人员可以理解的是，DMF库102包含了多个实例102-1、102-2、102-3(即，每个信道一个；这里仅示出了三个)。典型的实施按照图2中所示的框图，其中，通过载波跟踪框104和测距码跟踪框106处理相关器值Yi[n]，以产生信号参数和的估计值，转而可以使用这些估计值生成随后一组的相关器值Yi[n]。在标为‘大气监测算法’108的框中实施用于估计GNSS信号传播穿过的大气的性质和属性的具体算法。这些算法对以下量进行运算：由DMF102生成的Yi[n]以及由跟踪算法估计的和监测算法的性能直接受原始信号测量值的质量影响，所以载波和测距码跟踪算法二者的正确运算对于大气监测接收器至关重要。问题在于，在高大气活动条件下，传播信道中的变化可能使得这些跟踪算法执行较差或失败。YORKJ等人：“DevelopmentofaPrototypeTexasIonosphericGroundReceiver(TIGR)”，ITM2012-PROCEEDINGSOFTHE2012INTERNATIONALTECHNICALMEETINGOFTHEINSTITUTEOFNAVIGATION，THEINSTITUTEOFNAVIGATION，8551RIXLEWLANESUITE360MANASSAS，VA20109，USA，2012年2月1日(2012-02-01)，1526-1556页，XP056000936，公开了设计成根据卫星信号进行电离层测量的软件接收器。RF数据通过2千兆样本/秒的模数转换器(ADC)被直接取样并传递至现场可编程门阵列(FPGA)，其中，RF数据被数字滤波并且下取样为三个可调谐带，每个带均具有20MHz的带宽。减少的数字数据流被传递至第二FPGA，其中，各个信道被滤波为多个窄的信号带，以卫星信号的频率为中心，由于被调节用以补偿预计的多普勒频移。通过使用在通用中央处理器(CPU)上运行的机载软件完成该数据中信号的相位和振幅估计。LULICHTD等人：“OpenLoopTrackingofRadioOccultationSignalsfromanAirbornePlatform”，GNSS2010-PROCEEDINGSOFTHE23RDINTERNATIONALTECHNICALMEETINGOFTHESATELLITEDIVISIONOFTHEINSTITUTEOFNAVIGATION(IONGNSS2010)，THEINSTITUTEOFNAVIGATION，8551RIXLEWLANESUITE360MANASSAS，VA20109，USA，2010年9月24日(2010-09-24)，1049-1060页，XP056000217，公开了一种基于无线电掩星(RO)的遥感技术，该遥感技术利用采用多普勒频率的基于模型的估计值和GP本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种测量系统，所述测量系统用于根据来自无线电导航系统的卫星装载发射器的至少一个无线电导航信号生成大气测量值，所述测量系统包括：布置成开环构造的数据采集模块(31)、解调器模块(32)和大气监测算法模块(33)；其中，所述数据采集模块(31)包括参考时钟(418)，所述数据采集模块(31)适于接收所述无线电导航信号并且由此生成多个中频(IF)样本(r)，每个IF样本均具有从所述参考时钟(418)获取的关联时间标记(TOW)；其中，所述解调器模块(32)适于接收所述IF样本(r)以及与所述卫星系统相关的关联时间标记(TOW)和辅助数据(35)，并且所述解调器模块适于由此生成相关器值(Yi)；以及其中，所述大气监测算法模块适于接收所述相关器值(Yi)并且适于由此生成所述大气测量值。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.03.28 EP 14162381.91.一种测量系统，所述测量系统用于根据来自无线电导航系统的卫星装载发射器的至少一个无线电导航信号生成大气测量值，所述测量系统包括：布置成开环构造的数据采集模块(31)、解调器模块(32)和大气监测算法模块(33)；其中，所述数据采集模块(31)包括参考时钟(418)，所述数据采集模块(31)适于接收所述无线电导航信号并且由此生成多个中频(IF)样本(r)，每个IF样本均具有从所述参考时钟(418)获取的关联时间标记(TOW)；其中，所述解调器模块(32)适于接收所述IF样本(r)以及与所述卫星系统相关的关联时间标记(TOW)和辅助数据(35)，并且所述解调器模块适于由此生成相关器值(Yi)；以及其中，所述大气监测算法模块适于接收所述相关器值(Yi)并且适于由此生成所述大气测量值。2.根据权利要求1的系统，其中，所述数据采集模块(31)适于将每个IF样本(r)作为已标记的IF样本(r)输出，每个已标记的IF样本(r)包括标记有相应的时间标记(TOW)的IF样本(r)。3.根据权利要求1或2的系统，其中，所述解调器模块(32)适于接收所述已标记的IF样本(r)，由此所述解调器模块(32)生成的每个相关器值(Yi)与相应的时间标记(TOW)关联。4.根据前述权利要求中任一项的系统，其中，所述数据采集模块(31)包括用于生成所述IF样本(r)的模数转换器(ADC)(416)，所述ADC耦接至所述参考时钟(418)并且根据所述参考时钟的定时生成所述IF样本(r)。5.根据前述权利要求中任一项的系统，其中，所述数据采集模块(31)包括时间标记模块(420)，所述时间标记模块适于将所述时间标记(TOW)与相应的IF样本(r)同步输出。6.根据前述权利要求中任一项的系统，其中，所述数据采集模块(31)包括与所述参考时钟(418)耦接的时间标记模块(420)，所述时间标记模块(420)适于运行作为代表本地时间的本地计数器，所述本地计数器的计数随着生成每个IF样本(r)而增加。7.根据前述权利要求中任一项的系统，其中，所述数据采集模块(31)包括适于根据无线电导航信号生成模拟IF信号的降频转换器(410)，所述降频转换器(410)根据从所述参考时钟(418)的输出获得的转换信号运行。8.根据权利要求7的系统，其中，所述数据采集模块(31)包括被耦接以接收所述参考时钟(418)的输出的PLL(424)，其中，所述PLL(424)驱动向所述降频转换器(410)提供所述转换信号的VCO(426)。9.根据前述权利要求中任一项的系统，其中，所述参考时钟(418)与所述无线电导航信号的时间帧的对准程度小于所述无线电导航信号的测距码芯片的周期的十分之一。10.根据前述权利要求中任一项的系统，其中，所述参考时钟(418)与所述无线电导航信号的时间帧具有的对准程度使得所述参考时钟能够用于以约1纳秒的准确度传播用于生成时间标记的估计值时间。11.根据前述权利要求中任一项的系统，其中，所述参考时钟(418)适于从对应于初始时间标记的初始同步点在时间上向前传播。12.根据前述权利要求中任一项的系统，其中，所述参考时钟(418)包括完美建模的时钟，其中，所述时间标记是使用预定样本周期从自过去的信号同步点传播的时间信号而获得的。13.根据权利要求1至11中任一项的系统，其中，所述参考时钟(418)包括训练振荡器，所述训练振荡器包括内部振荡器并且适于根据外部频率标准接收训练时钟信号。14.根据权利要求13的系统，能够在初始化阶段和数据采集阶段中运行，其中，所述参考时钟(418)能够运行使得通过所述训练振荡器的训练在所述初始化阶段期间有效并且在所述数据采集相位期间停用。15.根据权利要求14的系统，其中，所述外部频率标准由GNSS信号和GPS训练振荡器(GPSDO)信号之一提供。16.根据权利要求1至11中任一项的系统，其中，所述参考时钟(418)包括自由运转时钟，根据所述自由运转时钟使用时钟估计算法执行对所述参考时钟的未知参数的现场建模。17.根据权利要求16的系统，其中，所述参考时钟(418)能够运行用以：测量所估计的时钟参数，并且根据所估计的时钟参数从初始同步点准确地传播所述时间标记。18.根据权利要求17的系统，其中，根据...

【专利技术属性】
技术研发人员：詹姆斯·T·库兰，米歇尔·巴瓦罗，若阿金·福琼·嘉丝奇，
申请(专利权)人：欧洲联盟·由欧洲委员会代表，
类型：发明
国别省市：比利时;BE