專利名稱：用于高空航天器應用的軟件全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)接收器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明一般涉及無線電導航和通信，并且更具體地涉及軟件全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)接收器。
背景技術：
GNSS是為自治地理空間定位提供全球覆蓋的衛(wèi)星導航系統(tǒng)的標準通用術語。GNSS允許電子接收器使用沿視線從衛(wèi)星傳送 的時間信號將其位置(經度、緯度和高度)確定至幾米之內。通過不同軌道平面中的中地球軌道(MEO)衛(wèi)星群實現(xiàn)全球覆蓋。美國NAVSTAR全球定位系統(tǒng)(GPS)為GNSS。GPS接收器當前廣泛用于導航和其他相關應用?；旧?，GPS接收器可以通過分析從環(huán)繞地球軌道運行的GPS衛(wèi)星接收的無線電信號信息來確定其位置。通常，GPS信號處理可以分為兩種主要任務信號獲取(或檢測)，然后是信號追蹤(及解調)。信號獲取是尋找ニ維未知參數(shù)空間內的GPS信號的過程。信號追蹤是連續(xù)更新這兩個或其他信號參數(shù)的估計的過程。信號獲取相對信號追蹤通常是更困難的過程。GPS接收器是自主設備，其將來自GPS衛(wèi)星的信號轉化為航空器導航的點解(point solution)。當前GPS接收器具有用于接收和轉換從航空器的天線接收的信號的射頻部分。之后，數(shù)字化信號被轉發(fā)給一個或更多由接收器自身的處理器控制的相關器。相關器尋找引入信號和不同衛(wèi)星的相應代碼之間的匹配。當星鎖發(fā)生時，或者當引入信號匹配內部產生的偽隨機噪聲(PRN)代碼(通常稱為“代碼復制品(replica)”)時，接收器的處理器被通知。處理器包括可執(zhí)行代碼以產生到衛(wèi)星的偽距或者直視距離。處理器也包括軌道傳播器的可執(zhí)行代碼。軌道傳播器自主產生位置、速度和時間的估計。偽距為導航濾波器的測量輸入，該導航濾波器計算用于確定航天器的軌道的點解。這種GPS系統(tǒng)可用于定位和追蹤繞軌道運行的移動主體。在以下文獻中公開了衛(wèi)星軌道預測和確定的方法和實踐，即Montenbruck和Gill的標題為 “Satellite Orbits:Models, Methods and Applications” 的書籟,Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg, New York, 1st Ed. (2000)。從軌道力學的基本原理開始，該書涵蓋了詳細的力學模型以及衛(wèi)星追蹤的精確方法。重點在于數(shù)值處理，并且描述了現(xiàn)代衛(wèi)星軌道計算中采用的多種算法。GPS接收器接收GPS衛(wèi)星群傳播的測距信號。這些測距信號(例如，LI載波頻率)經二相移相鍵控(BPSK)調制。該調制包括被模2求和的兩個組分(1)1. 023Mhz (在LI載波的情況下)的偽隨機噪聲(PRN)代碼，諸如粗捕獲(C/A)碼；以及(2) 50Hz導航消息。C/A代碼序列每I毫秒重復一次。GPS接收器解調自載波接收的代碼，并且檢測接收代碼和本地產生的代碼復制品之間的時間偏移。接收器還重新構造導航消息數(shù)據(jù)。眾所周知，導航消息包括用于計算軌道中每個衛(wèi)星的位置的星歷表數(shù)據(jù)，以及關于整個衛(wèi)星群的時間和狀態(tài)的信息，其被稱為年歷。為了計算航天器位置、速度和時間，導航系統(tǒng)確定軌跡中的四個或更多GPS衛(wèi)星
權利要求
1.一種衛(wèi)星機載的全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)即GNSS接收器，包括 天線，所述天線用于響應于模擬全球定位系統(tǒng)即GPS信號的檢測而產生模擬GPS信號數(shù)據(jù)； 前端電路，所述前端電路被連接以從所述天線接收所述模擬GPS信號數(shù)據(jù)，所述前端電路包括模-數(shù)轉換器，所述模-數(shù)轉換器將模擬GPS信號數(shù)據(jù)轉換為數(shù)字GPS信號數(shù)據(jù)；以及 計算機處理器，所述計算機處理器被編程為執(zhí)行以下步驟 Ca)緩沖所述前端電路在大于一位導航消息的持續(xù)時間的時間間隔中輸出的數(shù)字GPS信號數(shù)據(jù)； (b)部分基于清除導航數(shù)據(jù)后剩余的數(shù)字GPS信號數(shù)據(jù)針對搜索陣列中的每個數(shù)據(jù)點計算相應參數(shù)集； Ce)針對所述搜索陣列中的每個數(shù)據(jù)點將時域平均的I和Q信號分量計算為所述相應參數(shù)集的函數(shù)； Cd)基于所述搜索陣列中的每個數(shù)據(jù)點的所述時域平均的I和Q信號分量計算相應相關度；以及 Ce)部分基于所述相關度確定軌道狀態(tài)修正。
2.根據(jù)權利要求I所述的接收器，其中所述參數(shù)集包括預測的載波中頻、預測的碼頻和預測的碼相位中的至少一個。
3.根據(jù)權利要求I所述的接收器，其中所述時間間隔為一秒級。
4.根據(jù)權利要求I所述的接收器，其中所述計算機處理器被進一步編程為執(zhí)行以下步驟在所述時間間隔內傳播所述衛(wèi)星的軌道狀態(tài)數(shù)據(jù)，然后緩沖在所述時間間隔內傳播的所述軌道狀態(tài)數(shù)據(jù)，并且在步驟(b)中部分基于所述緩沖的軌道狀態(tài)數(shù)據(jù)計算所述相應參數(shù)集。
5.根據(jù)權利要求I所述的接收器，其中所述計算機處理器被進一步編程為執(zhí)行以下步驟使用與所述衛(wèi)星的周期熱分布圖對應的周期函數(shù)建模時鐘誤差的步驟，并且在步驟(b )中部分基于所述建模的時鐘誤差計算所述相應參數(shù)集。
6.根據(jù)權利要求I所述的接收器，其中所述計算機處理器被進一步編程為執(zhí)行估計所述時鐘誤差模型和推進器誤差模型的修正的步驟。
7.一種獲取在高空繞軌道運行的衛(wèi)星機載的弱全球定位系統(tǒng)即GPS信號的方法，包括以下步驟 Ca)響應于模擬GPS信號的檢測產生模擬GPS信號數(shù)據(jù)； (b)將所述模擬GPS信號數(shù)據(jù)轉化為數(shù)字GPS信號數(shù)據(jù)； (c)在大于一位導航消息的持續(xù)時間的時間間隔內緩沖所述數(shù)字GPS信號數(shù)據(jù)； Cd)針對搜索陣列中的每個數(shù)據(jù)點部分基于導航數(shù)據(jù)清除后剩余的數(shù)字GPS信號數(shù)據(jù)計算相應參數(shù)集； Ce)針對所述搜索陣列中的每個數(shù)據(jù)點將時域平均的I和Q信號分量計算所述相應參數(shù)集的函數(shù)； Cf)基于所述搜索陣列中每個數(shù)據(jù)點的所述時域平均的I和Q信號分量計算相應相關度；以及(g)部分基于所述相關度確定軌道狀態(tài)修正。
8.根據(jù)權利要求9所述的方法，其中所述參數(shù)集包括預測的載波中頻、預測的碼頻和預測的碼相位中的至少一個。
9.根據(jù)權利要求9所述的方法，其中所述時間間隔為一秒級。
10.根據(jù)權利要求9所述的方法，還包括以下步驟在所述時間間隔內傳播所述衛(wèi)星的軌道狀態(tài)數(shù)據(jù)，以及之后緩沖在所述時間間隔內傳播的所述軌道狀態(tài)數(shù)據(jù)，步驟(d)中的所述相應參數(shù)集部分基于所述緩沖的軌道狀態(tài)數(shù)據(jù)被計算。
11.根據(jù)權利要求9所述的方法，還包括使用相應于所述衛(wèi)星的周期熱分布圖的周期函數(shù)建模時鐘誤差的步驟，步驟(d)中的所述相應參數(shù)集部分基于所述建模的時鐘誤差計笪ο
12.根據(jù)權利要求9所述的方法，還包括估計所述時鐘誤差模型和推進器誤差模型的修正的步驟。
全文摘要
一種向高空航空器提供基于GPS的導航和軌道確定功能的系統(tǒng)。該系統(tǒng)使用現(xiàn)有的航空器處理器以及易于空間適用的最小硬件前端，從而最小化對新空間適用的硬件的需求。該系統(tǒng)還使用相干積分來獲取和追蹤高空的很弱的GPS信號。該系統(tǒng)還使用航空器時鐘的晝夜熱建模以及精確軌道傳播來使能較長的相干積分；使用專用卡爾曼濾波器來允許通過軌道確定的積分操作進行弱信號追蹤和GPS信號追蹤；并使用逐段、后處理、延遲方案以允許低速航空器處理器提供軟件GPS功能。
文檔編號G01S19/37GK102844678SQ201180019033
公開日2012年12月26日 申請日期2011年3月14日 優(yōu)先權日2010年4月14日
發(fā)明者R·李, K·卡西米, C·W·凱利 申請人:波音公司