阅读说明：本技术 一种适用于姿态任意变化的全向型卫星导航信号接收系统 (Omnidirectional satellite navigation signal receiving system suitable for random attitude change ) 是由 韩连刚 杨明星 齐鑫 张拓 王珂 惠钰 杨森 党琳 桂苏嘉 党小鹏 张乐 于 2019-08-20 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种适用于姿态任意变化的全向型卫星导航信号接收系统,属于航天器技术领域,包括：载体外壳、安装盘、六个同相的圆极化天线阵元、合路器、卫星导航接收机及数据解算单元；天线阵元AI、天线阵元AIII、天线阵元BI和天线阵元BIII沿安装盘的周向均匀间隔分布,天线阵元AII和天线阵元BII分别安装在安装盘的上、下两侧,且天线阵元AII和天线阵元BII沿安装盘对称分布；天线阵元AI、天线阵元AII、天线阵元AIII、天线阵元BI、天线阵元BII和天线阵元BIII位于同一球面上；本发明能够接收运行于环绕地球轨道上的导航卫星发出的卫星信号,并完成导航解算,实现导航卫星实时位置和移动速度的测量。(The invention discloses an omnidirectional satellite navigation signal receiving system suitable for arbitrary change of attitude, belonging to the technical field of spacecrafts, comprising: the device comprises a carrier shell, a mounting disc, six in-phase circularly polarized antenna array elements, a combiner, a satellite navigation receiver and a data resolving unit; the antenna array elements AI, the antenna array elements AIII, the antenna array elements BI and the antenna array elements BIII are uniformly distributed at intervals along the circumferential direction of the mounting disc, the antenna array elements AII and the antenna array elements BII are respectively arranged on the upper side and the lower side of the mounting disc, and the antenna array elements AII and the antenna array elements BII are symmetrically distributed along the mounting disc; the antenna array element AI, the antenna array element AII, the antenna array element AIII, the antenna array element BI, the antenna array element BII and the antenna array element BIII are positioned on the same spherical surface; the invention can receive satellite signals sent by a navigation satellite operating on a surrounding earth orbit, complete navigation calculation and realize the measurement of the real-time position and the moving speed of the navigation satellite.)

一种适用于姿态任意变化的全向型卫星导航信号接收系统

技术领域

本发明属于航天器技术领域，具体涉及一种适用于姿态任意变化的全向型卫星导航信号接收系统。

背景技术

要实现卫星导航信号的解算，卫星导航接收机需要对四颗以上的导航卫星信号实现捕获，并对其进行连续的跟踪锁定，以实现航天飞行器或测量装置的动态飞行弹道测量。

约30颗的导航卫星轨道几乎覆盖了整个天穹。对于单个天线而言，其有效接收信号的波束宽度是有限的、确定的。当卫星导航接收系统在航天飞行器上应用时，接收天线被固定安装到飞行器靠近表面的适当位置。当飞行器发生旋转时，天线随之旋转，在此过程中天线指向的导航卫星将不断变换，同一导航卫星的信号时断时续，容易导致信号失锁而发生解算失败。对于导弹、火箭而言，旋转主要围绕弹/箭轴线，现有的解决方案是使用围绕轴线的环形多个天线单元阵及合路器来实现在一定方向范围内的导航卫星的连续覆盖，但天线的合成方向图在轴线两端存在很大的零深，在此范围内不能实现导航卫星信号的接收和导航解算，只能使用横向范围内的导航卫星信号。对于没有固定旋转轴的探测器而言，使用围绕轴线的环形多个天线单元阵及合路器的设计，容易造成已经锁定并参与解算的卫星信号的时断、时续，甚至丢失，不能满足对导航卫星信号进行连续跟踪、锁定和解算，难以实现稳定、高质量的卫星导航数据输出。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种适用于姿态任意变化的全向型卫星导航信号接收系统，应用于各类航天器、探测器之中，能够接收运行于环绕地球轨道上的导航卫星发出的卫星信号，并完成导航解算，实现导航卫星实时位置和移动速度的测量。

本发明是通过下述技术方案实现的：

一种适用于姿态任意变化的全向型卫星导航信号接收系统，包括：载体外壳、安装盘、六个同相的圆极化天线阵元、合路器、卫星导航接收机及数据解算单元；

六个所述圆极化天线阵元分别为天线阵元AI、天线阵元AII、天线阵元AIII、天线阵元BI、天线阵元BII、天线阵元BIII；

所述安装盘固定在载体外壳的内部中心；天线阵元AI、天线阵元AIII、天线阵元BI及天线阵元BIII分别通过天线支架安装在安装盘的侧边，且天线阵元AI、天线阵元AIII、天线阵元BI和天线阵元BIII沿安装盘的周向均匀间隔分布，天线阵元AII和天线阵元BII分别通过天线支架安装在安装盘的上、下两侧，且天线阵元AII和天线阵元BII沿安装盘对称分布；天线阵元AI、天线阵元AII、天线阵元AIII、天线阵元BI、天线阵元BII和天线阵元BIII位于同一球面上；

合路器、卫星导航接收机及数据解算单元均安装在载体外壳内；合路器的一端分别与六个圆极化天线阵元电性连接，另一端与卫星导航接收机的射频输入端电性连接；卫星导航接收机的输出端与数据解算单元电性连接；

其中，所述圆极化天线阵元用于接收所有能够接收到的导航卫星发出的卫星信号，组成信号集，并发送给合路器；所述合路器用于将接收的信号集进行叠加合成，并形成一路信号后，输出给卫星导航接收机；所述卫星导航接收机用于对收到的信号进行变频处理后，根据卫星星历信息解算出导航卫星的卫星信号的测量信息，所述测量信息包括伪距、载波相位和信噪比，并将该测量信息发送给数据解算单元；所述数据解算单元根据所述测量信息对导航卫星进行位置、速度和时间数据的解算。

进一步的，所述合路器为两个，卫星导航接收机为两个；两个合路器分别为合路器A和合路器B；

天线阵元AI、天线阵元AII、天线阵元AIII为第一组天线阵，该组中的三个天线阵元分别与合路器A电性连接；天线阵元BI、天线阵元BII和天线阵元BIII为第二组天线阵，该组中的三个天线阵元分别与合路器B电性连接；两个合路器分别与两个卫星导航接收机一一对应电性连接；其中，天线阵元AI和天线阵元AIII相对，天线阵元BI和天线阵元BIII相对。

进一步的，还包括分集合成单元；分集合成单元分别与两个卫星导航接收机的输出端电性连接；

当两个卫星导航接收机接收到同一导航卫星的信号数据时，两个卫星导航接收机均将同一导航卫星的测量信息发送给分集合成单元；所述分集合成单元对两个卫星导航接收机发送的测量信息进行检查，来比较同一导航卫星的卫星信号的同步状态、信噪比、信号强度参数，实时选择符合设定要求的导航卫星的测量信息发送给数据解算单元；当两个卫星导航接收机接收到不同导航卫星的信号数据时，两个卫星导航接收机将不同导航卫星的测量信息直接发送给数据解算单元。

有益效果：(1)本发明采用沿球面布置的六个同相的圆极化天线阵元，形成了沿球面方向相互弥补的完整方向图，即采用三维全向布局的天线阵代替现有的二维环形天线阵，消除了二维环形阵天线在垂直于二维平面上的轴线方向上增益过低的问题及二维环形天线阵在无确定旋转轴飞行器上使用时容易出现已锁定卫星信号的丢失，造成一定时间内不能解算导航数据的问题；实现了导航卫星信号的全向覆盖，能够在其载体任意旋转状态下为卫星导航接收机提供全部、稳定、连续的导航卫星信号。

(2)本发明采用三个天线阵元为一组进行合路，降低了多个天线阵元合路时由于同一卫星信号经不同天线进入后的相位差异在合成后发生衰落的程度，同时减少了合路信号的叠加噪声，配合两组信号独立解算、选择合成的方法能够进一步提高导航卫星信号的质量。

附图说明

图1为本发明的三维布局图；

图2为本发明的二维布局图一；

图3为本发明的二维布局图二；

图4为本发明的工作原理图；

图5为本实施例与现有的固定旋转轴的二维环形四天线阵方案的卫星信号合成0°俯仰方向图；

图6为本实施例与现有的固定旋转轴的二维环形四天线阵方案的卫星信号合成45°俯仰方向图；

图7为本实施例与现有的固定旋转轴的二维环形四天线阵方案的卫星信号合成90°俯仰方向图；

图8为本实施例与现有的固定旋转轴的二维环形四天线阵方案的卫星信号合成方位方向图；

其中，1-天线阵元AI，2-天线阵元AII，3-天线阵元AIII，4-天线阵元BI，5-天线阵元BII，6-天线阵元BIII，7-落球外壳，8-安装盘，9-合路器，10-卫星导航接收机。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

以作为探空火箭探测载荷的硬质落球为例，本实施例提供了一种适用于姿态任意变化的全向型卫星导航信号接收系统，该系统用于测量落球在自由飞行过程中与时间相对应的位置和速度；落球的工作状态决定其在飞行过程中会绕其任意直径所在直线作为旋转轴旋转。

参见附图1-3，该系统包括：载体外壳、安装盘8、六个同相的圆极化天线阵元、两个合路器9、两个卫星导航接收机10、分集合成单元及数据解算单元；

本实施例中的载体外壳为落球外壳7；

六个所述圆极化天线阵元分别为天线阵元AI1、天线阵元AII2、天线阵元AIII3、天线阵元BI4、天线阵元BII5、天线阵元BIII6；

所述安装盘8固定在落球外壳7的内部中心；天线阵元AI1、天线阵元AIII3、天线阵元BI4及天线阵元BIII6分别通过天线支架安装在安装盘8的侧边，且天线阵元AI1、天线阵元AIII3、天线阵元BI4和天线阵元BIII6沿安装盘8的周向均匀间隔分布，其中，天线阵元AI1和天线阵元AIII3相对，天线阵元BI4和天线阵元BIII6相对；天线阵元AII2和天线阵元BII5分别通过天线支架安装在安装盘8的上、下两侧，且天线阵元AII2和天线阵元BII5沿安装盘8对称分布；天线阵元AI1、天线阵元AII2、天线阵元AIII3、天线阵元BI4、天线阵元BII5和天线阵元BIII6位于同一球面上；天线阵元AI1、天线阵元AII2、天线阵元AIII3为第一组天线阵，该组中的三个天线阵元以球心为原点的半圆线上间隔90°分布；天线阵元BI4、天线阵元BII5和天线阵元BIII6为第二组天线阵，该组中的三个天线阵元以球心为原点的半圆线上间隔90°分布；六个圆极化天线阵元组成的天线阵能够覆盖整个球面方向上的导航卫星的信号，而且在落球外壳7绕其任意直径所在直线作为旋转轴旋转时，同一导航卫星的信号在两组天线间的切换机会与时间最短；

两个卫星导航接收机10层叠安装在安装盘8上，两个合路器9分别安装在两个卫星导航接收机10组成整体的上、下表面，两个合路器9分别为合路器A和合路器B；第一组天线阵中的三个天线阵元分别通过等长的射频电缆与合路器A电性连接；第二组天线阵中的三个天线阵元分别通过等长的射频电缆与合路器B电性连接；合路器A和合路器B分别通过射频电缆与两个卫星导航接收机10的射频输入端一一对应电性连接；每个卫星导航接收机10的输出端分别与分集合成单元及数据解算单元电性连接。

工作原理：参见附图4，每个圆极化天线阵元均接收所有能够接收到的导航卫星发出的卫星信号，组成信号集；第一组天线阵中的三个天线阵元将对应的三个信号集同时传输给合路器A，第二组天线阵中的三个天线阵元将对应的三个信号集同时传输给合路器B；合路器A和合路器B将对应的三个天线阵元接收的信号集进行叠加合成，并形成一路信号后，输出给对应的卫星导航接收机10；所述卫星导航接收机10包括信道模块和基带模块；所述信道模块接收合路器9传输的信号，并对接收的信号进行变频处理后，发送给基带模块；所述基带模块具有12个捕获、跟踪、解扩和解调处理功能的通道，每个通道基于卫星星历信息解算出导航卫星的测量信息，该测量信息包括卫星信号的伪距、载波相位和信噪比；当两个卫星导航接收机10接收到同一导航卫星的信号数据时，两个卫星导航接收机10均将同一导航卫星的测量信息发送给分集合成单元；所述分集合成单元对两个卫星导航接收机10发送的测量信息进行检查，来比较同一导航卫星的卫星信号的同步状态、信噪比、信号强度参数，实时选择符合设定要求的导航卫星的测量信息发送给数据解算单元；当两个卫星导航接收机10接收到不同导航卫星的信号数据时，两个卫星导航接收机10将不同导航卫星的测量信息直接发送给数据解算单元；所述数据解算单元对接收到的测量信息进行PVT解算，即卫星导航接收机所安装的载体的位置、移动速度和对应时间数据的解算。

天线的特性与天线的结构形式、单元布局直接相关，不同的天线结构形式或不同的单元布局所形成的方向图在不同空间方向的增益差异显著，均匀性有很大不同。参见附图5-8为本实施例(图中标识为“三-二合成分集”)与现有的固定旋转轴的二维环形四天线阵方案(图中标识为“环形四合成”)的合成方向图对比情况；从图上可知，本实施例的方向图不仅克服了二维环形四天线阵方案在固定旋转轴方向上的零深，而且克服了两组天线电磁波信号的相互干扰，在沿球面的各个方向上具有很好的均匀性，即全向性，能够实现测量区域内导航卫星的全面覆盖，能够保证天线阵在任意旋转状态下参与解算卫星信号的连续跟踪与锁定，实现导航卫星的导航数据(导航数据包括位置、速度和时间)的连续解算。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。