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专利名称：机载导航定位系统以及应用该系统的卫星导航定位方法
技术领域：
本发明涉及导航定位系统以及导航定位方法，其通过机载航空电子设备接收卫星定位系统所发射的信号来实现飞机的导航定位。
背景技术：
基于全球导航卫星系统(GNSS，GlobalNavigation Satellite System)的机载导航定位系统，通过对卫星信号的接收、处理进而可以实现对大型客机的导航定位。机载导航定位系统如图1所示，其示出了传统的基于GNSS的机载导航定位系统10，该机载导航定位系统10具有射频信号接收单元12、射频信号处理前端单元14、中频信号处理器16、航空电子全双工交换式以太网(AFDX网络总线)18和用户终端20五部分。其中，射频信号接收单元12为天线。传统的基于GNSS的机载导航定位系统10的运行流程是首先，射频信号接收单元 12的各根天线分别接收射频的卫星导航信号；其次，分别与各天线相连接的独立的射频信号处理前端单元14对接收到的射频的卫星导航信号进行混频、降频处理并输出中频的卫星导航信号；再次，中频信号处理器16接收到中频的卫星导航信号后对信号进行捕获再进而根据捕获参数对中频的卫星导航信号进行跟踪及导航信息的解算；然后，AFDX网络总线 18将解算好的导航信息进行传输；最后，用户终端20接收导航信息。传统的基于GNSS的机载导航定位系统存在以下几点问题其一、传统的射频信号接收单元通过相互独立的多根天线来接收卫星射频信号，这在一定程度上弱化了飞机的集成性能，增加了机载系统的重量和体积；其二，传统的射频信号处理前端单元采用独立式结构，中频信号处理器采用专用集成电路(ASIC，Application Specific Integrated Circuit)处理数字中频的卫星导航信号以实现信号的捕获、跟踪及导航信息解算等工作， 由于ASIC为硬件，故中频信号处理器会占用一定的空间并增加飞机重量；其三，中频的卫星导航信号处理由中频信号处理器的硬件芯片在内部定制实现，故一旦芯片定型，用户就很难改变相应的参数或更换新的算法，同样地，在设计过程中设计人员只能对其输出信息进行机械、简单的应用，一旦出现问题，设计人员无法对其进行深入检测并排除故障，只能进行整体更换。这样，不但影响整个系统的可靠性，而且设计、维护的成本也比较高。

发明内容
针对上述技术问题，本发明提出一种机载导航定位系统。该系统将GNSS信号的捕获、跟踪以及导航解算等功能用软件实现。软件以驻留应用的形式集成于集成模块化航电系统(IMA)通用处理器中。整个系统包括射频信号接收单元、射频信号处理前端单元、中频信号处理单元及用户终端。其中，射频信号接收单元用于接收全球导航卫星系统的射频的卫星导航信号；射频信号处理前端单元用于对射频信号接收单元所接收的射频的卫星导航信号进行混频、降频处理从而得到中频的卫星导航信号；中频信号处理单元用于捕获中频的卫星导航信号并输出捕获参数，再根据所述捕获参数对中频的卫星导航信号进行跟踪以及导航信息的解算，最后将解算获得的卫星导航信息输出给接收终端，中频信号处理单元驻留在通用处理器中的可编辑程序。其中，射频信号接收单元为多天线单元，其将现有技术中独立的多根天线集成在一起；射频信号处理前端单元由专用硬件设计而成，其也将现有技术中多个前端处理单元集成在一起。进一步地，中频信号处理单元由软件来实现，而该软件作为驻留功能集成在航电平台的通用处理器内。较优地，该系统还包括故障检测隔离单元，其用于在射频信号处理前端单元处理后中频信号处理单元处理前检测射频信号处理前端单元输出的中频的卫星导航信号并将合格信号输送到中频信号处理单元中，同时将不合格信号进行隔离。具体地，故障检测隔离单元具有第一检测模块、第二检测模块和处理模块，其中， 第一检测模块用来对射频信号处理前端单元输出的中频的卫星导航信号进行自检并将自检合格的中频的卫星导航信号输出到第二检测模块中，第二检测模块用于将自检合格的中频的卫星导航信号与存储在第二检测模块中的信号误差模型进行比较并将在容差范围内的中频的卫星导航信号输出到处理模块，处理模块对在容差范围内的卫星导航信号进行滤波处理并将其输出到中频信号处理单元。其中，从处理模块输出到中频信号处理单元的中频的卫星导航信号再由中频信号处理单元进行跟踪以及导航信息的解算，最后将解算获得的导航定位信息输出给接收终端。较优地，故障检测隔离单元采用分散式卡尔曼滤波结构。较优地，故障检测隔离单元为驻留在通用处理器上的可编辑程序。更优选地，机载导航定位系统还具有辅助信息接收处理模块，其用于从机场GNSS 基站接收实时的有效卫星数据并通知中频信号处理单元仅对空域内的有效卫星的中频的卫星导航信号进行捕获。该机载导航定位系统的运行步骤包括射频信号接收步骤，射频信号接收单元接收射频的卫星导航信号；混频降频处理步骤，射频信号处理前端单元对射频信号接收单元接收到的射频的卫星导航信号进行混频、降频处理从而得到中频的卫星导航信号；以及中频信号处理步骤，中频信号处理单元通过驻留程序对中频的卫星导航信号进行捕获并输出捕获参数，再根据所述捕获参数对中频的卫星导航信号进行跟踪及信息解算并将解算的导航定位信息输出给接收终端。进一步地，该运行步骤在混频降频处理步骤之后中频信号处理步骤之前还包括故障检测隔离步骤，其检测射频信号处理前端单元输出的中频的卫星导航信号并将合格信号输送到中频信号处理单元中，同时将不合格信号进行隔离，故障检测隔离单元对中频的卫星导航信号进行全程监控。较优地，故障检测隔离步骤是通过驻留在通用处理器上的可编辑程序来实现的。具体地，故障检测隔离步骤包括对中频的卫星导航信号进行自检并允许满足全球导航卫星系统的卫星信号基本特征的中频的卫星导航信号通过的自检子步骤，将自检子步骤输出的中频的卫星导航信号与信号误差模型进行比较并将在容差范围内的中频的卫星导航信号输出的比较子步骤，以及将比较子步骤输出的中频的卫星导航信号进行滤波处理并输出给中频处理单元的处理子步骤。优选地，故障检测隔离步骤还包括中断信号复现子步骤，当射频信号接收步骤中所接收的射频的卫星导航信号瞬间中断时，进行中断信号的复现。
优选地，该机载导航定位系统的运行步骤还包括辅助信息接收处理步骤，机场 GNSS基站接收实时的机场空域内的可用卫星数据，通过数据链传输给机场空域内的机载导航定位系统，可以有效的提高系统对信号的捕获效率。因为航空电子平台的通用处理器具备开放式架构以及可配置性等特点，所以设计人员可以根据需要，定制新的捕获以及跟踪算法，提高机载导航定位系统的精度和可靠性。 在应用方面，仅需将模块化的软件程序驻留在通用处理器中(如IMA平台)，实现对GNSS信号的处理，真正体现“零体积，零重量”的资源占用。模块化设计的软件结构具有较好的故障检测和故障排故能力。


为了解释本发明，将在下文中参考附图描述其示例性实施方式，附图中图1示意性地示出了现有技术中的机载导航定位系统；图2示意性地示出了本发明中的机载导航定位系统；图3示意性地示出了本发明的机载导航定位系统中的故障检测单元和故障隔离单元的原理图。
具体实施例方式如图2所示，机载导航定位系统100主要包括射频信号接收单元102、射频信号处理前端单元104、中频信号处理单元106及故障检测隔离单元108。射频信号接收单元102为多天线单元，其主要通过布置在飞机表面的天线接收 GNS S的卫星导航信号。考虑到在复杂的外部电磁环境下射频传感器一体化时的干扰特性和行为规律，本发明的射频信号接收单元102不仅具有多频谱、自适应综合处理的能力，而且还尽量设计成小型化，以满足装机环境的要求。在本发明中，射频信号接收单元102可以由航线可更换单元(LRU，Line Replaceable Unit)来实现。射频信号处理前端单元104具有混频降频处理模块10 以及模数转换处理模块 104b，通过混频降频处理模块10 可以实现对从射频信号接收单元102所接收到的射频的卫星导航信号进行综合混频和降频，完成混频降频后，再经由模数转换处理模块104b实现 A/D转换即将模拟信号转为数字信号。在本发明中，射频信号处理前端单元104也可以由航线可更换单元(LRU，Line Replaceable Unit)来实现。中频信号处理单元106具有信号捕获模块106a、信号跟踪模块106b以及信息解算模块106c。这些模块为存储在IMA通用处理器中的可编辑程序，这样，设计人员就可以对其进行更新、升级等操作从而能够随时维护。运行时，首先，信号捕获模块106a通过AFDX网络对前述的射频信号处理前端单元104所发出的中频的、数字的卫星导航信号进行捕获；其次，信号跟踪模块106b根据信号捕获模块106a输出的捕获参数对中频的卫星导航信号进行跟踪以便从跟踪的中频的卫星导航信号获得导航定位码信息；然后，信号跟踪模块106b 将导航定位码输出给信号解算模块106c由其完成导航信息解算并输出给用户终端。优选地，中频信号处理单元106还具有辅助信息接收模块106d。其中，辅助信息接收模块106d 通过数据链的方式接收从机场GNS S基站所发射的导航辅助信息，辅助信息接收模块106d实时向信号捕获模块106a传输这些导航辅助信息。其中，导航辅助信息是指位于机场的地面基站，可以接收到机场空域内有效卫星的搜索码、多普勒频率以及CA码初始相位，并预估由于飞机与基站位置误差引起的搜索偏差等辅助信息。然后通过数据链的无线链路实时地将该辅助信息发送给机场辖区内的所有机载导航定位系统。机载导航定位系统的信号捕获模块106a接收到该辅助信息接收模块106d的辅助信息后仅对空域内的有效卫星信号进行捕获，同时利用接收到的多普勒频率和CA码初始相位使本地复现码与接收到的卫星信号实时同步。这样，一方面消除了导航数据位跳带来的影响，另一方面可以缩小多普勒频率的搜索范围，以便减小由于频率步进栅格变细而带来的计算负担，从而较明显的改善对卫星的捕获效率。该方法能够缩短机载导航定位系统对信号的捕获、跟踪以及定位时间，提高系统的整体性能。如上所述，中频信号处理单元106是可编辑程序，其通过分析GNSS导航信号结构特点和软件无线电基带信号处理原理，实现基于GNSS信号的高性能捕获算法、载波、CA码跟踪以及导航信息解算等通用解决方案。优选地，本发明的机载导航定位系统100还具有故障检测隔离单元108。其中，故障检测隔离单元108可以实现对从射频信号处理前端单元104输出的中频的卫星导航信号进行监控检测，从而对不理想的卫星信号暂时隔离，然后将理想的卫星信号再输送给中频信号处理单元106中。具体地，如下所述。在一般情况下，系统一体化的程度越高，逻辑功能和物理结构就越复杂。在现有技术中，飞机制造商在对机载导航定位系统进行功能、性能验证以及适航取证时，很难对其内部故障进行检测和定位，大大降低了试飞现场排除故障的效率。采取RNP进近技术的机场， 多位于偏远山区、丘陵以及峡谷地带。进近的航路设计，尽管充分考虑了信号接收的环境因素，但是仍然不能满足信号接收的理想条件，因此信号会出现短时遮挡或瞬断。传统的导航性能预测技术在检测到存在上述情况时，会中断对卫星中频信号的处理，这将导致机载导航定位系统无法提供精确的导航位置信息，从而导致飞机复飞或者使用备降机场。图3示意性地示出了故障检测隔离的原理。如图3所示，本发明采用分散式卡尔曼滤波结构对故障进行多级检测。故障检测隔离单元108具有第一检测模块108a、第二检测模块108b和处理模块108c。其中，第一检测模块108a，根据GNSS卫星独特的射频频率以及扩频编码特征用来对射频信号处理前端单元104发送的中频的卫星导航信号进行自检， 只要满足GNSS卫星信号的基本特征即允许该些中频的卫星导航信号进入到第二检测模块 108b中。第二检测模块108b具有多个子滤波器，分别对应接收到的多颗卫星，子滤波器中构建了卫星信号的多普勒频率、CA码相位以及伪距信息的统计误差模型，在整个工作过程中对相应的信息进行实时监测，若经过自检的这些中频的卫星导航信号的误差在统计误差模型容差范围之内，则允许其通过并进入到处理模块108c中，反之，则将相应的卫星导航信号暂时隔离。其中，该子滤波器为卡尔曼滤波器。处理模块108c具有主滤波器，其用于将第二检测模块108b中子滤波器检测后的各匹配信号进行滤波处理并将最终处理后的信号输出给中频信号处理单元106。如果卫星处于瞬时中断的情况，第二检测模块108b中的子滤波器根据该卫星信号的动态模型，短时间内对该信号进行本地复现，将复现信号输出给处理模块108c的主滤波器，保持信号的连续性。综合整个处理过程，经过处理模块108c 后，第一种情形是当某一卫星导航信号被监测到存在故障或干扰造成误差较大时，即对该颗卫星的跟踪信息进行隔离，暂时不将该卫星的跟踪信息送入主滤波器，避免对主滤波器造成污染，但保持对其的监视、跟踪，待该信号恢复正常后再提供正确的导航信息。此时，主滤波器采用其他的卫星导航信号进行导航定位。第二种情形是当某颗卫星的导航信号发生瞬时中断时，此时第二检测模块108b的子滤波器在短时间内将对该卫星导航信号进行复现，保持导航定位的连续性。本领域的技术人员应当可以理解，分散式卡尔曼滤波结构只是一种优选实施方式，其他的滤波结构也可以被采用。优选地，故障检测隔离单元为驻留在通用处理器上的可编辑程序，这样，设计人员可以根据情况对该单元进行更新、升级操作从而能够对其进行维护。本发明的导航信号处理步骤如下首先，由射频信号接收单元102的天线收集多路GNSS卫星导航模拟信号并全部汇集到前端射频信号处理单元104中进行一体化集中处理。具体地，对接收到的射频的卫星导航信号进行集中的混频、降频处理，并将降频后的信号进行A/D模数转换，最终将上述模拟信号转换成AFDX网络兼容的数字信号并通过AFDX 网络总线向中频信号处理单元106输出。然后，驻留在IMA通用处理器中的中频信号捕获模块106a对中频的、数字的、卫星导航信号进行捕获，进而中频信号跟踪模块106b对卫星信号进行跟踪，最后导航信息解算模块106c进行导航信息解算。最后，上述信息传输给用户终端，同时，故障检测隔离单元108对信号传输进行监控并对不理想的卫星信号进行隔离。由于IMA通用处理器具有开放性以及可配置性的优点，故，在本发明中将中频信号处理单元106和故障检测隔离单元108驻留在IMA通用处理器中，完成对多观测量导航信息的解算。本发明的机载导航定位系统具有如下优点其一、质量、体积零占用，其能够有效的减小对民机重量、体积等资源的损耗；其二、开放式的软件结构，能够减低系统的定制与维护成本；其三、综合化的集中处理能力，简化了数据流，减低了系统的数据传输风险；其四、开放式的系统结构，使其能够驻留在通用处理器内，实现对系统资源的高效利用。本发明不以任何方式限制于在说明书和附图中呈现的示例性实施方式。示出以及描述的实施方式(的部分)明确地理解为并入该说明书之内并且明确地理解为落入本发明的范围内。而且，在如权利要求书概括的本发明的范围内，很多变形是可能的。此外，不应该将权利要求书中的任何参考标记构造为限制本发明的范围。
权利要求
1.一种机载导航定位系统，其包括射频信号接收单元，其用于接收全球导航卫星系统的射频的卫星导航信号；射频信号处理前端单元，其用于对所述射频信号接收单元所接收的射频的卫星导航信号进行混频、降频处理从而得到中频的卫星导航信号；中频信号处理单元，其用于捕获所述中频的卫星导航信号并输出捕获参数，再根据所述捕获参数对所述中频的卫星导航信号进行跟踪以及信息解算并将所述解算信息输出给接收终端，所述中频信号处理单元为驻留在通用处理器中的可编辑程序。
2.根据权利要求1所述的机载导航定位系统，其中，所述射频信号接收单元为集成的多天线单元。
3.根据权利要求2所述的记载导航定位系统，其中，所述射频信号处理前端单元对应所述集成的多天线单元设计的集成处理单元。
4.根据权利要求1所述的机载导航定位系统，其中，所述射频信号处理前端单元具有数模转换模块，其用于将降频后模拟的中频的卫星导航信号变为数字的、中频的卫星导航信号。
5.根据权利要求4所述的机载导航定位系统，其中，所述射频信号处理前端单元和所述中频信号处理单元之间具有AFDX总线网络，所述AFDX总线网络用于将所述数字的、中频的卫星导航信号传输给所述中频信号处理单元。
6.根据权利要求1-5任一项所述的机载导航定位系统，其中，所述系统还包括故障检测隔离单元，其用于检测所述射频信号处理前端单元输出的所述中频的卫星导航信号并将合格信号输送到所述中频信号处理单元中，同时将不合格信号进行隔离。
7.根据权利要求6所述的机载导航定位系统，其中，所述故障检测隔离单元具有第一检测模块、第二检测模块和处理模块，其中，所述第一检测模块用来对所述射频信号处理前端单元输出的中频的卫星导航信号进行自检并将自检合格的信号输出到所述第二检测模块中，所述第二检测模块用于将所述自检合格的中频的卫星导航信号与存储在所述第二检测模块中的信号误差模型进行比较并将在容差范围内的中频的卫星导航信号输出到所述处理模块，所述处理模块对所述在容差范围内的中频的卫星导航信号进行滤波处理并将其输出到所述中频信号处理单元。
8.根据权利要求7所述的机载导航定位系统，其中，所述故障检测隔离单元采用分散式卡尔曼滤波结构。
9.根据权利要求7所述的机载导航定位系统，其中，所述故障检测隔离单元为驻留在通用处理器上的可编辑程序。
10.根据权利要求7所述的机载导航定位系统，其中，所述第一检测模块进行自检是根据所述全球导航卫星系统中的卫星的射频频率和扩频编码特征进行的。
11.根据权利要求7所述的机载导航定位系统，其中，所述第二检测模块具有多个分别对应所述全球导航卫星系统中的卫星的卡尔曼滤波器，所述的信号误差模型包括多普勒频率误差模型和/或CA码相位误差模型和/或伪距信息误差模型。
12.根据权利要求11所述的机载导航定位系统，其中，当接收的所述全球导航卫星系统中的卫星的信号瞬间中断时，所述第二检测模块能够将中断信号复现并将复现信号输出给所述处理模块。
13.根据权利要求1-5所述的机载导航定位系统，其中，所述机载导航定位系统还具有辅助信息接收处理模块，其用于从机场GNSS基站接收实时的有效卫星数据并通知所述中频信号处理单元捕获所述有效卫星的中频的卫星导航信号。
14.根据权利要求13所述的机载导航定位系统，其中，所述有效卫星数据包括卫星搜索码、卫星多普勒频率、卫星CA码初始相位和所述机载导航定位系统与所述机场GNSS基站的位置偏差所引起的搜索偏差数据。
15.根据权利要求6所述机载导航定位系统，其中，所述机载导航定位系统还具有辅助信息接收处理模块，其用于从机场GNSS基站接收实时的有效卫星数据并通知所述中频信号处理单元捕获所述有效卫星的中频的卫星导航信号。
16.一种应用权利要求1-15所述的机载导航定位系统的卫星导航定位方法，其包括如下步骤射频信号接收步骤，射频信号接收单元接收射频的卫星导航信号；混频降频处理步骤，射频信号处理前端单元对所述射频信号接收单元接收到的射频的卫星导航信号进行混频、降频处理从而得到中频的卫星导航信号；以及中频信号处理步骤，中频信号处理单元通过驻留程序对所述中频的卫星导航信号进行捕获输出捕获参数，再根据所述捕获参数对中频的卫星导航信号进行跟踪及信息解算并将解算的导航定位信息输出给接收终端。
17.根据权利要求16所述的卫星导航定位方法，其中，所述方法还包括故障检测隔离步骤，其检测所述射频信号处理前端单元输出的中频的卫星导航信号并将合格信号输送到所述中频信号处理单元中，同时将不合格信号进行隔离。
18.根据权利要求17所述的卫星导航定位方法，其中，所述故障检测隔离步骤包括对所述中频的卫星导航信号进行自检并允许满足所述全球导航卫星系统的卫星信号基本特征的中频的卫星导航信号通过的自检子步骤；将所述自检子步骤输出的中频的卫星导航信号与信号误差模型进行比较并将在容差范围内的中频的卫星导航信号输出的比较子步骤；以及将所述比较子步骤输出的中频的卫星导航信号进行滤波处理并输出给所述中频处理单元的处理子步骤。
19.根据权利要求18所述的卫星导航定位方法，其中，所述故障检测隔离步骤还包括中断信号复现子步骤，当所述射频信号接收步骤中所接收的所述射频的卫星导航信号瞬间中断时，进行中断信号的复现。
20.根据权利要求16-19任一项所述的方法，其中，所述方法还包括辅助信息接收处理步骤，其用于从机场GNS S基站接收实时的有效卫星数据并通知所述中频信号处理单元捕获所述有效卫星的卫星导航信号。
全文摘要
本发明公开了一种机载导航定位系统，其包括射频信号接收单元，其用于接收全球导航卫星系统的卫星导航信号；射频信号处理前端单元，其用于对所述射频信号接收单元所接收的射频的卫星导航信号进行混频、降频处理从而得到中频的卫星导航信号；中频信号处理单元，其用于进行捕获、跟踪中频的卫星导航信号以及信息解算并将解算信息输出给接收终端，中频信号处理单元为驻留在通用处理器中的可编辑程序。该机载导航定位系统克服了芯片一旦定型用户就很难改变相应的参数或更换新的算法的缺陷，其不仅具有综合化的集中处理能力，还具有开放式的系统结构能够实现对系统资源的高效利用。
文档编号G01S19/24GK102331579SQ201110209939
公开日2012年1月25日 申请日期2011年7月26日 优先权日2011年7月26日
发明者严林芳, 周贵荣, 苗剑峰, 赵春玲 申请人:中国商用飞机有限责任公司, 中国商用飞机有限责任公司上海飞机设计研究院