一種北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)雙頻定位定向儀的制作方法
【專利摘要】一種北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)雙頻定位定向儀，包括電源部分、射頻部分和基帶部分，射頻部分包括：主天線信道和輔天線信道，均支持B1、B3雙頻點的下變頻功能；另外還有B3外接抗干擾天線信道，分別與天線信道和輔天線信道信道中的B3信道進行切換；所述的基帶部分采用2片F(xiàn)PGA和1片DSP的架構(gòu)，實現(xiàn)信號的捕獲、跟蹤與各類信息處理，為每個天線的信號提供16個跟蹤通道，共32個跟蹤通道，通道能夠根據(jù)工作模式，在B1、B3頻點間動態(tài)分配。該定位定向儀能夠滿足中低動態(tài)使用條件和車載方式使用要求，為載體提供快速、精準的定位、定向信息。
【專利說明】一種北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)雙頻定位定向儀
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及衛(wèi)星導航與無線通信領域，特別涉及北斗/GPS雙模差分定位以及北斗雙頻定向設備。
【背景技術】
[0002]衛(wèi)星定位定向設備已在國外得到廣泛應用，可裝備到自行火炮、防空武器、雷達、偵察車等，為其提供自主的定位定向?qū)Ш叫畔?。針對北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的定位定向技術國內(nèi)才剛開始起步，因此對北斗定位定向設備的研究顯得十分必要。
[0003]一般國外的衛(wèi)星定向儀都是使用GPS全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)，采用兩個OEM接收機實現(xiàn)，在其中一個接收機或另外增加處理器實現(xiàn)基線和方位解算。如果是軍用衛(wèi)星定向儀還需要兩個授權(quán)模塊。衛(wèi)星定向儀接收兩個天線的信號并得到衛(wèi)星的載波相位測量值，采用一定的算法可以計算出兩個天線的基線向量以及方位，在保證一定基線長度的情況下，定向精度<2mil (0.12° )。雙頻定向技術比起單頻定向技術，定向的速度有較大的提高，成功率也有所增加。
[0004]目前北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)提供的定位精度優(yōu)于10米，而為得到更高的定位精度，可以采用北斗差分定位技術:將一臺北斗接收機安置在基準站上進行觀測，再通過數(shù)據(jù)鏈將基準站已知精密坐標以及偽距載波測量信息實時播發(fā)出去；用戶接收機在對北斗衛(wèi)星觀測的同時，也接收到基準站播發(fā)的實時差分數(shù)據(jù)；根據(jù)基準站已知精密坐標和偽距載波觀測量可以計算出基準站到衛(wèi)星的距離改正數(shù)，對接收機的定位結(jié)果進行改正，從而提高定位精度。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0005]為了能夠滿足中低動態(tài)使用條件和車載方式使用要求，為載體提供快速、精準的定位、定向信息，本發(fā)明提供一種北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)雙頻定位定向儀，包括電源部分、射頻部分和基帶部分，上述三部分均安裝在一外殼內(nèi)，其特征在于:
所述的射頻部分包括:第一信道和第二信道，可分別接收第一定向天線、第二定向天線的信號輸入，均支持B1、B3、L1三頻點的下變頻功能；另外第一信道的輸入能夠在外接抗干擾天線與第一定向天線之間進行切換。
[0006]所述的基帶部分采用2片F(xiàn)PGA和I片DSP的架構(gòu)，實現(xiàn)信號的捕獲、跟蹤與各類信息處理，為每個天線的信號提供16個跟蹤通道，共32個跟蹤通道，通道能夠根據(jù)工作模式，在B1、B3頻點間動態(tài)分配。
[0007]所述的射頻部分和基帶部分的信號處理過程為:
(1)從第一定向天線(或外接抗干擾天線)和第二定向天線接收到信號后，經(jīng)射頻模塊進行放大、變頻；
(2)基帶部分的信號處理部分利用FPGA對兩個定向天線信號進行捕獲、跟蹤，解調(diào)出導航電文，并提供各種測量數(shù)據(jù)； (3)基帶部分的信息處理部分利用DSP利用偽距、載波相位等測量數(shù)據(jù)進行定位、定向解算，如接收到差分信息，還可進行差分定位。
[0008]所述的步驟(I)中的射頻模塊對兩路定向的射頻信號進行放大、功分，并分別進行三頻點的變頻，或者通過設置之后將從抗干擾天線接收到的信號進行放大、功分，分別進行三頻點的變頻。
[0009]所述的步驟(2)基帶部分中的信號處理部分具有民碼、軍碼直捕功能，僅需I片PRM芯片，即可完成兩個天線信號的軍碼捕獲功能，同時針對定向的需求，利用第一定向天線的載波環(huán)路輔助第二定向天線的載波環(huán)路跟蹤，提高載波相位測量精度，載波測量精度可達到6%。周。
[0010]所述的步驟(3)基帶部分中的信息處理部分基于基線長度的約束，利用北斗B1\B3雙頻載波相位進行整周模糊度的解算，具備單歷元解算整周模糊度的能力，同時，針對靜態(tài)定向的需求，利用平差算法，綜合多歷元觀測數(shù)據(jù)，提高定向精度，3m基線時定向精度優(yōu)于Imil ;同時在收到偽距差分信息的時候，利用偽距差分信息，修正偽距觀測量，從而提升偽距測量精度，最終實現(xiàn)提升定位精度的目的，通過偽距差分定位，定位精度可達到2m精度。
[0011]所述的電源部分包含電源保護電路，在過流、過壓、欠壓或極性反接時具有自動保護功能；機內(nèi)電源電路完成從直流電源到各應用電路的DC/DC變換，采用低功耗設計。
[0012]在所述的射頻部分，采用MAX4373進行天線故障的檢測，通過檢測是否有電流流經(jīng)該芯片，進而產(chǎn)生一高或低電平，報送給FPGA進行是否故障的判斷。
[0013]所述的射頻部分和基帶部分集成在一塊PCB板上；多路射頻信道和基帶處理來自同一個時鐘源，實現(xiàn)時鐘同源設計；多路射頻信道的輸出信號經(jīng)過A/D后進入同一個基帶處理器進行捕獲、跟蹤、測量，真正實現(xiàn)同步測量。
[0014]所述的外殼包括腔體、底板、安裝角、導光柱和導電膠條，所述的PCB板安裝在腔體內(nèi)，底板固定在腔體口端；在腔體的周面裝有安裝角、按鈕開關以及各種插座；在對外接口的排布上，與顯控器的接口設在腔體的正面，其余接口排布在腔體的后面；腔體正面設計有指示燈，通過導光柱將PCB板上指示燈燈光導入到腔體正面的指示燈，顯示設備狀態(tài)；導電膠條安裝于腔體口端，在確保腔體與底板間密封性能的同時，保持腔體與底板間良好的導電性能，從而保持良好的電磁屏蔽性能。該定位定向儀可以接收兩個天線的北斗B1、B3以及GPS LI信號?？梢愿鶕?jù)要求提供BI單頻、B3單頻、B1/B3雙頻、LI單頻以及B3/L1兼容的定位結(jié)果，可以提供B1/B3雙頻定向結(jié)果。在有差分基準站信息的情況下提供差分定位結(jié)果。
[0015]本發(fā)明主要由以下幾個部分組成:腔體、底板、散熱塊、彎角件、導光柱、定位定向處理板、導電膠條、按鈕開關以及各種插座。在對外接口的排布上，與顯控器的接口排布在設備正面，其余接口排布在設備后面，與外部設備的連接非常方便，符合常規(guī)使用習慣。
[0016]定位定向處理單元主要完成北斗B1、B3、GPS多系統(tǒng)組合接收以及定位及定向功能，同時還要完成差分信息接收以及定位定向結(jié)果輸出功能。為使定位定向處理單元各功能模塊相對獨立，保證功能模塊具有很好的測試性，根據(jù)功能區(qū)分采用模塊化設計，將定位定向處理單元分為兩個部分:射頻信道單元、基帶處理單元。
[0017]射頻信道單元完成北斗B1、B3、GPS LI頻點射頻到中頻的下變頻。
[0018]基帶處理單元支持雙天線4路中頻輸入，用一個PRM芯片和一個保密芯片即可完成雙天線的北斗軍碼捕獲跟蹤、信息加解密功能，可實現(xiàn)北斗B1/B3、GPS接收和處理功能，具備北斗單頻、雙頻、北斗/GPS組合等多種定位模式，支持差分定位。
[0019]與現(xiàn)有的衛(wèi)星定位定向儀相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點和效果:
1、提供北斗偽距差分定位模式，適應高精度定位的要求。
[0020]2、采用北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的雙頻載波相位定向技術，實現(xiàn)高精度的基線解算、定向功能，定向速度快，成功率高。
[0021]3、采用主天線輔助副天線的捕獲跟蹤技術，只需一個PRM芯片和一個保密芯片即可實現(xiàn)雙天線軍碼捕獲、跟蹤。
[0022]4、單板設計:多路射頻信道、基帶處理、定位定向解算集成在一塊PCB板上。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0023]圖1是本發(fā)明的定位定向儀的定位定向處理單元硬件模塊構(gòu)成框圖；
圖2是本發(fā)明的組裝結(jié)構(gòu)示意圖；
圖3是本發(fā)明的外形結(jié)構(gòu)示意圖；
圖4是本發(fā)明的信號處理流程；
圖5是本發(fā)明的FPGA捕獲流程圖；
圖6是本發(fā)明的FPGA跟蹤流程圖。
【具體實施方式】
[0024]參見圖1和圖2，本發(fā)明一種北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)雙頻定位定向儀，包括:
1、硬件設計:主機硬件采用單板集成化設計，包括電源部分、射頻部分A和基帶部分B。
[0025]電源部分為常規(guī)技術，包含電源保護電路，在過流、過壓、欠壓或極性反接時具有自動保護功能。機內(nèi)電源電路完成從直流電源到各應用電路的DC/DC變換，采用低功耗設計，輸出1.2V、3.3V、5V為基帶部分B供電，輸出5V為射頻部分A供電。
[0026]射頻部分A主要包括信道1、信道2兩個信道，均支持B1、B3、LI三頻點的下變頻功能，另外信道I的輸入可以在外接抗干擾天線與定向天線I之間進行切換。
[0027]B1、LI下變頻采用Maxim公司的MAX2769B芯片，B3下變頻采用中電24所的SFM952DEQ，且兩個信道用同一個時鐘源，分別實現(xiàn)來自兩個天線的各頻點信號的下變頻處理，最終輸出6路中頻信號給基帶部分B的AD芯片進行采樣。同時輸出62MHz的基準給基帶部分B，以實現(xiàn)整個系統(tǒng)的同時鐘源。
[0028]在外接抗干擾天線與定向天線I信號的切換中，采用的是射頻開關HMC349，當外接抗干擾天線接入時，由外部通過串口發(fā)送控制信號，電子開關便斷開定向天線I中的信號，改由外部抗干擾天線接入。
[0029]射頻信道為定向天線I和定向天線2提供5V饋電。
[0030]另外，在射頻部分，須進行天線故障的檢測，采用MAX4373電流檢測，通過檢測是否有電流流經(jīng)該芯片，進而產(chǎn)生一高或低電平，報送給FPGA進行是否故障的判斷。
[0031]基帶部分B采用采用FPGA (2片)+ DSP (I片)架構(gòu)，實現(xiàn)信號的捕獲、跟蹤與各類信息處理?；鶐槊總€天線的信號提供16個跟蹤通道，共32個跟蹤通道，通道可以根據(jù)工作模式，在B1、B3、LI頻點間動態(tài)分配。
[0032]基帶信號處理硬件設計專用捕獲引擎，實現(xiàn)短碼的快速捕獲和長碼直捕。特點如下:
(1)單板設計。多路射頻信道、基帶處理、定位定向解算集成在一塊PCB板上。
[0033](2)時鐘同源。多路射頻信道和基帶處理來自同一個時鐘源，實現(xiàn)時鐘同源設計。
[0034](3)同步測量。多路射頻信道的輸出信號經(jīng)過A/D后進入同一個基帶處理器進行捕獲、跟蹤、測量，真正實現(xiàn)同步測量。
[0035](4)設計緊湊。采用該方案，并對信號捕獲跟蹤流程進行優(yōu)化，所需FPGA資源和軟件處理資源少，且只需一套PRM模塊和保密模塊，使得整機設計更加緊湊。
[0036]在DSP芯片配置有SDRAM和FLASH芯片，同時外接存儲衛(wèi)星星歷等信息的NVRAM以及RTC等；在第2片F(xiàn)PGA芯片上，外接2片512KX 16的SRAM，用于信號捕獲時的數(shù)據(jù)存儲。
[0037]基帶部分(B)同時具有對外接口，包括5個串口和2個CAN接口。
[0038]2、軟件設計:
信號流程圖參見圖4，軟件主要完成衛(wèi)星信號的捕獲、跟蹤，偽距計算、電文解析，并求解用戶位置、方位角。軟件包括FPGA軟件、DSP軟件，其中FPGA分捕獲FPGA與跟蹤FPGA，完成信號的捕獲，并提供跟蹤通道及對外接口，軟件流程圖參見圖5、圖6，DSP軟件完成捕獲流程控制，環(huán)路參數(shù)計算，定位定向解算等。
[0039]DSP軟件主要功能模塊包括:系統(tǒng)啟動及初始化過程、捕獲通道控制、電文解析、定位解算、定向解算等。
[0040]( I)系統(tǒng)啟動及初始化過程:
完成串口初始化、時間初始化工作，并創(chuàng)建各子任務模塊
(2)捕獲通道控制:
包括計算捕獲衛(wèi)星列表、設置通道參數(shù)、尋找空閑通道、釋放制定通道、處理指定捕獲指令等功能。
[0041](3)電文解析:
解析原始數(shù)據(jù)，獲得衛(wèi)星電文，并通過星歷或者歷書計算衛(wèi)星位置。
[0042](4)定位解算:
定位解算模塊完成的功能包括，衛(wèi)星的選擇、用戶位置解算、衛(wèi)星方位角俯仰角計算、幾何因子計算。
[0043](5)定向解算:
定向解算模塊完成主星選擇、模糊度解算、周跳探測、基線解算、方位角計算等功能。
【權(quán)利要求】
1.一種北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)雙頻定位定向儀，包括電源部分、射頻部分和基帶部分，上述三部分均安裝在一外殼內(nèi)，其特征在于: 所述的射頻部分包括:第一信道和第二信道，可分別接收第一定向天線、第二定向天線的信號輸入，均支持B1、B3、L1三頻點的下變頻功能；另外第一信道的輸入可以在外接抗干擾天線與第一定向天線之間進行切換； 所述的基帶部分采用2片F(xiàn)PGA和I片DSP的架構(gòu)，實現(xiàn)信號的捕獲、跟蹤與各類信息處理，為每個天線的信號提供16個跟蹤通道，共32個跟蹤通道，通道能夠根據(jù)工作模式，在B1、B3頻點間動態(tài)分配。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)雙頻定位定向儀，其特征在于:所述的射頻部分和基帶部分的信號處理過程為: (1)從第一定向天線(或外接抗干擾天線)和第二定向天線接收到信號后，經(jīng)射頻模塊進行放大、變頻； (2)基帶部分的信號處理部分利用FPGA對兩個定向天線信號進行捕獲、跟蹤，解調(diào)出導航電文，并提供各種測量數(shù)據(jù)； (3)基帶部分的信息處理部分利用DSP利用偽距、載波相位等測量數(shù)據(jù)進行定位、定向解算，如接收到差分信息，還可進行差分定位。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)雙頻定位定向儀，其特征在于:所述的步驟(I)中的射頻模塊對兩路定向的射頻信號進行放大、功分，并分別進行三頻點的變頻，或者通過設置之后將從抗干擾天線接收到的信號進行放大、功分，分別進行三頻點的變頻。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)雙頻定位定向儀，其特征在于:所述的步驟(2)基帶部分中的信號處理部分具有民碼、軍碼直捕功能，僅需I片PRM芯片，即可完成兩個天線信號的軍碼捕獲功能，同時針對定向的需求，利用第一定向天線的載波環(huán)路輔助第二定向天線的載波環(huán)路跟蹤，提高載波相位測量精度，載波測量精度可達到6%。周。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)雙頻定位定向儀，其特征在于:所述的步驟(3)基帶部分中的信息處理部分基于基線長度的約束，利用北斗B1\B3雙頻載波相位進行整周模糊度的解算，具備單歷元解算整周模糊度的能力，同時，針對靜態(tài)定向的需求，利用平差算法，綜合多歷元觀測數(shù)據(jù)，提高定向精度，3m基線時定向精度優(yōu)于Imil ;同時在收到偽距差分信息的時候，利用偽距差分信息，修正偽距觀測量，從而提升偽距測量精度，最終實現(xiàn)提升定位精度的目的，通過偽距差分定位，定位精度可達到2m精度。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)雙頻定位定向儀，其特征在于:所述的電源部分包含電源保護電路，在過流、過壓、欠壓或極性反接時具有自動保護功能；機內(nèi)電源電路完成從直流電源到各應用電路的DC/DC變換，采用低功耗設計。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)雙頻定位定向儀，其特征在于:在所述的射頻部分，采用MAX4373進行天線故障的檢測，通過檢測是否有電流流經(jīng)該芯片，進而產(chǎn)生一高或低電平，報送給FPGA進行是否故障的判斷。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)雙頻定位定向儀，其特征在于:所述的射頻部分和基帶部分集成在一塊PCB板上；多路射頻信道和基帶處理來自同一個時鐘源，實現(xiàn)時鐘同源設計；多路射頻信道的輸出信號經(jīng)過A/D后進入同一個基帶處理器進行捕獲、跟蹤、測量，真正實現(xiàn)同步測量。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)雙頻定位定向儀，其特征在于:所述的外殼包括腔體、底板、安裝角、導光柱和導電膠條，所述的PCB板安裝在腔體內(nèi)，底板固定在腔體口端；在腔體的周面裝有安裝角、按鈕開關以及各種插座；在對外接口的排布上，與顯控器的接口設在腔體的正面，其余接口排布在腔體的后面；腔體正面設計有指示燈，通過導光柱將PCB板上指示燈燈光導入到腔體正面的指示燈，顯示設備狀態(tài)；導電膠條安裝于腔體口端，在確保腔體與底板間密封性能的同時，保持腔體與底板間良好的導電性能，從而保持良好的電磁屏蔽性能。
【文檔編號】G01S19/13GK104407354SQ201410607206
【公開日】2015年3月11日 申請日期:2014年11月3日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月3日
【發(fā)明者】賈永軍, 高宏, 任曦明, 王立兵, 張亮, 時荔蕙, 吳志成, 張偉, 鄒四, 龍文強, 胡坤鳳, 楊麗博, 楊濤 申請人:中國人民解放軍63961部隊, 廣州海格通信集團股份有限公司