CN103399327B - 一种基于北斗系统的卫星信号寻优系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种基于北斗系统的卫星信号寻优系统及方法，该系统包括上位机、智能避障小车、无源北斗系统、天线姿态控制系统、供电系统和监控系统；无源北斗系统包括北斗接收天线、射频模块、FPGA和DSP，天线姿态控制系统包括驱动模块、超声波传感器和ARM处理器；供电系统包括太阳能电池组和太阳能电池控制器，监控系统包括监视设备、传输设备和显示设备，本发明的系统及方法具有能源利用效率高、搜寻卫星的信号质量好的特点。采用信号寻优算法对系统运行的状态参数和卫星信号的质量参数进行预测，克服卫星信号不稳定、控制指令执行滞后的缺点，基于雷达激光的可移动式小车与北斗接收天线的结合，能够智能跟踪优质的卫星信号，提高接收的卫星信号的质量。

Description

一种基于北斗系统的卫星信号寻优系统及方法

技术领域

本发明属于电子信息技术领域，具体涉及一种基于北斗系统的卫星信号寻优系统及方法。

背景技术

卫星导航定位系统对经济发展、社会效益以及军事领域都具有重要的影响，我国非常重视对卫星导航定位系统的建设和发展，一直不断地努力探索和研究。“北斗卫星导航定位系统”(简称“北斗系统”)是由我国白行研发、独立运行的能够覆盖全球的卫星导航定位系统，目前处于组网阶段。该系统已经在测绘、通信、交通运输、公共安全和减灾救灾等很多领域成功应用，带来了显著的经济效益和社会效益。

“北斗系统”作为一种新的卫星导航定位系统，有明显的技术优势，但也有一定的应用缺陷和不足。其中，最为突出的缺陷是“北斗系统”信号的不稳定，经常会出现北斗接收天线在某一时间段或某一方向上搜不到信号，或者搜到的信号质量特别差的情况。稳定的信号是“北斗系统”能够得以良好应用的前提和保障。目前，还没有很好的技术来解决“北斗系统”信号不稳定的问题，该问题是制约“北斗系统”发展的重要因素之一，应该得到高度的重视并予以相应的对策去解决。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种基于北斗系统的卫星信号寻优系统，包括上位机、智能避障小车、无源北斗系统、天线姿态控制系统、供电系统和监控系统；

智能避障小车包括电机驱动模块、舵机驱动模块、激光雷达模块和运动控制模块，激光雷达模块的输出端连接运动控制模块的输入端，运动控制模块的不同输出端分别连接电机驱动模块的输入端和舵机驱动模块的输入端；

所述无源北斗系统包括北斗接收天线、射频模块、FPGA和DSP，北斗接收天线固定安装在智能避障小车上，北斗接收天线的输出端连接射频模块的输入端，射频模块的输出端连接FPGA的输入端，FPGA的输出端连接DSP的输入端；

所述天线姿态控制系统包括驱动模块、超声波传感器和ARM处理器；DSP的一个输出端连接ARM处理器的输入端，ARM处理器的两个不同输出端分别连接上位机和驱动模块的输入端，驱动模块的输出端连接北斗接收天线的输入端，用于探测北斗接收天线的俯仰角度和方位状态的超声波传感器的输出端连接ARM处理器的输入端；

所述供电系统包括太阳能电池组和太阳能电池控制器，太阳能电池组中的各太阳能电池并联，太阳能电池控制器与太阳能电池组连接，太阳能电池控制器的输入端与DSP的一个输出端连接；

所述智能避障小车、无源北斗系统、天线姿态控制系统均由供电系统进行供电，太阳能电池组中各太阳能电池的输出端分别连接智能避障小车、无源北斗系统、天线姿态控制系统；

所述监控系统包括监视设备、传输设备和显示设备，监视设备安置在智能避障小车运动的环境范围内，监视设备的输出端通过传输设备连接到显示设备。

采用所述的基于北斗系统的卫星信号寻优系统进行卫星信号寻优的方法，包括以下步骤：

步骤1：DSP判断智能避障小车、无源北斗系统、天线姿态控制系统和监控系统的供电是否正常：是，则执行步骤3，否，则执行步骤2；

步骤2：通过太阳能电池控制器控制太阳能电池对智能避障小车、无源北斗系统、天线姿态控制系统和监控系统进行供电；

步骤3：智能避障小车运动过程中，通过激光雷达模块实时勘测小车运动环境中的障碍物，实现智能避障小车移动过程中智能避障，同时，监控系统对智能避障小车运动过程实时监控；

步骤4：北斗接收天线实时接收当前的卫星信号，并将该卫星信号经射频模块发送至FPGA；

步骤5：FPGA对卫星信号进行解调解扩，并将解调解扩后的信号传送给DSP；

步骤6：DSP对接收到的信号进行定位解算和时间修正，从而完成授时，并将该授时信息传输到ARM处理器进行保存，同时，超声波传感器采集北斗接收天线当前时刻的俯仰角度和方位状态信息并传输至ARM处理器进行保存；

所述授时信息包括智能避障小车当前时刻位置信息、当前时间信息和信号强度信息；

步骤7：ARM处理器将保存的授时信息和北斗接收天线当前时刻的俯仰角度和方位状态信息发送至上位机；

步骤8：ARM处理器采用信号寻优学习算法，对下一时刻的最优卫星信号可能出现的范围进行预测，进而寻找到最优卫星信号；

具体步骤如下：

步骤8.1：ARM处理器将接收到的各个时刻的授时信息及其对应的北斗接收天线的俯仰角度和方位状态信息进行归一化处理；

步骤8.2：将归一化处理后的数据作为信号寻优学习的样本数据；

步骤8.3：根据信号寻优学习的样本数据对下一时刻的最优卫星信号可能出现的范围进行预测；

步骤8.3.1：设定卫星信号搜索范围、信号拥挤度因子、信号强度阈值、最多搜索次数和停滞参数；

所述的停滞参数指搜索卫星信号过程中，连续多次超过信号强度阈值的次数；

步骤8.3.2：对信号寻优学习的样本数据进行搜索，若搜索卫星信号过程中，某范围内卫星信号强度连续多次超过信号强度阈值，且该次数达到停滞参数时，则该范围即下一时刻的最优卫星信号可能出现的范围，执行步骤8.4；否则，执行步骤8.3.3；

步骤8.3.3：判断当前信号寻优学习的样本数据的搜索次数是否达到最多搜索次数，是，则执行步骤8.3.4，否则继续搜索；

步骤8.3.4：比较卫星信号搜索范围内各卫星信号的信号强度，将最优卫星信号强度传输至DSP，该信号强度信息、对应的卫星的当前时刻位置信息和当前时间信息形成授时信息，分别发送至ARM处理器和上位机，执行步骤8.1；

步骤8.4：采用神经网络算法，对下一时刻的最优卫星信号可能出现的范围内的最优卫星信号进行网络学习，得到下一时刻的最优卫星信号强度预测值，即寻找到最优卫星信号；

步骤9：ARM处理器将寻找到的最优卫星信号的信号强度及该信号强度对应的位置点的位置信息同时发送至天线姿态控制系统中的驱动模块和智能避障小车的运动控制模块；

所述信号强度对应的位置点的位置信息转换成智能避障小车的位置信息和北斗接收天线的俯仰角度和方位状态信息，智能避障小车的位置信息发送至智能避障小车的运动控制模块，北斗接收天线的俯仰角度和方位状态信息发送至天线姿态控制系统中的驱动模块；

步骤10：智能避障小车的运动控制模块控制智能避障小车在最优卫星信号可能出现的范围内运动；

步骤11：天线姿态控制系统中的驱动模块根据接收到的信息调整北斗接收天线的姿态，使北斗接收天线在最优卫星信号可能出现的范围内的接收方向最佳；

步骤12：当北斗接收天线接收到卫星信号时，DSP将该卫星信号的授时信息传至ARM处理器进行保存；

步骤13：ARM处理器向上位机上传当前系统运行的状态参数，该状态参数包括：信号寻优算法预测的下一时刻最优卫星信号可能出现的范围和当前最优卫星信号授时信息；

步骤14：操作人员可以根据上位机接收的当前系统运行的状态参数，对卫星信号寻优系统进行实时控制，当系统供电不正常时，可通过上位机向DSP发出控制指令，控制太阳能电池对系统进行供电。

有益效果：

本发明的一种基于北斗的智能信号接收天线系统具有能源利用效率高、搜寻卫星的信号质量好、系统运行稳定的特点。与传统的“北斗系统”信号接收装置相比，由于采用了太阳能电池作为主要电源，使得本系统的能源利用率高于传统系统15％左右。系统采用FPGA、DSP微处理器构成的集成一体化控制系统，对各个模块进行有效控制，采用信号寻优算法对系统运行的状态参数和卫星信号的质量参数进行预测，克服了卫星信号不稳定、控制指令执行滞后的缺点，基于雷达激光的可移动式小车与北斗接收天线的结合，突破了传统的接收天线技术，由被动接收模式转变成主动寻找模式，能够智能跟踪优质的卫星信号，大大提高了接收的卫星信号的质量以及系统运行的稳定性。

附图说明

图1是本发明具体实施方式的系统总体结构图；

图2是本发明具体实施方式的舵机驱动模块的控制原理图；

图3是本发明具体实施方式的运动控制模块控制原理图；

图4是本发明具体实施方式的信号调制电路原理图；

图5是本发明具体实施方式的三角波扰动信号发生电路原理图；

图6是本发明具体实施方式的基于北斗系统的卫星信号寻优方法流程图；

图7是本发明具体实施方式的信号寻优算法流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细说明。

如图1所示，本实施方式的基于北斗系统的卫星信号寻优系统，包括上位机、智能避障小车、无源北斗系统、天线姿态控制系统、供电系统和监控系统；

智能避障小车包括电机驱动模块、舵机驱动模块、激光雷达模块和运动控制模块，激光雷达模块的输出端连接运动控制模块的输入端，运动控制模块的不同输出端分别连接电机驱动模块的输入端和舵机驱动模块的输入端。由激光雷达传感器探测智能避障小车周围的环境，根据探测到的信号，将信号传到运动控制模块中，运动控制模块根据信号来控制电机驱动模块和舵机驱动模块，以实现智能避障小车的前进、后退、转弯的运动，从而顺利绕开障碍物。

电机驱动模块采用直流电动机，在各种速度下为智能避障小车运动提供动力。该模块将功率三极管组成H桥型电机驱动电路，并利用PWM波来实现对输出电压的有效值大小和极性进行控制，这种调速方式具有调速特性优良、调整平滑、调速范围广、过载能力大、能承受频繁的负载冲击、能耗小等优点，还可以实现频繁的无级快速启动和反转等优点。

舵机驱动模块装在智能避障小车的前轮(转向轮)的连杆上，舵机驱动模块的竖直转动转换为连杆的转动，再带动前轮的左右转向。舵机驱动模块是一种位置伺服的驱动器，其工作原理是：控制信号与舵机位置反馈信号比较，获得直流偏置电压，偏置电压进入信号调制芯片产生一个比较电平，经过PWM控制芯片UC1637后，输出一定占空比的PWM信号，用来驱动IPM电路中IGBT的通断，从而实现电动舵机位置的控制，舵机驱动模块的控制原理如图2所示。

激光雷达模块相当于一个传感器，该模块安装在带有编码器的直流电动机(电机驱动模块)上，激光雷达测距离，编码器测角度，这样直流电动机带动激光雷达模块转动一周便可以构建出周围的环境信息。

运动控制模块采用富士康公司的FM3(FujitsuArm-cortesm3)系列的MCUMB95F506控制器，MCUMB95F506搭载了高精度和高速度的12位的A/D转换器(+/-2LSB1.0μs转换)后，微控制器的高精度采样使马达控制更加精准。控制器的3单元12位A/D的通道多达16路，更能提高位置精度和马达控制的精准性。MCUMB95F506通过不同的I/O引脚分别与电机驱动模块、舵机驱动模块和激光雷达模块进行串口通信，MCUMB95F506通过检测激光雷达模块采集到的信号作出控制决策，从而控制电机和舵机以实现智能避障小车的快速、稳定、正确的运动，MCUMB95F506的控制原理如图3所示，当检测到有障碍物时，由舵机驱动模块控制智能避障小车转弯，否则原速前进，在前进过程中出现行进轨道偏离时，则由电机驱动模块进行减速调整，否则仍按原速前进，直至检测到智能避障小车到达终点，停止运动。

无源北斗系统包括北斗接收天线、射频模块、FPGA和DSP，北斗接收天线固定安装在智能避障小车上，北斗接收天线的输出端连接射频模块的输入端，射频模块的输出端连接FPGA的输入端，FPGA的输出端连接DSP的输入端；

无源北斗系统基于“北斗一号”系统，通过无源方式实现定位、授时的功能，北斗接收天线模块采用外置天线，北斗接收天线型号为DY-BDTRT06P00A，该天线为右旋极化陶瓷介质，北斗接收天线模块包括：陶瓷天线、低噪音信号模块、线缆和接头。射频模块采用Aeroflex3030PXI系列的射频模块，该模块可以高精度、高动态范围对射频信号进行变频采样。

本实施方式的无源北斗系统采用FPGA和DSP进行数据处理，FPGA采用Altera公司的EP2C35F484，它与射频模块通过UART实现异步通信；DSP采用TI公司的TMS320VC5509A。DSP的EMIF信号线全部接到FPGA上，实现二者信息的传递。

天线姿态控制系统包括驱动模块、超声波传感器和ARM处理器；DSP的输出端连接ARM处理器的输入端，ARM处理器的两个不同输出端分别连接上位机和驱动模块的输入端，驱动模块的输出端连接北斗接收天线的输入端，用于探测北斗接收天线的俯仰角度和方位状态的超声波传感器的输出端连接ARM处理器的输入端。

超声波传感器的型号为SIEMENS 3RG6024-3ACOO，驱动模块采用SGS(通标标准技术服务有限公司)开发的驱动芯片L298N，该模块可以为北斗接收天线的运动提供动力，以实现北斗接收天线360度的自由无障碍转动。

ARM处理器包括ARMCortexA9处理器及其外围模块，ARMCortexA9处理器中植入卫星信号寻优算法用来控制北斗接收天线的姿态，以实现北斗接收天线的自动寻优实时跟踪，确保在每时每刻都能将卫星的最优信号反馈给无源北斗系统的DSP并完成授时任务。ARM处理器与DSP通过双口串口进行通信，ARM处理器外围模块包括电压和电流采样转换模块、信号调制电路、三角波扰动信号产生电路、寄存模块和通讯模块，电压和电流采样转换模块包括电压传感器和电流传感器，信号调制电路原理如图4所示，三角波扰动信号发生电路原理如图5所示。寄存模块主要储存系统运行状态参数，选用IS61LV16416型号存储器，存储器电路的41、17、6号引脚连接ARM处理器芯片的42、84、33号引脚。通讯模块采用MAX485芯片，主要负责ARM处理器与上位机之间的通讯，该芯片采用RS485协议建立ARM处理器与上位机之间的通讯协议。上位机通过通信模块MAX485的引脚RO、RE、DI与ARMCortexA9处理器的SCI/RXD、PC2、SCI/TXD引脚相连，MAX485插口通过信号线与上位机串口相连，通过ARM处理器进行集成一体化控制，并带有通讯功能，可实现远程控制。

北斗接收天线实时接收当前的卫星信号传输至FPGA进行信号处理，得到卫星导航电文的解调解扩，并将解调解扩后的信号传送给DSP，DSP进行解调解扩后的信号的收集和处理，实现定位解算以及时间修正值解算，配合FPGA产生精确秒脉冲，在秒脉冲驱动下，计算当前时刻信息，并将该信息传输给ARM处理器；由ARM处理器收到时刻信息，ARM处理器将授时信息和北斗接收天线当前时刻的俯仰角度和方位状态信息发送至上位机，同时对下一时刻的最优卫星信号可能出现的范围进行预测，进而寻找到最优卫星信号，并将最优卫星信号反馈给DSP，完成授时，最终由DSP外围的通讯模块同时向上位机和ARM处理器上传最优卫星信号的授时信息。ARM处理器将信息传递给驱动模块，驱动模块通过对信息的解析做出应答进而控制北斗接收天线的姿态，实现北斗接收天线360度的自由无障碍转动，利用超声波传感器来探测北斗接收天线的俯仰和方位状态，实时地反馈给DSP并由ARM通过串口传送给上位机。

供电系统包括太阳能电池组和太阳能电池控制器，太阳能电池组中的各太阳能电池并联，太阳能电池控制器与太阳能电池组连接，太阳能电池控制器的输入端与DSP的一个输出端连接；智能避障小车、无源北斗系统、天线姿态控制系统均由供电系统进行供电，太阳能电池组中各太阳能电池的输出端分别连接智能避障小车、无源北斗系统、天线姿态控制系统；

供电系统是将太阳能转化成电能并进行储存，在电能紧缺的时候充当补充电源，太阳能电池控制器对太阳能电池状态进行控制。当太阳能电池供给各系统的电量过高时，通过DSP发出PWM波使得充电开关闭合，太阳能电池充当直流负载，吸收多余的电能并储存；否则，放电开关闭合，太阳能电池继续给各系统供电。

监控系统包括监视设备、传输设备和显示设备，监视设备采用西门子摄像机，该设备安置在智能避障小车运动的环境范围内，监视设备的输出端通过传输设备连接到显示设备。

监视设备放置在装载着北斗接收天线的智能避障小车附近，以实现对北斗接收天线、智能避障小车运动的实时监控。传输设备采用光纤，由监视设备输出的视频信号通过光纤传输传给显示设备。显示设备包括硬盘录像系统、视频矩阵、画面处理器、切换器和分配器远程拓展系统，可以实时地观测到北斗接收天线状态及智能避障小车运动的运行情况。

本实施方式是将基于北斗系统的卫星信号寻优系统放置于高楼的楼顶平台上，采用上述的基于北斗系统的卫星信号寻优系统进行卫星信号寻优的方法，如图6所示，包括以下步骤：

步骤1：DSP判断智能避障小车、无源北斗系统、天线姿态控制系统和监控系统的供电是否正常：是，则执行步骤3，否，则执行步骤2；

步骤2：通过太阳能电池控制器控制太阳能电池对智能避障小车、无源北斗系统、天线姿态控制系统和监控系统进行供电；

太阳能电池将太阳能转化成电能并进行储存，在电能紧缺的时候充当补充电源，太阳能电池控制器对太阳能电池状态进行控制。当太阳能电池供给各系统的电量过高时，通过DSP发出PWM波使得充电开关闭合，太阳能电池充当直流负载，吸收多余的电能并储存；否则，放电开关闭合，太阳能电池继续给各系统供电。

步骤3：智能避障小车运动过程中，通过激光雷达模块实时勘测小车运动环境中的障碍物，实现智能避障小车移动过程中智能避障，同时，监控系统对智能避障小车运动过程实时监控；

步骤4：北斗接收天线实时接收当前的卫星信号，并将该卫星信号经射频模块发送至FPGA；

步骤5：FPGA对卫星信号进行解调解扩，并将解调解扩后的信号传送给DSP；

步骤6：DSP对接收到的信号进行定位解算和时间修正，从而完成授时，并将该授时信息传输到ARM处理器进行保存，同时，超声波传感器采集北斗接收天线当前时刻的俯仰角度和方位状态信息并传输至ARM处理器进行保存；

授时信息包括智能避障小车当前时刻位置信息、当前时间信息和信号强度信息；

步骤7：ARM处理器将保存的授时信息和北斗接收天线当前时刻的俯仰角度和方位状态信息发送至上位机；

步骤8：ARM处理器采用信号寻优学习算法，对下一时刻的最优卫星信号可能出现的范围进行预测，进而寻找到最优卫星信号；

信号寻优学习算法是在现有技术的基本人工鱼群算法改进得到的，如图7所示，ARM处理器采用信号寻优学习算法，对下一时刻的最优卫星信号可能出现的范围进行预测，进而寻找到最优卫星信号的具体步骤如下：

步骤8.1：ARM处理器将接收到的各个时刻的授时信息及其对应的北斗接收天线的俯仰角度和方位状态信息进行归一化处理；

步骤8.2：将归一化处理后的数据作为信号寻优学习的样本数据；

步骤8.3：根据信号寻优学习的样本数据对下一时刻的最优卫星信号可能出现的范围进行预测；

步骤8.3.1：设定卫星信号搜索范围、信号拥挤度因子、信号强度阈值、最多搜索次数和停滞参数；

所述的停滞参数指搜索卫星信号过程中，连续多次超过信号强度阈值的次数；

步骤8.3.2：对信号寻优学习的样本数据进行搜索，若搜索卫星信号过程中，某范围内卫星信号强度连续多次超过信号强度阈值，且该次数达到停滞参数时，则该范围即下一时刻的最优卫星信号可能出现的范围，执行步骤8.4；否则，执行步骤8.3.3；

步骤8.3.3：判断当前信号寻优学习的样本数据的搜索次数是否达到最多搜索次数，是，则执行步骤8.3.4，否则继续搜索；

步骤8.3.4：比较卫星信号搜索范围内各卫星信号的信号强度，将最优卫星信号强度传输至DSP，该信号强度信息、对应的卫星的当前时刻位置信息和当前时间信息形成授时信息，分别发送至ARM处理器和上位机，执行步骤8.1；

步骤8.4：对下一时刻的最优卫星信号可能出现的范围内的最优卫星信号进行学习，得到下一时刻的最优卫星信号强度预测值，即寻找到最优卫星信号；

信号寻优算法学习规则是：某卫星信号点的当前状态为X_i，在最优卫星信号可能出现的范围内(即d_ij≤VISUAL)随机选择一个卫星信号，其状态为X_j，当该随机卫星信号强度大于当前卫星信号强度时，则向该随机卫星信号方向前进一步；反之，则重新随机选择卫星信号，判断是否满足上述前进条件；反复几次后，如果仍不满足前进条件则随机移动一步，学习规则表示如下：

d_ij≤VISUAL：

$\left\{\begin{array}{ccc}{X}_{\mathrm{inextk}}=X_{\mathrm{ik}}+\mathrm{Random}\left(\mathrm{\Δ}\right)& (x_{\mathrm{jk}}-x_{\mathrm{ik}})/\left|\right|X_j-X_i\left|\right|& {\mathrm{FC}}_j>{\mathrm{FC}}_i\\ X_{\mathrm{inextk}}=X_{\mathrm{ik}}+\mathrm{Random}\left(\mathrm{\Δ}\right)& & {\mathrm{FC}}_j\≤{\mathrm{FC}}_i\end{array}\right.$

其中：

d_ij＝||X_i-X_j||——相邻两次搜索的卫星信号点之间的距离，即向量(X_i-X_j)的二范数；

VISUAL——卫星信号搜索范围，即最优卫星信号可能出现的范围；

X＝(x₁，x₂，…，x_i)——卫星信号各信号点的状态向量，其中，x_i为寻优的控制变量；

x_jk——状态向量X_j的第k个参数；

x_ik——状态向量X_i的第k个参数；

Random(Δ)——[0，Δ]间的随机数；

Δ——搜索卫星信号时最强与最弱信号的差值；

FC_i——当前接收到的卫星信号强度；

FC_j——下一次随机搜索的卫星信号强度；

步骤9：ARM处理器将寻找到的最优卫星信号的信号强度及该信号强度对应的位置点的位置信息同时发送至天线姿态控制系统中的驱动模块和智能避障小车的运动控制模块；

所述信号强度对应的位置点的位置信息转换成智能避障小车的位置信息和北斗接收天线的俯仰角度和方位状态信息，智能避障小车的位置信息发送至智能避障小车的运动控制模块，北斗接收天线的俯仰角度和方位状态信息发送至天线姿态控制系统中的驱动模块；

步骤10：智能避障小车的运动控制模块控制智能避障小车在最优卫星信号可能出现的范围内运动；

步骤11：天线姿态控制系统中的驱动模块根据接收到的信息调整北斗接收天线的姿态，使北斗接收天线在最优卫星信号可能出现的范围内的接收方向最佳；

步骤12：当北斗接收天线接收到卫星信号时，DSP将该卫星信号的授时信息传至ARM处理器进行保存；

步骤13：ARM处理器向上位机上传当前系统运行的状态参数，该状态参数包括：信号寻优算法预测的下一时刻最优卫星信号可能出现的范围和当前最优卫星信号授时信息；

步骤14：操作人员可以根据上位机接收的当前系统运行的状态参数，对卫星信号寻优系统进行实时控制，当系统供电不正常时，可通过上位机向DSP发出控制指令，控制太阳能电池对系统进行供电。

Claims (2)

1.一种基于北斗系统的卫星信号寻优系统，包括上位机和智能避障小车，所述智能避障小车包括电机驱动模块、舵机驱动模块、激光雷达模块和运动控制模块，激光雷达模块的输出端连接运动控制模块的输入端，运动控制模块的不同输出端分别连接电机驱动模块的输入端和舵机驱动模块的输入端，其特征在于：该系统还包括无源北斗系统、天线姿态控制系统、供电系统和监控系统；

所述无源北斗系统包括北斗接收天线、射频模块、FPGA和DSP，北斗接收天线固定安装在智能避障小车上，北斗接收天线的输出端连接射频模块的输入端，射频模块的输出端连接FPGA的输入端，FPGA的输出端连接DSP的输入端；

所述天线姿态控制系统包括驱动模块、超声波传感器和ARM处理器；DSP的一个输出端连接ARM处理器的输入端，ARM处理器的两个不同输出端分别连接上位机和驱动模块的输入端，驱动模块的输出端连接北斗接收天线的输入端，用于探测北斗接收天线的俯仰角度和方位状态的超声波传感器的输出端连接ARM处理器的输入端；

所述供电系统包括太阳能电池组和太阳能电池控制器，太阳能电池组中的各太阳能电池并联，太阳能电池控制器与太阳能电池组连接，太阳能电池控制器的输入端与DSP的一个输出端连接；

所述智能避障小车、无源北斗系统、天线姿态控制系统均由供电系统进行供电，太阳能电池组中各太阳能电池的输出端分别连接智能避障小车、无源北斗系统、天线姿态控制系统；

所述监控系统包括监视设备、传输设备和显示设备，监视设备安置在智能避障小车运动的环境范围内，监视设备的输出端通过传输设备连接到显示设备。

2.采用权利要求1所述的基于北斗系统的卫星信号寻优系统进行卫星信号寻优的方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：DSP判断智能避障小车、无源北斗系统、天线姿态控制系统和监控系统的供电是否正常：是，则执行步骤3，否，则执行步骤2；

步骤2：通过太阳能电池控制器控制太阳能电池对智能避障小车、无源北斗系统、天线姿态控制系统和监控系统进行供电；

步骤3：智能避障小车运动过程中，通过激光雷达模块实时勘测小车运动环境中的障碍物，实现智能避障小车移动过程中智能避障，同时，监控系统对智能避障小车运动过程实时监控；

步骤4：北斗接收天线实时接收当前的卫星信号，并将该卫星信号经射频模块发送至FPGA；

步骤5：FPGA对卫星信号进行解调解扩，并将解调解扩后的信号传送给DSP；

步骤6：DSP对接收到的信号进行定位解算和时间修正，从而完成授时，并将该授时信息传输到ARM处理器进行保存，同时，超声波传感器采集北斗接收天线当前时刻的俯仰角度和方位状态信息并传输至ARM处理器进行保存；

所述授时信息包括智能避障小车当前时刻位置信息、当前时间信息和信号强度信息；

步骤7：ARM处理器将保存的授时信息和北斗接收天线当前时刻的俯仰角度和方位状态信息发送至上位机；

步骤8：ARM处理器采用信号寻优学习算法，对下一时刻的最优卫星信号可能出现的范围进行预测，进而寻找到最优卫星信号；

具体步骤如下：

步骤8.1：ARM处理器将接收到的各个时刻的授时信息及其对应的北斗接收天线的俯仰角度和方位状态信息进行归一化处理；

步骤8.2：将归一化处理后的数据作为信号寻优学习的样本数据；

步骤8.3：根据信号寻优学习的样本数据对下一时刻的最优卫星信号可能出现的范围进行预测；

步骤8.3.1：设定卫星信号搜索范围、信号拥挤度因子、信号强度阈值、最多搜索次数和停滞参数；

所述的停滞参数指搜索卫星信号过程中，连续多次超过信号强度阈值的次数；

步骤8.3.2：对信号寻优学习的样本数据进行搜索，若搜索卫星信号过程中，某范围内卫星信号强度连续多次超过信号强度阈值，且该次数达到停滞参数时，则该范围即下一时刻的最优卫星信号可能出现的范围，执行步骤8.4；否则，执行步骤8.3.3；

步骤8.3.3：判断当前信号寻优学习的样本数据的搜索次数是否达到最多搜索次数，是，则执行步骤8.3.4，否则继续搜索；

步骤8.3.4：比较卫星信号搜索范围内各卫星信号的信号强度，将最优卫星信号强度传输至DSP，该信号强度信息、该信号强度信息对应的卫星的当前时刻位置信息和当前时间信息形成授时信息，分别发送至ARM处理器和上位机，执行步骤8.1；

步骤8.4：对下一时刻的最优卫星信号可能出现的范围内的最优卫星信号进行学习，得到下一时刻的最优卫星信号强度预测值，即寻找到最优卫星信号；

信号寻优算法学习规则是：某卫星信号点的当前状态为X_i，在最优卫星信号可能出现的范围内，即d_ij≤VISUAL，随机选择一个卫星信号，其状态为X_j，当该随机卫星信号强度大于当前卫星信号强度时，则向该随机卫星信号方向前进一步；反之，则重新随机选择卫星信号，判断是否满足上述前进条件；反复几次后，如果仍不满足前进条件则随机移动一步，学习规则表示如下：

d_ij≤VISUAL：

$\left\{\begin{array}{cc}{X}_{\mathrm{inextk}}=X_{\mathrm{ik}}+\mathrm{Random}\left(\mathrm{\Δ}\right)(x_{\mathrm{jk}}-x_{\mathrm{ik}})/\left|\right|X_j-X_i\left|\right|& F{C}_j>{\mathrm{FG}}_i\\ X_{\mathrm{inextk}}=X_{\mathrm{ik}}+\mathrm{Random}\left(\mathrm{\Δ}\right)& {\mathrm{FC}}_j\≤{\mathrm{FC}}_i\end{array}\right.$

其中：

d_ij＝||X_i-X_j||——相邻两次搜索的卫星信号点之间的距离，即向量(X_i-X_j)的二范数；

VISUAL——卫星信号搜索范围，即最优卫星信号可能出现的范围；

X＝(x₁,x₂,…,x_i)——卫星信号各信号点的状态向量，其中，x_i为寻优的控制变量；

x_jk——状态向量X_j的第k个参数；

x_ik——状态向量X_i的第k个参数；

Random(Δ)——[0,Δ]间的随机数；

Δ——搜索卫星信号时最强与最弱信号的差值；

FC_i——当前接收到的卫星信号强度；

FC_j——下一次随机搜索的卫星信号强度；

步骤9：ARM处理器将寻找到的最优卫星信号的信号强度及该信号强度对应的位置点的位置信息同时发送至天线姿态控制系统中的驱动模块和智能避障小车的运动控制模块；

所述信号强度对应的位置点的位置信息转换成智能避障小车的位置信息和北斗接收天线的俯仰角度和方位状态信息，智能避障小车的位置信息发送至智能避障小车的运动控制模块，北斗接收天线的俯仰角度和方位状态信息发送至天线姿态控制系统中的驱动模块；

步骤10：智能避障小车的运动控制模块控制智能避障小车在最优卫星信号可能出现的范围内运动；

步骤11：天线姿态控制系统中的驱动模块根据接收到的信息调整北斗接收天线的姿态，使北斗接收天线在最优卫星信号可能出现的范围内的接收方向最佳；

步骤12：当北斗接收天线接收到卫星信号时，DSP将该卫星信号的授时信息传至ARM处理器进行保存；

步骤13：ARM处理器向上位机上传当前卫星信号寻优系统运行的状态参数，该状态参数包括：信号寻优算法预测的下一时刻最优卫星信号可能出现的范围和当前最优卫星信号授时信息；

步骤14：操作人员可以根据上位机接收的当前卫星信号寻优系统运行的状态参数，对卫星信号寻优系统进行实时控制，当卫星信号寻优系统供电不正常时，可通过上位机向DSP发出控制指令，控制太阳能电池对系统进行供电。