CN104407354B - 一种北斗卫星导航系统双频定位定向仪 - Google Patents

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Abstract

一种北斗卫星导航系统双频定位定向仪，包括电源部分、射频部分和基带部分，射频部分包括：主天线信道和辅天线信道，均支持B1、B3双频点的下变频功能；另外还有B3外接抗干扰天线信道，分别与天线信道和辅天线信道信道中的B3信道进行切换；所述的基带部分采用2片FPGA和 1片DSP的架构，实现信号的捕获、跟踪与各类信息处理，为每个天线的信号提供16个跟踪通道，共32个跟踪通道，通道能够根据工作模式，在B1、B3频点间动态分配。该定位定向仪能够满足中低动态使用条件和车载方式使用要求，为载体提供快速、精准的定位、定向信息。

Description

一种北斗卫星导航系统双频定位定向仪
技术领域
本发明涉及卫星导航与无线通信领域，特别涉及北斗/GPS双模差分定位以及北斗双频定向设备。
背景技术
卫星定位定向设备已在国外得到广泛应用，可装备到自行火炮、防空武器、雷达、侦察车等，为其提供自主的定位定向导航信息。针对北斗卫星导航系统的定位定向技术国内才刚开始起步，因此对北斗定位定向设备的研究显得十分必要。
一般国外的卫星定向仪都是使用GPS全球卫星导航系统，采用两个OEM接收机实现，在其中一个接收机或另外增加处理器实现基线和方位解算。如果是军用卫星定向仪还需要两个授权模块。卫星定向仪接收两个天线的信号并得到卫星的载波相位测量值，采用一定的算法可以计算出两个天线的基线向量以及方位，在保证一定基线长度的情况下，定向精度≤2mil (0.12°)。双频定向技术比起单频定向技术，定向的速度有较大的提高，成功率也有所增加。
目前北斗卫星导航系统提供的定位精度优于10米，而为得到更高的定位精度，可以采用北斗差分定位技术：将一台北斗接收机安置在基准站上进行观测，再通过数据链将基准站已知精密坐标以及伪距载波测量信息实时播发出去；用户接收机在对北斗卫星观测的同时，也接收到基准站播发的实时差分数据；根据基准站已知精密坐标和伪距载波观测量可以计算出基准站到卫星的距离改正数，对接收机的定位结果进行改正，从而提高定位精度。
发明内容
为了能够满足中低动态使用条件和车载方式使用要求，为载体提供快速、精准的定位、定向信息，本发明提供一种北斗卫星导航系统双频定位定向仪，包括电源部分、射频部分和基带部分，上述三部分均安装在一外壳内，其特征在于：
所述的射频部分包括：第一信道和第二信道，可分别接收第一定向天线、第二定向天线的信号输入，均支持B1、B3、L1三频点的下变频功能；另外第一信道的输入能够在外接抗干扰天线与第一定向天线之间进行切换。
所述的基带部分采用2片FPGA和 1片DSP的架构，实现信号的捕获、跟踪与各类信息处理，为每个天线的信号提供16个跟踪通道，共32个跟踪通道，通道能够根据工作模式，在B1、B3频点间动态分配。
所述的射频部分和基带部分的信号处理过程为：
（1）从第一定向天线（或外接抗干扰天线）和第二定向天线接收到信号后，经射频模块进行放大、变频；
（2）基带部分的信号处理部分利用FPGA对两个定向天线信号进行捕获、跟踪，解调出导航电文，并提供各种测量数据；
（3）基带部分的信息处理部分利用DSP利用伪距、载波相位等测量数据进行定位、定向解算，如接收到差分信息，还可进行差分定位。
所述的步骤（1）中的射频模块对两路定向的射频信号进行放大、功分，并分别进行三频点的变频，或者通过设置之后将从抗干扰天线接收到的信号进行放大、功分，分别进行三频点的变频。
所述的步骤（2）基带部分中的信号处理部分具有民码、军码直捕功能，仅需1片PRM芯片，即可完成两个天线信号的军码捕获功能，同时针对定向的需求，利用第一定向天线的载波环路辅助第二定向天线的载波环路跟踪，提高载波相位测量精度，载波测量精度可达到6‰周。
所述的步骤（3）基带部分中的信息处理部分基于基线长度的约束，利用北斗B1\B3双频载波相位进行整周模糊度的解算，具备单历元解算整周模糊度的能力，同时，针对静态定向的需求，利用平差算法，综合多历元观测数据，提高定向精度，3m基线时定向精度优于1mil；同时在收到伪距差分信息的时候，利用伪距差分信息，修正伪距观测量，从而提升伪距测量精度，最终实现提升定位精度的目的，通过伪距差分定位，定位精度可达到2m精度。
所述的电源部分包含电源保护电路，在过流、过压、欠压或极性反接时具有自动保护功能；机内电源电路完成从直流电源到各应用电路的DC/DC变换，采用低功耗设计。
在所述的射频部分，采用MAX4373进行天线故障的检测，通过检测是否有电流流经该芯片，进而产生一高或低电平，报送给FPGA进行是否故障的判断。
所述的射频部分和基带部分集成在一块PCB板上；多路射频信道和基带处理来自同一个时钟源，实现时钟同源设计；多路射频信道的输出信号经过A/D后进入同一个基带处理器进行捕获、跟踪、测量，真正实现同步测量。
所述的外壳包括腔体、底板、安装角、导光柱和导电胶条，所述的PCB板安装在腔体内，底板固定在腔体口端；在腔体的周面装有安装角、按钮开关以及各种插座；在对外接口的排布上，与显控器的接口设在腔体的正面，其余接口排布在腔体的后面；腔体正面设计有指示灯，通过导光柱将PCB板上指示灯灯光导入到腔体正面的指示灯，显示设备状态；导电胶条安装于腔体口端，在确保腔体与底板间密封性能的同时，保持腔体与底板间良好的导电性能，从而保持良好的电磁屏蔽性能。该定位定向仪可以接收两个天线的北斗 B1、B3以及GPS L1信号。可以根据要求提供B1单频、B3单频、B1/B3双频、L1单频以及B3/L1兼容的定位结果，可以提供B1/B3双频定向结果。在有差分基准站信息的情况下提供差分定位结果。
本发明主要由以下几个部分组成：腔体、底板、散热块、弯角件、导光柱、定位定向处理板、导电胶条、按钮开关以及各种插座。在对外接口的排布上，与显控器的接口排布在设备正面，其余接口排布在设备后面，与外部设备的连接非常方便，符合常规使用习惯。
定位定向处理单元主要完成北斗B1、B3、GPS多系统组合接收以及定位及定向功能，同时还要完成差分信息接收以及定位定向结果输出功能。为使定位定向处理单元各功能模块相对独立，保证功能模块具有很好的测试性，根据功能区分采用模块化设计，将定位定向处理单元分为两个部分：射频信道单元、基带处理单元。
射频信道单元完成北斗B1、B3、GPS L1频点射频到中频的下变频。
基带处理单元支持双天线4路中频输入，用一个PRM芯片和一个保密芯片即可完成双天线的北斗军码捕获跟踪、信息加解密功能，可实现北斗 B1/B3、GPS接收和处理功能，具备北斗单频、双频、北斗/GPS组合等多种定位模式，支持差分定位。
与现有的卫星定位定向仪相比，本发明具有以下优点和效果:
1、提供北斗伪距差分定位模式，适应高精度定位的要求。
2、采用北斗卫星导航系统的双频载波相位定向技术，实现高精度的基线解算、定向功能，定向速度快，成功率高。
3、采用主天线辅助副天线的捕获跟踪技术，只需一个PRM芯片和一个保密芯片即可实现双天线军码捕获、跟踪。
4、单板设计：多路射频信道、基带处理、定位定向解算集成在一块PCB板上。
附图说明
图1是本发明的定位定向仪的定位定向处理单元硬件模块构成框图；
图2是本发明的组装结构示意图；
图3是本发明的外形结构示意图；
图4是本发明的信号处理流程；
图5是本发明的FPGA捕获流程图；
图6是本发明的FPGA跟踪流程图。
具体实施方式
参见图1和图2，本发明一种北斗卫星导航系统双频定位定向仪，包括：
1、硬件设计：主机硬件采用单板集成化设计，包括电源部分、射频部分A和基带部分B。
电源部分为常规技术，包含电源保护电路，在过流、过压、欠压或极性反接时具有自动保护功能。机内电源电路完成从直流电源到各应用电路的DC/DC变换，采用低功耗设计，输出1.2V、3.3V、5V为基带部分B供电，输出5V为射频部分A供电。
射频部分A主要包括信道1、信道2两个信道，均支持B1、B3、L1三频点的下变频功能，另外信道1的输入可以在外接抗干扰天线与定向天线1之间进行切换。
B1、L1下变频采用Maxim公司的MAX2769B芯片，B3下变频采用中电24所的SFM952DEQ，且两个信道用同一个时钟源，分别实现来自两个天线的各频点信号的下变频处理，最终输出6路中频信号给基带部分B的AD芯片进行采样。同时输出62MHz的基准给基带部分B，以实现整个系统的同时钟源。
在外接抗干扰天线与定向天线１信号的切换中，采用的是射频开关HMC349，当外接抗干扰天线接入时，由外部通过串口发送控制信号，电子开关便断开定向天线１中的信号，改由外部抗干扰天线接入。
射频信道为定向天线1和定向天线2提供5V馈电。
另外，在射频部分，须进行天线故障的检测，采用MAX4373电流检测，通过检测是否有电流流经该芯片，进而产生一高或低电平，报送给FPGA进行是否故障的判断。
基带部分B采用采用FPGA（2片）+ DSP（1片）架构，实现信号的捕获、跟踪与各类信息处理。基带为每个天线的信号提供16个跟踪通道，共32个跟踪通道，通道可以根据工作模式，在B1、B3、L1频点间动态分配。
基带信号处理硬件设计专用捕获引擎，实现短码的快速捕获和长码直捕。特点如下：
（1）单板设计。多路射频信道、基带处理、定位定向解算集成在一块PCB板上。
（2）时钟同源。多路射频信道和基带处理来自同一个时钟源，实现时钟同源设计。
（3）同步测量。多路射频信道的输出信号经过A/D后进入同一个基带处理器进行捕获、跟踪、测量，真正实现同步测量。
（4）设计紧凑。采用该方案，并对信号捕获跟踪流程进行优化，所需FPGA资源和软件处理资源少，且只需一套PRM模块和保密模块，使得整机设计更加紧凑。
在DSP芯片配置有SDRAM和FLASH芯片，同时外接存储卫星星历等信息的NVRAM以及RTC等；在第2片FPGA芯片上，外接2片512K×16的SRAM，用于信号捕获时的数据存储。
基带部分(B)同时具有对外接口，包括5个串口和2个CAN接口。
2、软件设计：
信号流程图参见图4，软件主要完成卫星信号的捕获、跟踪，伪距计算、电文解析，并求解用户位置、方位角。软件包括FPGA软件、DSP软件，其中FPGA分捕获FPGA与跟踪FPGA，完成信号的捕获，并提供跟踪通道及对外接口，软件流程图参见图5、图6，DSP软件完成捕获流程控制，环路参数计算，定位定向解算等。
DSP软件主要功能模块包括：系统启动及初始化过程、捕获通道控制、电文解析、定位解算、定向解算等。
（1）系统启动及初始化过程：
完成串口初始化、时间初始化工作，并创建各子任务模块
（2）捕获通道控制：
包括计算捕获卫星列表、设置通道参数、寻找空闲通道、释放制定通道、处理指定捕获指令等功能。
（3）电文解析：
解析原始数据，获得卫星电文，并通过星历或者历书计算卫星位置。
（4）定位解算：
定位解算模块完成的功能包括，卫星的选择、用户位置解算、卫星方位角俯仰角计算、几何因子计算。
（5）定向解算：
定向解算模块完成主星选择、模糊度解算、周跳探测、基线解算、方位角计算等功能。

Claims (5)

1.一种北斗卫星导航系统双频定位定向仪，包括电源部分、射频部分和基带部分，上述三部分均安装在一外壳内，其特征在于：
所述的射频部分包括：第一信道和第二信道，分别接收第一定向天线、第二定向天线的信号输入，均支持B1、B3、L1三频点的下变频功能；另外第一信道的输入能够在外接抗干扰天线与第一定向天线之间进行切换；
所述的基带部分采用2片FPGA和 1片DSP的架构，实现信号的捕获、跟踪与各类信息处理，为每个天线的信号提供16个跟踪通道，共32个跟踪通道，通道能够根据工作模式，在B1、B3频点间动态分配；
所述的射频部分和基带部分的信号处理过程为：
（1）从第一定向天线或外接抗干扰天线，以及从第二定向天线接收到信号后，经射频模块进行放大、变频；
（2）基带部分的信号处理部分利用FPGA对两个定向天线信号进行捕获、跟踪，解调出导航电文，并提供各种测量数据；
（3）基带部分的信息处理部分利用DSP利用伪距、载波相位测量数据进行定位、定向解算，如接收到差分信息，则进行差分定位；
所述的步骤（1）中的射频模块对两路定向的射频信号进行放大、功分，并分别进行三频点的变频，或者通过设置之后将从抗干扰天线接收到的信号进行放大、功分，分别进行三频点的变频；
所述的步骤（2）基带部分中的信号处理部分具有民码、军码直捕功能，仅需1片PRM芯片，即能够完成两个天线信号的军码捕获功能，同时针对定向的需求，利用第一定向天线的载波环路辅助第二定向天线的载波环路跟踪，提高载波相位测量精度，载波测量精度能够达到6‰周；
所述的步骤（3）基带部分中的信息处理部分基于基线长度的约束，利用北斗B1\B3双频载波相位进行整周模糊度的解算，具备单历元解算整周模糊度的能力，同时，针对静态定向的需求，利用平差算法，综合多历元观测数据，提高定向精度，3m基线时定向精度优于1mil；同时在收到伪距差分信息的时候，利用伪距差分信息，修正伪距观测量，从而提升伪距测量精度，最终实现提升定位精度的目的，通过伪距差分定位，定位精度能够达到2m精度。
2.根据权利要求1所述的北斗卫星导航系统双频定位定向仪, 其特征在于：所述的电源部分包含电源保护电路，在过流、过压、欠压或极性反接时具有自动保护功能；机内电源电路完成从直流电源到各应用电路的DC/DC变换，采用低功耗设计。
3.根据权利要求1所述的北斗卫星导航系统双频定位定向仪, 其特征在于：在所述的射频部分，采用MAX4373进行天线故障的检测，通过检测是否有电流流经该芯片，进而产生一高或低电平，报送给FPGA进行是否故障的判断。
4.根据权利要求1所述的北斗卫星导航系统双频定位定向仪, 其特征在于：所述的射频部分和基带部分集成在一块PCB板上；多路射频信道和基带处理来自同一个时钟源，实现时钟同源设计；多路射频信道的输出信号经过A/D后进入同一个基带处理器进行捕获、跟踪、测量，真正实现同步测量。
5.根据权利要求4所述的北斗卫星导航系统双频定位定向仪, 其特征在于：所述的外壳包括腔体、底板、安装角、导光柱和导电胶条，所述的PCB板安装在腔体内，底板固定在腔体口端；在腔体的周面装有安装角、按钮开关以及各种插座；在对外接口的排布上，与显控器的接口设在腔体的正面，其余接口排布在腔体的后面；腔体正面设计有指示灯，通过导光柱将PCB板上指示灯灯光导入到腔体正面的指示灯，显示设备状态；导电胶条安装于腔体口端，在确保腔体与底板间密封性能的同时，保持腔体与底板间良好的导电性能，从而保持良好的电磁屏蔽性能。
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