CN105137754A - 北斗定时型指挥机 - Google Patents

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金成�
贾亮
王巍
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Abstract

本发明涉及一种北斗定时型指挥机，由天线模块、射频模块、基带处理板、授时板、显控单元、电源模块组成天线模块的输出/输入端与主机射频模块相连，射频模块的输出/输入端与基带处理板的输入/输出端相连，基带处理板的显示输出端与显控单元和授时板的输入端相连，电源模块的输出与基带处理板和射频模块的输入相连。与现有技术相比，本发明具有定位精度高、接收通道多、可提供授时服务等优点，可广泛应用于需要集团指挥、作战演习和需要统一时间的领域，如大型军事演习、灾害预警的指挥调度和时间统一，人民防空的各种车辆、人员的指挥调度和设备间的时间统一，移动基站、电网的时间同步等领域。

Description

北斗定时型指挥机
技术领域
本发明属于卫星导航系统终端设备领域，涉及一种利用我国北斗卫星定位系统的北斗定时型指挥机。
背景技术
随着北斗卫星导航技术的发展，北斗终端设备也在往多功能，高精度，高集成等方向发展。现已广泛应用于应急指挥调度、作战演习等领域。
目前市场上的普通型指挥机主要可实现集团指挥、下属监控等功能，其定位精度低、接收通道少。并且在平常的应急指挥调度、作战演习中还需要统一的时间。统一的时间是诸军兵种联合作战和各种武器联合打击的基础，作战指挥、武器试验、信息融合、电子对抗、数字通信、复合制导、精确打击均需要准确的时间。信息化装备必须有高精度的频率源做支撑。计算机、通信、侦察、测控等装备都需要有准确的频率基准，而雷达组网、陆基导航、目标侦察等对基站之间的时间同步更是提出了非常高的要求。可以说，没有高度的时间频率统一，要打赢高技术条件下的信息化战争是难以想象的。所以，为了满足用户对指挥调度和统一时间的要求，设计制作出具有授时功能的北斗定时型指挥机。
发明内容
本发明的目的在于对现有技术存在的问题加以解决，提供一种融合了普通指挥机的指挥管理和提供精确授时服务的北斗定时型指挥机。
为实现上述发明目的而采用的技术解决方案是这样的：所提供的北斗定时型指挥机由天线模块、射频模块、基带处理板、授时板、显控单元、电源模块组成天线模块的输出/输入端与主机射频模块相连，射频模块的输出/输入端与基带处理板的输入/输出端相连，基带处理板的显示输出端与显控单元和授时板的输入端相连，电源模块的输出与基带处理板和射频模块的输入相连；所述的授时板由FPGA主控模块和ARM处理器组成，基带处理板的输出端与授时板的FPGA主控模块输入端相连，FPGA的输出端与ARM处理器的输入端相连；所述的FPGA主控模块包括信号接收单元、本地时钟单元、频差计算单元和信号处理单元，信号处理单元间隔产生一个本地时钟脉冲至本地时钟单元，同时控制信号接收单元接收由基带处理板传送的卫星时刻信号，本地时钟信号和卫星时刻信号进入频差计算单元内计算得到频差即本地时钟需要调整的数值，由信号处理单元完成本地时钟的调整，同时将授时信号输出。该北斗定时型指挥机中电源模块用于给所有模块电路提供电源，基带处理板和授时板是实现北斗定时型指挥机的核心模块。
本发明技术方案的实现还在于：天线模块由天线多工器、功率放大器和发射滤波器组成，天线多工器与射频模块相连；同时天线多工器的输出端与功率放大器的输入端相连，功率放大器的输出端与发射滤波器的输入端相连，发射滤波器的输出端与射频模块的输入端相连。
本发明技术方案的实现还在于：北斗定时型指挥机中的基带处理板由A/D采样电路、BM3005芯片、ARM处理器、串口电路、B1/LI模块组成，A/D采样电路的输出端与BM3005芯片相连，BM3005芯片与ARM处理器相连，ARM处理器的输出端与串口相连，B1/LI模块与ARM处理器相连。
本发明技术方案的实现还在于：北斗定时型指挥机中的显控单元由显示与接收控制电路和显示电路组成，基带处理板的串口输出端与显示与接收控制电路的输入端相连，显示与接收控制电路的输出端与显示电路相连。
本发明技术方案的实现还在于：北斗定时型指挥机中的电源模块由LTC4020芯片、LTC3786芯片和LM2076芯片组成，外部输入19V到LTC4020芯片的输入端，LTC4020芯片的输出端分别接入LTC3786芯片和LM2076芯片的输入端，LTC3786芯片输出28V给射频模块，LM2076芯片输出12V给基带处理板。
本发明具有以下的有益技术效果：
一、本发明的北斗定时型指挥机具有定位精度高、接收通道多、可提供授时服务等优点，可广泛应用于需要集团指挥、作战演习和需要统一的时间的领域，如大型军事演习、灾害预警的指挥调度和时间统一，人民防空的各种车辆、人员的指挥调度和设备间的时间统一，移动基站、电网的时间同步等领域。
二、本发明的北斗定时型指挥机中使用了基于自适应Kalman滤波的时钟模型建立技术，使得系统和量测的噪声方差阵能够适应噪声的变化而变化，同时基于NTP网络的闭环授时及时钟校准技术，大大提高了北斗指挥机的授时精度和授时稳定度。
附图说明
图1为该北斗定时型指挥机的原理结构示意图。
图2为图1中天线模块部分结构示意图。
图3为图1中基带处理板部分的结构示意图。
图4为图1中授时板部分的结构示意图。
图5为图1中显控模块部分的结构示意图。
图6为图1中电源模块部分的结构示意图。
图7为图4授时板的授时模块组成原理图。
附图中各数字标号的名称分别为：1－天线模块，2－射频模块，3－基带处理板，4－授时板，5－显控模块，6－电源模块，11－天线多工器，12－功率放大器，13－发射滤波器，31－A/D采样电路，32－BM3005芯片，33－ARM处理器，34-串口电路，35－B1/L1模块，41－FPGA主控模块，42－ARM处理器，51－显示与接收控制电路，52－显示电路，61－LTC4020芯片，62－LTC3786芯片，63－LM2076芯片。
具体实施方式通道模块型号为STRTMX
以下将结合附图和实施例对本发明内容做进一步说明，但本发明的实际制作结构并不仅限于下述的实施例。
参见图1，本发明所述的北斗定时型指挥机由天线模块1、型号为STRTMX的射频模块2、基带处理板3、授时板4、显控单元5、电源模块6组成。天线模块1的输出/输入端与主机射频模块2相连，射频模块2的输出/输入端与基带处理板3的输入/输出端相连，基带处理板3的显示输出端与显控单元5和授时板4的输入端相连，电源模块6的输出与基带处理板3和射频模块2的输入相连。
图1中北斗定时型指挥机的工作流程分为信号接收和发射两部分。
其中信号接收过程如下：天线模块接收北斗卫星发射的导航信号，由天线多工器将北斗S频点和BI/L1频点合路后送往通道模块。通道模块将北斗S频点和BI/L1频点分路后，北斗S频点经下变频处理成为中频信号，送往基带处理板，基带处理板中A/D芯片对射频模块送来的中频信号进行量化，然后送往BM3005芯片，BM3005芯片负责解扩、解调、信号的捕获跟踪、导航电文的处理(导航电文的解析、定位、定时处理等)；B1/L1频点经分路后直接送往基带处理板的北斗二代模块。最后将结果送往显控单元。
信号发射过程如下：基带处理板中的BM3005芯片将需要发射的数据送往通道模块，通道模块经过信号调制、合路，将信号送往天线模块的天线多工器，由天线多工器分路后，将发射信号送往功率放大器，放大后送往发射滤波器，经滤波后将信号发射出去。
图2中，天线模块1由型号为STM-ZJ-LMA-BD06的天线多工器11、型号为STM-PA-BD1-11B的功率放大器12和发射滤波器13组成，天线多工器11与型号为STRTMX的射频模块2相连；同时天线多工器11的输出端与功率放大器12的输入端相连，功率放大器12的输出端与发射滤波器13的输入端相连，发射滤波器13的输出端与射频模块2的输入端相连。
图3中，基带处理板3由型号为AD9288BST-100的A/D采样电路31、BM3005芯片32、型号为STR710FZ2T6的ARM处理器33、型号为ATGM332D的串口电路34、B1/LI模块35组成，A/D采样电路31的输出端与BM3005芯片32相连，BM3005芯片32与ARM处理器33相连，ARM处理器33的输出端与串口34相连，B1/LI模块35与ARM处理器33相连。
如图4，授时板4由型号为XC3S500E-4PQG208I的FPGA主控模块41和型号为STR710FZ2T6的ARM处理器42组成，基带处理板3的输出端与授时板4的FPGA主控模块41的输入端相连，FPGA主控模块41的输出端与ARM处理器42的输入端相连；
图5中，显控单元5由显示与接收控制电路51和显示电路52组成，基带处理板3的串口34输出端与显示与接收控制电路51的输入端相连，显示与接收控制电路51的输出端与显示52电路相连。
图6中，电源模块6由LTC4020芯片61、LTC3786芯片62和LM2076芯片63组成，外部输入19V到LTC4020芯片61输入端，LTC4020芯片61的输出端分别接入LTC3786芯片62和LM2076芯片63的输入端，LTC3786芯片62输出28V给射频模块2，LM2076芯片63输出12V给基带处理板3。
本发明在北斗定时型指挥机的设计中，采用了下列方法：
1)NTP网络授时功能
网络时间协议NTP(NetworkTimeProtocol)是用于互联网中时间同步的标准互联网协议。NTP的用途是把计算机的时间同步到某些时间标准。NTP的设计充分考虑了互联网上时间同步的复杂性。NTP提供的机制严格、实用、有效，适应于在各种规模、速度和连接通路情况的互联网环境下工作。NTP以北斗时间代码传送的时间消息为参考标准，采用了Client/Server结构，具有相当高的灵活性，可以适应各种互联网环境。NTP不仅校正现行时间，而且持续跟踪时间的变化，能够自动进行调节，即使网络发生故障，也能维持时间的稳定。NTP产生的网络开销甚少，具有保证网络安全的应对措施。这些措施的采用使NTP可以在互联网上获取可靠和精确的时间同步，并使NTP成为互联网上公认的时间同步工具。目前，在通常的环境下，NTP提供的时间精确度在WAN(广域网)上为数十毫秒。
在网络上进行时间同步具有重要意义。互联网最初起源于军事用途明显的ARPA(高级研究项目局)网。在军事应用领域，时间是一个非常重要的考虑因素。对于互联网的时间同步和NTP的研究，就是在相关背景下启动和进行的。随着互联网的发展和延伸到社会的各个方面，在其他的领域对时间同步也提出了多种要求，例如各种实时的网上交易、制造过程控制、通信网络的时间配置、网络安全性设计、分布性的网络计算和处理、交通航班航路管理以及数据库文件管理和呼叫记录等多种涉及时间戳的应用，都需要精确、可靠的时间。
2)基于Kalman滤波的时钟模型
在NTP中时间精确度依赖于时钟振荡器的稳定度和时钟调节的精密度。在NTP中，网络响应能力的变化产生的误差为抖动；振荡器频率稳定度产生的误差为漂移。本发明使用的基于卡尔曼滤波时钟校准与驯服算法。通过对北斗导航系统授时原理以及接收机中温补晶振误差模型的研究，提出了基于Kalman滤波的时钟模型，此模型使用了闭环自适应卡尔曼滤波算法对观测值进行相位和频率的估计，并对下一采样时刻的钟差和钟差变化率进行预测的方法。使授时精度大大提高，其授时精度达到5ms。与其他厂家相比具有明显优势。
北斗接收机中通常使用温补晶振为用户提供时钟信息，其输出信号模型为
T ( t ) = a + b ( t - t 0 ) + 1 2 c ( t - t 0 ) 2 + n ( t )
其中a为初始相位；b为频率偏移；c为频率老化系数；n(t)为晶振噪声，随温度和湿度的变化而变化，根据晶振的幂率谱模型可知，它是5种噪声的叠加.原子钟参数估计就是求得a，b，c3个参数值，但由于噪声降低了估计精度.因此通过Kalman滤波器估计a，b，c3个参数可得到较好的效果。
但是Kalman滤波器需先输入原子钟的噪声方差阵，且给出的参数固定，不能适应信号变化，因此，需将Kalman滤波器的噪声系数进行改进，使其自适应的随噪声变化而调整。
如图7所示，本发明的授时功能是基于图4授时板中的FPGA主控模块实现的。FPGA主控模块包括信号接收单元、本地时钟单元、频差计算单元和信号处理单元，信号处理单元间隔产生一个本地时钟脉冲至本地时钟单元，同时控制信号接收单元接收由基带处理板传送的卫星时刻信号，本地时钟信号和卫星时刻信号进入频差计算单元内计算得到频差即本地时钟需要调整的数值，由信号处理单元完成本地时钟的调整，同时将授时信号输出。
其具体步骤如下：在进行时钟同步时，首先由信号处理单元根据本地钟产生一个脉冲，并以接收信号为基准进行测量，由测量得出本地时间与接收时刻时间的差值并送给信息处理单元。信息处理单元在位置解算时，就能计算出本地时钟与北斗系统发射时间之间的差值数据。然后将该差值与信号处理板送出的差值作对较，得出本地时钟需要调整的数值。得出该数值后反馈给信号处理单元的FPGA主控模块，由FPGA调整本地时钟输出，同时将秒脉冲信号送出。在不断重复进行以上秒脉冲同步的过程后，达到精确的与北斗系统时同步的精密时钟输出。
综上所述，由于对北斗定时型指挥机中使用了基于自适应Kalman滤波的时钟模型建立技术，使得系统和量测的噪声方差阵能够适应噪声的变化而变化，同时采用基于NTP网络的闭环授时及时钟校准技术，大大提高了北斗指挥机的授时精度和授时稳定度。

Claims (5)

1.一种北斗定时型指挥机，其特征在于由天线模块(1)、射频模块(2)、基带处理板(3)、授时板(4)、显控单元(5)、电源模块(6)组成，天线模块(1)的输出/输入端与射频模块(2)相连，射频模块(2)的输出/输入端与基带处理板(3)的输入/输出端相连，基带处理板(3)的显示输出端与显控单元(5)和授时板(4)的输入端相连，电源模块(6)的输出与基带处理板(3)和射频模块(2)的输入相连；
所述的授时板(4)由FPGA主控模块(41)和ARM处理器(42)组成，基带处理板(3)的输出端与授时板(4)的FPGA主控模块(41)输入端相连，FPGA(41)的输出端与ARM处理器(42)的输入端相连；所述的FPGA主控模块包括信号接收单元、本地时钟单元、频差计算单元和信号处理单元，信号处理单元间隔产生一个本地时钟脉冲至本地时钟单元，同时控制信号接收单元接收由基带处理板传送的卫星时刻信号，本地时钟信号和卫星时刻信号进入频差计算单元内计算得到频差即本地时钟需要调整的数值，由信号处理单元完成本地时钟的调整，同时将授时信号输出。
2.根据权利要求1所述的北斗定时型指挥机，其特征在于：所述的天线模块(1)由天线多工器(11)、功率放大器(12)和发射滤波器(13)组成，天线多工器(11)与射频模块(2)相连；同时天线多工器(11)的输出端与功率放大器(12)的输入端相连，功率放大器(12)的输出端与发射滤波器(13)的输入端相连，发射滤波器(13)的输出端与射频模块(2)的输入端相连。
3.根据权利要求1所述的北斗定时型指挥机，其特征在于：所述的基带处理板(3)由A/D采样电路(31)、BM3005芯片(32)、ARM处理器(33)、串口电路(34)、B1/LI模块(35)组成，A/D采样电路(31)的输出端与BM3005芯片(32)相连，BM3005芯片(32)与ARM处理器(33)相连，ARM处理器(33)的输出端与串口(34)相连，B1/LI模块(35)与ARM处理器(33)相连。
4.根据权利要求1所述的北斗定时型指挥机，其特征在于：所述的显控单元(5)由显示与接收控制电路(51)和显示电路(52)组成，基带处理板(3)的串口(34)输出端与显示与接收控制电路(51)的输入端相连，显示与接收控制电路(51)的输出端与显示(52)电路相连。
5.根据权利要求1所述的北斗定时型指挥机，其特征在于：所述的电源模块(6)由LTC4020芯片(61)、LTC3786芯片(62)和LM2076芯片(63)组成，外部输入19V到LTC4020芯片(61)的输入端，LTC4020芯片(61)的输出端分别接入LTC3786芯片(62)和LM2076芯片(63)的输入端，LTC3786芯片(62)输出28V给射频模块(2)，LM2076芯片(63)输出12V给基带处理板(3)。
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