CN114513243B - 一种低轨星座相控阵通信导航融合应用终端 - Google Patents

一种低轨星座相控阵通信导航融合应用终端 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种低轨星座相控阵通信导航融合应用终端，集成了天线、放大器、射频信道、基带处理、电源，通过接收处理GNSS导航信号、融合测量的终端三维加速度和三维角速度信息，实时解算终端位置与姿态信息，并为数字相控阵处理提供通信卫星的俯仰角和方位角信息，采用数字相控阵波束合成技术接收多颗低轨卫星通信信息，采用数字相控阵加权调制技术向低轨卫星发送通信信息，完成低轨卫星双向通信功能。本发明在较小体积内实现了各模块的一体化设计，完成了基于卫星导航和惯性组合的姿态测量，为波束指向提供了精确基准，完成了低轨通信射频信号的收发数字波束处理，实现了同时支持两个低轨卫星通信接入功能。

Description

一种低轨星座相控阵通信导航融合应用终端
技术领域
本发明涉及电学技术领域，具体涉及一种低轨星座相控阵通信导航融合应用终端。
背景技术
低轨卫星由于距离地面近、信号质量优，且具备更小时延，常用作通信卫星。低轨卫星星座能够在全球范围内对导航星座提供信息增强和信号增强，能够为用户提供实时高精度定位服务，提升通信和遥感服务的效能。低轨星座以其通信和导航功能兼备的独特优势，逐步受到学术界和产业界的关注和青睐。
美国铱星系统与GPS系统共同研发推出新型卫星授时与定位服务(STL)，已成为GPS系统的备份或补充，既可以独立的导航、定位，也能对GPS系统进行信号增强。在通信业务以外，铱星星座提供STL服务，可实现室内和峡谷地区的定位导航授时。STL服务性能为：定位精度30～50米、授时精度约为200ns，原信号落地功率比GPS L1C/A码信号强300～2400倍(24.8～33.8dB)，室内可用性大幅提升，增强了复杂地形环境和复杂电磁环境下的导航可用性和安全性。
欧洲Galileo系统技术团队也在积极推进开普勒系统研究，通过4-6颗低轨卫星构成的低轨星座，通过星间链路对中高轨卫星进行监测和高精度测量，以大幅提高Galileo星座的定轨精度。系统通过LEO卫星星座对无电离层、对流层扰动的导航信号进行观测，可提升MEO系统的完好性和精度。
国内在低轨导航星座设计以及试验星发射方面发展更为迅速，已有多个低轨试验星获取了下行导航信号，探索基于低轨卫星导航增强的应用模式。“鸿雁”、“虹云”、“天地一体化信息网络”等通信星座均考虑了低轨卫星增强的需求，微厘空间、箭旅镜像主打低轨高精度增强。“鸿雁星座试验星”、“珞珈一号”、“微厘空间”、“网通一号”等低轨试验卫星的在轨技术试验，为低轨卫星导航信号增强技术、精度增强等技术积累了试验数据。
在低轨卫星应用终端中采用相控阵天线，主要考虑移动卫星通信中的发射多波束切换管理、避免干扰其他卫星以及多星信号灵活接收。对于低轨卫星通信，卫星在轨道上不停地快速运动，地面天线要保持跟踪天空中“飞行”的卫星，并能很快地从跟踪一颗卫星切换到另一颗，如果使用传统机械式天线，除非是双天线，否则无法在不造成通信中断的情况下连续跟踪卫星。相控阵等电扫描平板天线的应用将大大改善上述情况，由于没有机械部件，低轮廓、高可靠性，甚至一副天线可以支持多星同时工作，非常有利于低轨卫星通信。
未来相控阵天线将会越来越多地采用数字相控阵技术。为提高星座卫星通信系统的单星覆盖范围，要求大范围波束覆盖(±60°左右)；为满足用户随时随地使用需求，要求卫星可调整波束的大小、指向、功率以及波束间带宽等，从而灵活地实现动态分配卫星容量；面对日益拥挤的卫星星座和频率使用环境，要求卫星通信系统具备保护战术波形能力；为满足灵活终端应用，要求任意极化方式、通信波形可配置、波束灵活调整和快速跟踪。数字相控阵技术能够实现卫星功率动态分配、波束动态重构、敏捷调整，具备自适应抗干扰能力，同时避免干扰其他卫星。
发明内容
本发明是为了解决轨星座通信导航融合应用问题，提供一种低轨星座相控阵通信导航融合应用终端，集成了天线、放大器、射频信道、基带处理、电源，通过接收处理GNSS导航信号、融合测量的终端三维加速度和三维角速度信息，实时解算终端位置与姿态信息，并为数字相控阵处理提供通信卫星的俯仰角和方位角信息，采用数字相控阵波束合成技术接收多颗低轨卫星通信信息，采用数字相控阵加权调制技术向低轨卫星发送通信信息，完成低轨卫星双向通信功能。本发明在较小体积内实现了各模块的一体化设计，完成了基于卫星导航和惯性组合的姿态测量，为波束指向提供了精确基准，完成了低轨通信射频信号的收发数字波束处理，实现了同时支持两个低轨卫星通信接入功能。
本发明提供一种低轨星座相控阵通信导航融合应用终端，包括依次电连接的阵列天线单元、放大器单元、射频信道单元、基带处理单元、接口单元和与放大器单元、射频信道单元、基带处理单元、接口单元均电连接的电源单元，基带处理单元用于将GNSS导航信号、融合应用终端位置信息、融合应用终端姿态信息、波束指向的俯仰角、波束指向的方位角、天线阵元相对位置和波束形成的相位零值计算得到阵列天线单元的移相值进行导航增强；
阵列天线单元包括GNSS天线和阵列排布的通信天线，GNSS天线用于接收GNSS导航信号，通信天线用于接收和发射低轨卫星的通信信号；
放大器单元包括与GNSS天线电连接的GNSS放大单元和与通信天线电连接的通信信号放大单元，GNSS放大单元用于将GNSS导航信号进行放大、滤波，通信信号放大单元用于将通信信号进行放大、滤波；
射频信道单元包括与GNSS放大单元电连接的GNSS接收信道和与通信信号放大单元均电连接的通信接收信道、通信发射信道，GNSS接收信道用于将GNSS导航信号进行下变频、滤波和放大后得到GNSS导航模拟中频信号，通信信号放大单元用于将通信信号进行下变频、滤波和放大后得到通信模拟中频信号，通信发射信道用于接收基带处理单元输出的数字中频信号进行上变频和滤波后输出至通信信号放大单元；
基带处理单元包括依次电连接的导航信号处理模块、组合测姿模块、主控模块，与主控模块均电连接的通信信号处理模块、通信协议处理模块、存储模块和与组合测姿模块电连接的惯导模块；通信信号处理模块和组合测姿模块、通信协议处理模块均电连接，导航信号处理模块与GNSS接收信道的输出端电连接，通信信号处理模块与通信接收信道、通信发射信道均电连接，通信协议处理模块与接口单元电连接；
导航信号处理模块用于接收GNSS导航模拟中频信号进行GNSS卫星信号的捕获、跟踪、解调、原始观测量提取并向组合测姿模块和主控模块输出导航电文、GNSS卫星信号原始观测量、工作状态；惯导模块用于向组合测姿模块输出融合应用终端的加速度测量值和角速度测量值；组合测姿模块用于接收GNSS卫星信号原始观测量、加速度测量值和角速度测量值并持续计算融合应用终端的位置信息、姿态信息输出至主控模块；通信信号处理模块用于在主控模块的控制下接收位置信息、姿态信息和通信模拟中频信号计算得到低轨卫星的波束指向俯仰角波束指向方位角θ并得到移相值φp，通信信号处理模块用于进行通信模拟中频信号的捕获、跟踪、译码并提取低轨卫星原始观测量形成通信电文并将低轨卫星原始观测量、通信电文输出至通信协议处理模块，通信信号处理模块用于将低轨卫星原始观测量发送至组合测姿模块进行导航增强；通信协议处理模块用于在主控模块的控制下接收通信信号处理模块输出的通信电文、原始观测量按照通信协议解析后发送给接口单元，通信协议处理模块用于接收接口单元的输出信息按照协议进行组帧后发送给通信信号处理模块，通信信号处理模块用于在主控模块的控制下接收通信协议处理模块的输出信息进行电文编码、调制，形成数字中频信号发送给通信发射信道；存储模块用于进行终端程序代码和工作参数存储；
接口单元用于接收来自用户的数据并按照协议进行组帧后输出至通信信号处理模块。
本发明所述的一种低轨星座相控阵通信导航融合应用终端，作为优选方式，移相值φp为：
其中，λ为通信信号波长；为波束指向的俯仰角；为波束指向的方位角；x为通信天线阵元坐标位置的横坐标；y为通信天线阵元坐标位置的纵坐标；φ0为波束形成的相位零值。
本发明所述的一种低轨星座相控阵通信导航融合应用终端，作为优选方式，接口单元包括均与基带处理单元电连接的音频模块、串口模块、网络模块和脉冲模块；
音频模块用于接收来自通信协议处理模块的话音数据，通过语音处理芯片输出模拟音频信号至外部扬声器，同时接收来自外部麦克风的模拟音频信号并转换为话音数字信号输出至通信协议处理模块；
串口模块用于接收组合测姿模块、主控模块和通信协议处理模块输出的测量信息和工作状态并进行电平转换后输出至外部设备，串口模块用于接收外部设备的控制指令和参数信息并输出至组合测姿模块、主控模块和通信协议处理模块；
网络模块用于接收组合测姿模块、主控模块和通信协议处理模块输出的测量信息和工作状态并进行网络协议转换后输出至外部网络设备，网络模块用于接收外部网络设备的控制指令和参数信息并输出至组合测姿模块、主控模块和通信协议处理模块；
脉冲模块用于接收导航信号处理模块输出的秒脉冲信号并经电平转换后输出至外部设备。
本发明所述的一种低轨星座相控阵通信导航融合应用终端，作为优选方式，输入滤波模块用于进行输入电压滤波，电源变换模块用于将输入电压变换为输出电压，输出电压为工作电压，输出滤波模块用于进行输出电压滤波。
本发明所述的一种低轨星座相控阵通信导航融合应用终端，作为优选方式，GNSS天线、GNSS放大单元和GNSS接收信道的数量均为2个。
本发明所述的一种低轨星座相控阵通信导航融合应用终端，作为优选方式，通信天线、通信信号放大单元、通信接收信道和通信发射信道的数量均为20个；
通信天线呈圆环形式均匀排列，两个GNSS天线对称设置在圆环的内侧；
通信信号处理模块用于进行20路通信信号的加权合成。
本发明所述的一种低轨星座相控阵通信导航融合应用终端，作为优选方式，GNSS放大单元包括电连接的滤波器和低噪声放大器，通信信号放大单元包括电连接的滤波器、低噪声放大器和功率放大器。
本发明所述的一种低轨星座相控阵通信导航融合应用终端，作为优选方式，惯导模块为六自由度传感器，加速度测量值为三轴加速度测量值，角速度测量值为三轴陀螺角速度值。
本发明所述的一种低轨星座相控阵通信导航融合应用终端，作为优选方式，接口单元接收和输出的信息包括：话音、短信息和数据。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的。
本发明的一种低轨星座相控阵通信导航融合应用终端，包括阵列天线单元、放大器单元、射频信道单元、基带处理单元、接口单元、电源单元；电源单元给放大器单元、射频信道单元、基带处理单元、接口单元供电；
天线单元包括2阵元GNSS天线、20阵元通信天线，分别接收GNSS导航信号和低轨卫星信号，发射低轨卫星信号；
放大器单元包括2路GNSS低噪声放大器、20路通信低噪声放大器、20路功率放大器；
射频信道单元包括2路GNSS接收信道、20路通信接收信道、20路通信发射信道；
基带处理单元包括导航信号处理模块、惯导模块、组合测姿模块、通信信号处理模块、通信协议处理模块、主控模块、存储模块；
接口单元包括音频模块、串口模块、网络模块、脉冲模块；
电源单元包括输入滤波模块、电源变换模块、输出滤波模块；
GNSS天线接收GNSS卫星信号，发送至GNSS低噪声放大器，GNSS低噪声放大器将GNSS卫星信号进行放大、滤波，输出的信号送入GNSS接收信道，GNSS接收信道对输入信号进行下变频、滤波和放大后，输出模拟中频信号给基带处理单元的导航信号处理模块；
通信天线接收低轨卫星信号，发送至通信低噪声放大器，低噪声放大将低轨卫星信号进行放大、滤波，输出的信号送入通信接收信道，通信接收信道对输入信号进行下变频、滤波和放大后，输出模拟中频信号给基带处理单元的通信信号处理模块；
导航信号处理模块在主控模块的控制下接收处理经AD数字化的GNSS数字中频信号，完成对GNSS卫星信号的捕获、跟踪、解调、原始观测量提取，并通过数据总线向主控及组合测姿模块输出导航电文、原始观测量和工作状态；
惯导模块为六自由度传感器，可同时输出三轴加速度测量值与三轴陀螺角速度值给组合测姿模块；
组合测姿模块接收来自导航信号处理模块的观测量、来自惯导模块的观测量，通过组合导航算法持续计算位置姿态信息并输出给主控模块。
通信信号处理模块在主控模块的控制下接收处理经AD数字化的通信中频信号，同时接收主控模块的终端位置、姿态信息，完成波束指向计算，完成低轨卫星通信信号的捕获、跟踪、译码、原始观测量提取，并通过数据总线向通信协议处理模块输出通信电文、原始观测量，向主控模块输出工作状态；通信信号处理模块接收主控模块的控制和通信协议模块的数据，进行电文编码、调制，形成数字中频信号发送给通信发射信道；
通信协议处理模块在主控模块控制下，接收来自通信信号处理模块的通信电文、原始观测量，按照通信协议进行协议解析，将话音、短信息、数据等信息发送给接口模块；同时通过接口模块接收来自用户的话音、短信息、数据等数据，按照协议进行组帧后发送给通信信号处理模块；
主控模块负责协调调度其他模块，实现终端各项功能；
存储模块完成终端程序代码和工作参数存储功能；
通信发射信道接收通信信号处理模块输出的数字中频信号，进行上变频、滤波后，输出给放大器单元的功率放大器，功率放大器将信号进行高功率放大和滤波后，经由通信天线向空间发射低轨卫星信号。
音频模块接收来自通信协议处理模块的话音数据，通过语音处理芯片输出模拟音频信号给外部扬声器，同时接收来自外部麦克风的模拟音频信号并转换为话音数字信号发送给通信协议处理模块；
串口模块接收主控模块、组合测姿模块、通信协议处理模块输出的各类测量信息和工作状态，进行电平转换后输出至外部设备，接收外部设备的控制指令和参数信息，发送给各模块；
网络模块接收主控模块、组合测姿模块、通信协议处理模块输出的各类测量信息和工作状态，进行网络协议转换后输出至外部网络设备，接收外部网络设备的控制指令和参数信息，发送给各模块；
脉冲模块接收来自导航信号处理模块的秒脉冲信号，经电平转换后发送给外部设备；
电源单元中输入滤波模块完成输入电压滤波功能，电源变换模块完成电压变换为各模块提供工作电压，输出滤波模块完成输出电压的滤波。
基带处理单元通过以下步骤实现20路低轨卫星中频信号接收和发射：
a)通信信号处理模块根据从主控模块接收的终端位置、姿态信息，获取针对两颗低轨卫星的波束指向的俯仰角和方位角。根据波束指向的俯仰角和方位角、天线阵元相对位置、波束形成的相位零值按照公式(1)计算对应天线阵元的波束形成移相值。完成20路解调权值计算后，对由射频信道单元输入的20路通信信号进行加权合成，对合成后的通信信号进行低轨卫星的捕获、跟踪、译码、原始观测量提取等处理，并将通信电文发送给通信协议处理模块，将原始观测量发送给组合测姿模块进行导航增强。
式中，φp为波束形成的移相值；λ为信号波长；为波束指向的俯仰角；θ为波束指向的方位角；x为天线阵元坐标位置的横坐标；y为天线阵元坐标位置的纵坐标；φ0为波束形成的相位零值。
b)通信协议处理模块按照通信协议对通信电文进行协议解析，将解析后数据发送给接口模块。
c)通信协议处理模块接收接口模块发送的待播发信息，按照通信协议组帧，形成待发送的通信数据，发送给通信信号处理模块。
d)通信信号处理模块根据终端位置、姿态信息，获取波束指向的俯仰角和方位角。根据波束指向的俯仰角和方位角、天线阵元相对位置、波束形成的相位零值按照公式(1)计算对应天线阵元的波束形成移相值。完成20路调制权值计算后，进行通信电文编码、信号调制，形成20路数字中频信号发送给射频信道单元的通信发射信道。
本发明与现有技术相比的有益效果为：
(1)本发明实现了低轨卫星通信信号的接收发射处理、卫星导航和惯导组合测姿的融合应用；
(2)本发明实现了基于卫星导航和惯性组合的姿态测量，为波束指向提供了精确基准；
(3)本发明实现了低轨通信射频信号的收发数字波束处理，实现了同时支持两个低轨卫星通信接入功能；
(4)本发明集成了天线单元、放大器单元、射频信道单元、基带处理单元、接口单元、电源单元，在较小体积内实现了各单元的一体化设计。
附图说明
图1为一种低轨星座相控阵通信导航融合应用终端系统结构图；
图2为一种低轨星座相控阵通信导航融合应用终端阵列天线单元结构图；
图3为一种低轨星座相控阵通信导航融合应用终端放大器单元结构图；
图4为一种低轨星座相控阵通信导航融合应用终端GNSS接收信道结构图；
图5为一种低轨星座相控阵通信导航融合应用终端通信接收信道结构图；
图6为一种低轨星座相控阵通信导航融合应用终端通信发射信道结构图；
图7为一种低轨星座相控阵通信导航融合应用终端基带处理单元结构图；
图8为一种低轨星座相控阵通信导航融合应用终端接口单元结构图；
图9为一种低轨星座相控阵通信导航融合应用终端电源单元结构图。
附图标记：
1、阵列天线单元；11、GNSS天线；12、通信天线；2、放大器单元；21、GNSS放大单元；22、通信信号放大单元；3、射频信道单元；31、GNSS接收信道；32、通信接收信道；33、通信发射信道；4、基带处理单元；41、导航信号处理模块；42、组合测姿模块；43、主控模块；44、通信信号处理模块；45、通信协议处理模块；46、存储模块；47、惯导模块；5、接口单元；51、音频模块；52、串口模块；53、网络模块；54、脉冲模块；6、电源单元；61、输入滤波模块；62、电源变换模块；63、输出滤波模块。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
实施例1
如图1所示，一种低轨星座相控阵通信导航融合应用终端，包括依次电连接的阵列天线单元1、放大器单元2、射频信道单元3、基带处理单元4、接口单元5和与放大器单元2、射频信道单元3、基带处理单元4、接口单元5均电连接的电源单元6，基带处理单元4用于将GNSS导航信号、融合应用终端位置信息、融合应用终端姿态信息、波束指向的俯仰角、波束指向的方位角、天线阵元相对位置和波束形成的相位零值计算得到阵列天线单元1的移相值进行导航增强；
阵列天线单元1包括GNSS天线11和阵列排布的通信天线12，GNSS天线11用于接收GNSS导航信号，通信天线12用于接收和发射低轨卫星的通信信号；
如图2所示，GNSS天线11、GNSS放大单元21和GNSS接收信道31的数量均为2个；
通信天线12、通信信号放大单元22、通信接收信道32和通信发射信道33的数量均为20个；
通信天线12呈圆环形式均匀排列，两个GNSS天线11对称设置在圆环的内侧；
通信信号处理模块44用于进行20路通信信号的加权合成；
如图3所示，放大器单元2包括与GNSS天线11电连接的GNSS放大单元21和与通信天线12电连接的通信信号放大单元22，GNSS放大单元21用于将GNSS导航信号进行放大、滤波，通信信号放大单元22用于将通信信号进行放大、滤波；
GNSS放大单元21包括电连接的滤波器和低噪声放大器，通信信号放大单元22包括电连接的滤波器、低噪声放大器和功率放大器；
如图4-6所示，射频信道单元3包括与GNSS放大单元21电连接的GNSS接收信道31和与通信信号放大单元22均电连接的通信接收信道32、通信发射信道33，GNSS接收信道31用于将GNSS导航信号进行下变频、滤波和放大后得到GNSS导航模拟中频信号，通信信号放大单元22用于将通信信号进行下变频、滤波和放大后得到通信模拟中频信号，通信发射信道33用于接收基带处理单元4输出的数字中频信号进行上变频和滤波后输出至通信信号放大单元22；
如图7所示，基带处理单元4包括依次电连接的导航信号处理模块41、组合测姿模块42、主控模块43，与主控模块43均电连接的通信信号处理模块44、通信协议处理模块45、存储模块46和与组合测姿模块42电连接的惯导模块47；通信信号处理模块44和组合测姿模块42、通信协议处理模块45均电连接，导航信号处理模块41与GNSS接收信道31的输出端电连接，通信信号处理模块44与通信接收信道32、通信发射信道33均电连接，通信协议处理模块45与接口单元5电连接；
导航信号处理模块41用于接收GNSS导航模拟中频信号进行GNSS卫星信号的捕获、跟踪、解调、原始观测量提取并向组合测姿模块42和主控模块43输出导航电文、GNSS卫星信号原始观测量、工作状态；惯导模块47用于向组合测姿模块42输出融合应用终端的加速度测量值和角速度测量值；组合测姿模块42用于接收GNSS卫星信号原始观测量、加速度测量值和角速度测量值并持续计算融合应用终端的位置信息、姿态信息输出至主控模块43；通信信号处理模块44用于在主控模块43的控制下接收位置信息、姿态信息和通信模拟中频信号计算得到低轨卫星的波束指向俯仰角波束指向方位角θ并得到移相值φp，通信信号处理模块44用于进行通信模拟中频信号的捕获、跟踪、译码并提取低轨卫星原始观测量形成通信电文并将低轨卫星原始观测量、通信电文输出至通信协议处理模块45，通信信号处理模块44用于将低轨卫星原始观测量发送至组合测姿模块42进行导航增强；通信协议处理模块45用于在主控模块43的控制下接收通信信号处理模块44输出的通信电文、原始观测量按照通信协议解析后发送给接口单元5，通信协议处理模块45用于接收接口单元5的输出信息按照协议进行组帧后发送给通信信号处理模块44，通信信号处理模块44用于在主控模块43的控制下接收通信协议处理模块45的输出信息进行电文编码、调制，形成数字中频信号发送给通信发射信道33；存储模块46用于进行终端程序代码和工作参数存储；
移相值φp为：
其中，λ为通信信号波长；为波束指向的俯仰角；为波束指向的方位角；x为通信天线阵元坐标位置的横坐标；y为通信天线阵元坐标位置的纵坐标；φ为波束形成的相位零值；
惯导模块47为六自由度传感器，加速度测量值为三轴加速度测量值，角速度测量值为三轴陀螺角速度值；
如图8所示，接口单元5用于接收来自用户的数据并按照协议进行组帧后输出至通信信号处理模块44；
接口单元5包括均与基带处理单元4电连接的音频模块51、串口模块52、网络模块53和脉冲模块54；
音频模块51用于接收来自通信协议处理模块45的话音数据，通过语音处理芯片输出模拟音频信号至外部扬声器，同时接收来自外部麦克风的模拟音频信号并转换为话音数字信号输出至通信协议处理模块45；
串口模块52用于接收组合测姿模块42、主控模块43和通信协议处理模块45输出的测量信息和工作状态并进行电平转换后输出至外部设备，串口模块52用于接收外部设备的控制指令和参数信息并输出至组合测姿模块42、主控模块43和通信协议处理模块45；
网络模块53用于接收组合测姿模块42、主控模块43和通信协议处理模块45输出的测量信息和工作状态并进行网络协议转换后输出至外部网络设备，网络模块53用于接收外部网络设备的控制指令和参数信息并输出至组合测姿模块42、主控模块43和通信协议处理模块45；
脉冲模块54用于接收导航信号处理模块41输出的秒脉冲信号并经电平转换后输出至外部设备；
接口单元5接收和输出的信息包括：话音、短信息和数据；
如图9所示，输入滤波模块61用于进行输入电压滤波，电源变换模块62用于将输入电压变换为输出电压，输出电压为工作电压，输出滤波模块63用于进行输出电压滤波。
实施例2
如图1所示，一种低轨星座相控阵通信导航融合应用终端，该装置为GNSS信号、低轨卫星信号的通信导航融合应用终端设备，包括天线单元1、放大器单元2、射频信道单元3、基带处理单元4、接口单元5以及电源单元6；电源单元6给放大器单元2、射频信道单元3、基带处理单元4、接口单元5供电。
天线单元1包括2阵元GNSS接收天线11、20阵元通信天线12。GNSS天线用于接收GNSS导航信号；通信天线12用于接收低轨卫星信号、发射低轨卫星信号。
放大器单元2包括2路GNSS低噪声放大器、20路通信低噪声放大器、20路功率放大器。GNSS低噪声放大器用于GNSS信号的低噪声放大和滤波；通信低噪声放大器用于低轨卫星下行信号的低噪声放大和滤波；功率放大器用于低轨卫星上行信号的高功率放大和滤波。
射频信道单元3包括2路GNSS接收信道31、20路通信接收信道32、20路通信发射信道33。GNSS接收信道31用于GNSS信号的下变频处理；通信接收信道32用于低轨卫星信号的下变频处理；通信发射信道33用于低轨卫星上行信号的上变频处理。
基带处理单元4包括导航信号处理模块41、组合测姿模块42、主控模块43、通信信号处理模块44、通信协议处理模块45、存储模块46、惯导模块47。导航信号处理模块41完成对GNSS卫星信号的捕获、跟踪、解调、原始观测量提取；组合测姿模块42完成位置解算和姿态解算；主控模块43协调调度其他模块，实现终端各项功能；通信信号处理模块44完成接收数字波束形成和对低轨卫星信号的捕获、跟踪、解调、原始观测量提取，以及上行电文编码、信号调制、发射数字波束形成；通信协议处理模块45完成接收电文协议解析和发射电文协议组帧；存储模块46完成终端程序代码和工作参数存储功能；惯导模块47用于测量加速度值和角速度值。
接口单元5包括音频模块51、串口模块52、网络模块53、脉冲模块54。音频模块51完成话音数据与模拟音频信号的转换；串口模块52完成串口信号电平转换；网络模块53完成网络协议转换；脉冲模块54对秒脉冲信号进行电平转换。
电源单元6包括输入滤波模块61、电源变换模块62和输出滤波模块63。输入滤波模块61完成输入电压滤波功能，电源变换模块62完成电压变换为各模块提供工作电压，输出滤波模块63完成输出电压的滤波。
如图2所示，天线单元1采用微带天线阵元形式，包括2阵元GNSS接收天线11、20阵元通信天线12，20阵元通信天线12呈圆环形式均匀布局，2阵元GNSS天线布设在圆环内侧直径的两端。天线阵元俯仰角30度以上增益不小于0dB，驻波比小于1.5，轴比小于6dB。
如图3所示，放大器单元2的GNSS低噪声放大器和通信低噪声放大器形式一致，每路低噪声放大器包括输入端滤波器、前级放大器、中间级滤波器、后级放大器和衰减器五部分，采用两级放大两级滤波方式，增益30±1dB，增益平坦度小于0.5dB，噪声系数小于1.8dB，带外抑制大于90dB，输入驻波比小于1.8:1，1dB压缩点输出功率大于5dBm，工作电压+3.3VDC，工作电流小于70mA；每路功率放大器包括增益控制、射频放大、带通滤波、温补控制和电源电路，输入电平0dBm,增益大于40dB，1dB压缩点输出功率大于40dBm，增益平坦度小于1dB，输入驻波比小于1.5，工作效率大于23％，谐波抑制大于50dBc，工作电压+12VDC。
如图4所示，GNSS接收信道31包括带通滤波器、射频放大器、可变增益放大器、射频混频器、基带滤波器以及频综模块，两路GNSS接收信道31共用一个频综模块。GNSS信号经射频带通滤波，一级放大，二级放大后进入混频器并对信道增益进行调整，混频后的信号送给通道处理。GNSS接收信道31采用一次变频方式，输入射频信号范围-75dBm～－105dBm，输入阻抗50Ω，输出中频信号46MHz，输出中频信号幅度0dBm。
如图5所示，每路通信接收信道32包括带通滤波器、放大器、混频器、频率综合器，采用一次变频方式，输入射频信号范围-55dBm～－105dBm，输入阻抗50Ω，输出中频信号12.24MHz，输出中频信号幅度2dBm～4dBm。
如图6所示，每路通信发射信道33包括滤波器、正交调制器、衰减器，从基带处理单元4来的两路I/Q正交信号分别经过低通滤波器进入上变频器，与频率综合器输出的本振信号混频到发射频率，经电调衰减器后后输出至功率放大器，发射信道输入信号电平为LVTTL，发射信号功率0dBm，载波抑制大于30dBc。
如图7所示，基带处理单元4包括A/D、D/A、FPGA、DSP、MEMS、FLASH、看门狗电路、时钟电路、电源转换电路。从射频信道单元3来的GNSS中频信号经A/D转换后，在FPGA内实现捕获、跟踪、解调、原始观测量提取；通信中频信号经A/D转换后，在FPGA内实现接收数字波束处理以及捕获、跟踪、解调、原始观测量提取。DSP内实现GNSS导航信息处理、低轨卫星通信信息处理、位置与姿态解算，与接口模块进行信息交互，生成低轨卫星发射通信帧，经FPGA内部发射信号调制和数字波束处理后，发送给射频信道单元3。FLASH用以存储程序代码和工作参数，看门狗电路防止终端死机，MEMS提供三维加速度和三维角速度测量结果，时钟电路提供各芯片所需时钟信号，DC/DC提供各芯片所需直流电压。基带处理单元4接收灵敏度为-157.6dBW，接收误码率不大于10-5，首次定位时间不大于50s，失锁重捕时间不大于2s，伪距测量精度不大于5ns，通信传输数据率不小于2.4Kbps，单点定位精度不大于5m，测姿精度航向角不大于0.25°、俯仰角不大于0.5°、滚转角不大于0.5°。
如图8所示，接口单元5包括232电平转换电路、1PPS输入/输出电路、网络接口转换电路、语音转换电路，分别实现串口、秒脉冲、网络、语音的信号转换。接口单元5的1PPS输入/输出接口为422电平形式，网络接口芯片内部集成有10/100Mbps以太网控制器，语音转换电路实现2kbps语音压缩率。
如图9所示，电源单元6包括输入滤波电路、电源转换电路、输出滤波电路，完成输入电压滤波，将输入电压变换为各单元工作电压，并对输出电源进行滤波。电源单元6输出电压为12V、5V，输出最大功率85W。
实施例1-2的使用方法为：
(1)定位、测姿功能
低轨星座相控阵通信导航融合应用终端接收处理GNSS导航信号，融合测量的终端三维加速度和三维角速度信息，实时解算终端位置与姿态信息，并为数字相控阵处理提供通信卫星的俯仰角和方位角信息。
(2)通信
低轨星座相控阵通信导航融合应用终端采用数字相控阵波束合成技术接收两颗低轨卫星通信信息，采用数字相控阵加权调制技术向低轨卫星发送通信信息，完成低轨卫星双向通信功能。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种低轨星座相控阵通信导航融合应用终端，其特征在于：包括依次电连接的阵列天线单元(1)、放大器单元(2)、射频信道单元(3)、基带处理单元(4)、接口单元(5)和与所述放大器单元(2)、所述射频信道单元(3)、所述基带处理单元(4)、所述接口单元(5)均电连接的电源单元(6)，所述基带处理单元(4)用于将GNSS导航信号、融合应用终端位置信息、融合应用终端姿态信息、波束指向的俯仰角、波束指向的方位角、天线阵元相对位置和波束形成的相位零值计算得到所述阵列天线单元(1)的移相值进行导航增强；
所述阵列天线单元(1)包括GNSS天线(11)和阵列排布的通信天线(12)，所述GNSS天线(11)用于接收GNSS导航信号，所述通信天线(12)用于接收和发射低轨卫星的通信信号；
所述放大器单元(2)包括与所述GNSS天线(11)电连接的GNSS放大单元(21)和与所述通信天线(12)电连接的通信信号放大单元(22)，所述GNSS放大单元(21)用于将所述GNSS导航信号进行放大、滤波，所述通信信号放大单元(22)用于将所述通信信号进行放大、滤波；
所述射频信道单元(3)包括与所述GNSS放大单元(21)电连接的GNSS接收信道(31)和与所述通信信号放大单元(22)均电连接的通信接收信道(32)、通信发射信道(33)，所述GNSS接收信道(31)用于将所述GNSS导航信号进行下变频、滤波和放大后得到GNSS导航模拟中频信号，所述通信信号放大单元(22)用于将所述通信信号进行下变频、滤波和放大后得到通信模拟中频信号，所述通信发射信道(33)用于接收所述基带处理单元(4)输出的数字中频信号进行上变频和滤波后输出至所述通信信号放大单元(22)；
所述基带处理单元(4)包括依次电连接的导航信号处理模块(41)、组合测姿模块(42)、主控模块(43)，与所述主控模块(43)均电连接的通信信号处理模块(44)、通信协议处理模块(45)、存储模块(46)和与所述组合测姿模块(42)电连接的惯导模块(47)；所述通信信号处理模块(44)和所述组合测姿模块(42)、所述通信协议处理模块(45)均电连接，所述导航信号处理模块(41)与所述GNSS接收信道(31)的输出端电连接，所述通信信号处理模块(44)与所述通信接收信道(32)、所述通信发射信道(33)均电连接，所述通信协议处理模块(45)与所述接口单元(5)电连接；
所述导航信号处理模块(41)用于接收所述GNSS导航模拟中频信号进行GNSS卫星信号的捕获、跟踪、解调、原始观测量提取并向所述组合测姿模块(42)和所述主控模块(43)输出导航电文、GNSS卫星信号原始观测量、工作状态；所述惯导模块(47)用于向所述组合测姿模块(42)输出融合应用终端的加速度测量值和角速度测量值；所述组合测姿模块(42)用于接收所述GNSS卫星信号原始观测量、所述加速度测量值和所述角速度测量值并持续计算所述融合应用终端的位置信息、姿态信息输出至所述主控模块(43)；所述通信信号处理模块(44)用于在所述主控模块(43)的控制下接收所述位置信息、所述姿态信息和所述通信模拟中频信号计算得到低轨卫星的波束指向俯仰角波束指向方位角θ并得到移相值φp，所述通信信号处理模块(44)用于进行所述通信模拟中频信号的捕获、跟踪、译码并提取低轨卫星原始观测量形成通信电文并将所述低轨卫星原始观测量、所述通信电文输出至所述通信协议处理模块(45)，所述通信信号处理模块(44)用于将所述低轨卫星原始观测量发送至所述组合测姿模块(42)进行导航增强；所述通信协议处理模块(45)用于在所述主控模块(43)的控制下接收所述通信信号处理模块(44)输出的所述通信电文、所述原始观测量按照通信协议解析后发送给接口单元(5)，所述通信协议处理模块(45)用于接收所述接口单元(5)的输出信息按照协议进行组帧后发送给所述通信信号处理模块(44)，所述通信信号处理模块(44)用于在所述主控模块(43)的控制下接收所述通信协议处理模块(45)的输出信息进行电文编码、调制，形成所述数字中频信号发送给所述通信发射信道(33)；所述存储模块(46)用于进行终端程序代码和工作参数存储；
所述接口单元(5)用于接收来自用户的数据并按照协议进行组帧后输出至所述通信信号处理模块(44)。
2.根据权利要求1所述的一种低轨星座相控阵通信导航融合应用终端，其特征在于：所述移相值φp为：
其中，λ为通信信号波长；为波束指向的俯仰角；为波束指向的方位角；x为通信天线阵元坐标位置的横坐标；y为通信天线阵元坐标位置的纵坐标；φ0为波束形成的相位零值。
3.根据权利要求1所述的一种低轨星座相控阵通信导航融合应用终端，其特征在于：所述接口单元(5)包括均与所述基带处理单元(4)电连接的音频模块(51)、串口模块(52)、网络模块(53)和脉冲模块(54)；
所述音频模块(51)用于接收来自所述通信协议处理模块(45)的话音数据，通过语音处理芯片输出模拟音频信号至外部扬声器，同时接收来自外部麦克风的模拟音频信号并转换为话音数字信号输出至所述通信协议处理模块(45)；
所述串口模块用于接收所述组合测姿模块(42)、所述主控模块(43)和所述通信协议处理模块(45)输出的测量信息和工作状态并进行电平转换后输出至外部设备，所述串口模块用于接收外部设备的控制指令和参数信息并输出至所述组合测姿模块(42)、所述主控模块(43)和所述通信协议处理模块(45)；
所述网络模块用于接收所述组合测姿模块(42)、所述主控模块(43)和所述通信协议处理模块(45)输出的测量信息和工作状态并进行网络协议转换后输出至外部网络设备，所述网络模块用于接收外部网络设备的控制指令和参数信息并输出至所述组合测姿模块(42)、所述主控模块(43)和所述通信协议处理模块(45)；
所述脉冲模块用于接收所述导航信号处理模块(41)输出的秒脉冲信号并经电平转换后输出至外部设备。
4.根据权利要求1所述的一种低轨星座相控阵通信导航融合应用终端，其特征在于：所述电源单元(6)包括输入滤波模块(61)、电源变换模块(62)和输出滤波模块(63)，所述输入滤波模块(61)用于进行输入电压滤波，所述电源变换模块(62)用于将输入电压变换为输出电压，所述输出电压为工作电压，所述输出滤波模块(63)用于进行输出电压滤波。
5.根据权利要求1所述的一种低轨星座相控阵通信导航融合应用终端，其特征在于：所述GNSS天线(11)、所述GNSS放大单元(21)和所述GNSS接收信道(31)的数量均为2个。
6.根据权利要求5所述的一种低轨星座相控阵通信导航融合应用终端，其特征在于：所述通信天线(12)、所述通信信号放大单元(22)、所述通信接收信道(32)和所述通信发射信道(33)的数量均为20个；
所述通信天线(12)呈圆环形式均匀排列，两个所述GNSS天线(11)对称设置在所述圆环的内侧；
所述通信信号处理模块(44)用于进行20路通信信号的加权合成。
7.根据权利要求1所述的一种低轨星座相控阵通信导航融合应用终端，其特征在于：所述GNSS放大单元(21)包括电连接的滤波器和低噪声放大器，所述通信信号放大单元(22)包括电连接的滤波器、低噪声放大器和功率放大器。
8.根据权利要求1所述的一种低轨星座相控阵通信导航融合应用终端，其特征在于：所述惯导模块(47)为六自由度传感器，所述加速度测量值为三轴加速度测量值，所述角速度测量值为三轴陀螺角速度值。
9.根据权利要求1所述的一种低轨星座相控阵通信导航融合应用终端，其特征在于：所述接口单元(5)接收和输出的信息包括：话音、短信息和数据。
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