CN203191557U - 一种具备容错功能的双冗余卫星导航接收机 - Google Patents

一种具备容错功能的双冗余卫星导航接收机 Download PDF

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Abstract

一种具备容错功能的双冗余卫星导航接收机，包括依次连接的天线分路接收模块、北斗2、GPS最小功能模块、双冗余容错策略控制模块。天线分路接收模块通过功分器、两路低噪放、滤波器将收到的射频信号分为两路接入北斗2、GPS最小功能模块，双冗余容错策略控制模块接收北斗2和GPS最小功能模块的输出，其中双冗余容错策略控制器控制多路选一芯片的选择位，选通较优一路导航定位数据输出至通讯端口，实现双冗余容错自动控制功能。该接收机的优点是利用双冗余功能结构，可在无人干预的情况下依可靠性和安全性策略自主选择一路卫星系统的定位结果输出，且保证实时切换速度。

Description

一种具备容错功能的双冗余卫星导航接收机
技术领域
本实用新型属于卫星导航领域，特别涉及一种具备容错功能的北斗2与GPS双冗余系统的导航接收机。 
背景技术
卫星导航已广泛应用于航空、航天、航海、车载、个人通信等领域的各类载体上，传统的卫星导航设备一般使用美国的GPS技术。GPS系统作为一个最初为美国国防服务的军事系统，完全由美国政府控制。过度依赖单体的GPS系统，某些特殊情况下，将会产生安全隐患。鉴于此，世界各国都在发展自己的卫星导航系统。如俄罗斯的GLONASS系统、欧洲的伽利略系统。我国目前已建成拥有自主知识产权的北斗二代卫星导航系统。前两年的单系统接收机在导航接收机电路故障、卫星系统故障、安全策略上均未作任何考虑，目前也有部分北斗2/GPS双系统兼容接收机，但都需要用户手动配置或者按键切换，本身不具备判决选择可靠的卫星系统完成导航定位的自动控制电路，且执行切换时的启动反应时间较长。 
对于双系统（或双冗余）的导航接收机，具体有以下几种代表性的方案： 
申请号为201020652590.3的专利就公开了一种北斗与GPS双系统兼容接收机，该实用新型北斗与GPS双系统兼容接收机可按照用户要求配置成单GPS接收方式，接收GPS卫星播发的L1频点导航信号，实现定位和测速功能；也可配置成单北斗接收方式，接收北斗卫星播发的B1频点导航信号，实现定位和测速功能;还可以配置成GPS与北斗双系统方式，同时接收GPS与北斗的卫星信号。该方案只是两种系统的选择和组合方式，没有引入双冗余容错热备份结构，无自动判决切换的控制电路，用户切换时的启动反应时间较长。
申请号为201110103268.4、201120396032.X和201120229728.3的专利公开一种双通道导航射频接收机，包含电路连接所述射频前端电路的和射频锁相环电路的镜像低中频输出电路，该镜像低中频输出电路包含两路互为镜像的输出电路。该方案主要设计了一种能接收更多卫星系统信号的射频模块，不是针对整个接收机的双冗余功能的设计。 
申请号为201120295038.8的专利公开了一种双路双系统四频点卫星导航兼容型定位定向接收机，包括两组电路结构完全相同，输出通道增益一致、相位一致的通道模块。该方案设计了一种双冗余的射频模块兼容双系统多频点，没有针对接收机整机系统的双冗余电路设计，无自动判决切换的控制电路。 
申请号为201110121937.0的专利利用一分二功分器提供一种用于导航接收机的双通道射频信号处理模块，能够同时或选择性接收处理全球定位系统(GPS)和北斗导航系统的射频信号。该双通路射频处理模块方案增加了射频工作频段，从接收机前端着眼点提高持续导航能力和安全性，一定程度上避免了单通道故障或卫星系统故障引起的导航接收机失灵，是一种部分冗余方案，但没有设计导航信号处理模块的冗余备份，也无自动控制电路保证及时有效的系统通道切换。 
发明内容
本实用新型的技术任务是针对现有单系统或双系统兼容接收机的不足，提供一种具有自动切换控制电路的北斗2/GPS双冗余导航接收机，该接收机能在无人干预的情况下自主选择较优的系统输出，具备更高的安全可靠性和实时切换速度。 
本实用新型北斗2/GPS双冗余容错接收机,包括：天线分路接收模块1、北斗2、GPS最小功能模块2、3、双冗余容错策略控制模块4，其特征在于，天线分路接收模块1 的两路射频输出对应为北斗2、GPS最小功能模(2、3的输入，北斗2、GPS最小功能模块2、3的两路输出为双冗余容错策略控制模块(4)的并行输入，双冗余容错策略控制模块(4)接收到北斗2、GPS最小功能模块2、3的输出进行数据处理与分析，形成判决策略用来选通相应一路导航定位数据经通讯端口43输出至上位机。 
所述天线分路接收模块1，其特征在于，有源天线接收到的信号通过连接器 (J11)引入功分器(12,U18)的引脚IN/SUM，功分器的引脚Port2通过电感L18与低噪放(13,U13)的引脚RF_IN相连，功分器的引脚 1通过电感L21与低噪放(14,U15)的引脚RF_IN相连，两路低噪放(13,U13; 14,U15)的引脚RF_OUT分别与滤波器B1(15,U17)、滤波器L1(16,U16)的引脚RF_IN相连，滤波器B1(15,U17)、滤波器L1(16,U16)的引脚RF_OUT分别与连接器J12、J13相连，分别作为北斗2、GPS最小功能模块(2,U5;3,U4)的输入。 
所述北斗2、GPS最小功能模块(2,U5;3,U4)，其特征在于，两模块均由射频处理芯片、国产化基带处理芯片与ARM处理器封装组成，北斗2、GPS最小功能模块(2,U5;3,U4)的输入分别由连接器J12、J13引入，北斗2、GPS最小功能模块(2,U5;3,U4)的引脚TXD0并行输出，作为双冗余容错策略控制模块(4)的输入。 
所述双冗余容错策略控制模块(4)，其特征在于，双冗余容错策略控制芯片(41,U10)的引脚P1.1、引脚P0.1分别与北斗2、GPS最小功能模块(2,U5;3,U4)的引脚TXD0相连，多路选一芯片(42,U9)的引脚I1、引脚I0也分别与北斗2、GPS最小功能模块(2,U5;3,U4)的引脚TXD0相连，双冗余容错策略控制芯片(41,U10)的引脚P0.3与多路选一芯片(42,U9)的引脚S0相连，多路选一芯片(42,U9)的引脚Y与通讯端口(串口电平转换芯片)(43,U14)的引脚T1IN相连，通讯端口(串口电平转换芯片)(43,U14)的引脚T1OUT作为输出。 
本实用新型中北斗2/GPS双频天线同时接收到北斗2和GPS的卫星信号，功分器将射频信号分为两路分别进入GPS和北斗2模块进行独立处理，双冗余的两种导航系统模块输入相同，输出数据格式相同，硬件结构一致，只是运行的程序不同，一个执行北斗2基带解码，一个执行GPS基带解码，单片机输出控制模块执行双冗余容错判决策略，控制保证接收机的可靠输出。与一般双系统或双通道接收机相比引入热冗余容错备份的系统结构，系统通道切换灵活，实现实时切换，在无人值守的环境下能按照可靠性和安全性策略自主选择一路卫星系统的导航定位结果输出，也可以在一路卫星系统失效的情况下用另一路卫星系统保持正常工作，利用双冗余的设计思想和电路结构实现较高的可靠性和实时切换速度。 
附图说明
附图1是本实用新型的结构示意框图。 
附图2是本实用新型的天线分路接收模块电路原理图。 
附图3a、图3b是本实用新型的北斗2、GPS最小功能模块电路原理图。 
附图4是本实用新型的双冗余容错策略控制模块电路原理图。 
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型作以下详细说明。 
附图1是本实用新型的结构示意框图。 
描述了本实用新型一种具备自主安全策略的双冗余卫星导航接收机各个部件的连接及交互关系，包括依次相连接的天线分路接收模块、北斗2、GPS最小功能模块（含射频信号处理模块、基带处理模块和PVT解算模块）、双冗余容错策略控制模块。 
天线分路接收模块包括依次相连接的北斗2/GPS双系统有源天线（内含LNA），功分器，之后分两路低噪放、滤波器依次相连（两路滤波器分别适应B1频点、L1频点），两路滤波器分别与对应的北斗2和GPS最小功能模块相连接。 
北斗2、GPS最小功能模块硬件结构相同，分别包括依次相连接的射频处理模块、基带处理模块和PVT解算模块，PVT解算模块的输出与多路选一电路和双冗余容错策略控制器分别相连接。 
双冗余容错策略控制模块接收北斗2和GPS最小功能模块的数据进行分析处理，输出控制信号连接到多路选一电路的选择位，选择一路输出至通讯端口。 
在本实施例中，天线分路接收模块用于接收北斗2的B1频段信号(频率为1561.098MHZ)和GPS的L1波段信号(频率为1575.42MHZ)进行放大滤波，去除噪声及其他干扰和信号，分离出北斗2和GPS信号。 
在本实施例中，天线采用右旋圆极化有源天线，功分后两路滤波器采用表面声波滤波器，具有体积小，损耗低，带外抑制性能好等特点。 
在本实施例中，北斗2、GPS最小功能模块(含两块独立冗余的模块，硬件相同，分别处理北斗2和GPS信号)兼容北斗二代导航系统和GPS系统，接收处理射频信号，进行解调、解码和定位解算，通过串口向主处理器模块输出定位信息。 
在本实施例中，双冗余容错策略控制模块采用双串口单片机为主控芯片，分别接收北斗2和GPS用户数据通过对相关数据的分析、计算和判决，控制多路选一芯片输出一路定位数据，实现双冗余容错控制功能，能一定程度上避免随机干扰、欺骗式干扰或单通道故障，实现高可靠的PVT解算功能。 
在本实施例中，通讯接口为RS232串口，按照NMEA协议输出可靠定位结果至上位机。 
本实用新型的工作过程是：天线分路接收模块(1)将天线接收到的卫星信号经过功分器(12)分为完全均等的两路，分别经过两路低噪放(13、14)后，再分别经过滤波器B1(15)和滤波器L1(16)，通过低噪声信号放大和滤除带外干扰分离出北斗2的B1频点信号和GPS的L1频点信号再分别进入对应的北斗2最小功能模块(2)和GPS最小功能模块(3)，依次经过射频转数字信号处理(21、31)、基带处理(22、32)、PVT解算(23、33)。双冗余容错策略控制模块(4)中，有效数据分两路进入多路选一芯片(42)，具体输出哪一路由双冗余容错策略控制器(41)里的算法来决定，具体由单片机的通用输出口作为控制位配置多路选一芯片的输出至通讯端口(43)，实现双冗余接收机与外部设备的数据交换。 
工作的基本原理与优点是：天线接收到的卫星信号，通过低噪声放大器、混频器和滤波器等射频电路处理后，转化为基带/中频信号交给导航接收机芯片做解码处理。基带/中频信号经过解码处理后交给通用处理器进行定位算法的计算，一般使用的是ARM处理器。单片机输出控制模块接收两路最小功能模块的输出数据，进行分析计算和处理，形成控制信息，执行双冗余容错判决策略，控制保证接收机的可靠输出。与一般双系统或双通道接收机相比引入具备冗余容错功能的热备份电路结构，切换灵活，实现实时切换，在无人值守的环境下能按照可靠性和安全性策略自主选择一路卫星系统的导航定位结果输出，也可以在一路卫星系统失效的情况下切换到另一路卫星系统保持正常工作，利用双冗余的设计思想和电路结构实现较高的可靠性和实时切换速度，双冗余容错策略控制器从可用、可靠、精度3个逐步递增的层次来保证系统的优越性。 
附图2至附图4是本实用新型的电路原理图。 
附图2为天线分路接收模块(1)电路原理图。功分器(12)选用skyworks公司的PD16-73LF，低噪放(13、14)为NXP公司的BGU7005, 增益为16dB，滤波器B1(15)和滤波器L1(16)分别选用TST公司的表面声波滤波器TA0967A和TA1575GG，其插入损耗分别是3.3dB和2.6dB。 
有源天线接收到的信号通过连接器 (J11)引入PD16-73LF (U18)的引脚IN/SUM，PD16-73LF (U18)的引脚Port2通过电感L18与第一个BGU7005 (U13)的引脚RF_IN相连，PD16-73LF (U18)的引脚Port1通过电感L21与第二个BGU7005 (U15)的引脚RF_IN相连，两路BGU7005 (U13、U15)的引脚RF_OUT分别与TA0967A(U17)、TA1575GG(U16)的引脚RF_IN相连，TA0967A (U17)、TA1575GG (U16)的引脚RF_OUT分别与连接器J12、J13相连，分别作为北斗2、GPS最小功能模块(U5、U4)的输入。 
附图3为北斗2、GPS最小功能模块(2、3)电路原理图。两模块均由射频处理芯片、国产化基带处理芯片与ARM处理器封装组成，射频处理芯片为MAXIM公司的MAXIM2769芯片，基带处理采用国产化信号处理芯片，PVT解算采用ARM处理器。 
北斗2、GPS最小功能模块(U5、U4)的输入分别由连接器J12、J13引入，北斗2、GPS最小功能模块(U5、U4)的引脚TXD0并行输出，作为双冗余容错策略控制模块(4)的输入。 
附图4为双冗余容错策略控制模块(4)电路原理图。作为双冗余容错策略控制器(41)的主控芯片为Silicon Labs公司的C8051F020，多路选一芯片(42)为Philips公司的74HC151，作为通讯端口(43)的串口电平转换芯片为MAXIM公司的MAX3232。北斗2、GPS最小功能模块(2、3)输出的数据既作为多路选一芯片(42)的两路输入，也作为双冗余容错策略控制器(41)的两路串口输入，由双冗余容错策略控制器(41)进行数据分析处理，输出一位控制信息至多路选一芯片(42)的选择位。 
C8051F020(U10)的引脚P1.1、引脚P0.1分别与北斗2、GPS最小功能模块(U5、U4)的引脚TXD0相连，74HC151(U9)的引脚I1、引脚I0也分别与北斗2、GPS最小功能模块(U5、U4)的引脚TXD0相连，C8051F020(U10)的引脚P0.3与74HC151(U9)的引脚S0相连，74HC151(U9)的引脚Y与MAX3232(U14)的引脚T1IN相连，MAX3232(U14)的引脚T1OUT作为输出。 
指示灯D3、D4用于指示当前正选通的一路卫星导航系统是北斗2还是GPS。 
以上所提及所有芯片并不局限于所述型号。 
总之，本实用新型的实施例公布的是一种冗余容错的系统结构实施方式，可扩展为多路或者快速更改控制策略，本文参照较佳的具体实施例对本发明进行了说明，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，本领域的普通技术人员完全可以根据上述实施例，领会本实用新型的核心思想，并做出不同的引申和变化，但只要不脱离本实用新型的基本结构和思路，任何应该包括从属权利要求范围之内所有功能的改变、修饰、替代、组合、简化，均为等效的置换方式，都在本实用新型的保护范围之内。 

Claims (4)

1.一种具备容错功能的双冗余卫星导航接收机，包括天线分路接收模块(1)、北斗2、GPS最小功能模块(2、3)、双冗余容错策略控制模块(4)，其特征在于:天线分路接收模块(1) 的两路输出对应为北斗2、GPS最小功能模块(2、3)的输入，北斗2、GPS最小功能模块(2、3)的两路输出为双冗余容错策略控制模块(4)的并行输入。
2.  如权列要求1所述一种具备容错功能的双冗余卫星导航接收机,其特征在于:所述天线分路接收模块(1)，包括:有源天线接收到的信号通过连接器 (J11)引入功分器(12,U18)的引脚IN/SUM，功分器(12,U18)的引脚Port2通过电感L18与低噪放(13,U13)的引脚RF_IN相连，功分器(12,U18)的引脚Port1通过电感L21与低噪放(14,U15)的引脚RF_IN相连，两路低噪放(13,U13; 14,U15)的引脚RF_OUT分别与滤波器B1(15,U17)、滤波器L1(16,U16)的引脚RF_IN相连，滤波器B1(15,U17)、滤波器L1(16,U16)的引脚RF_OUT分别与连接器J12、J13相连，分别作为北斗2、GPS最小功能模块(2,U5;3,U4)的输入。
3.   如权列要求1所述一种具备容错功能的双冗余卫星导航接收机,其特征在于:所述北斗2、GPS最小功能模块(2,U5;3,U4)，包括:两模块均由射频处理芯片、国产化基带处理芯片与ARM处理器封装组成，北斗2、GPS最小功能模块(2,U5;3,U4)的输入分别由连接器（J12、J13）引入，北斗2、GPS最小功能模块(2,U5;3,U4)的引脚TXD0并行输出，作为双冗余容错策略控制模块(4)的输入。
4. 如权列要求1所述一种具备容错功能的双冗余卫星导航接收机,其特征在于:所述双冗余容错策略控制模块(4)，包括:双冗余容错策略控制芯片(41,U10)的引脚P1.1、引脚P0.1分别与北斗2、GPS最小功能模块(2,U5;3,U4)的引脚TXD0相连，多路选一芯片(42,U9)的引脚I1、引脚I0也分别与北斗2、GPS最小功能模块(2,U5;3,U4)的引脚TXD0相连，双冗余容错策略控制芯片(41,U10)的引脚P0.3与多路选一芯片(42,U9)的引脚S0相连，多路选一芯片(42,U9)的引脚Y与通讯端口串口电平转换芯片(43,U14)的引脚T1IN相连，通讯端口串口电平转换芯片(43,U14)的引脚T1OUT作为输出。
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