CN206235736U - 一种实时提供精确转发位置的卫星信号转发装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于全球导航卫星系统的技术领域，具体涉及一种实时提供精确转发位置的卫星信号转发装置；解决的技术问题为：提供一种能够实时提供精确的转发位置的星信号转发装置；采用的技术方案为：包括：信号接收天线、信号转发器和信号发射天线，信号接收天线包括：移动接收天线和固定接收天线，信号转发器包括：MCU主控模块、信号接收模块、信号预处理模块、信号处理转发模块和显示模块；本实用新型适用于全球导航卫星系统领域。

Description

一种实时提供精确转发位置的卫星信号转发装置

技术领域

本实用新型属于全球导航卫星系统的技术领域，具体涉及一种实时提供精确转发位置的卫星信号转发装置。

背景技术

全球卫星导航系统(GNSS)是一种空基无线电导航定位系统，能够在地球表面或近地空间的用户提供精确的三维坐标定位、测速、授时等服务。全球卫星导航系统(GNSS)主要由分布在天空中的GNSS卫星和地面的GNSS接收机组成，GNSS卫星不断发射导航电文(GNSS信号)，GNSS接收机接收导航电文(GNSS信号)进行解算获得时间、位置坐标等信息。美国的GPS卫星导航系统(Global Positioning System)、俄罗斯的格洛纳斯(GLONASS)卫星导航系统、中国的北斗(BD)卫星导航系统和欧盟的伽利略(GALILEO)卫星导航系统为当今世界的四大全球卫星导航系统。

卫星导航信号转发装置是一种可以跟踪锁定GNSS信号并能将GNSS信号转发到无法接收GNSS信号或GNSS信号较弱的地方的通信装置，以确保GNSS接收机在没有GNSS信号或GNSS信号较弱的地方也能收到GNSS信号，用于调试、科研等等。

图1为传统的卫星信号转发装置的结构示意图，如图1所示，其主要由接收天线、信号转发器和发射天线三部分组成，接收天线接收GNSS信号，信号转发器对GNSS信号进行滤波、放大等处理，发射天线发射GNSS信号。一般卫星导航信号转发装置工作时，接收天线安装在GNSS信号好的地方，例如室外开阔地，发射天线安装在无法接收GNSS信号或者GNSS信号弱的地方，例如调试厂房内。GNSS接收机通过接收卫星导航信号转发装置发射的GNSS信号，如同将GNSS接收机放置在卫星导航信号转发装置接收天线所处的位置接收GNSS信号。GNSS接收机解算该GNSS信号获得的位置坐标为卫星导航信号转发装置接收天线的位置坐标，此坐标称为卫星导航信号转发装置的转发位置坐标。

图2为传统的信号转发器的结构示意图，如图2所示，其主要由前置滤波器、放大器、后置滤波器和数控衰减器组成。前置滤波器主要是对接收天线接收到的GNSS信号再一次进行滤波处理，将带外的噪声再一次进行抑制，确保后面的放大器对有用的频率进行针对性的放大。放大器主要是起到对GNSS信号的放大处理，一般为宽带放大器。后置滤波器主要是对经过放大器后的整体放大的GNSS信号进行再一次的选频处理。数控衰减器主要是根据实际使用场景对不同增益的要求，对GNSS信号进行衰减。

卫星信号转发装置在应用时，往往不仅要给GNSS接收机提供GNSS信号，还要提供精确的转发位置坐标，使用所提供的转发位置坐标与GNSS接收机定位解算获得的位置坐标比较来调试、测试GNSS接收机功能性能等。传统的卫星信号转发装置无法提供转发位置坐标，现有的解决方案主要有以下两种：一、使用卫星信号转发装置时，将其接收天线架设在大地标准点(已知位置坐标的点，一般由国家测绘部门或其指定的单位建设并提供位置坐标)，这样卫星信号转发装置的转发位置坐标为大地标准点的位置坐标，可以使用大地标准点的位置坐标与GNSS接收机接收卫星信号转发装置转发的GNSS信号定位解算获得的位置坐标比较来调试、测试GNSS接收机功能性能等；二、在信号转发器中加入功分器，将接收天线接收的GNSS信号分成两路，一路GNSS信号通过GNSS接收机解算出位置坐标并通过MCU模块在显示模块中显示位置坐标，另一路GNSS信号进行滤波、放大然后转发，此种改造后的卫星导航信号转发装置结构示意图如图3所示。中国实用新型专利ZL201220526529.3就是基于这种原理提出了一种可显示转发位置坐标的GPS信号转发器。

现有方案一可以提供精确的转发位置坐标，但是转发位置只能固定在大地标准点上，当卫星信号转发装置的接收天线移动时就无法实时提供精确的转发位置坐标；现有方案二所述的卫星信号转发装置，当其接收天线移动时可以实时提供转发位置坐标，但是由于卫星信号转发装置中的GNSS接收机采用单点定位方式获得转发位置坐标，无法保证转发位置坐标的精度，只能提供米级精度的转发位置坐标。

实用新型内容

本实用新型克服现有技术存在的不足，所要解决的技术问题为：提供一种能够实时提供精确的转发位置的星信号转发装置。

为了解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案为：一种实时提供精确转发位置的卫星信号转发装置，包括：信号接收天线、信号转发器和信号发射天线，所述信号接收天线包括：移动接收天线和固定接收天线，所述信号转发器包括：MCU主控模块、信号接收模块、信号预处理模块、信号处理转发模块和显示模块，所述移动接收天线与所述信号预处理模块的输入端电气连接，所述信号预处理模块的输出端、所述固定接收天线分别与所述信号接收模块的输入端电气连接，所述信号接收模块与所述MCU主控模块双向连接，所述MCU主控模块的输出端分别与所述信号处理转发模块的输入端、所述显示模块的输入端电气连接，所述信号处理转发模块的输入端与所述信号预处理模块的输出端电气连接，所述信号处理转发模块的输出端与所述信号发射天线电气连接。

优选地，所述信号接收模块包括：可工作于RTK流动站模式的第一GNSS接收模块和可工作于RTK基准站模式的第二GNSS接收模块，所述第一GNSS接收模块的输入端与所述信号预处理模块的输出端电气连接，所述第二GNSS接收模块的输入端与所述固定接收天线电气连接，所述第二GNSS接收模块的输出端与所述第一GNSS接收模块的输入端电气连接，所述MCU主控模块与所述第一GNSS接收模块双向连接，所述MCU主控模块的输出端与所述第二GNSS接收模块的输入端电气连接。

优选地，所述信号预处理模块包括：前置滤波器和功分器，所述前置滤波器的输入端与所述移动接收天线电气连接，所述前置滤波器的输出端与所述功分器的输入端电气连接，所述功分器的第一输出端与所述信号处理转发模块的输入端电气连接，所述功分器的第二输出端与所述第一GNSS接收模块的输入端电气连接。

优选地，所述信号处理转发模块包括：有源放大器、后置滤波器和程控衰减器，所述有源放大器的输入端与所述信号预处理模块的输出端电气连接，所述有源放大器的输出端与所述后置滤波器的输入端电气连接，所述后置滤波器的输出端与所述程控衰减器的输入端电气连接，所述程控衰减器的输出端与所述信号发射天线电气连接。

优选地，所述信号转发器还包括：输入模块，所述输入模块的输出端与所述MCU主控模块的输入端电气连接。

优选地，所述输入模块包括：键盘输入模块和接口输入模块。

优选地，所述信号转发器还包括：电源模块，所述电源模块为整个信号转发器供电。

优选地，所述显示模块包括：屏幕显示模块和接口输出模块。

本实用新型与现有技术相比具有以下有益效果：本实用新型包括移动接收天线、固定接收天线、信号接收模块、信号预处理模块、MCU主控模块、信号处理转发模块、发射天线和显示模块；工作时，固定接收天线固定安装，移动接收天线自由安装，固定接收天线接收GNSS信号后发送给信号接收模块，移动接收天线接收GNSS信号后发送给信号接收模块，信号接收模块根据固定接收天线发送的GNSS信号，解算出实时载波相位差分数据，并根据该差分数据和移动接收天线发送的GNSS信号进行实时载波相位差分解算，最后将解算后的精确位置坐标、时间等信息发送给MCU主控模块，MCU主控模块控制显示模块显示转发位置坐标、时间、定位状态等信息。本实用新型通过上述“固定天线+移动天线”的双天线方式设计，一方面将移动接收天线接收的GNSS信号进行转发，另一方面将固定接收天线接收的GNSS信号处理为差分数据后，联合移动接收天线接收的GNSS信号，进行实时载波相位差分解算，使得整个卫星信号转发装置在移动接收天线移动时可实时提供精确的转发位置坐标，所提供的转位置坐标精度为厘米级。

附图说明

下面结合附图对本实用新型做进一步详细的说明。

图1为传统的卫星信号转发装置的结构示意图；

图2为传统的信号转发器的结构示意图；

图3为改造后的卫星信号转发装置的结构示意图；

图4为本实用新型实施例一提供的一种实时提供精确转发位置的卫星信号转发装置的结构示意图；

图5为本实用新型实施例二提供的一种实时提供精确转发位置的卫星信号转发装置的结构示意图；

图6为本实用新型实施例二提供的一种实时提供精确转发位置的卫星信号转发装置中MCU主控模块的主要部分电路原理图；

图7为本实用新型实施例二提供的一种实时提供精确转发位置的卫星信号转发装置中信号接收模块的主要部分电路原理图；

图8为本实用新型实施例二提供的一种实时提供精确转发位置的卫星信号转发装置中显示模块的屏幕显示模块的主要部分电路原理图；

图中：10为信号接收天线，20为信号转发器，30为信号发射天线，101为移动接收天线，102为固定接收天线，201为MCU主控模块，202为信号接收模块，203为信号预处理模块，204为信号处理转发模块，205为显示模块，206为输入模块，207为电源模块，2021为第一GNSS接收模块，2022为第二GNSS接收模块，2031为前置滤波器，2032为功分器，2041为有源放大器，2042为后置滤波器，2043为程控衰减器，2051为屏幕显示模块，2052为接口输出模块，2061为键盘输入模块，2062为接口输入模块。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

图4为本实用新型实施例一提供的一种实时提供精确转发位置的卫星信号转发装置的结构示意图，如图4所示，一种实时提供精确转发位置的卫星信号转发装置，包括：信号接收天线10、信号转发器20和信号发射天线30，所述信号接收天线10包括：移动接收天线101和固定接收天线102，所述信号转发器20包括：MCU主控模块201、信号接收模块202、信号预处理模块203、信号处理转发模块204和显示模块205，所述移动接收天线101与所述信号预处理模块203的输入端电气连接，所述信号预处理模块203的输出端、所述固定接收天线102分别与所述信号接收模块202的输入端电气连接，所述信号接收模块202与所述MCU主控模块201双向连接，所述MCU主控模块201的输出端分别与所述信号处理转发模块204的输入端、所述显示模块205的输入端电气连接，所述信号处理转发模块204的输入端与所述信号预处理模块203的输出端电气连接，所述信号处理转发模块204的输出端与所述信号发射天线30电气连接。

具体地，所述信号接收模块202可包括：可工作于RTK流动站模式的第一GNSS接收模块2021和可工作于RTK基准站模式的第二GNSS接收模块2022，所述信号预处理模块203可包括：前置滤波器2031和功分器2032，所述信号处理转发模块204可包括：有源放大器2041、后置滤波器2042和程控衰减器2043，所述显示模块205可包括：屏幕显示模块2051和接口输出模块2052，所述信号转发器20还可包括：输入模块206，所述输入模块206可包括：键盘输入模块2061和接口输入模块2062，所述信号转发器20还包括：电源模块207。

图5为本实用新型实施例二提供的一种实时提供精确转发位置的卫星信号转发装置的结构示意图，如图5所示，所述第一GNSS接收模块2021的输入端与所述信号预处理模块203的输出端电气连接，所述第二GNSS接收模块2022的输入端与所述固定接收天线102电气连接，所述第二GNSS接收模块2022的输出端与所述第一GNSS接收模块2021的输入端电气连接，所述MCU主控模块201与所述第一GNSS接收模块2021双向连接，所述MCU主控模块201的输出端与所述第二GNSS接收模块2022的输入端电气连接。

所述前置滤波器2031的输入端与所述移动接收天线101电气连接，所述前置滤波器2031的输出端与所述功分器2032的输入端电气连接，所述功分器2032的第一输出端与所述信号处理转发模块204的输入端电气连接，所述功分器2032的第二输出端与所述第一GNSS接收模块2021的输入端电气连接。

所述有源放大器2041的输入端与所述信号预处理模块203的输出端电气连接，所述有源放大器2041的输出端与所述后置滤波器2042的输入端电气连接，所述后置滤波器2042的输出端与所述程控衰减器2043的输入端电气连接，所述程控衰减器2043的输出端与所述信号发射天线30电气连接。

所述输入模块206的输出端与所述MCU主控模块201的输入端电气连接。

所述电源模块207为整个信号转发器20供电。

工作时，固定接收天线102需固定安装，移动接收天线101可自由安装，在使用的过程中可自由移动。本卫星信号转发装置上电后，MCU主控模块201对第一GNSS接收模块2021和第二GNSS接收模块2022进行配置，使第一GNSS接收模块2021工作在RTK流动站模式、第二GNSS接收模块2022工作在RTK基准站模式，配置后第一GNSS接收模块2021为RTK基准站，第二GNSS接收模块2022为RTK流动站。第二GNSS接收模块2022接收固定接收天线102发送的GNSS定位信号后，解算出实时载波相位差分数据，并将该差分数据发送给第一GNSS接收模块2021，第一GNSS接收模块2021根据移动接收天线101接收的GNSS信号和第二GNSS接收模块2022发送的实时载波相位差分信号，进行实时载波相位差分解算，可以解算出移动接收天线101的精度可达到厘米级的精确位置坐标，并将解算后的精确位置坐标、时间等信息发送给MCU主控模块201，MCU主控模块201控制显示模块205显示转发位置坐标、时间、定位状态等信息，此外，可通过输入模块206实现数据信息输入至MCU主控模块201。

在上述过程中，移动接收天线101接收GNSS信号后，通过前置滤波器2031滤除杂波、将带外的噪声再一次进行抑制，再通过功分器2032将GNSS信号分为两路，分别用于转发和解算。用于解算的GNSS信号直接送给第一GNSS接收模块2021，用于转发的GNSS信号经过有源放大器2041进行放大处理、后置滤波器2042进行再一次选频处理后，传送给程控衰减器2043，程控衰减器2043在MCU主控模块201的控制下对GNSS信号进行衰减，根据实际使用场景对不同增益的要求不同控制GNSS信号强度的大小，最后通过信号发射天线30发射出去。

具体地，所述移动接收天线101和固定接收天线102可采用AT300型GNSS全频接收天线。

具体地，所述前置滤波器2031可为有源带通滤波器。

更具体地，所述前置滤波器2031和后置滤波器2042均可为GNSS全频的带通滤波器。

具体地，所述功分器2032的供电输出端与有源放大器2041电气连接，非供电输出端与第一GNSS接收模块2021电气连接。

具体地，所述有源放大器2041可为GNSS全频宽带放大器，放大倍数为30dB。

具体地，所述程控衰减器的工作频率可为0-2GHz，调节范围可为0至30dB，衰减步进可为0.5dB，且具有串口，可通过串口命令调节衰减量。MCU主控模块201根据输入模块206的输入数字发送串口命令给程控衰减器2043来调节衰减量。

具体地，所述第一GNSS接收模块2021和所述第二GNSS接收模块2022可通过串口连接。

具体地，所述接口输入模块2062中的接口、所述接口输出模块2052中的接口均可为RS232、RS422、RS485、USB等。

具体地，所述屏幕显示模块2051中的屏幕可为LCD、LED等。

图6为本实用新型实施例二提供的一种实时提供精确转发位置的卫星信号转发装置中MCU主控模块的主要部分电路原理图，图7为本实用新型实施例二提供的一种实时提供精确转发位置的卫星信号转发装置中信号接收模块的主要部分电路原理图，图8为本实用新型实施例二提供的一种实时提供精确转发位置的卫星信号转发装置中显示模块的屏幕显示模块的主要部分电路原理图；如图6、图7、图8所示，MCU主控模块201可采用STM32F103RET6作为主控芯片，使用+3.3V供电，外接8M晶振，工作频率72MHz；第一GNSS接收模块2021和第二GNSS接收模块2022可采用某导航的K508型的支持GPS、北斗和格洛纳斯三系统共八个频点的接收板卡；显示模块205可包括RS232串口和256x64点阵型的OLED显示屏，对于输入模块206来说，其接口输入模块2062可与显示模块205的接口输出模块2052共用一个RS232串口来实现。

本实施例中，MCU主控模块201通过3个串口与第一GNSS接收模块2021、第二GNSS接收模块2022相连，通过1个串口和一个SPI接口与输入模块206、显示模块205相连，具体连接关系如下：

MCU主控模块201的串口USART1作为输入输出接口，USART1_TX为输出接口连接显示模块205的RS232接口，可向外输出GNSS信号强度、转发位置坐标、时间、定位状态信息。USART1_RX为输入接口连接输入模块206的RS232接口，接收GNSS信号强度设置命令。MCU主控模块201的SPI接口(PB15、PB14、PB13、PB12、PB11)与显示模块205的OLED显示屏相连，用于控制OLED显示屏显示GNSS信号强度、转发位置坐标、时间、定位状态等信息。

MCU主控模块201的串口USART2连接第二GNSS接收模块2022的串口COM2，用于配置第二GNSS接收模块2022的工作模式，MCU主控模块201的串口USART5连接第一GNSS接收模块2021的串口COM2，用于配置第一GNSS接收模块2021的工作模式，MCU主控模块201的串口USART4连接第一GNSS接收模块2021的串口COM1，用于接收第一GNSS接收模块2021解算输出的转发位置坐标、时间、定位状态等信息。

第二GNSS接收模块2022的串口COM3的COM3_TX与第一GNSS接收模块2021的串口COM3的COM3_RX相连，用于第二GNSS接收模块2022向第一GNSS接收模块2021发送实时载波相位差分数据。

本案中的卫星信号转发装置将RTK技术引入传统卫星导航信号转发器，通过“固定天线+移动天线”的双天线方式设计，将移动接收天线101接收的GNSS信号进行转发，并通过与固定接收天线102接收GNSS信号进行实时载波相位差分解算，在移动接收天线101移动时可实时提供精确的转发位置坐标，所提供的转位置坐标精度为厘米级。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的范围。

Claims (8)

1.一种实时提供精确转发位置的卫星信号转发装置，包括：信号接收天线(10)、信号转发器(20)和信号发射天线(30)，其特征在于：所述信号接收天线(10)包括：移动接收天线(101)和固定接收天线(102)，所述信号转发器(20)包括：MCU主控模块(201)、信号接收模块(202)、信号预处理模块(203)、信号处理转发模块(204)和显示模块(205)，所述移动接收天线(101)与所述信号预处理模块(203)的输入端电气连接，所述信号预处理模块(203)的输出端、所述固定接收天线(102)分别与所述信号接收模块(202)的输入端电气连接，所述信号接收模块(202)与所述MCU主控模块(201)双向连接，所述MCU主控模块(201)的输出端分别与所述信号处理转发模块(204)的输入端、所述显示模块(205)的输入端电气连接，所述信号处理转发模块(204)的输入端与所述信号预处理模块(203)的输出端电气连接，所述信号处理转发模块(204)的输出端与所述信号发射天线(30)电气连接。

2.根据权利要求1所述的一种实时提供精确转发位置的卫星信号转发装置，其特征在于：所述信号接收模块(202)包括：可工作于RTK流动站模式的第一GNSS接收模块(2021)和可工作于RTK基准站模式的第二GNSS接收模块(2022)，所述第一GNSS接收模块(2021)的输入端与所述信号预处理模块(203)的输出端电气连接，所述第二GNSS接收模块(2022)的输入端与所述固定接收天线(102)电气连接，所述第二GNSS接收模块(2022)的输出端与所述第一GNSS接收模块(2021)的输入端电气连接，所述MCU主控模块(201)与所述第一GNSS接收模块(2021)双向连接，所述MCU主控模块(201)的输出端与所述第二GNSS接收模块(2022)的输入端电气连接。

3.根据权利要求2所述的一种实时提供精确转发位置的卫星信号转发装置，其特征在于：所述信号预处理模块(203)包括：前置滤波器(2031)和功分器(2032)，所述前置滤波器(2031)的输入端与所述移动接收天线(101)电气连接，所述前置滤波器(2031)的输出端与所述功分器(2032)的输入端电气连接，所述功分器(2032)的第一输出端与所述信号处理转发模块(204)的输入端电气连接，所述功分器(2032)的第二输出端与所述第一GNSS接收模块(2021)的输入端电气连接。

4.根据权利要求1所述的一种实时提供精确转发位置的卫星信号转发装置，其特征在于：所述信号处理转发模块(204)包括：有源放大器(2041)、后置滤波器(2042)和程控衰减器(2043)，所述有源放大器(2041)的输入端与所述信号预处理模块(203)的输出端电气连接，所述有源放大器(2041)的输出端与所述后置滤波器(2042)的输入端电气连接，所述后置滤波器(2042)的输出端与所述程控衰减器(2043)的输入端电气连接，所述程控衰减器(2043)的输出端与所述信号发射天线(30)电气连接。

5.根据权利要求1所述的一种实时提供精确转发位置的卫星信号转发装置，其特征在于：所述信号转发器(20)还包括：输入模块(206)，所述输入模块(206)的输出端与所述MCU主控模块(201)的输入端电气连接。

6.根据权利要求5所述的一种实时提供精确转发位置的卫星信号转发装置，其特征在于：所述输入模块(206)包括：键盘输入模块(2061)和接口输入模块(2062)。

7.根据权利要求1所述的一种实时提供精确转发位置的卫星信号转发装置，其特征在于：所述信号转发器(20)还包括：电源模块(207)，所述电源模块(207)为整个信号转发器(20)供电。

8.根据权利要求1所述的一种实时提供精确转发位置的卫星信号转发装置，其特征在于：所述显示模块(205)包括：屏幕显示模块(2051)和接口输出模块(2052)。