CN206235737U - Gnss基准站接收机 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种GNSS基准站接收机，它涉及卫星导航系统技术领域。它包括ARM工业控制器、GNSS模块、电源管理模块、以太网接口模块、蓝牙4.0模块、WIFI模块、USB接口模块、RS232通信模块、SDHC存储模块、OLED显示模块和按键控制模块，ARM工业控制器分别与GNSS模块、以太网接口模块、蓝牙4.0模块、WIFI模块、USB接口模块、RS232通信模块连接，ARM工业控制器接至SDHC存储模块、OLED显示模块，电源管理模块、按键控制模块均接至ARM工业控制器。本实用新型功耗低，可靠性高，工作稳定高效，实现网络一体化的多系统、多频率导航数据信息的智能播发服务和管理服务。

Description

GNSS基准站接收机

技术领域

本实用新型涉及的是卫星导航系统技术领域，具体涉及一种GNSS基准站接收机。

背景技术

一直以来，政府大力投入资金和人员建设卫星导航系统，北斗卫星导航系统(BDS)正在不断地蓬勃发展。随着北斗导航系统的相关技术文件的公布，中国北斗导航产业正式进入了卫星导航体系全球化的新阶段。目前，北斗卫星导航系统的海外应用已经取得了重要突破。2013年3月底，泰国和中国通过研究与合作协议，泰国成为中国自主研发的导航系统的首个海外客户；4月份，中国科技部表示，老挝和文莱也签署了类似协议，将初步采用该导航系统；2013年10月30日，BDS首次在外国开始投入使用，北斗产业在东南亚国家的使用取得了初步进展；中国与俄罗斯就卫星导航的协作会晤，打开了北斗走向亚太，乃至世界的大门。在将来的几年里，北斗导航应用对国家安全将产生巨大影响，这也是为了国民生活安全必须做出的选择。

世界各国、联盟卫星数目的不断增加和迅速发展，人们对导航和测量的要求也不断提高。多模观测卫星的组合成为一种研究和应用的主流方向。不同的导航系统和手段在应用方面的性能优缺点不同，不同系统和手段的优劣互补，互相牵制和引导，综合导航性能都要高于任一导航系统，如GPS、GLONASS和BDS以及GPS和INS等。导航环境差、截止高度角大时，卫星可见数目，定位精度下降，多种导航系统合理配合使用，对比与单一系统，在定位精度、抗干扰性、可靠性、可用性、效率等方面都会产生显著优势。

差分GPS技术是一种使用普遍的，有效地降低甚至消除各种GPS测量误差的方法，这种方法能更好地提高定位精度和完好性。差分GPS技术(DGPS)是通过依托另外一个基准站接收机提供的相对改正数据来间接地提高GPS接收机精度的技术。通常情况下，基准站接收机知道自己的位置，根据预先知道的精密坐标，可以准确地计算出基准站到卫星的差分校正量(GPS测量定位误差)，并通过无线电波发射台，由基准站实时地将这一测量误差修正量发送到正在定位的流动站接收机。流动站接收机利用这个接受到得校准误差来调整和改正自身的测量值。流动站不仅要接收来自观测卫星的导航信息，同时也要接收基准站接收机的校正量(改正数据量)，对其定位结果进行比较校对，从而提高流动站的测量和定位精度。一般情况下，这种技术的使用，可以使导航精度提高到一两米(理想情况)。同理，北斗导航定位系统也能够应用这项技术来提高测量和定位精度，利用北斗、兼容GPS接收机应用的先天优势，和建立在差分GPS技术基础上的一种新技术(RTK技术)，能更大程度地改善和提高导航定位的各方面性能。

基于此，设计一种新型的GNSS基准站接收机尤为必要。

实用新型内容

针对现有技术上存在的不足，本实用新型目的是在于提供一种高性能高精度的GNSS基准站接收机，结构设计合理，体积小、功耗低，可靠性高，工作更加稳定高效，实现网络一体化的多系统、多频率导航数据信息的智能播发服务和管理服务。

为了实现上述目的，本实用新型是通过如下的技术方案来实现：GNSS基准站接收机，包括ARM工业控制器、GNSS模块、电源管理模块、以太网接口模块、蓝牙4.0模块、WIFI模块、USB接口模块、RS232通信模块、SDHC存储模块、OLED显示模块和按键控制模块，ARM工业控制器分别与GNSS模块、以太网接口模块、蓝牙4.0模块、WIFI模块、USB接口模块、RS232通信模块连接，ARM工业控制器分别接至SDHC存储模块、OLED显示模块，电源管理模块、按键控制模块均接至ARM工业控制器。

作为优选，所述的ARM工业控制器采用以ARM9为内核的AT91SAM9G25工业级处理器芯片，支持扩展6路串口使其能挂载丰富的外设模块成为可能，ARM工业控制器分别通过扩展的TTL串口与GNSS模块中的GNSS板卡、蓝牙4.0模块和USB接口模块进行电性连接，ARM工业控制器通过USB接口与WIFI模块进行典型连接；所述GNSS板卡采用和芯星通公司的基于成熟的高精度北斗芯片和板卡技术基础开发的UB380三系统八频高进度OEM板卡。

作为优选，所述的电源管理模块包括有电池管理芯片、电源转换芯片、微控制器、锂电池，电池管理芯片外接12V/3A通用电源适配器，电池管理芯片与锂电池连接，电池管理芯片分别接至工业控制器备份电源、微控制器，电池管理芯片通过电源转换芯片与其它外部设备连接，微控制器与电源转换芯片连接；所述的电池管理芯片采用高度集成的独立型锂离子或锂聚合物开关模式电池充电器bq24170芯片，电源转换芯片采用LMZ12002芯片，微控制器采用8位低成本、低功耗单片机STM8S103F3芯片。

作为优选，所述的以太网接口模块包括有以太网PHY芯片，以太网PHY芯片与处理器芯片连接；所述以太网PHY芯片采用PHY芯片DP83848I作为以太网收发器，以太网收发器信号通过以太网变压器HX1188NL和控制带有LED的RJ45接口与网络连接，RJ45接口采用MRJR系列防水连接器MDBE09PE860。

作为优选，所述的蓝牙4.0模块包括蓝牙芯片，蓝牙芯片通过TTL串口与处理器芯片连接，蓝牙芯片分别连接有一个16MHz的外置高频晶振和一个32.768kHz的外置低频晶振，蓝牙芯片与蓝牙BALUN连接，蓝牙BALUN的天线采用π形电路；所述蓝牙芯片采用超低功耗无线应用设计的整合了射频发射电路的蓝牙芯片nRF51822，蓝牙BALUN采用BAL-NFR01D3芯片。

作为优选，所述的WIFI模块采用低功耗WIFI芯片RTL8188CUS，USB接口模块采用USB转RS232芯片FT232RQ，OLED显示模块采用256×64像素的搞性能OLED显示模块SSD1322，通过硬件SPI接口与ARM工业控制器电性连接；按键控制模块采用PC材质的薄膜按键。

本实用新型的有益效果：(1)采用高性能高精度的三系统八频点GNSS板卡，具有体积小、功耗低和可靠性高的特点，整个机身三防处理，能在各种恶劣环境下有效工作。

(2)可同时处理北斗、GPS和GLONASS双频的观测数据，显著改善城市街区、树荫、路牌等困难环境下的RTK初始化速度、测量精度和可靠性。

(3)采用网络一体化设计方法，将无线网络和有线网络智能化管理。

(4)采用Atmel工业级控制器芯片作为其核心处理器，整个系统工作更加稳定，高效。

(5)采用TECR预处理算法，能精确探测出1周的小周跳，并对探测出的周跳进行准确修复，进而减少模糊度参数，提高监测精度和稳定性。

(6)采用更加灵活的先单差后双差的事后处理算法，既能实现多种单差的灵活组合，又能简化卫星升降、参考星变换等一系列控制的复杂度，提高软件的容错能力，更能避免因参考星选取不当导致的部分模糊度无法固定的问题。

(7)采用高度集成的独立型锂离子或锂聚合物开关模式电池充电器，该器件提供了一个恒定频率同步PWM控制器以及高准确度的输入电流、充电电流和电压调节，bq24170可严密监视电池组温度，以仅允许在预先设定的温度范围内进行充电;另外，这款器件还具有电池检测、预查验、充电终止和充电状态监视功能。

(8)采用蓝牙4.0技术，nRF51822的多协议无线能力和专为超低功耗无线应用优化的32位ARM Cortex-M0处理器，为蓝牙低功耗模式带来-92.5dB接收敏感度，为所有模式带来最高达+4dBm的输出功率，让链路预算最多较原先业内领先的一代Nordic芯片提升9.5dBm，并为3V电池带来低于10mA的峰值电流，使电池寿命延续得到极大提升。在开发方面，可以将蓝牙协议变成BIN格式，烧写到芯片里，调用蓝牙协议栈(SoftDevice)中的API可以实现相应的功能，开发更加方便。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式来详细说明本实用新型；

图1为本实用新型的硬件系统框图；

图2为本实用新型的软件系统框架结构图；

图3为本实用新型电源管理模块的结构框图；

图4为本实用新型蓝牙4.0模块的结构框图；

图5为本实用新型以太网接口模块的结构框图。

具体实施方式

为使本实用新型实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本实用新型。

参照图1-5，本具体实施方式采用以下技术方案：GNSS基准站接收机，包括ARM工业控制器1、GNSS模块2、电源管理模块3、以太网接口模块4、蓝牙4.0模块5、WIFI模块6、USB接口模块7、RS232通信模块8、SDHC存储模块9、OLED显示模块10和按键控制模块11，ARM工业控制器1分别与GNSS模块2、以太网接口模块4、蓝牙4.0模块5、WIFI模块6、USB接口模块7、RS232通信模块8连接，ARM工业控制器1分别接至SDHC存储模块9、OLED显示模块10，电源管理模块3、按键控制模块11均接至ARM工业控制器1，其中ARM工业控制器1用于处理GNSS导航数据和与其他外设模块进行连接交互，电源管理模块3用于向各模块提供工作电源,还用于控制整机电源的开关和休眠，以及用于锂电池充电管理，以太网接口模块4用于传输稳定可靠的导航数据和接收机各项参数的设置，蓝牙4.0模块5用于近距离无线传输导航数据。

值得注意的是，所述的ARM工业控制器1采用以ARM9为内核的AT91SAM9G25工业级处理器芯片U1，支持扩展6路串口使其能挂载丰富的外设模块成为可能，ARM工业控制器1分别通过扩展的TTL串口与GNSS模块2中的GNSS板卡、蓝牙4.0模块5和USB接口模块7进行电性连接，ARM工业控制器1通过USB接口与WIFI模块6进行典型连接；所述GNSS板卡采用和芯星通公司的基于成熟的高精度北斗芯片和板卡技术基础开发的UB380三系统八频高进度OEM板卡。

所述的GNSS模块2采用低功耗设计，可实时跟踪北斗 B1/B2/B3、GPS L1/L2/L5和GLONASS L1/L2三系统八频点的导航卫星信号，并且提供优于0.2度的定向精度，毫米级载波相位观测值和RTK定位精度，显著改善城市街区、树荫等困难环境下的RTK初始化速度、测量精度和可靠性；WIFI模块6采用低功耗WIFI芯片RTL8188CUS，USB接口模块7采用USB转RS232芯片FT232RQ，OLED显示模块10采用256×64像素的搞性能OLED显示模块SSD1322，通过硬件SPI接口与ARM工业控制器1电性连接；按键控制模块11采用PC材质的薄膜按键。

值得注意的是，所述的电源管理模块3包括有电池管理芯片U2、电源转换芯片U3、微控制器U4、锂电池12，电池管理芯片U2外接12V/3A通用电源适配器，电池管理芯片U2与锂电池12连接，电池管理芯片U2分别接至工业控制器备份电源13、微控制器U4，电池管理芯片U2通过电源转换芯片U3与其它外部设备连接，微控制器U4与电源转换芯片U3连接；所述的电池管理芯片U2采用高度集成的独立型锂离子或锂聚合物开关模式电池充电器bq24170芯片，电源转换芯片U3采用LMZ12002芯片，微控制器U4采用8位低成本、低功耗单片机STM8S103F3芯片。

值得注意的是，所述的以太网接口模块4包括有以太网PHY芯片U5，以太网PHY芯片U5与处理器芯片U1连接；所述以太网PHY芯片U5采用PHY芯片DP83848I作为以太网收发器，以太网收发器信号通过以太网变压器HX1188NL和控制带有LED的RJ45接口与网络连接。

此外，所述的蓝牙4.0模块5包括蓝牙芯片U6，蓝牙芯片U6与处理器芯片U1连接，蓝牙芯片U6分别连接有一个16MHz的外置高频晶振14和一个32.768kHz的外置低频晶振15，蓝牙芯片U6与蓝牙BALUN U7连接，蓝牙BALUN U7的天线采用π形电路；所述蓝牙芯片U6采用超低功耗无线应用设计的整合了射频发射电路的蓝牙芯片nRF51822，蓝牙BALUN U7采用BAL-NFR01D3芯片。

本具体实施方式ARM工业控制器1用于实时地处理GNSS模块接收到的原始观测信息，并转化成方便操作处理的RINEX数据交换格式，该数据被快速存入SDHC卡，可以给后处理测量带来可靠的数据来源，也可以通过以太网接口、蓝牙接口、WIFI接口、USB接口和串口把该数据播发给用户实时使用，方便多网络接收导航数据；控制器需要管理强大的WEB服务系统，控制器还需要管理OLED显示器显示导航卫星数据和接收机各参数信息。

电源管理模块3可以外接12V/3A通用电源适配器作为电源，通过高度集成的电池管理芯片U2转换为两节锂电池充电电压8.4V，该电压可用于锂电池12充电，也可通过高效的电源转换芯片U3将其转换为3.3V/2A向GNSS模块2、ARM工业控制器1、以太网接口模块4、蓝牙4.0模块5、WIFI模块6、USB接口模块7、RS232通信模块8、SDHC存储模块9、OLED显示模块10提供电源；同时，电池管理芯片U2向控制开关机的微控制器U4提供电源和向工业控制器提供备份电源；微控制器U4控制电源转换芯片U3的使能端，实现整机的开关机功能，无论整机开机还是关机，微控制器U4都会进入超低功耗模式，直到有外部按键中断唤醒。电源管理模块3也可以使用锂电池12供电，锂电池12电压通过电池管理芯片U2和高效的DC-DC电源转换芯片U3转换为3.3V电压，向外设模块供电。

蓝牙4.0模块5与处理器芯片U1通过TTL串口连接，蓝牙4.0模块5使用一个16MHz的外置高频晶振14和一个32.768kHz的外置低频晶振15，蓝牙BALUN使用ST定制的BAL-01D3芯片，天线部分使用一个π形电路，起到阻抗匹配的作用，需要根据实际情况在三个位置上增加电容或者电感，调整的依据是根据史密斯圆图，把阻抗调整到中心点，达到最大的功率输出效果。

以太网接口模块4采用美国国家半导体公司的PHY芯片DP83848I作为以太网收发器，在连接MAC和PHY时，首先要考虑精确的时钟信号，然后是要合理选择MAC 和以太网收发器之间的接口。根据IEEE802.3u标准，MII接口需要8 根数据线，8 根控制线，而RMII标准则将数据和控制线减少到7根。本系统采用精简的介质无关接口，其接口用的信号线更少，可简化电路板布局，使硬件设计更加简单。在 RMII 模式下，数据以50MHz的时钟速率一次传送2位，STM32F405VGT6 MCU可以通过配置PLL从MCO引脚提供50MHz时钟信号，或者是由外部50MHz的晶振提供时钟信号。RJ45接口采用Amphenol公司的MRJR系列防水连接器MDBE09PE860，其接口牢固，稳定，防水。

本具体实施方式软件系统架构(图2)采用五层结构设计，分别是应用层、数据层、组件层、系统层和硬件层，各层之间相互衔接，相互配合完成软件任务。应用层对用户进行管理，包括用户登录认证和账户增加等，和提供其他管理服务；数据层完成原始数据的转换和分发工作，以及对各项任务进行监控管理，实时掌握系统工作情况；组件层完成导航数据的接收任务，并实现HTTP协议下的WEB和TCP通信服务；系统层采用通过裁剪后稳定可靠的Linux系统，使其形成一个完整功能的意义上的嵌入式系统；硬件层实现底层各个部件的正常协调运行，为各上层软件实现打好基础。

以上显示和描述了本实用新型的基本原理和主要特征和本实用新型的优点。本行业的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型范围内。本实用新型要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (6)

1.GNSS基准站接收机，其特征在于，包括ARM工业控制器(1)、GNSS模块(2)、电源管理模块(3)、以太网接口模块(4)、蓝牙4.0模块(5)、WIFI模块(6)、USB接口模块(7)、RS232通信模块(8)、SDHC存储模块(9)、OLED显示模块(10)和按键控制模块(11)，ARM工业控制器(1)分别与GNSS模块(2)、以太网接口模块(4)、蓝牙4.0模块(5)、WIFI模块(6)、USB接口模块(7)、RS232通信模块(8)连接，ARM工业控制器(1)分别接至SDHC存储模块(9)、OLED显示模块(10)，电源管理模块(3)、按键控制模块(11)均接至ARM工业控制器(1)。

2.根据权利要求1所述的GNSS基准站接收机，其特征在于，所述的ARM工业控制器(1)采用以ARM9为内核的AT91SAM9G25工业级处理器芯片(U1)，ARM工业控制器(1)分别通过扩展的TTL串口与GNSS模块(2)中的GNSS板卡、蓝牙4.0模块(5)和USB接口模块(7)进行电性连接，ARM工业控制器(1)通过USB接口与WIFI模块(6)进行典型连接；所述GNSS板卡采用和芯星通公司的基于成熟的高精度北斗芯片和板卡技术基础开发的UB380三系统八频高进度OEM板卡。

3.根据权利要求1所述的GNSS基准站接收机，其特征在于，所述的电源管理模块(3)包括有电池管理芯片(U2)、电源转换芯片(U3)、微控制器(U4)、锂电池(12)，电池管理芯片(U2)外接12V/3A通用电源适配器，电池管理芯片(U2)与锂电池(12)连接，电池管理芯片(U2)分别接至工业控制器备份电源(13)、微控制器(U4)，电池管理芯片(U2)通过电源转换芯片(U3)与其它外部设备连接，微控制器(U4)与电源转换芯片(U3)连接；所述的电池管理芯片(U2)采用独立型锂离子或锂聚合物开关模式电池充电器bq24170芯片，电源转换芯片(U3)采用LMZ12002芯片，微控制器(U4)采用8位低成本、低功耗单片机STM8S103F3芯片。

4.根据权利要求1或2所述的GNSS基准站接收机，其特征在于，所述的以太网接口模块(4)包括有以太网PHY芯片(U5)，以太网PHY芯片(U5)与处理器芯片(U1)连接，以太网PHY芯片(U5)通过以太网变压器和控制带有LED的RJ45接口与网络连接；所述以太网PHY芯片(U5)采用以太网收发器DP83848I。

5.根据权利要求1或2所述的GNSS基准站接收机，其特征在于，所述的蓝牙4.0模块(5)包括蓝牙芯片(U6)，蓝牙芯片(U6)通过TTL串口与处理器芯片(U1)连接，蓝牙芯片(U6)分别连接有一个16MHz的外置高频晶振(14)和一个32.768kHz的外置低频晶振(15)，蓝牙芯片(U6)与蓝牙BALUN (U7)连接，蓝牙BALUN (U7)的天线采用π形电路；所述蓝牙芯片(U6)采用蓝牙芯片nRF51822，蓝牙BALUN (U7)采用BAL-NFR01D3芯片。

6.根据权利要求1所述的GNSS基准站接收机，其特征在于，所述的WIFI模块(6)采用WIFI芯片RTL8188CUS，USB接口模块(7)采用USB转RS232芯片FT232RQ，按键控制模块(11)采用PC材质的薄膜按键。