CN207318720U - 定位授时卫星通信终端 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种定位授时卫星通信终端，涉及射频信号处理技术领域。其中，定位授时卫星通信终端包括：后插板和功能板，后插板和功能板为VPX架构的板卡通过VPX接口连接；后插板上集成有导航定位单元和卫星通信单元；功能板上集成有网络授时单元。具有体积小、可靠性高、使用方便等优点，可广泛应用于工业、军事(机载、车载)等需要同时实现北斗导航定位、网络同步授时和守时、以及通过卫星移动通信实现应急通信等应用场合。

Description

定位授时卫星通信终端

技术领域

本实用新型涉及射频信号处理技术领域，具体而言，涉及一种定位授时卫星通信终端。

背景技术

北斗导航定位、授时与守时、卫星移动通信为三个不同专业领域方向，但相互间信号紧密联系，目前市场上北斗、时统、卫通相关领域产品分别是各自独立的设备，相互之间通过线缆连接，各设备在实际使用中存在体积较大、可靠性和实时性不高等缺点。申请号为CN201410423179.1的专利文献，公开了一种车载北斗双模卫星通信定位授时系统及方法，实现了北斗导航定位和网络授时，同时消除了通信上行信号引起的北斗二代定位授时子系统射频前端饱和乃至损坏以及对定位授时功能和性能的负面影响，但其不具备卫星移动通信(卫星电话)功能，此外，整个系统需要键盘显示器等大体积模块，难以实现终端的小型化目标。

随着电子技术的不断进步，通信系统的小型化和便携性越来越受到重视，如何使终端设备功能更加多元化，更加便携又能保证其优秀的性能指标，实现体积小、重量轻、功能强的多功能终端成为亟待解决的技术问题。

实用新型内容

本实用新型旨在至少解决现有技术或相关技术中存在的技术问题之一。提出了一种定位授时卫星通信终端及其控制方法，将导航定位、授时与守时、卫星移动通信三个领域的功能集成至同一终端，具有体积小、可靠性高、使用方便等优点。

本实用新型提出了一种定位授时卫星通信终端，包括后插板和功能板，该后插板和功能板为VPX架构的板卡通过VPX接口连接；后插板上集成有导航定位单元和卫星通信单元；功能板上集成有网络授时单元；导航定位单元包括射频单元和与射频单元连接的基带单元，射频单元集成有RDSS射频芯片和RNSS射频单元，用于执行RDSS短报文通信，支持RNSSB1 C码定位；网络授时单元集成有锁相模块、NTP模块和PTP模块，用于执行授时与守时功能；卫星通信单元包括卫通基带处理单元和与卫通基带处理单元连接的卫通射频单元，用于进行卫星通信。

优选的是，RDSS射频芯片包括S波段接收通道和L波段发射通道，S波段接收通道集成有低噪声放大器及混频器、高线性Gm-C复数滤波器滤波、可变增益放大器和模数变换器，支持数字信号和模拟信号同时输出，L波段发射通道集成有RC滤波器、无源混频器和前置预放大器。

在上述任一方案中优选的是，RDSS射频芯片还集成有压控振荡器电路、小数分频锁相环电路和时钟源电路。

在上述任一方案中优选的是，RNSS射频单元为多频点双模射频接收机，支持双通道同时独立工作，集成有至少一个通道接收机，通道接收机包括低噪声放大器及混频器、高线性Gm-C复数滤波器、可变增益放大器、模数变换器、压控振荡器、小数分频锁相环电路和时钟源电路，支持模拟和数字同时输出。

在上述任一方案中优选的是，RNSS射频单元集成有两个通道接收机。

在上述任一方案中优选的是，基带单元采用双核架构，集成有ARM926EJ-S处理器和ZSP540处理器，用于读入卫星星历信息、测量信息和时间信息，利用卫星星历信息，测量信息和时间信息进行BD2 B1定位，对从串口接收到的控制指令进行定位模式配置，将需要发送给用户的数据进行组包并通过串口发送数据，通过串口接收的短报文信息进行组包通过基带芯片发送给卫星，接收并转发卫星下发的短报文信息。

在上述任一方案中优选的是，基带单元中设有SIM卡槽、USB接口、SDMMC卡接口和NFC接口，支持TT1、GSM双模，支持USB2.0HS。

在上述任一方案中优选的是，基带单元支持外接Mobile SDRAM和静态存储器，支持外接NandFlash。

在上述任一方案中优选的是，卫通基带处理单元的芯片为中电54所的MCP01A型芯片。

在上述任一方案中优选的是，卫通射频单元通过后插板上设置的射频接口连接天线。

在上述任一方案中优选的是，锁相模块使用接收到的B码输入信号或后插板的1PPS_IN和串口时间信息来产生稳定精确的1PPS信号和TOD信息以供NTP模块使用，同时锁相模块还会产生B码输出，其中B码、1PPS均为422电平，TOD为LVDS电平，串口均为LVTTL电平，预留调试串口为RS232电平，FPGA通过16位DA控制恒温晶振进行锁相，同时恒温晶振的频标10MHz提供给FPGA做时钟输入。

在上述任一方案中优选的是，NTP模块和PTP模块利用锁相模块的1PPS+TOD信号校准自身时间，通过第一网口送出NTP信息、通过第二网口送出PTP信息，通过SNMP协议实现板卡状态检测、配置、后插板短报文信息上报，根据接收机箱管理软件发送的请求获取地理位置的信息。

在上述任一方案中优选的是，卫通基带处理单元用于卫星移动通信信号的捕获、跟踪、解算，以及实现收、发控制功能，卫通基带处理单元的芯片为中电54所的MCP01A；卫通射频单元通过后插板上设置的射频接口连接天线，采用射频芯片及对应外围电路实现，完成信号的放大、滤波、混频，接收S信号的下变频以及发射S信号的上变频。

按照本实用新型的定位授时卫星通信终端可以利用较小尺寸的终端同时实现北斗/时统/卫通功能，板卡规格160mm×100mm，总重量0.8kg，能够满足对结构、重量有严格要求的的应用场合；将目前分别用3个设备实现的功能，通过两个3U标准VPX架构实现，生产成本有较大降幅，能够较好满足客户需求。主要测试指标如表1所示：

表1主要技术指标达标情况

本实用新型的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本实用新型的实践了解到。

附图说明

本实用新型的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为按照本实用新型的定位授时卫星通信终端的一优选实施例的示意框图；

图2为按照本实用新型的定位授时卫星通信终端的另一实施例的小型化设计内部结构图；

图3为按照本实用新型的定位授时卫星通信终端的RDSS射频单元的一优选实施例的结构图；

图4为按照本实用新型的定位授时卫星通信终端的RNSS射频单元的一优选实施例的结构图；

图5为按照本实用新型的定位授时卫星通信终端的基带单元内部组成框图；

图6为按照本实用新型的定位授时卫星通信终端的网络授时单元功能框图；

图7为按照本实用新型的定位授时卫星通信终端的卫星通信单元结构框图；

图8为按照本实用新型的定位授时卫星通信终端的卫通基带芯片的一优选实施例的内部框图；

图9为按照本实用新型的定位授时卫星通信终端的软件基本数据信息流程示意图；

图10为按照本实用新型的定位授时卫星通信终端的北斗接收机应用软件示意框图；

图11为按照本实用新型的定位授时卫星通信终端的卫星通信应用软件示意框图；

图12为按照本实用新型的定位授时卫星通信终端的授时和守时应用软件示意框图；

图13为按照本实用新型的定位授时卫星通信终端的后插板结构图；

图14为按照本实用新型的定位授时卫星通信终端的锁相模块组成框图；

图15为按照本实用新型的定位授时卫星通信终端的FFT实现载波和码并行捕获框图；

图16为按照本实用新型的定位授时卫星通信终端的基于FFT实现并行捕获仿真结果。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本实用新型的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本实用新型，但是，本实用新型还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本实用新型的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

如图1所示，本实用新型的实施例提供了一种定位授时卫星通信终端100，包括后插板102和功能板104，该后插板102和功能板104为VPX架构的板卡通过VPX接口连接；后插板102上集成有导航定位单元1022和卫星通信单元1024；功能板104上集成有网络授时单元1042；导航定位单元1022包括射频单元和与射频单元连接的基带单元，射频单元集成有RDSS射频芯片和RNSS射频单元，用于执行RDSS短报文通信，支持RNSS B1 C码定位；网络授时单元1042集成有锁相模块、NTP模块和PTP模块，用于执行授时与守时功能；卫星通信单元1024包括卫通基带处理单元和与卫通基带处理单元连接的卫通射频单元，用于进行卫星通信。

在该实施例中，定位授时卫星通信终端100采用VPX架构设计实现，由后插板102和功能板104两部分组成，其中后插板102上主要实现北斗导航定位和卫星移动通信，功能板104上主要实现授时和守时功能。该基于北斗、时统、卫通模块的小型化设计采用新器件、新技术，在其模块单元内部同时集成北斗导航定位单元、网络授时与守时单元、卫星移动通信单元，具有体积小、可靠性高、使用方便等优点，可广泛应用于工业、军事(机载、车载)等需要同时实现北斗导航定位、网络同步授时和守时、以及通过卫星移动通信实现应急通信等应用场合，以实现小型化、高可靠性和实时性等需求。

根据本实用新型的又一具体实施例(如图2至图13所示)，一种北斗\时统\卫通模块的小型化设计：包括北斗定位单元、网络授时单元、卫星通信单元的软硬件设计，组成框图见图2：北斗\时统\卫通模块采用VPX架构设计实现，由后插板和功能板两部分组成，其中后插板上主要实现北斗导航定位和卫星移动通信单元，功能板上主要实现授时和守时单元，各单元的具体结构如下：

北斗导航定位单元核心部分为射频单元和基带单元的设计，两者配合完成RDSS短报文通信、支持RNSS B1 C码定位功能，根据需求选用国产的RDSS和RNSS射频芯片设计完成，RDSS射频芯片结构如图3所示，RNSS芯片结构如图4所示。

RDSS射频芯片包含S波段接收通道和L波段发射通道。在接收通道中，包括低噪声放大器及混频器、高线性Gm-C复数滤波器滤波、可变增益放大器(AGC)和模数变换器(ADC)，支持模拟和数字同时输出；在发射通道中，集成了RC滤波器、无源混频器、前置预放大器；此外，还全集成了压控振荡器、小数分频锁相环和时钟源等电路。

RNSS多频点双模射频接收机，支持双通道同时独立工作。片上集成两个通道接收机，包括低噪声放大器及混频器、高线性Gm-C复数滤波器、可变增益放大器(AGC)、模数变换器(ADC)、压控振荡器、小数分频锁相环和时钟源等电路，仅需很少的外围元器件即可工作，支持模拟和数字同时输出。

基带单元读入卫星星历信息、测量信息和时间信息等；利用得到的卫星信息，测量信息和时间进行北斗定位；对从串口接收到的控制指令进行定位模式配置，完成数据解析处理，将需要发送给用户的数据进行组包并通过串口发送数据，通过串口接收的短报文信息进行组包给基带芯片发送给卫星，接收卫星下发的短报文信息发送给功能板(如图5所示)。

基带单元采用双核架构，包含1个ARM926EJ-S和1个ZSP540，支持TT1、GSM双模，支持USB2.0HS、支持2个SIM卡、2个SDMMC卡接口。可外接Mobile SDRAM和静态存储器，拥有一个NFC接口，可外接NandFlash。

网络授时单元包含锁相模块、NTP模块、PTP模块等主要单元设计，其内部组成框图见图6。

锁相模块的主要功能是使用外部的B码输入信号或后插板的1PPS_IN和串口时间信息来产生稳定精确的1PPS信号和TOD信息以提供NTP模块和设备使用，同时锁相模块还会产生B码输出，其中B码、1PPS均为422电平，TOD为LVDS电平，串口均为LVTTL电平，预留调试串口为RS232电平。FPGA通过16位DA控制恒温晶振进行锁相，同时恒温晶振的频标10MHz提供给FPGA做时钟输入。

NTP&PTP模块主要利用锁相模块的1PPS+TOD信号校准自身时间，通过网口1送出NTP信息、通过网口2送出PTP信息；NTP&PTP模块还需通过SNMP协议实现板卡状态检测、配置、后插板的短报文信息上报；NTP&PTP模块同时接收机箱管理软件发送的请求获取地理位置的信息。

卫星通信单元(见图7)包含卫通基带处理单元和卫通射频单元。其中卫通基带处理单元负责完成卫星移动通信信号的捕获、跟踪、解算，以及实现收、发控制等功能，卫通射频单元通过后插板的一线通射频接口连接天线，实现卫通接收S信号的下变频以及发射S信号的上变频功能。

卫通基带处理单元负责完成卫星移动通信信号的捕获、跟踪、解算，以及实现收、发控制等功能。该模块的核心器件为卫通基带芯片，本方案中选择的卫通基带芯片为中电54所的MCP01A。MCP01A的功能框图见图8。

MCP01A采用双核架构，包含1个ARM926EJ-S和1个ZSP540。支持TT1、GSM双模。支持USB2.0HS。支持2个SIM卡、2个SDMMC卡接口。可外接Mobile SDRAM和静态存储器。拥有一个NFC接口，可外接NandFlash。

卫通射频单元采用射频芯片及对应外围电路实现，完成信号放大、滤波、混频等功能。

后插板结构图见图13。

该北斗\时统\卫通模块的软件的基本数据信息流程如图9：

分别包含北斗接收机软件、卫星通信应用软件、授时和守时应用软件，各部分软件功能介绍如下：

北斗接收机软件主要是运行在ARM上的定位解算软件，其主要有系统初始化自检、接口控制、数据采集、数据处理5大功能模块。主要完成从基带芯片读入卫星星历信息、测量信息和时间信息，软件结构见图10。

卫星通信应用软件组成如图11所示，由电话、天线控制、串口代理、数据传输组成。

授时和守时应用软件则包括如图12所示的各个部分。

针对项目中要求的高精度守时功能(守时精度：一个月内优于20ms)、北斗定位、短报文通信等功能要求，确定了采用高稳晶振、以及北斗基带单元软件设计：

高精度守时功能的核心单元为锁相模块，锁相的主要硬件框图见图14。锁相模块的主要功能是通过外参考信号来修正本地高稳晶振的10MHz信号的频率准确度。锁相模块将本地10MHz分频得到本地1PPS；通过内置FPGA单元完成本地1PPS与参考1PPS之间的相位差；对测得的相位差进行算法处理，得到将参考抖动滤除的近似真值的相位差；得到本地晶振与参考源之间的相对频率偏差；根据频率调整过程判断计算得到的频率偏差的可信度；如果可信，对晶振进行相对频偏量的调整。

根据产品实际使用情况，为了能够通过一天的测试数据来理论推算一个月的守时精度，则时间方程可等效演变为通过一天的测试数据来等效计算，演变计算公式如下：

T代表在一定时间内时间的累计偏差量；

A代表第一天的守时数据；

t代表时间变化量(单位为天)，本在应用中未30天；

a代表老化率，恒温晶振的老化率为1E-10/天(优选晶振+算法优化)；

根据指标要求(30天守时≤20ms＝0.02s)结合计算公式反推可得：

将上述数据t＝30，a＝1E-10/天代入计算得到：A≤537us；

所以可根据第一天守时精度是否小于537us来判断是否可以达到一个月的守时精度≤20ms指标，表2为实际所做产品的测试数据：

设备编号	测量数据	要求指标	测量结果
				模块1	63.724us	≤537us	优于
模块2	51.511us	≤537us	优于
				模块3	35.87us	≤537us	优于

表2高精度守时实测指标

根据上表实测数据说明本次针对高精度守时部分所用的方案合理可行，特别是在采用算法优化后，在未增加器件成本的前提下，通过软件算法锁相完成了高精度守时，具有较好的推广和实用价值。

北斗基带单元软件设计：

基带单元主要完成信号的快速捕获，采用基于FFT的频率串行，码相位并行的捕获方法，在速度为900m/s，加速度为10g的情况下，给定时间不确定度为±1s时，能够在60s内有效地捕获信号。信号的捕获过程即信号的相关过程，信号和本地码的相关性可以表示如下公式：

其中Y(k)，R(k)，L(k)分别表示卷积后数据的FFT，输入数据的FFT和本地码的FFT。这样做一次FFT就能完成很长一段码相位的搜索。基于上述公式的推导，设计基于FFT的并行捕获原理框图如图15所示，预先存储一个固定长度的本地码，并将其FFT计算结果存储在本地RAM里，供后续的FFT捕获算法调用。捕获时首先对输入的中频信号进行载波剥离，需要对剥离后的输入信号进行内插和抽取，再通过FIR滤波，最后对滤波后的信号进行FFT，并和码FFT对应相乘，通过对输出的FFT数据进行旋转得到不同载波的多普勒频率。

在基于FFT伪码并行搜索的过程中，多普勒搜索步进单元的选取很重要，步进单元选的较小，对弱信号的捕获性能较好，但会增加捕获时间；步进单元选的过大，会使相关峰值降低，特别对于低信噪比的信号，不易捕获到。所以多普勒搜索步进单元的选取需要折中考虑，本方案中选择500Hz作为捕获间隔，仿真结果见图16：

所用的数据是实际采集的GPS数据，信噪比大概为-133dBm，图中显示了捕获第7号卫星的捕获结果。从图中很容易就能看出，该算法成功地捕获到了卫星信号。

根据上述各个实施例可知，本实用新型基于北斗、时统、卫通模块的小型化设计采用新器件、新技术，在其模块单元内部同时集成北斗导航定位单元、网络授时与守时单元、卫星移动通信单元，具有体积小、可靠性高、使用方便等优点，可广泛应用于工业、军事(机载、车载)等需要同时实现北斗导航定位、网络同步授时和守时、以及通过卫星移动通信实现应急通信等应用场合，以实现小型化、高可靠性和实时性等需求。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种定位授时卫星通信终端，包括后插板和功能板，其特征在于：所述后插板和所述功能板为VPX架构的板卡通过VPX接口连接；所述后插板上集成有导航定位单元和卫星通信单元；所述功能板上集成有网络授时单元；

所述导航定位单元包括射频单元和与所述射频单元连接的基带单元，所述射频单元集成有RDSS射频芯片和RNSS射频单元；

所述网络授时单元集成有锁相模块、NTP模块和PTP模块；

所述卫星通信单元包括卫通基带处理单元和与所述卫通基带处理单元连接的卫通射频单元。

2.根据权利要求1所述的定位授时卫星通信终端，其特征在于，所述RDSS射频芯片包括S波段接收通道和L波段发射通道，所述S波段接收通道集成有低噪声放大器及混频器、高线性Gm-C复数滤波器、可变增益放大器和模数变换器，支持数字信号和模拟信号同时输出，所述L波段发射通道集成有RC滤波器、无源混频器和前置预放大器。

3.根据权利要求2所述的定位授时卫星通信终端，其特征在于，所述RDSS射频芯片还集成有压控振荡器电路、小数分频锁相环电路和时钟源电路。

4.根据权利要求1所述的定位授时卫星通信终端，其特征在于，所述RNSS射频单元为多频点双模射频接收机，支持双通道同时独立工作，集成有至少一个通道接收机，所述通道接收机包括低噪声放大器及混频器、高线性Gm-C复数滤波器、可变增益放大器、模数变换器、压控振荡器、小数分频锁相环电路和时钟源电路，支持模拟和数字同时输出。

5.根据权利要求4所述的定位授时卫星通信终端，其特征在于，所述至少一个通道接收机为两个通道接收机。

6.根据权利要求1所述的定位授时卫星通信终端，其特征在于，所述基带单元采用双核架构，集成有ARM926EJ-S处理器和ZSP540处理器。

7.根据权利要求6所述的定位授时卫星通信终端，其特征在于，所述基带单元中设有SIM卡槽、USB接口、SDMMC卡接口和NFC接口，支持TT1、GSM双模，支持USB2.0 HS。

8.根据权利要求7所述的定位授时卫星通信终端，其特征在于，所述基带单元支持外接Mobile SDRAM和/或静态存储器，并支持外接NandFlash。

9.根据权利要求1至6中任一项所述的定位授时卫星通信终端，其特征在于，所述卫通基带处理单元的芯片为中电54所的MCP01A型芯片。

10.根据权利要求1至6中任一项所述的定位授时卫星通信终端，其特征在于，所述卫通射频单元通过所述后插板上设置的射频接口连接天线。