可攜式北鬥衛星授時設備的製造方法

2023-06-03 21:09:21

可攜式北鬥衛星授時設備的製造方法
【專利摘要】本實用新型涉及一種可攜式北鬥衛星授時設備，包括裝配在U盤式殼腔體中的北鬥天線模塊、北鬥信息處理模塊、接口轉換模塊、電源模塊和接口模塊，北鬥天線模塊用於接收北鬥衛星信號，北鬥天線模塊的輸出端接至北鬥信息處理模塊的輸入端，北鬥信息處理模塊的輸出/輸入端經接口轉換模塊通至接口模塊的輸入/輸出端，接口模塊實現與用戶設備的連接。與現有技術相比，本實用新型具有高度集成性、便攜型、接口通用性以及超低功耗、高精度、微型化的特點，提高了時統設備應用範圍，降低了使用成本，改善了與用時設備的適配性。
【專利說明】
可攜式北鬥衛星授時設備
技術領域
[0001] 本【實用新型內容】屬於衛星導航應用設備技術領域，設及一種可攜式北鬥衛星授時 設備。
【背景技術】
[0002] 北鬥衛星導航系統是我國自行研製的全球衛星導航系統，該系統2012年12月27日 起正式對亞太地區提供無源定位，導航，授時服務。隨著北鬥衛星導航技術的發展，北鬥終 端設備也在向多功能，高精度，高集成等方向發展，現已廣泛應用於水文測報，漁船監控，森 林防火等領域。
[0003] 目前市場上已有的北鬥衛星授時設備主要有北鬥定時型用戶機、北鬥數顯時鐘 等，其工作原理是通過天線接收衛星信號，射頻基帶處理模塊將接收到的衛星星曆進行解 算，最後將解算出的時間信息通過串口輸出。然而，在實際使用環境中，市場上目前的各類 授時型產品均表現出較多缺點與不便，使用過程中歸納的主要缺點如下：1)傳統的授時類 設備體積較大，採取分體式設計，天線與主機之間通過射頻線纜連接，在使用、安裝過程中 需要利用專口的場所、載體(如固定機櫃等)和工具進行，無法滿足突發現場或快速機動環 境下的授時需求;2)在與外界設備互聯互通方式上，現有設備需採用串口通信形式進行，通 過串口線纜連接，要求使用設備必須具備串口，不能與其他設備對接交互，對使用環境有一 定的局限性，不能滿足在快速機動等環境中設備與衛星時間同步工作的需求;3)現有設備 的功耗較大，用戶機功耗為幾十瓦，需要大功率蓄電池或直流電供電，不適應野外授時。 【實用新型內容】
[0004] 本實用新型的目的在於對現有技術存在的問題加 W解決，提供一種結構合理、功 耗低、體積小、便於攜帶、時間同步精度高、可直接與通用信息化設備相連接、從而實現快速 授時功能的可攜式北鬥衛星授時設備，該北鬥衛星授時設備也被
【申請人】稱之為"北鬥授時V 盤"。
[0005] 為實現上述目的而採用的技術解決方案如下：
[0006] -種可攜式北鬥衛星授時設備，包括一個帶有扣合蓋的便攜U盤式殼腔體和裝配 在U盤式殼腔體中的北鬥天線模塊、北鬥信息處理模塊、接口轉換模塊、電源模塊和接口模 塊，北鬥天線模塊用於接收北鬥衛星信號，北鬥天線模塊的輸出端接至北鬥信息處理模塊 的輸入端，北鬥信息處理模塊的輸出/輸入端經接口轉換模塊通至接口模塊的輸入/輸出 端，接口模塊實現與用戶設備的連接，電源模塊用於向北鬥天線模塊、北鬥信息處理模塊和 接口轉換模塊提供工作電源。
[0007] 上述可攜式北鬥衛星授時設備中，北鬥信息處理模塊由北鬥忍片和ARM處理器 (ARM忍片)組成，北鬥忍片接收北鬥天線模塊的輸出信號後，其輸出/輸入端通至ARM處理器 的輸入/輸出端，ARM處理器的輸出/輸入端經接口轉換模塊通至接口模塊的輸入/輸出端。 [000引上述可攜式北鬥衛星授時設備中，北鬥忍片由射頻通道電路、基帶信號處理電路 和導航信息處理電路組成，射頻通道電路的輸入端用於接收北鬥天線模塊的輸出信號，射 頻通道電路的輸出端經基帶信號處理電路後接至導航信息處理電路的輸入端，基帶信號處 理電路的ARM信號輸入端與ARM處理器的輸出端連接。
[0009] 上述可攜式北鬥衛星授時設備中，北鬥忍片採用型號為T305的器件，ARM處理器採 用型號為STM32F207的器件。
[0010] 上述可攜式北鬥衛星授時設備中，北鬥天線模塊採用陶瓷材質，型號為Z-STAR (12*12)B1/L1 的器件。
[0011] 上述可攜式北鬥衛星授時設備中，接口轉換模塊採用型號為CH340T的USB轉換忍 片。
[0012] 上述可攜式北鬥衛星授時設備中，接口模塊採用型號為USB2.0(A型母座)的器件。
[0013] 上述可攜式北鬥衛星授時設備中，電源模塊採用型號為LT1963EST的器件。
[0014] 根據上述技術方案設計的可攜式北鬥衛星授時設備具有高度集成性、便攜型、接 口通用性W及超低功耗、高精度、微型化的特點，提高了時統設備應用範圍，降低了使用成 本，改善了與用時設備的適配性。與目前傳統的授時設備相比，本實用新型的主要優勢為：
[0015] -、高集成度、一體化、微型化設計
[0016] 傳統北鬥衛星授時設備組成主要包括天線、線纜、主機、外設線纜等，系統連接復 雜、體積較大，不適用在野外環境下快速對可攜式設備進行授時。針對運一問題，本實用新 型採用高集成度的授時忍片來實現設備的微型化、一體化、便攜化，提高適用範圍。其中，北 鬥天線模塊採用陶瓷材質設計，在外觀結構小型化前提下，保證更優的接收性能;北鬥信息 處理模塊採用北鬥忍片加 ARM處理器(ARM忍片）的組合，既保證整機優良的功能、性能，又保 證設備具備強大的信息處理能力;接口轉換模塊採用更加穩定、可靠的串口轉USB接口轉換 忍片，使得設備可適應更多的載體使用。
[0017] 二、USB即插即授時設計
[0018] 傳統北鬥衛星授時設備的線纜連接繁雜，通常採用串口輸出時間信號。目前主流 野外可攜式計算機等設備均不配備串口，不適應傳統授時接收機。為增加授時設備的可用 性，本實用新型設置了集成USB轉換忍片，直接將設備內部輸出的串口信號轉換為USB信號， 供具有USB接口的可攜式計算機等通用信息化設備使用，運樣將傳統的串口通信方式提升 至IjUSB通信層面，支持熱插拔，即插即用，實現了快速授時功能，提高了設備的通用性和便捷 性。
[0019] S、低功耗設計
[0020] 傳統北鬥衛星授時設備功耗為幾十瓦，工作時需要大功率蓄電池或直流電供電， 不適應野外授時。本實用新型產品的功耗僅為幾十毫瓦，利用USB供電即可正常使用，節約 了電能，提高了野外使用能力和適應性。
[0021] 四、低成本設計
[0022] 傳統北鬥授時用戶機根據精度不同，其人民幣造價從幾萬元到十幾萬元不等。本 實用新型產品基於高集成度的授時忍片進行一體化設計，將北鬥天線模塊、北鬥信息處理 模塊、接口轉接模塊等集成在類似U盤大小的設備中，採用忍片化設計，大大減小了設備體 積並有效降低了成本(降低幅度達到10倍W上），也大大節約了授時應用費用。
【附圖說明】

[0023] 圖1為本實用新型的整機結構圖；
[0024] 圖2為本實用新型的模塊聯接框圖；
[0025] 圖3為本實用新型的信號流程圖；
[0026] 圖4為本實用新型的天線信號流程圖；
[0027] 圖5為本實用新型的射頻模塊信號流程圖；
[0028] 圖6為本實用新型的基帶信息處理模塊信號流程圖；
[0029] 圖7為本實用新型的導航信息處理模塊信號處理流程圖。
[0030] 圖中各數字標記的名稱為：1一北鬥天線模塊;2-北鬥信息處理模塊，21-北鬥忍 片，211-射頻通道電路，212-基帶信號處理電路，213-導航信息處理電路;22-ARM處理 器(ARM忍片）；3-接口轉換模塊;4-電源模塊;5-接口模塊;6-U盤式殼腔體。
【具體實施方式】
[0031] 如圖1和圖2所示，本實用新型所述的可攜式北鬥衛星授時設備包括裝配在U盤式 殼腔體中的北鬥天線模塊1、北鬥信息處理模塊2、接口轉換模塊3、電源模塊4和接口模塊5， 北鬥天線模塊1用於接收北鬥衛星信號，北鬥天線模塊1的輸出端接至北鬥信息處理模塊2 的輸入端，北鬥信息處理模塊2的輸出/輸入端經接口轉換模塊3通至接口模塊5的輸入/輸 出端，接口模塊5實現與用戶設備的連接，電源模塊4用於向北鬥天線模塊1、北鬥信息處理 模塊2和接口轉換模塊3提供工作電源。
[0032] 上述授時設備中，北鬥信息處理模塊2由北鬥忍片21和ARM處理器(ARM忍片組 成，北鬥忍片21接收北鬥天線模塊1的輸出信號後，其輸出/輸入端通至ARM處理器22的輸 入/輸出端，ARM處理器22的輸出/輸入端經接口轉換模塊3通至接口模塊5的輸入/輸出端。。
[0033] 北鬥信息處理模塊2進一步的組成結構如圖3所示，其中的北鬥忍片21由射頻通道 電路211、基帶信號處理電路212和導航信息處理電路213組成，射頻通道電路211的輸入端 用於接收北鬥天線模塊的輸出信號，射頻通道電路211的輸出端經基帶信號處理電路212後 接至導航信息處理電路213的輸入端，基帶信號處理電路212的ARM信號輸入端與ARM處理器 22的輸出端連接。
[0034] 本實用新型具體結構設置上，北鬥天線模塊1採用陶瓷材料制的型號為Z-STAR (12*12)B1/L1的器件;北鬥信息處理模塊2包括北鬥忍片21和ARM處理器(ARM忍片)22,其中 北鬥忍片21採用型號為T305的器件，工作中北鬥忍片21主要用於處理射頻信號，提取時間 信息;ARM處理器22採用型號為STM32F207的器件，用於控制數據流;接口轉換模塊3用來實 現串口時間信息轉換為USB時間信息，可採用型號為CH340T的USB轉換忍片；電源模塊4採用 型號為LT1963EST的器件;接口模塊5採用型號為USB2.0(A型母座）的器件，用於實現與用戶 用時設備的連接。
[0035] 本實用新型的基本工作流程如下:北鬥天線模塊1接收到北鬥衛星信號，將信號功 率進行放大後，送給北鬥信息處理模塊2,北鬥信息處理模塊2完成信號、信息的處理、解算， 並按照標準協議將時間信息輸出，輸出的時間信息經接口轉換模塊3將原始的串口協議轉 換為USB協議，並通過接口模塊5向外輸出。電源模塊4為整機所有模塊提供電源支撐，將外 部輸入的5V電源轉換為3.3V後，提供給接口轉換模塊和信息處理模塊。
[0036] 本實用新型的具體的工作流程參見圖4-圖7,用戶機天線接收北鬥二號衛星(包括 B巧郵3頻點化播發的RNSS導航信號，經過前置濾波、低噪聲放大、下變頻、中頻濾波及放大 後得到中頻模擬信號。相應的中頻信號可由下式表示：
[0037] (1)
[0038] 其中，A。表示調製於Bl或B3頻點載波的普通測距碼振幅，Ap表示調製於Bl或B3頻點 載波的精密測距碼振幅，C(t)表示普通測距碼，P(t)表示精密測距碼，Dc(t)表示普通測距 碼上調製的數據，Dp(t)表示精密測距碼上調製的數據，f。表示中頻載波頻率，fd表示都卜勒 頻移，託表示普通測距碼的中頻載波初相，巧P表示精密測距碼的中頻載波初相，n (t)表示高 斯白噪聲。
[0039] 上述信號由A/D採樣器件轉化為數位訊號，在接收機的基帶信號處理部分中按照 碼分多址進行數字通道劃分，並分別進行解擴、解調。中頻採樣信號首先與本地偽碼信號C (t-T似及本地載波信號cos(2# +的進行乘法運算處理，得到：
[0040]
[0041] 濾除和頻分量後，得到：
[0042] (3)
[0043] 當本地載波信號的頻率及相位與上述信號中的載波頻率及相位達到一致，即f = f D+fd，^ =巧；並且當本地生成的普通測距碼與上述信號中的普通測距碼實現了相位對準 的時候，即T = 0，c(t)c(t-T) = l，可獲得本地信號與上述信號關於普通測距碼的最大相關， 從而形成相關幅度峰值。
[0044] 偽碼的跟蹤狀態下，本地偽隨機序列將與被接收序列相位同步，而後將本地偽隨 機序列變換成便於進行時間測量的脈衝(如帖同步頭），將此脈衝在用戶本地的時間軸上讀 數，同時從電文中解讀出該脈衝的發射時刻，兩者之間的時間差值T就相應於用戶到衛星的 偽距P，所謂的偽距可W理解為與距離是同一量綱而且包含有距離信息，卻又不單純是距離 的物理測量量。具體的數學定義為：
[0045] p = r+Ar (4)
[0046] 式中，r為真實的距離，Ar為由各種因素引入的可為確定性的也可為隨機性的距 離崎變。例如，通常的Ar可W認為包括用戶與衛星之間的鐘差Atsu,衛星信號的電離層延 時、對流層延時、測量熱噪聲等等。考慮的因素越多，模型越精確，定位精度越高。
[0047]接收機接收到四顆W上衛星的偽距，並且能夠用某些手段(如差模型修正，雙頻修 正等)對偽距的傳播延遲進行了修正，則用戶可W獲得如下的測量方程組：
[004引
[0049] 其中的（x，y，z)為用戶的位置，（xsi，ysi，zsi)為第i顆衛星的位置，可W通過解調數 據中所包含的導航電文中獲得。
[0050] 有了上述的觀測方程就可W解算獲得用戶的位置(x，y，z)和衛星與用戶的鐘差A t，At即為用戶時間與衛星標準時間的時差。解算的方法有最小二乘算法和卡爾曼濾波算 法，其中卡爾曼濾波算法具有較高的噪聲抑制能力。
[0051] 北鬥信息處理忍片得到的時間等信息可W通過串口轉換USB接口模塊提供用戶， 也可W將時間信息進行存儲記錄，便於後續處理和性能評定。
【主權項】
1. 一種可攜式北鬥衛星授時設備，其特徵在於:包括一個帶有扣合蓋的便攜U盤式殼腔 體(6)和裝配在U盤式殼腔體(6)中的北鬥天線模塊(1)、北鬥信息處理模塊(2)、接口轉換模 塊(3)、電源模塊(4)和接口模塊(5)，北鬥天線模塊(1)用於接收北鬥衛星信號，北鬥天線模 塊(1)的輸出端接至北鬥信息處理模塊(2)的輸入端，北鬥信息處理模塊(2)的輸出/輸入端 經接口轉換模塊(3)通至接口模塊(5)的輸入/輸出端，接口模塊(5)實現與用戶設備的連 接，電源模塊(4)用於向北鬥天線模塊（1)、北鬥信息處理模塊(2)和接口轉換模塊(3)提供 工作電源。2. 根據權利要求1所述的可攜式北鬥衛星授時設備，其特徵在於：北鬥信息處理模塊 (2)由北鬥晶片（21)和ARM處理器(22)組成，北鬥晶片（21)接收北鬥天線模塊（1)的輸出信 號後，其輸出/輸入端通至ARM處理器(22)的輸入/輸出端，ARM處理器(22)的輸出/輸入端經 接口轉換模塊(3)通至接口模塊(5)的輸入/輸出端。3. 根據權利要求2所述的可攜式北鬥衛星授時設備，其特徵在於:北鬥晶片(21)由射頻 通道電路（211)、基帶信號處理電路（212)和導航信息處理電路（213)組成，射頻通道電路 (211)的輸入端用於接收北鬥天線模塊（1)的輸出信號，射頻通道電路(211)的輸出端經基 帶信號處理電路（212)後接至導航信息處理電路(213)的輸入端，基帶信號處理電路（212) 的ARM信號輸入端與ARM處理器(22)的輸出端連接。4. 根據權利要求2所述的可攜式北鬥衛星授時設備，其特徵在於:北鬥晶片(21)採用型 號為T305的器件，ARM處理器(22)採用型號為STM32F207的器件。5. 根據權利要求1所述的可攜式北鬥衛星授時設備，其特徵在於：北鬥天線模塊（1)採 用型號為Z-STAR(12*12)B1/L1的器件。6. 根據權利要求1所述的可攜式北鬥衛星授時設備，其特徵在於:接口轉換模塊(3)採 用型號為CH340T的USB轉換晶片。7. 根據權利要求1所述的可攜式北鬥衛星授時設備，其特徵在於:接口模塊(5)採用型 號為USB2.0的器件。8. 根據權利要求1所述的可攜式北鬥衛星授時設備，其特徵在於：電源模塊(4)採用型 號為LT1963EST的器件。
【文檔編號】G04R20/04GK205691957SQ201620589532
【公開日】2016年11月16日
【申請日】2016年6月16日 公開號201620589532.8, CN 201620589532, CN 205691957 U, CN 205691957U, CN-U-205691957, CN201620589532, CN201620589532.8, CN205691957 U, CN205691957U
【發明人】田亞素, 賈亮, 董希彥, 高飛, 孔青菊, 肖雲, 李瑞鋒
【申請人】西安航光衛星測控技術有限公司