便攜式北斗衛(wèi)星授時(shí)設(shè)備的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種便攜式北斗衛(wèi)星授時(shí)設(shè)備，包括裝配在U盤式殼腔體中的北斗天線模塊、北斗信息處理模塊、接口轉(zhuǎn)換模塊、電源模塊和接口模塊，北斗天線模塊用于接收北斗衛(wèi)星信號，北斗天線模塊的輸出端接至北斗信息處理模塊的輸入端，北斗信息處理模塊的輸出/輸入端經(jīng)接口轉(zhuǎn)換模塊通至接口模塊的輸入/輸出端，接口模塊實(shí)現(xiàn)與用戶設(shè)備的連接。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有高度集成性、便攜型、接口通用性以及超低功耗、高精度、微型化的特點(diǎn)，提高了時(shí)統(tǒng)設(shè)備應(yīng)用范圍，降低了使用成本，改善了與用時(shí)設(shè)備的適配性。
【專利說明】
便攜式北斗衛(wèi)星授時(shí)設(shè)備
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本
【發(fā)明內(nèi)容】
屬于衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域，設(shè)及一種便攜式北斗衛(wèi)星授時(shí)設(shè) 備。
【背景技術(shù)】
[0002] 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是我國自行研制的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，該系統(tǒng)2012年12月27日 起正式對亞太地區(qū)提供無源定位，導(dǎo)航，授時(shí)服務(wù)。隨著北斗衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展，北斗終 端設(shè)備也在向多功能，高精度，高集成等方向發(fā)展，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于水文測報(bào)，漁船監(jiān)控，森 林防火等領(lǐng)域。
[0003] 目前市場上已有的北斗衛(wèi)星授時(shí)設(shè)備主要有北斗定時(shí)型用戶機(jī)、北斗數(shù)顯時(shí)鐘 等，其工作原理是通過天線接收衛(wèi)星信號，射頻基帶處理模塊將接收到的衛(wèi)星星歷進(jìn)行解 算，最后將解算出的時(shí)間信息通過串口輸出。然而，在實(shí)際使用環(huán)境中，市場上目前的各類 授時(shí)型產(chǎn)品均表現(xiàn)出較多缺點(diǎn)與不便，使用過程中歸納的主要缺點(diǎn)如下：1)傳統(tǒng)的授時(shí)類 設(shè)備體積較大，采取分體式設(shè)計(jì)，天線與主機(jī)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(jī)柜等)和工具進(jìn)行，無法滿足突發(fā)現(xiàn)場或快速機(jī)動(dòng)環(huán) 境下的授時(shí)需求;2)在與外界設(shè)備互聯(lián)互通方式上，現(xiàn)有設(shè)備需采用串口通信形式進(jìn)行，通 過串口線纜連接，要求使用設(shè)備必須具備串口，不能與其他設(shè)備對接交互，對使用環(huán)境有一 定的局限性，不能滿足在快速機(jī)動(dòng)等環(huán)境中設(shè)備與衛(wèi)星時(shí)間同步工作的需求;3)現(xiàn)有設(shè)備 的功耗較大，用戶機(jī)功耗為幾十瓦，需要大功率蓄電池或直流電供電，不適應(yīng)野外授時(shí)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于對現(xiàn)有技術(shù)存在的問題加 W解決，提供一種結(jié)構(gòu)合理、功耗低、 體積小、便于攜帶、時(shí)間同步精度高、可直接與通用信息化設(shè)備相連接、從而實(shí)現(xiàn)快速授時(shí) 功能的便攜式北斗衛(wèi)星授時(shí)設(shè)備，該北斗衛(wèi)星授時(shí)設(shè)備也被
【申請人】稱之為"北斗授時(shí)V盤"。
[0005] 為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的而采用的技術(shù)解決方案如下：
[0006] -種便攜式北斗衛(wèi)星授時(shí)設(shè)備，包括一個(gè)帶有扣合蓋的便攜U盤式殼腔體和裝配 在U盤式殼腔體中的北斗天線模塊、北斗信息處理模塊、接口轉(zhuǎn)換模塊、電源模塊和接口模 塊，北斗天線模塊用于接收北斗衛(wèi)星信號，北斗天線模塊的輸出端接至北斗信息處理模塊 的輸入端，北斗信息處理模塊的輸出/輸入端經(jīng)接口轉(zhuǎn)換模塊通至接口模塊的輸入/輸出 端，接口模塊實(shí)現(xiàn)與用戶設(shè)備的連接，電源模塊用于向北斗天線模塊、北斗信息處理模塊和 接口轉(zhuǎn)換模塊提供工作電源。
[0007] 上述便攜式北斗衛(wèi)星授時(shí)設(shè)備中，北斗信息處理模塊由北斗忍片和ARM處理器 (ARM忍片)組成，北斗忍片接收北斗天線模塊的輸出信號后，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(jīng)接口轉(zhuǎn)換模塊通至接口模塊的輸入/輸出端。 [000引上述便攜式北斗衛(wèi)星授時(shí)設(shè)備中，北斗忍片由射頻通道電路、基帶信號處理電路 和導(dǎo)航信息處理電路組成，射頻通道電路的輸入端用于接收北斗天線模塊的輸出信號，射 頻通道電路的輸出端經(jīng)基帶信號處理電路后接至導(dǎo)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] 上述便攜式北斗衛(wèi)星授時(shí)設(shè)備中，北斗忍片采用型號為T305的器件，ARM處理器采 用型號為STM32F207的器件。
[0010] 上述便攜式北斗衛(wèi)星授時(shí)設(shè)備中，北斗天線模塊采用陶瓷材質(zhì)，型號為Z-STAR (12*12)B1/L1 的器件。
[0011] 上述便攜式北斗衛(wèi)星授時(shí)設(shè)備中，接口轉(zhuǎn)換模塊采用型號為CH340T的USB轉(zhuǎn)換忍 片。
[0012] 上述便攜式北斗衛(wèi)星授時(shí)設(shè)備中，接口模塊采用型號為USB2.0(A型母座)的器件。
[0013] 上述便攜式北斗衛(wèi)星授時(shí)設(shè)備中，電源模塊采用型號為LT1963EST的器件。
[0014] 根據(jù)上述技術(shù)方案設(shè)計(jì)的便攜式北斗衛(wèi)星授時(shí)設(shè)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(diǎn)，提高了時(shí)統(tǒng)設(shè)備應(yīng)用范圍，降低了使用成 本，改善了與用時(shí)設(shè)備的適配性。與目前傳統(tǒng)的授時(shí)設(shè)備相比，本發(fā)明的主要優(yōu)勢為：
[0015] -、高集成度、一體化、微型化設(shè)計(jì)
[0016] 傳統(tǒng)北斗衛(wèi)星授時(shí)設(shè)備組成主要包括天線、線纜、主機(jī)、外設(shè)線纜等，系統(tǒng)連接復(fù) 雜、體積較大，不適用在野外環(huán)境下快速對便攜式設(shè)備進(jìn)行授時(shí)。針對運(yùn)一問題，本發(fā)明采 用高集成度的授時(shí)忍片來實(shí)現(xiàn)設(shè)備的微型化、一體化、便攜化，提高適用范圍。其中，北斗天 線模塊采用陶瓷材質(zhì)設(shè)計(jì)，在外觀結(jié)構(gòu)小型化前提下，保證更優(yōu)的接收性能;北斗信息處理 模塊采用北斗忍片加 ARM處理器(ARM忍片）的組合，既保證整機(jī)優(yōu)良的功能、性能，又保證設(shè) 備具備強(qiáng)大的信息處理能力；接口轉(zhuǎn)換模塊采用更加穩(wěn)定、可靠的串口轉(zhuǎn)USB接口轉(zhuǎn)換忍 片，使得設(shè)備可適應(yīng)更多的載體使用。
[0017] 二、USB即插即授時(shí)設(shè)計(jì)
[0018] 傳統(tǒng)北斗衛(wèi)星授時(shí)設(shè)備的線纜連接繁雜，通常采用串口輸出時(shí)間信號。目前主流 野外便攜式計(jì)算機(jī)等設(shè)備均不配備串口，不適應(yīng)傳統(tǒng)授時(shí)接收機(jī)。為增加授時(shí)設(shè)備的可用 性，本發(fā)明設(shè)置了集成USB轉(zhuǎn)換忍片，直接將設(shè)備內(nèi)部輸出的串口信號轉(zhuǎn)換為USB信號，供具 有USB接口的便攜式計(jì)算機(jī)等通用信息化設(shè)備使用，運(yùn)樣將傳統(tǒng)的串口通信方式提升到USB 通信層面，支持熱插拔，即插即用，實(shí)現(xiàn)了快速授時(shí)功能，提高了設(shè)備的通用性和便捷性。
[0019] S、低功耗設(shè)計(jì)
[0020] 傳統(tǒng)北斗衛(wèi)星授時(shí)設(shè)備功耗為幾十瓦，工作時(shí)需要大功率蓄電池或直流電供電， 不適應(yīng)野外授時(shí)。本發(fā)明產(chǎn)品的功耗僅為幾十毫瓦，利用USB供電即可正常使用，節(jié)約了電 能，提高了野外使用能力和適應(yīng)性。
[0021] 四、低成本設(shè)計(jì)
[0022] 傳統(tǒng)北斗授時(shí)用戶機(jī)根據(jù)精度不同，其人民幣造價(jià)從幾萬元到十幾萬元不等。本 發(fā)明產(chǎn)品基于高集成度的授時(shí)忍片進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)，將北斗天線模塊、北斗信息處理模塊、 接口轉(zhuǎn)接模塊等集成在類似U盤大小的設(shè)備中，采用忍片化設(shè)計(jì)，大大減小了設(shè)備體積并有 效降低了成本(降低幅度達(dá)到10倍W上），也大大節(jié)約了授時(shí)應(yīng)用費(fèi)用。
【附圖說明】
[0023] 圖1為本發(fā)明的整機(jī)結(jié)構(gòu)圖；
[0024] 圖2為本發(fā)明的模塊聯(lián)接框圖；
[0025] 圖3為本發(fā)明的信號流程圖；
[0026] 圖4為本發(fā)明的天線信號流程圖；
[0027] 圖5為本發(fā)明的射頻模塊信號流程圖；
[0028] 圖6為本發(fā)明的基帶信息處理模塊信號流程圖；
[0029] 圖7為本發(fā)明的導(dǎo)航信息處理模塊信號處理流程圖。
[0030] 圖中各數(shù)字標(biāo)記的名稱為：1一北斗天線模塊;2-北斗信息處理模塊，21-北斗忍 片，211-射頻通道電路，212-基帶信號處理電路，213-導(dǎo)航信息處理電路;22-ARM處理 器(ARM忍片）；3-接口轉(zhuǎn)換模塊;4-電源模塊;5-接口模塊;6-U盤式殼腔體。
【具體實(shí)施方式】
[0031] 如圖1和圖2所示，本發(fā)明所述的便攜式北斗衛(wèi)星授時(shí)設(shè)備包括裝配在U盤式殼腔 體中的北斗天線模塊1、北斗信息處理模塊2、接口轉(zhuǎn)換模塊3、電源模塊4和接口模塊5,北斗 天線模塊1用于接收北斗衛(wèi)星信號，北斗天線模塊1的輸出端接至北斗信息處理模塊2的輸 入端，北斗信息處理模塊2的輸出/輸入端經(jīng)接口轉(zhuǎn)換模塊3通至接口模塊5的輸入/輸出端， 接口模塊5實(shí)現(xiàn)與用戶設(shè)備的連接，電源模塊4用于向北斗天線模塊1、北斗信息處理模塊2 和接口轉(zhuǎn)換模塊3提供工作電源。
[0032] 上述授時(shí)設(shè)備中，北斗信息處理模塊2由北斗忍片21和ARM處理器(ARM忍片組 成，北斗忍片21接收北斗天線模塊1的輸出信號后，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(jīng)接口轉(zhuǎn)換模塊3通至接口模塊5的輸入/輸出端。。
[0033] 北斗信息處理模塊2進(jìn)一步的組成結(jié)構(gòu)如圖3所示，其中的北斗忍片21由射頻通道 電路211、基帶信號處理電路212和導(dǎo)航信息處理電路213組成，射頻通道電路211的輸入端 用于接收北斗天線模塊的輸出信號，射頻通道電路211的輸出端經(jīng)基帶信號處理電路212后 接至導(dǎo)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] 本發(fā)明具體結(jié)構(gòu)設(shè)置上，北斗天線模塊1采用陶瓷材料制的型號為Z-STAR(12*12) B1/L1的器件；北斗信息處理模塊2包括北斗忍片21和ARM處理器(ARM忍片）22,其中北斗忍 片21采用型號為T305的器件，工作中北斗忍片21主要用于處理射頻信號，提取時(shí)間信息； ARM處理器22采用型號為STM32F207的器件，用于控制數(shù)據(jù)流;接口轉(zhuǎn)換模塊3用來實(shí)現(xiàn)串口 時(shí)間信息轉(zhuǎn)換為USB時(shí)間信息，可采用型號為C冊40T的USB轉(zhuǎn)換忍片；電源模塊4采用型號為 LT1963EST的器件;接口模塊5采用型號為USB2.0(A型母座）的器件，用于實(shí)現(xiàn)與用戶用時(shí)設(shè) 備的連接。
[0035] 本發(fā)明的基本工作流程如下:北斗天線模塊1接收到北斗衛(wèi)星信號，將信號功率進(jìn) 行放大后，送給北斗信息處理模塊2,北斗信息處理模塊2完成信號、信息的處理、解算，并按 照標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議將時(shí)間信息輸出，輸出的時(shí)間信息經(jīng)接口轉(zhuǎn)換模塊3將原始的串口協(xié)議轉(zhuǎn)換為 USB協(xié)議，并通過接口模塊5向外輸出。電源模塊4為整機(jī)所有模塊提供電源支撐，將外部輸 入的5V電源轉(zhuǎn)換為3.3V后，提供給接口轉(zhuǎn)換模塊和信息處理模塊。
[0036] 本發(fā)明的具體的工作流程參見圖4-圖7,用戶機(jī)天線接收北斗二號衛(wèi)星(包括Bl和 B3頻點(diǎn)）上播發(fā)的RNSS導(dǎo)航信號，經(jīng)過前置濾波、低噪聲放大、下變頻、中頻濾波及放大后得
[0037] 到中頻梓擬信號。巧府的中頻信號可由下式親示：
(1,)
[0038] 其中，A。表示調(diào)制于Bl或B3頻點(diǎn)載波的普通測距碼振幅，Ap表示調(diào)制于Bl或B3頻點(diǎn) 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(diào)制的數(shù)據(jù)，Dp(t)表示精密測距碼上調(diào)制的數(shù)據(jù)，f。表示中頻載波頻率，fd表示多普勒 頻移，犯表示普通測距碼的中頻載波初相，夢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采樣器件轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，在接收機(jī)的基帶信號處理部分中按照 碼分多址進(jìn)行數(shù)字通道劃分，并分別進(jìn)行解擴(kuò)、解調(diào)。中頻采樣信號首先與本地偽碼信號C (t-T) W及本地載波信號t'os(2辦+約進(jìn)行乘法運(yùn)算處理，得到：
[0041]濾除和頻分量后，得到：[00421
[0040； ' 、。)
(3)
[0043] 當(dāng)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(dá)到一致，即f = fo+fd，^^巧；并且當(dāng)本地生成的普通測距碼與上述信號中的普通測距碼實(shí)現(xiàn)了相位對準(zhǔn) 的時(shí)候，即T = 0，c(t)c(t-T) = l，可獲得本地信號與上述信號關(guān)于普通測距碼的最大相關(guān)， 從而形成相關(guān)幅度峰值。
[0044] 偽碼的跟蹤狀態(tài)下，本地偽隨機(jī)序列將與被接收序列相位同步，而后將本地偽隨 機(jī)序列變換成便于進(jìn)行時(shí)間測量的脈沖(如帖同步頭），將此脈沖在用戶本地的時(shí)間軸上讀 數(shù)，同時(shí)從電文中解讀出該脈沖的發(fā)射時(shí)刻，兩者之間的時(shí)間差值T就相應(yīng)于用戶到衛(wèi)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(shù)學(xué)定義為：
[0045] p = r+ A r (4)
[0046] 式中，r為真實(shí)的距離，Ar為由各種因素引入的可為確定性的也可為隨機(jī)性的距 離崎變。例如，通常的Ar可W認(rèn)為包括用戶與衛(wèi)星之間的鐘差A(yù)tsu,衛(wèi)星信號的電離層延 時(shí)、對流層延時(shí)、測量熱噪聲等等?？紤]的因素越多，模型越精確，定位精度越高。
[0047] 接收機(jī)接收到四顆W上衛(wèi)星的偽距，并且能夠用某些手段(如差模型修正，雙頻修 正等)對偽距的傳播延遲進(jìn)行了修正，則用戶可W獲得如下的測量方程組：
[004引
（旨)
[0049] 其中的（x，y，z)為用戶的位置，（xsi，ysi，zsi)為第i顆衛(wèi)星的位置，可W通過解調(diào)數(shù) 據(jù)中所包含的導(dǎo)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(wèi)星與用戶的鐘差A(yù) t，At即為用戶時(shí)間與衛(wèi)星標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間的時(shí)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] 北斗信息處理忍片得到的時(shí)間等信息可W通過串口轉(zhuǎn)換USB接口模塊提供用戶， 也可W將時(shí)間信息進(jìn)行存儲記錄，便于后續(xù)處理和性能評定。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種便攜式北斗衛(wèi)星授時(shí)設(shè)備，其特征在于:包括一個(gè)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)中的北斗天線模塊(1)、北斗信息處理模塊(2)、接口轉(zhuǎn)換模 塊(3)、電源模塊(4)和接口模塊(5)，北斗天線模塊(1)用于接收北斗衛(wèi)星信號，北斗天線模 塊(1)的輸出端接至北斗信息處理模塊(2)的輸入端，北斗信息處理模塊(2)的輸出/輸入端 經(jīng)接口轉(zhuǎn)換模塊(3)通至接口模塊(5)的輸入/輸出端，接口模塊(5)實(shí)現(xiàn)與用戶設(shè)備的連 接，電源模塊(4)用于向北斗天線模塊（1)、北斗信息處理模塊(2)和接口轉(zhuǎn)換模塊(3)提供 工作電源。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的便攜式北斗衛(wèi)星授時(shí)設(shè)備，其特征在于：北斗信息處理模塊 (2)由北斗芯片（21)和ARM處理器(22)組成，北斗芯片（21)接收北斗天線模塊（1)的輸出信 號后，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(jīng) 接口轉(zhuǎn)換模塊(3)通至接口模塊(5)的輸入/輸出端。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的便攜式北斗衛(wèi)星授時(shí)設(shè)備，其特征在于:北斗芯片(21)由射頻 通道電路（211)、基帶信號處理電路（212)和導(dǎo)航信息處理電路（213)組成，射頻通道電路 (211)的輸入端用于接收北斗天線模塊（1)的輸出信號，射頻通道電路(211)的輸出端經(jīng)基 帶信號處理電路（212)后接至導(dǎo)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(jù)權(quán)利要求2所述的便攜式北斗衛(wèi)星授時(shí)設(shè)備，其特征在于:北斗芯片(21)采用型 號為T305的器件，ARM處理器(22)采用型號為STM32F207的器件。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的便攜式北斗衛(wèi)星授時(shí)設(shè)備，其特征在于：北斗天線模塊（1)采 用型號為Z-STAR(12*12)B1/L1的器件。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的便攜式北斗衛(wèi)星授時(shí)設(shè)備，其特征在于:接口轉(zhuǎn)換模塊(3)采 用型號為CH340T的USB轉(zhuǎn)換芯片。7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的便攜式北斗衛(wèi)星授時(shí)設(shè)備，其特征在于:接口模塊(5)采用型 號為USB2.0的器件。8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的便攜式北斗衛(wèi)星授時(shí)設(shè)備，其特征在于：電源模塊(4)采用型 號為LT1963EST的器件。
【文檔編號】G04R20/04GK105955013SQ201610427550
【公開日】2016年9月21日
【申請日】2016年6月16日
【發(fā)明人】田亞素, 賈亮, 董希彥, 高飛, 孔青菊, 肖云, 李瑞鋒
【申請人】西安航光衛(wèi)星測控技術(shù)有限公司