北斗二号定位定时授时终端、定向方法、定位方法、通信方法与流程

本发明属于卫星通信领域，具体涉及北斗二号定位定时授时终端、定向方法、定位方法、通信方法。

背景技术：

随着北斗导航产业的快速发展，市场上导航相关产品越来越多，功能越来越丰富。同时，市场对北斗定位定向设备提出了新的功能需求，要求该设备能够完成定位、定向、授时及抗干扰的平台，实现迅速可靠的导航定位和定向功能，能够提供精确的授时服务，具备窄带抗干扰能力。

市场上目前具备差分定位的产品，差分信息均采用有线的方式传输，进行测试时需要配备辅助测试设备进行数据的接收。

技术实现要素：

为了解决市场上目前具备差分定位的产品使用功能单一的问题，本发明提供了北斗二号定位定时授时终端、定向方法、定位方法、通信方法。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：

北斗二号定位定时授时终端，包括：

主天线，用于支持bd2、gps和glonass三个系统共五个频点信号的捕获、跟踪与联合定位，并支持bd2rdss短报文通信、有源定位功能；

副天线，用于支持bd2、gps和glonass三个系统共五个频点信号的捕获、跟踪与联合定位；

电缆，包括供电线缆及数据线缆，供电线缆主要完成主天线给副天线供电，数据线缆通过主副天线的观测量数据互传实现有线模式定向。

充电器，完成主天线电池、副天线电池的离线充电。

上述的北斗二号定位定时授时终端，所述主天线包括：

天线单元，包括rnss天线单元、rdss天线单元，用于完成卫星电磁波信号和设备电信号的相互转换；

信号处理单元，用于对接收的信号进行处理；

差分信息接收单元，用于接收基站的差分数据，并将该数据送入定向授时算法单元，参与定向解算；

定向授时算法单元，用于完成定向算法和高精度定位算法实现，数据源分别来自主天线的rnss观测量、副天线的rnss观测量和rtk差分数据，完成解算，并将解算的结果送给显控处理单元处理；

显控处理单元，用于完成内部与外部的数据交互，包括串口管理、电源管理、屏幕显示、按键事件处理、开关机、rdss通信；

显示屏，用于显示经度、纬度、海波、真北、时间、电池电量等信息；

电源管理单元，用于主要完成主天线的电源管理。

上述的北斗二号定位定时授时终端，所述副天线包括：

rnss天线单元，用于完成卫星电磁波信号和设备电信号的相互转换；

信号处理单元，用于完成定位、定向功能，可提原始观测量；支持prm芯片、rnssmpd007芯片加注功能，支持prm时效参数申请功能；

差分信息接收单元，用于接收基站的差分数据，并将该数据送入定向授时算法单元，参与定向解算；

电源管理单元，用于主要完成主天线的电源管理。

上述的北斗二号定位定时授时终端，rnss天线单元、rdss天线单元分别包括：

天线振子，包括b3、b1、l1、r1接收天线，所述主天线还包括s频点接收天线和l频点发射天线，用于完成卫星电磁波信号和设备电信号的相互转换；

低噪放，用于完成b3、b1、l1、r1、主天线s频点信号的滤波、放大；

功放，用于完成主天线l频点信号的功率放大和滤波。

上述的北斗二号定位定时授时终端，所述信号处理单元包括：

rdss单元，用于完成s频段的下变频处理，然后通过ad采样，基带部分完成信号的捕获、跟踪及解算；并按照固定的协议发送到数据接口，接收数据接口发送的指令，按照入站信号格式打包发射数据，完成定位申请、通信申请等功能，并支持rdssmpd009加注功能；

rnss单元，用于完成定位、定向功能，可提原始观测量；支持prm芯片、rnssmpd007芯片加注功能，支持prm时效参数申请功能。

上述的北斗二号定位定时授时终端，还包括显控处理单元，所述显控处理单元用于完成内部与外部的数据交互，包括串口管理、电源管理、屏幕显示、按键事件处理、开关机、rdss通信。

一种定向方法，使用上述的北斗二号定位定时授时终端，该定位方法是利用rnss业务的b3频点、b1频点进行双频定向，通过差分信息接收模块实现无线定向功能，该方法包括以下步骤：

1).主副天线接收视场内所有的rnssb3和b1频点信号，分别经过限幅后，进行低噪声放大以及滤波，经放大和滤波后的两路射频信号进行合路处理；

2).信号处理单元中的rnss单元在接收到天线单元的射频信号线送入射频单元，射频单元根据频率不同进行功分、放大、滤波和下变频处理；

3).rnss单元中的基带处理将下变频后的中频信号进行ad采样量化转换为数字信号，数字信号送入基带处理芯片，完成信号的捕获、跟踪、伪距测量，观测量提取，提取的观测量数据送至信号处理单元定向授时算法单元；

4).定向授时算法单元处理来自差分信息接收单元的差分数据、rnss的观测量数据和副天线的观测量数据，完成定向解算；并将定向结果送至显控单元。

一种定位方法，使用上述的北斗二号定位定时授时终端，利用rnss业务b3频点、b1频点(gpsl1频点)进行单频和双频定位，并可接收北斗差分基准站播发的差分信息实时或准实时进行伪距差分定位，该定位方法包括以下步骤：

1).主副天线接收视场内所有的rnssb3和b1/l1频点信号，分别经过限幅后，进行低噪声放大以及滤波，经放大和滤波后的两路射频信号进行合路处理；

2).信号处理单元中的rnss单元在接收到天线单元的射频信号线送入射频单元，射频单元根据频率不同进行功分、放大、滤波和下变频处理；

3).rnss单元中的基带处理将下变频后的中频信号进行ad采样量化转换为数字信号，数字信号送入基带处理部分，完成信号的捕获、跟踪、伪距测量，由内部微处理器完成pvt解算，并将卫星状况、定位信息等送至显控单元，同时，基带处理部分通过外部串口接收北斗差分基准站播发的差分信息实时或准实时进行伪距差分定位。

一种通信方法，使用上述的北斗二号定位定时授时终端，利用rdss业务来实现，通过对s频点信号进行接收、处理和测量，同时完成rdss业务l频点入站信号的播发实现通信；该通信方法包括以下步骤：

1).天线单元接收视场内所有的rdsss频点信号，经过限幅后，进行低噪声放大以及滤波；

2).rdss单元中基带处理接收外设的发送指令，按照入站信号格式打包发射数据，调制成基带信号，发送给rdss射频模块，射频模块对数据进行载波调制、整形、滤波后，送入l频点功放经过功率放大后，通过天线馈源发射出去，完成定位申请、通信申请等功能。

本发明的有益效果：

1.本发明的主天线和副天线采用的一体化设计，将数传电台的功能集成在主、副天线中，即设备可独立完成伪距差分定位功能，同时在双天线之间实现无线定向功能；

2.在已有的技术基础上，对抗干扰捕获算法进行改进，减少信号损伤，增强抗干扰能力，采用频域干扰消除技术能有效对抗窄带干扰，显著提高信干噪比，改善接收信号的误比特率，但接收机除了要接收数据信息外，还有伪距测量功能，需要评估频域干扰消除对伪距测量的影响；

3.信号处理单元设计有16个接收通道，北斗二号区域系统星座规划卫星12颗，对于单频应用，接收机接收12颗卫星即可获得很好的dop值，此时以一个通道进行前向扫描是可行的；而对于双频应用，则可以优先捕获8个b3频点信号，之后再以一个通道进行前向扫描，当确定所有b3频点信号可信后，再根据b3信号的观测值，在很小的不确定范围内进行b1信号搜索。本发明几乎不占用额外的硬件资源，而软件资源也非常小，在捕获所有必要的卫星后进行，由于搜索时间范围仅为数毫秒，在很短时间内即可完成。

以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。

附图说明

图1是北斗二号定位定时授时终端组成框图。

图2是北斗二号定位定时授时终端(主天线)工作原理图。

图3是窄带干扰下扩频信号频谱图。

图4是窄带干扰下扩频s曲线图。

图5是频域干扰消除后扩频信号频谱图。

图6是频域干扰消除后扩频s曲线。

具体实施方式

为进一步阐述本发明达成预定目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及实施例对本发明的具体实施方式、结构特征及其功效，详细说明如下。

参照图1-图2，本实施例的北斗二号定位定时授时终端为固定式或移动式设备，可接收北斗二号系统播发的rnss信号(b3、b1频点)和rdss出站信号(s频点)，并可发射l频点的入站信号(主天线具备)，在北斗二号系统服务区实现实时导航定位、测速、定向、授时以及定位申请、通信申请、位置报告等功能，同时具备gpsl1、glonassr1定位功能。北斗二号定位定向授时终端可完成定位定向以及通信、显示定位定向数据等功能。

北斗二号定位定时授时终端是利用bd-2卫星rnss(b3、b1频点)、rdss和gpsl1、glonassr1来实现导航、定位、定向、授时、定位申请、通信申请和位置报告等功能的用户终端。

北斗二号定位定向授时终端包括主天线、副天线、电缆及充电器等，主、副天线采用一体化设计。

主天线包括rnss天线单元、rdss天线单元、信号处理单元(rnss、rdss一体化设计)、定向授时算法单元、显控处理单元、差分信息接收单元、屏幕、电池及充电器等。

副天线包括rnss天线单元、信号处理单元(rnss)、差分信息接收单元、电池及充电器等。

主天线侧面设计显示屏、显示经度、纬度、海波、真北、时间、电池电量等。

主、副天线均选用18650电池，支持离线充电。

a)天线单元包含天线振子、低噪放(含合路功能)、功放三部分组成，天线振子包含b3、b1/l1/r1接收天线，主天线还包含s频点接收天线和l频点发射天线，完成卫星电磁波信号和设备电信号的相互转换；低噪放完成b3、b1/l1/r1、s频点信号的滤波、放大；功放完成l频点信号的功率放大和滤波；

b)信号处理单元分为两部分：rdss单元和rnss单元。rdss单元主要完成s频段的下变频处理，然后通过ad采样，基带部分完成信号的捕获、跟踪及解算等；并按照固定的协议发送到数据接口，接收数据接口发送的指令，按照入站信号格式打包发射数据，完成定位申请、通信申请等功能；并支持rdssmpd009加注功能。rnss单元完成定位、定向功能，可提原始观测量；支持prm芯片、rnssmpd007芯片加注功能，支持prm时效参数申请功能；

c)无线通信方式(或者串口)用于主天线与副天线之间观测量数据的传输，并将该数据送入定向授时算法单元，参与定向解算；

d)rtk单元(差分信息接收单元)是接收基站的差分数据，并将该数据送入定向授时算法单元，参与定向解算；

e)定向授时算法单元是核心解算单元，分别实现完成定向算法和高精度定位算法实现，数据源分别来自主天线的rnss观测量、副天线的rnss观测量和rtk差分数据，完成解算，并将解算的结果送给显控处理单元处理；

f)显控处理单元完成内部与外部的数据交互，包括串口管理、电源管理、屏幕显示、按键事件处理、开关机、rdss通信等；

g)电源管理单元主要完成主、副天线的电源管理，一是实现电池和外部电源的无缝切换，二是实现天线内部各功能单元的供电管理；

h)显控单元内嵌操作系统，选用宽温度范围的oled屏；

i)结构模块完成上述设备的固定安装，并考虑良好的环境适应性和电磁兼容性。

本实施例的效果分析：

1、抗窄带干扰

在已有的技术基础上，对抗干扰捕获算法进行改进，减少信号损伤，增强抗干扰能力，仿真结果表明能够实现本项目抗窄带干扰指标，满足项目研制需要。

采用频域干扰消除技术能有效对抗窄带干扰，显著提高信干噪比，改善接收信号的误比特率，但接收机除了要接收数据信息外，还有伪距测量功能，需要评估频域干扰消除对伪距测量的影响。

仿真结果表明，存在干扰时，不采用抗干扰措施，较小的干扰即可引起解扩包络的变形和s曲线偏离，即干扰会严重影响伪距的测量，如图3、图4所示。

当采用频域干扰消除技术后，干扰信号基本被消除，有用信号能量及波形也有一定损失，但其归一化解扩包络和s曲线保持对称，与无干扰时一致，即频域干扰消除不会对码环跟踪造成明显影响，如图5、图6所示。

干扰消除模块会增加测量零值，但不会对伪距测量方差带来影响，经过验证，与仿真结论一致。

综上所述，抗窄带干扰关键技术的解决方案合理可行，能够满足本项目的抗窄带干扰指标要求。

2、抗转发式干扰

信号处理单元设计有16个接收通道，北斗二号区域系统星座规划卫星12颗，对于单频应用，接收机接收12颗卫星即可获得很好的dop值(实验表明通常可见北斗卫星数一般不超过8颗)，此时以一个通道进行前向扫描是可行的；而对于双频应用，则可以优先捕获8个b3频点信号，之后再以一个通道进行前向扫描，当确定所有b3频点信号可信后，再根据b3信号的观测值，在很小的不确定范围内进行b1信号搜索。

上述搜索过程完全是利用已有信号捕获机制进行，因此几乎不占用额外的硬件资源，而软件资源也非常小。在捕获所有必要的(dop足够小)卫星后进行，由于搜索时间范围仅为数毫秒，在很短时间内即可完成。

综上，转发式干扰的检测与消除方法是有效的，且所占用资源非常小，因此也是可行的。

北斗二号定位定时授时终端具有定位、定向和通信功能，下面具体叙述北斗二号定位定时授时终端的方法步骤：

定位功能主要利用rnss业务b3频点、b1频点(gpsl1频点)进行单频和双频定位，并可接收北斗差分基准站播发的差分信息实时或准实时进行伪距差分定位。

定向功能主要利用rnss业务的b3频点、b1频点进行双频定向，通过差分信息接收模块实现无线定向功能。

通信功能主要利用rdss业务来实现，通过对s频点信号进行接收、处理和测量，同时完成rdss业务l频点入站信号的播发实现通信。

下面以主天线为例介绍其的工作原理，框图如图2所示：

定向流程

a)天线单元接收视场内所有的rnssb3和b1频点信号，分别经过限幅后，进行低噪声放大以及滤波。经放大和滤波后的两路射频信号进行合路处理；

b)信号处理单元中的rnss单元在接收到天线单元的射频信号线送入射频单元，射频单元根据频率不同进行功分、放大、滤波和下变频处理(采用低中频方案，简化软硬件流程)；

c)rnss单元中的基带处理将下变频后的中频信号进行ad采样量化转换为数字信号，数字信号送入基带处理芯片，完成信号的捕获、跟踪、伪距测量，观测量提取，提取的观测量数据送至信号处理单元定向授时算法单元；

d)定向授时算法单元处理来自rtk单元的差分数据、rnss的观测量数据和副天线的观测量数据，完成定向解算；并将定向结果送至显控单元；考虑兼容性设计，观测量数据也可通过有线的方式传送。

定位流程

a)天线单元接收视场内所有的rnssb3和b1/l1频点信号，分别经过限幅后，进行低噪声放大以及滤波。经放大和滤波后的两路射频信号进行合路处理；

b)信号处理单元中的rnss单元在接收到天线单元的射频信号线送入射频单元，射频单元根据频率不同进行功分、放大、滤波和下变频处理(采用低中频方案，简化软硬件流程)；

c)rnss单元中的基带处理将下变频后的中频信号进行ad采样量化转换为数字信号，数字信号送入基带处理部分，完成信号的捕获、跟踪、伪距测量，由内部微处理器完成pvt解算，并将卫星状况、定位信息等送至显控单元。同时，基带处理部分通过外部串口接收北斗差分基准站播发的差分信息实时或准实时进行伪距差分定位。

通信流程

a)天线单元接收视场内所有的rdsss频点信号，经过限幅后，进行低噪声放大以及滤波；

b)rdss单元中基带处理接收外设的发送指令，按照入站信号格式打包发射数据，调制成基带信号，发送给rdss射频模块，射频模块对数据进行载波调制、整形、滤波后，送入l频点功放经过功率放大后，通过天线馈源发射出去，完成定位申请、通信申请等功能。

授时守时流程

为了控制用户机的授时输出，需要对测量信号的采样间隔进行计算，由下面几个步骤实现：

a)接收机开始定位解算，经过一段时间后，接收机钟差、频差收敛到稳定的值。

b)通过控制两次解算之间的采样个数，使解算时刻与整秒时刻之间的差值在1个采样间隔周期内，这个过程称为粗调，在每次解算开始后只执行1次。

c)经过粗调后的解算时间秒脉冲与utc整秒时刻差值在1个采样间隔周期内，设差值为delta_t秒，则控制下一个解算周期为1+delta_t秒，则下1个解算时刻秒脉冲与整秒时刻同步；对解算周期的修改，通过改变两次解算之间某个采样间隔的周期实现，即改变这个采样间隔的周期为meas_period+delta_t秒，这个过程称为精调，在每次解算完成后都执行1次。

接收机的定位解算和采样间隔的计算在信息处理模块内完成，然后将采样间隔输出到信号处理模块，完成授时功能。

副天线的定向结算与主天线流程一致，但不支持屏幕显示。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。