便携式北斗卫星授时设备的制造方法
【专利摘要】本发明涉及一种便携式北斗卫星授时设备，包括装配在U盘式壳腔体中的北斗天线模块、北斗信息处理模块、接口转换模块、电源模块和接口模块，北斗天线模块用于接收北斗卫星信号，北斗天线模块的输出端接至北斗信息处理模块的输入端，北斗信息处理模块的输出/输入端经接口转换模块通至接口模块的输入/输出端，接口模块实现与用户设备的连接。与现有技术相比，本发明具有高度集成性、便携型、接口通用性以及超低功耗、高精度、微型化的特点，提高了时统设备应用范围，降低了使用成本，改善了与用时设备的适配性。
【专利说明】
便携式北斗卫星授时设备
技术领域
[0001] 本
【发明内容】
属于卫星导航应用设备技术领域，设及一种便携式北斗卫星授时设 备。
【背景技术】
[0002] 北斗卫星导航系统是我国自行研制的全球卫星导航系统，该系统2012年12月27日 起正式对亚太地区提供无源定位，导航，授时服务。随着北斗卫星导航技术的发展，北斗终 端设备也在向多功能，高精度，高集成等方向发展，现已广泛应用于水文测报，渔船监控，森 林防火等领域。
[0003] 目前市场上已有的北斗卫星授时设备主要有北斗定时型用户机、北斗数显时钟 等，其工作原理是通过天线接收卫星信号，射频基带处理模块将接收到的卫星星历进行解 算，最后将解算出的时间信息通过串口输出。然而，在实际使用环境中，市场上目前的各类 授时型产品均表现出较多缺点与不便，使用过程中归纳的主要缺点如下：1)传统的授时类 设备体积较大，采取分体式设计，天线与主机之间通过射频线缆连接，在使用、安装过程中 需要利用专口的场所、载体(如固定机柜等)和工具进行，无法满足突发现场或快速机动环 境下的授时需求;2)在与外界设备互联互通方式上，现有设备需采用串口通信形式进行，通 过串口线缆连接，要求使用设备必须具备串口，不能与其他设备对接交互，对使用环境有一 定的局限性，不能满足在快速机动等环境中设备与卫星时间同步工作的需求;3)现有设备 的功耗较大，用户机功耗为几十瓦，需要大功率蓄电池或直流电供电，不适应野外授时。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于对现有技术存在的问题加 W解决，提供一种结构合理、功耗低、 体积小、便于携带、时间同步精度高、可直接与通用信息化设备相连接、从而实现快速授时 功能的便携式北斗卫星授时设备，该北斗卫星授时设备也被
【申请人】称之为"北斗授时V盘"。
[0005] 为实现上述发明目的而采用的技术解决方案如下：
[0006] -种便携式北斗卫星授时设备，包括一个带有扣合盖的便携U盘式壳腔体和装配 在U盘式壳腔体中的北斗天线模块、北斗信息处理模块、接口转换模块、电源模块和接口模 块，北斗天线模块用于接收北斗卫星信号，北斗天线模块的输出端接至北斗信息处理模块 的输入端，北斗信息处理模块的输出/输入端经接口转换模块通至接口模块的输入/输出 端，接口模块实现与用户设备的连接，电源模块用于向北斗天线模块、北斗信息处理模块和 接口转换模块提供工作电源。
[0007] 上述便携式北斗卫星授时设备中，北斗信息处理模块由北斗忍片和ARM处理器 (ARM忍片)组成，北斗忍片接收北斗天线模块的输出信号后，其输出/输入端通至ARM处理器 的输入/输出端，ARM处理器的输出/输入端经接口转换模块通至接口模块的输入/输出端。 [000引上述便携式北斗卫星授时设备中，北斗忍片由射频通道电路、基带信号处理电路 和导航信息处理电路组成，射频通道电路的输入端用于接收北斗天线模块的输出信号，射 频通道电路的输出端经基带信号处理电路后接至导航信息处理电路的输入端，基带信号处 理电路的ARM信号输入端与ARM处理器的输出端连接。
[0009] 上述便携式北斗卫星授时设备中，北斗忍片采用型号为T305的器件，ARM处理器采 用型号为STM32F207的器件。
[0010] 上述便携式北斗卫星授时设备中，北斗天线模块采用陶瓷材质，型号为Z-STAR (12*12)B1/L1 的器件。
[0011] 上述便携式北斗卫星授时设备中，接口转换模块采用型号为CH340T的USB转换忍 片。
[0012] 上述便携式北斗卫星授时设备中，接口模块采用型号为USB2.0(A型母座)的器件。
[0013] 上述便携式北斗卫星授时设备中，电源模块采用型号为LT1963EST的器件。
[0014] 根据上述技术方案设计的便携式北斗卫星授时设备具有高度集成性、便携型、接 口通用性W及超低功耗、高精度、微型化的特点，提高了时统设备应用范围，降低了使用成 本，改善了与用时设备的适配性。与目前传统的授时设备相比，本发明的主要优势为：
[0015] -、高集成度、一体化、微型化设计
[0016] 传统北斗卫星授时设备组成主要包括天线、线缆、主机、外设线缆等，系统连接复 杂、体积较大，不适用在野外环境下快速对便携式设备进行授时。针对运一问题，本发明采 用高集成度的授时忍片来实现设备的微型化、一体化、便携化，提高适用范围。其中，北斗天 线模块采用陶瓷材质设计，在外观结构小型化前提下，保证更优的接收性能;北斗信息处理 模块采用北斗忍片加 ARM处理器(ARM忍片）的组合，既保证整机优良的功能、性能，又保证设 备具备强大的信息处理能力；接口转换模块采用更加稳定、可靠的串口转USB接口转换忍 片，使得设备可适应更多的载体使用。
[0017] 二、USB即插即授时设计
[0018] 传统北斗卫星授时设备的线缆连接繁杂，通常采用串口输出时间信号。目前主流 野外便携式计算机等设备均不配备串口，不适应传统授时接收机。为增加授时设备的可用 性，本发明设置了集成USB转换忍片，直接将设备内部输出的串口信号转换为USB信号，供具 有USB接口的便携式计算机等通用信息化设备使用，运样将传统的串口通信方式提升到USB 通信层面，支持热插拔，即插即用，实现了快速授时功能，提高了设备的通用性和便捷性。
[0019] S、低功耗设计
[0020] 传统北斗卫星授时设备功耗为几十瓦，工作时需要大功率蓄电池或直流电供电， 不适应野外授时。本发明产品的功耗仅为几十毫瓦，利用USB供电即可正常使用，节约了电 能，提高了野外使用能力和适应性。
[0021] 四、低成本设计
[0022] 传统北斗授时用户机根据精度不同，其人民币造价从几万元到十几万元不等。本 发明产品基于高集成度的授时忍片进行一体化设计，将北斗天线模块、北斗信息处理模块、 接口转接模块等集成在类似U盘大小的设备中，采用忍片化设计，大大减小了设备体积并有 效降低了成本(降低幅度达到10倍W上），也大大节约了授时应用费用。
【附图说明】
[0023] 图1为本发明的整机结构图；
[0024] 图2为本发明的模块联接框图；
[0025] 图3为本发明的信号流程图；
[0026] 图4为本发明的天线信号流程图；
[0027] 图5为本发明的射频模块信号流程图；
[0028] 图6为本发明的基带信息处理模块信号流程图；
[0029] 图7为本发明的导航信息处理模块信号处理流程图。
[0030] 图中各数字标记的名称为：1一北斗天线模块;2-北斗信息处理模块，21-北斗忍 片，211-射频通道电路，212-基带信号处理电路，213-导航信息处理电路;22-ARM处理 器(ARM忍片）；3-接口转换模块;4-电源模块;5-接口模块;6-U盘式壳腔体。
【具体实施方式】
[0031] 如图1和图2所示，本发明所述的便携式北斗卫星授时设备包括装配在U盘式壳腔 体中的北斗天线模块1、北斗信息处理模块2、接口转换模块3、电源模块4和接口模块5,北斗 天线模块1用于接收北斗卫星信号，北斗天线模块1的输出端接至北斗信息处理模块2的输 入端，北斗信息处理模块2的输出/输入端经接口转换模块3通至接口模块5的输入/输出端， 接口模块5实现与用户设备的连接，电源模块4用于向北斗天线模块1、北斗信息处理模块2 和接口转换模块3提供工作电源。
[0032] 上述授时设备中，北斗信息处理模块2由北斗忍片21和ARM处理器(ARM忍片组 成，北斗忍片21接收北斗天线模块1的输出信号后，其输出/输入端通至ARM处理器22的输 入/输出端，ARM处理器22的输出/输入端经接口转换模块3通至接口模块5的输入/输出端。。
[0033] 北斗信息处理模块2进一步的组成结构如图3所示，其中的北斗忍片21由射频通道 电路211、基带信号处理电路212和导航信息处理电路213组成，射频通道电路211的输入端 用于接收北斗天线模块的输出信号，射频通道电路211的输出端经基带信号处理电路212后 接至导航信息处理电路213的输入端，基带信号处理电路212的ARM信号输入端与ARM处理器 22的输出端连接。
[0034] 本发明具体结构设置上，北斗天线模块1采用陶瓷材料制的型号为Z-STAR(12*12) B1/L1的器件；北斗信息处理模块2包括北斗忍片21和ARM处理器(ARM忍片）22,其中北斗忍 片21采用型号为T305的器件，工作中北斗忍片21主要用于处理射频信号，提取时间信息； ARM处理器22采用型号为STM32F207的器件，用于控制数据流;接口转换模块3用来实现串口 时间信息转换为USB时间信息，可采用型号为C册40T的USB转换忍片；电源模块4采用型号为 LT1963EST的器件;接口模块5采用型号为USB2.0(A型母座）的器件，用于实现与用户用时设 备的连接。
[0035] 本发明的基本工作流程如下:北斗天线模块1接收到北斗卫星信号，将信号功率进 行放大后，送给北斗信息处理模块2,北斗信息处理模块2完成信号、信息的处理、解算，并按 照标准协议将时间信息输出，输出的时间信息经接口转换模块3将原始的串口协议转换为 USB协议，并通过接口模块5向外输出。电源模块4为整机所有模块提供电源支撑，将外部输 入的5V电源转换为3.3V后，提供给接口转换模块和信息处理模块。
[0036] 本发明的具体的工作流程参见图4-图7,用户机天线接收北斗二号卫星(包括Bl和 B3频点）上播发的RNSS导航信号，经过前置滤波、低噪声放大、下变频、中频滤波及放大后得
[0037] 到中频梓拟信号。巧府的中频信号可由下式亲示：
(1,)
[0038] 其中，A。表示调制于Bl或B3频点载波的普通测距码振幅，Ap表示调制于Bl或B3频点 载波的精密测距码振幅，C(t)表示普通测距码，P(t)表示精密测距码，Dc(t)表示普通测距 码上调制的数据，Dp(t)表示精密测距码上调制的数据，f。表示中频载波频率，fd表示多普勒 频移，犯表示普通测距码的中频载波初相，梦P表示精密测距码的中频载波初相，n(t)表示高 斯白噪声。
[0039] 上述信号由A/D采样器件转化为数字信号，在接收机的基带信号处理部分中按照 码分多址进行数字通道划分，并分别进行解扩、解调。中频采样信号首先与本地伪码信号C (t-T) W及本地载波信号t'os(2辦+約进行乘法运算处理，得到：
[0041]滤除和频分量后，得到：[00421
[0040； ' 、。)
(3)
[0043] 当本地载波信号的频率及相位与上述信号中的载波频率及相位达到一致，即f = fo+fd，^^巧；并且当本地生成的普通测距码与上述信号中的普通测距码实现了相位对准 的时候，即T = 0，c(t)c(t-T) = l，可获得本地信号与上述信号关于普通测距码的最大相关， 从而形成相关幅度峰值。
[0044] 伪码的跟踪状态下，本地伪随机序列将与被接收序列相位同步，而后将本地伪随 机序列变换成便于进行时间测量的脉冲(如帖同步头），将此脉冲在用户本地的时间轴上读 数，同时从电文中解读出该脉冲的发射时刻，两者之间的时间差值T就相应于用户到卫星的 伪距P，所谓的伪距可W理解为与距离是同一量纲而且包含有距离信息，却又不单纯是距离 的物理测量量。具体的数学定义为：
[0045] p = r+ A r (4)
[0046] 式中，r为真实的距离，Ar为由各种因素引入的可为确定性的也可为随机性的距 离崎变。例如，通常的Ar可W认为包括用户与卫星之间的钟差Atsu,卫星信号的电离层延 时、对流层延时、测量热噪声等等。考虑的因素越多，模型越精确，定位精度越高。
[0047] 接收机接收到四颗W上卫星的伪距，并且能够用某些手段(如差模型修正，双频修 正等)对伪距的传播延迟进行了修正，则用户可W获得如下的测量方程组：
[004引
（旨)
[0049] 其中的（x，y，z)为用户的位置，（xsi，ysi，zsi)为第i颗卫星的位置，可W通过解调数 据中所包含的导航电文中获得。
[0050] 有了上述的观测方程就可W解算获得用户的位置(x，y，z)和卫星与用户的钟差A t，At即为用户时间与卫星标准时间的时差。解算的方法有最小二乘算法和卡尔曼滤波算 法，其中卡尔曼滤波算法具有较高的噪声抑制能力。
[0051] 北斗信息处理忍片得到的时间等信息可W通过串口转换USB接口模块提供用户， 也可W将时间信息进行存储记录，便于后续处理和性能评定。
【主权项】
1. 一种便携式北斗卫星授时设备，其特征在于:包括一个带有扣合盖的便携U盘式壳腔 体(6)和装配在U盘式壳腔体(6)中的北斗天线模块(1)、北斗信息处理模块(2)、接口转换模 块(3)、电源模块(4)和接口模块(5)，北斗天线模块(1)用于接收北斗卫星信号，北斗天线模 块(1)的输出端接至北斗信息处理模块(2)的输入端，北斗信息处理模块(2)的输出/输入端 经接口转换模块(3)通至接口模块(5)的输入/输出端，接口模块(5)实现与用户设备的连 接，电源模块(4)用于向北斗天线模块（1)、北斗信息处理模块(2)和接口转换模块(3)提供 工作电源。2. 根据权利要求1所述的便携式北斗卫星授时设备，其特征在于：北斗信息处理模块 (2)由北斗芯片（21)和ARM处理器(22)组成，北斗芯片（21)接收北斗天线模块（1)的输出信 号后，其输出/输入端通至ARM处理器(22)的输入/输出端，ARM处理器(22)的输出/输入端经 接口转换模块(3)通至接口模块(5)的输入/输出端。3. 根据权利要求2所述的便携式北斗卫星授时设备，其特征在于:北斗芯片(21)由射频 通道电路（211)、基带信号处理电路（212)和导航信息处理电路（213)组成，射频通道电路 (211)的输入端用于接收北斗天线模块（1)的输出信号，射频通道电路(211)的输出端经基 带信号处理电路（212)后接至导航信息处理电路(213)的输入端，基带信号处理电路（212) 的ARM信号输入端与ARM处理器(22)的输出端连接。4. 根据权利要求2所述的便携式北斗卫星授时设备，其特征在于:北斗芯片(21)采用型 号为T305的器件，ARM处理器(22)采用型号为STM32F207的器件。5. 根据权利要求1所述的便携式北斗卫星授时设备，其特征在于：北斗天线模块（1)采 用型号为Z-STAR(12*12)B1/L1的器件。6. 根据权利要求1所述的便携式北斗卫星授时设备，其特征在于:接口转换模块(3)采 用型号为CH340T的USB转换芯片。7. 根据权利要求1所述的便携式北斗卫星授时设备，其特征在于:接口模块(5)采用型 号为USB2.0的器件。8. 根据权利要求1所述的便携式北斗卫星授时设备，其特征在于：电源模块(4)采用型 号为LT1963EST的器件。
【文档编号】G04R20/04GK105955013SQ201610427550
【公开日】2016年9月21日
【申请日】2016年6月16日
【发明人】田亚素, 贾亮, 董希彦, 高飞, 孔青菊, 肖云, 李瑞锋
【申请人】西安航光卫星测控技术有限公司