增强卫星导航信号的反射贴设计装置的制作方法

本实用新型涉及一种增强卫星导航信号的反射贴设计装置，属于电磁信号处理技术领域，可以在基于卫星导航定位和位置服务的无人机/有人机、无人车/有人车系统和无人船舶/有人船舶系统领域广泛应用。

背景技术：

无人机产业是一个新兴的高科技产业，从研发、制造到使用、管理及服务涉及诸多领域。其产业链上游主要是新兴材料、电子系统设计、软件设计等，产业链除了军用这个主要市场外，还涉及到科学研究、农业、电力、运输、气象等诸多行业。目前，军用无人机数量最多，技术水平也最高。民用无人机主要集中在科学研究和政府相关部门内，产业链下游尚未完全形成规模化且长期稳定的商业客户群体。

总体而言，全球民用无人机的发展基本处于起步阶段，但世界各国都已意识到无人机在军用和民用领域所具备的巨大应用潜力和广阔应用前景，对无人机产业发展给予广泛重视和大力支持。

无人机系统主要包括飞机机体、飞控系统、导航系统、数据链系统、发射回收系统、电源系统等、飞控系统又称飞行管理与控制线系统，相当于无人机系统的“心脏”部分，对无人机的稳定性、数据传输的可靠性、精确度、实时性等都有重要影响，对其飞行性能起决定的作用；数据链系统可以保证对遥控指令的准确传输，以及无人机接受、发送信息的实时性和可靠性，以确保信息反馈的及时有效性和顺利、准确的完成任务。发射回收系统保证无人机顺利升空以达到安全的高度和速度飞行，并在执行任务完成后从天空安全回落到地面。

其中无人机在飞行过程一个重要的环节就是导航系统，无人机导航系统是无人机的“眼睛”，多技术结合是未来发展的方向。导航系统负责向无人机提供参考坐标系的位置、速度、飞行姿态等矢量信息，引导无人机按照指定航线飞行，相对于有人机的领航员。

无人机机载导航系统主要分非自主(GPS导航)和自主导航(惯性导航)两种，但分别有易受干扰和误差积累增大的缺点，而无人机的发展要求障碍回避、物资或武器投放、自动进场着陆等功能，需要高精度、高可靠性、高抗干扰性能。

从使用范围而言：现有抗干扰技术的缺点主要服务于专业导航领域，对于定位效果要求比较高，对成本价格不太关注的行业和使用群体。从研发投入而言现有技术需要专业的技术团队支持，尤其是大量的资金投入和长时间的验证测试才能完成。从成本考虑现有技术不适合于追求低成本的消费群体。

技术实现要素：

本实用新型重点针对无人机导航系统中非自主GPS导航方式容易受干扰的问题进行优化设计。为达到上述目的，本实用新型提供了一种增强卫星导航信号的反射贴设计装置，包括天线和设置在天线下方的反射贴，反射贴与天线之间用导电胶进行粘结，反射贴的尺寸面积要以天线面积的倍数进行增加。

优选的，上述反射贴为不锈钢金属材质。

优选的，上述反射贴为正方形。

优选的，上述不锈钢金属的材质包含：铜、铁、铝合金材质不锈钢。

优选的，上述反射贴为28mm*28mm。

与现有技术相比，本实用新型从保持现有天线状态不变的情况下，通过增加反射面的方式提高卫星接收信号，适合对成本要求较高、对反应时间要求快，对安装力求简便快捷的场合使用。可以以较低的成本满足对导航信号干扰不大的低端消费群体接收，适合范围积推广使用。

附图说明

图1为GPS定位基本原理示意图；

图2为本实用新型提供的增强卫星导航信号的反射贴放置示意图。

图中标记：1-天线；2-反射贴2。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本实用新型的优先实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本实用新型的实施例一起用于阐释本实用新型的原理。

由于全球科技的发展，尤其是无线电科技的发展，无线电信号无时无刻都分布在我们的周围。对比不同频段和不用的功率强度会有意或无意的干扰无人机GPS的信号，导致信号失锁出现不定位的现象，影响无人机的飞行安全，目前干扰无人机GPS信号源的现状主要由以下几种情况：

(1)无人机链路系统对GPS信号的影响；

(2)无人机飞控系统对GPS信号的影响；

(3)无人机图像处理系统对GPS信号的影响；。

无人机系统所使用的导航系统是基于全球导航卫星系统进行解算的。全球卫星导航系统是能在地球表面或近地空间的任何地点为用户提供全天候的三维坐标和速度以及时间信息的空基无线电导航定位系统。

常见的卫星导航系统有GPS、BDS、GLONASS和GALILEO四大卫星导航系统。最早出现的是美国的GPS系统，现阶段技术最完善的也是GPS系统。随着近年来BDS、GLONASS系统在亚太地区的全面服务开启，尤其是BDS系统在民用领域发展越来越光快。

根据卫星导航信号体制而言，其存在抗干扰性能差的特点，容易被有意或无意的干扰，影响定位情况，导致飞行安全。目前解决此类问题从大的方面而言，主要解决手段有：

(1)窄带抗干扰算法；

(2)宽带抗干扰算法；

(3)时相滤波技术；

(4)空间滤波技术；

(5)频域滤波技术。

以上是从大方面来解决干扰问题手段，其需要专业的技术团队和较大的投入才能解决，主要是从核心定位解算的算法上来解决干扰问题，抗干扰的效果比较明显，成本也较高，适合不用考虑成本，只追求定位效果的行业使用。

从小的方面入手来解决干扰问题手段主要有：

(1)通过选用高质量天线来提供信号强度，来弥补干扰影响的信号降低；

(2)提高天线制作的工艺水平，来增强天线接收能力；

(3)合理调整天线方向图，来适应机载工作环境。

GPS(Global Positioning System)即全球定位系统，是由美国建立的一个卫星导航定位系统，利用该系统的用户可以在全球范围内实现全天候、连续、实时的三维导航定位和测速；另外，利用该系统的用户还能够进行高精度的时间传递和高精度的精密定位。

GPS卫星发射两种频率的载波信号，即频率为1575.42MHz的L1载波和频率为1227.60MHz的L2载波，它们的频率分别是基本频率10.23MHz的154倍和120倍，它们的波长分别为19.03cm和24.42cm。在L1和L2上又分别调制着多种信号，这些信号主要有：C/A码、P码和Y码。

C/A码又被称为粗捕获码，它被调制在L1载波上，是1MHz的伪随机噪声码(PRN码)，其码长为1023位(周期为1ms)。由于每颗卫星的C/A码都不一样，因此，我们经常用它们的PRN号来区分它们。C/A码是普通用户用以测定测站到卫星间的距离的一种主要的信号。

P码又被称为精码，它被调制在L1和L2载波上，是10MHz的伪随机噪声码，其周期为七天。在实施AS时，P码与W码进行模二相加生成保密的Y码，此时，一般用户无法利用P码来进行导航定位。

导航信息被调制在L1载波上，其信号频率为50Hz，包含有GPS卫星的轨道参数、卫星钟改正数和其它一些系统参数。用户一般需要利用此导航信息来计算某一时刻GPS卫星在地球轨道上的位置，导航信息也被称为广播星历。

在GPS定位中，经常采用下列观测值中的一种或几种进行数据处理，以确定出待定点的坐标或待定点之间的基线向量：L1载波相位观测值，L2载波相位观测值(半波或全波)，调制在L1上的C/A码伪距，调制在L1上的P码伪距，调制在L2上的P码伪距，L1上的多普勒频移，L2上的多普勒频移。

实际上，在进行GPS定位时，除了大量地使用上面的观测值进行数据处理以外，还经常使用由上面的观测值通过某些组合而形成的一些特殊观测值，如宽巷观测值(Wide-Lane)、窄巷观测值(Narrow-Lane)、消除电离层延迟的观测值(Ion-Free)来进行数据处理。

GPS的误差：我们在利用GPS进行定位时，会受到各种各样因素的影响。影响GPS定位精度的因素可分为以下四大类：

(1)人为干扰

美国政府从其国家利益出发，通过降低广播星历精度(技术)、在GPS基准信号中加入高频抖动(技术)等方法，人为降低普通用户利用GPS进行导航定位时的精度。

(2)卫星星历误差

在进行GPS定位时，计算在某时刻GPS卫星位置所需的卫星轨道参数是通过各种类型的星历[7]提供的，但不论采用哪种类型的星历，所计算出的卫星位置都会与其真实位置有所差异，这就是所谓的星历误差。

(3)卫星钟差

卫星钟差是GPS卫星上所安装的原子钟的钟面时与GPS标准时间之间的误差。

卫星信号发射天线相位中心偏差；

卫星信号发射天线相位中心偏差是GPS卫星上信号发射天线的标称相位中心与其真实相位中心之间的差异。

GPS定位的基本原理是根据高速运动的卫星瞬间位置作为已知的起算数据，采用空间距离后方交会的方法，确定待测点的位置。如图1所示，假设t时刻在地面待测点上安置GPS接收机，可以测定GPS信号到达接收机的时间△t，再加上接收机所接收到的卫星星历等其它数据可以确定以下四个方程式：

上述四个方程式中待测点坐标x、y、z和Vto为未知参数，其中di＝cΔti(i＝1、2、3、4)。

di(i＝1、2、3、4)分别为卫星1、卫星2、卫星3、卫星4到接收机之间的距离。

Δti(i＝1、2、3、4)分别为卫星1、卫星2、卫星3、卫星4的信号到达接收机所经历的时间。

其中，c为GPS信号的传播速度(即光速)。

四个方程式中各个参数意义如下：

x、y、z为待测点坐标的空间直角坐标。

xi、yi、zi(i＝1、2、3、4)分别为卫星1、卫星2、卫星3、卫星4在t时刻的空间直角坐标，

可由卫星导航电文求得。

Vti(i＝1、2、3、4)分别为卫星1、卫星2、卫星3、卫星4的卫星钟的钟差，由卫星星历提供，Vto为接收机的钟差。

由以上四个方程即可解算出待测点的坐标x、y、z和接收机的钟差Vto。

事实上，接收机往往可以锁住4颗以上的卫星，这时，接收机可按卫星的星座分布分成若干组，每组4颗，然后通过算法挑选出误差最小的一组用作定位，从而提高精度。

由于卫星运行轨道、卫星时钟存在误差，大气对流层、电离层对信号的影响，以及人为的SA保护政策，使得民用GPS的定位精度只有100米。为提高定位精度，普遍采用差分GPS(DGPS)技术，建立基准站(差分台)进行GPS观测，利用已知的基准站精确坐标，与观测值进行比较，从而得出一修正数，并对外发布。接收机收到该修正数后，与自身的观测值进行比较，消去大部分误差，得到一个比较准确的位置。实验表明，利用差分GPS，定位精度可提高到5米。

以上是对GPS定位的原理进行了阐述，其中最关键点就是对解算过程中需要的信号质量，当天线接收的卫星信号质量好时，定位解算的精度才能得到保障。当接收信号若是就是造成定位精度偏离或不定位的现象。影响GPS接收信号质量的关键部件之一就是天线，天线性能的主要是以下几个方面：

1、陶瓷片：陶瓷粉末的好坏以及烧结工艺直接影响它的性能。现市面使用的陶瓷片主要是25×25、18×18、15×15、12×12。陶瓷片面积越大，介电常数越大，其共振频率越高，接受效果越好。陶瓷片大多是正方形设计，是为了保证在XY方向上共振基本一致，从而达到均匀收星的效果。

2、银层：陶瓷天线表面银层可以影响天线共振频率。理想的GPS陶瓷片频点准确落在1575.42MHz，但天线频点非常容易受到周边环境影响，特别是装配在整机内，必须通过调整银面涂层外形，来调节频点重新保持在1575.42MHz。因此GPS整机厂家在采购天线时一定要配合天线厂家，提供整机样品进行测试。

3、馈点：陶瓷天线通过馈点收集共振信号并发送至后端。由于天线阻抗匹配的原因，馈点一般不是在天线的正中央，而是在XY方向上做微小调整。这样的阻抗匹配方法简单而且没有增加成本。仅在单轴方向上移动称为单偏天线，在两轴均做移动称为双偏。

4、放大电路：承载陶瓷天线的PCB形状及面积。由于GPS有触地反弹的特性，当背景是7cm×7cm无间断大地时，patch天线的效能可以发挥到极致。虽然受外观结构等因素制约，但尽量保持相当的面积且形状均匀。放大电路增益的选择必须配合后端LNA增益。Sirf的GSC3F要求信号输入前总增益不得超过29dB，否则信号过饱和会产生自激。

GPS天线有四个重要参数：增益(Gain)、驻波(VSWR)、噪声系数(Noise figure)、轴比(Axial ratio)。其中特别强调轴比，它是衡量整机对不同方向的信号增益差异性的重要指标。由于卫星是随机分布在半球天空上，所以保证天线在各个方向均有相近的敏感度是非常重要的。轴比受到天线性能、外观结构、整机内部电路及EMI等影响。

本实施例提供的装置可以成为导航信号反射贴2，该装置主要从保持现有天线状态不变的情况下，通过增加反射面的方式提高卫星接收信号。

本实施例采用的反射贴2的材质分别用：木质、铜质、铝质、铁质和不锈钢。

木质：测试效果发现不增加反射贴2时信号强度为-120dbm，增加木质发射贴后信号强度会减弱-123dbm，且信号质量出现不稳定现象。

铜质：测试效果发现不增加反射贴2时信号强度为-120dbm，增加铜质发射贴后信号强度会减弱-122dbm，且信号质量稳定。

铝质：测试效果发现不增加反射贴2时信号强度为-120dbm，增加铜质发射贴后信号强度会减弱-122dbm，且信号质量稳定。

铁质：测试效果发现不增加反射贴2时信号强度为-120dbm，增加铜质发射贴后信号强度会减弱-123dbm，且信号质量稳定。

不锈钢质：测试效果发现不增加反射贴2时信号强度为-120dbm，增加铜质发射贴后信号强度会减弱-123dbm，且信号质量稳定。

反射贴2形状分别用大于天线1面积倍数的圆形、长方形、椭圆形、三角形和正方形进行测试，结果如下：

圆形：测试效果发现不增加反射贴2时信号强度为-120dbm，增加木质发射贴后信号强度会减弱-121dbm，且信号质量出现不稳定现象。

长方形：测试效果发现不增加反射贴2时信号强度为-120dbm，增加铜质发射贴后信号强度会减弱-122dbm，且信号质量稳定。

椭圆形：测试效果发现不增加反射贴2时信号强度为-120dbm，增加铜质发射贴后信号强度会减弱-122dbm，且信号质量稳定。

三角形：测试效果发现不增加反射贴2时信号强度为-120dbm，增加铜质发射贴后信号强度会减弱-121dbm，且信号质量稳定。

正方形：测试效果发现不增加反射贴2时信号强度为-120dbm，增加铜质发射贴后信号强度会减弱-125dbm，且信号质量稳定。

本实施例装置只要是为了解决当卫星导航信号造成干扰时，导致强度和质量降低，而且所影响的信号和强度和质量是不是特别大，在5dbm内时。可以通过本实用新型将信号质量和强度进行改观，使导航卫星定位更加稳定。

由于导航卫星信号经过高空传输到达地面，信号已经相当微弱，再加上市面低端信号接收天线的质量参差不齐，各有差异。在此根据信号的散射原理和多径效应。在保持现有天线状态不变的前提下，通过改变天线周围信号的多径效应现象和卫星信号反射面现象。

多径现象的解释：在随参通道当中进行信号的传输过程中，由于多径传播的影响，会使信号的包络产生起伏，即衰落；会使信号由单一频率变成窄带信号，即频率弥散现象；还会使信号的某些频率成分消失，即频率选择性衰落，这种现象由于多径传播对信号的影响称为多径效应。

经过大量试验数据验证和行业经验，在安装卫星导航天线的位置保持水平面平整可以有效的降低天线反射造成的多径影响。根据陶瓷片面积越大，介电常数越大，其共振频率越高，接受效果越好。陶瓷片大多是正方形设计，是为了保证在XY方向上共振基本一致，从而达到均匀收星的效果的原理，我们在天线1下方放置一块金属形状为28mm*28mm，材质为不锈钢的反射贴2时，信号轻度明显增加。放置方法示意图如图2所示。

经过大量试验验证当反射贴2采用不锈钢材质且形状为大于天线1面积倍数的正方形效果最佳，比不增加该装置信号强度增加6dbm左右。

进一步的，反射贴2与天线1固定面要使用具有导电功能的导电胶进行粘结，充分保证天线1与金属面的接地情况。金属反射贴2的尺寸面积要以天线1面积的倍数进行增加，以保证X\Y轴方向的共振效应。不锈钢金属的材质包含：铜、铁、铝合金材质不锈钢。金属材质厚度可尽量小，因为信号反射的原理与厚度无关。为了减低重量，可现在1mm的金属反射面。

本实用新型提供的增强卫星导航信号的反射贴设计装置，从保持现有天线状态不变的情况下，通过增加反射面的方式提高卫星接收信号，适合对成本要求较高、对反应时间要求快，对安装力求简便快捷的场合使用。可以以较低的成本满足对导航信号干扰不大的低端消费群体接收，适合范围积推广使用。

最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非对本实用新型保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本实用新型作了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本实用新型的技术方案进行改进或者等同替换，而不脱离本实用新型技术方案的实质和范围。