一种多模多频数字式卫星智能天线的制作方法

本发明涉及一种卫星天线，特别是一种高精度的多模多频数字式卫星智能天线，本发明属于高精度卫星导航定位技术领域。

背景技术：

卫星导航定位系统利用空间中的导航卫星对地面、空中、水面、水下、空间的多类型、多用途载体提供导航定位信息，主要包括位置信息、航向信息、速度信息、姿态信息以及时间信息等。目前，世界主流应用的卫星导航定位系统包括美国的gps卫星导航系统、俄罗斯的glonass卫星导航系统、中国的bds卫星导航系统以及欧洲的伽利略卫星导航系统。基于精准的卫星实时运行位置信息，卫星导航系统经过优化解算为载体提供较为准确的导航定位信息，同时也可为其他各类型设备提供连续、可靠的辅助信息参考。基于此，卫星导航定位系统具有导航全天候、定位精度高、运行稳定可靠、应用不受地域限制等技术优势，因而被广泛应用于陆地、航天、航空及航海等各种场合，以及国防建设、工业生产、国民经济建设等各领域。

然而，卫星导航定位系统在得到广泛应用的同时，随之出现了一些不可避免的问题，复杂的应用环境是影响卫星导航定位系统精准性、稳定性和可靠性的主要问题。对于上述的单一卫星导航定位系统来说，复杂的工作条件会直接影响其接收卫星信号的连续性，容易出现部分信号丢失的情况，特别是在较差的大气条件和遮挡严重的地势环境的情况下易于多发。在单频单模工作模式下，这也就不可避免地大大降低导航定位信息的精准性、连续性和可靠性。而且，搭载了各型设备的载体内部充斥着各频段的电磁干扰，进而形成了影响电子设备正常工作的恶劣工作条件。外部的同频段电磁干扰信号会叠加到卫星信号中，进而引起信号的频率、幅值、相位等参数产生意料之外的波动，从而影响卫星信号的品质。更加需要注意的是，卫星导航定位系统遵循的数据通讯协议主要包括nmea0183、nmea2000和rtcm协议。对于某些需要卫星导航定位数据辅助支持但又不支持以上数据通讯协议的设备来说，该问题的出现严重制约了该设备在载体上的应用，同时也大大降低了卫星导航定位系统的通用性和兼容性。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种可以兼顾精准性、稳定性、可靠性、兼容性和通用性的高精度多模多频数字式卫星智能天线。

本发明的一种多模多频数字式卫星智能天线，包括卫星天线模块、导航信息解算模块、信息处理模块以及信息采集辅助模块；

卫星天线模块接收混频信号，并将混频信号等功率分为两路相同信号并传输给导航信息解算模块，所述信号中均包含卫星模拟信号和台标模拟信号，混频信号是来自gps卫星信号、bds卫星信号、glonass卫星信号和galileo卫星信号中的一种或多种。

导航信息解算模块对卫星模拟信号和台标模拟信号进行实时解算，并将解算后的卫星导航定位信息和差分定位信息按照固定通信协议进行数字编码并传输至信息处理模块；

信息处理模块对接收的卫星导航定位信息和差分定位信息进行解析，对解析后的卫星导航定位信息和差分定位信息采用差分定位算法完成差分解算，对差分解算后的信息按照系统输出通信协议的要求编码并实时输出，信息处理模块对导航信息解算模块发布控制指令，设置导航信息解算模块工作于预定工作模式，控制指令包括启动指令、停止指令、工作模式配置指令、信息查询指令；

信息采集辅助模块为卫星天线模块、导航信息解算模块和信息处理模块供电并提供实时时钟参考。

本发明还包括：

卫星天线模块包括宽频天线电路和信号功分电路；宽频天线电路具有锥形天线结构，宽频天线电路接收混频信号并将混频信号传输给信号功分电路，信号功分电路将接收的混频信号等功率分为两路相同信号，两路相同信号分别经功分电路的两个输出端口输出。

信号功分电路为电阻型信号功分电路，两个输出端口并联可调电阻。

导航信息解算模块包括卫星信号解算单元和台标差分信号解算单元；

卫星信号解算单元通过gnss板卡p306接收信号功分电路输出的一路混频信号并实时解算出卫星导航定位信息，并将卫星导航定位信息按照固定通讯协议进行数字编码并经由高速串口或以太网输出至信息处理模块；

台标差分信号解算单元通过差分板卡sbx-4接收信号功分电路输出的另一路混频信号并实时解算出差分定位信息，并将差分定位信息按照固定通信协议进行数字编码并通过高速串口或以太网输出至信息处理模块。

固定通讯协议为nmea0183协议，高速串口为uart。

信息处理模块采用arm板卡，信息处理模块通过高速串口接收导航信息解算模块输出的信息，信息处理模块输出接口选用rs422形式，信息处理模块包括基于adm2582e的ttl-rs422转换电路，信息处理模块预留高速串口和以太网作为调试接口。

arm板卡为am3358。

信息采集辅助模块具有dc24v和ac220v两种供电模式；

当选用ac220v对系统供电时，经由ups不间断电源和滤波器稳定输入电压并滤除噪声后，由ad/dc模块转换为dc24v；dc/dc模块将dc24v转换为dc3.3v，为arm板卡、差分板卡和gnss板卡供电；dc/dc模块将dc24v转换为dc5v，dc5v通过信号功分电路为卫星天线模块供电，设计滤波电路保持dc5v、dc3.3v和dc24v电压稳定；

当选用dc24v对系统供电时，dc/dc模块直接将dc24v转换为dc3.3v，为arm板卡、差分板卡和gnss板卡供电；dc/dc模块直接将dc24v转换为dc5v，dc5v通过信号功分电路为卫星天线模块供电，设计滤波电路保持dc5v、dc3.3v和dc24v电压稳定。

信息处理模块包含基于ds1302的实时时钟电路，为导航定位信息和差分定位信息提供时间戳。

本发明的有益效果：本发明基于卫星天线组件、多模多频卫星接收机板卡和差分接收机板卡，实现了准确获取导航定位信息的目标；基于数字通讯电路降低外部电磁干扰对交互数据准确性的影响，实现通讯协议自定义机制提升卫星导航定位系统的通用性和兼容性，保证在复杂应用环境、恶劣工作条件下精确地、连续地、稳定地、可靠地提供卫星导航定位信息，提升了系统的集成度和兼容性，能有效地解决背景技术提出的问题。本发明可以接收多频多模卫星模拟信号并实时解算卫星导航定位信息，包括gps卫星信号、bds卫星信号、glonass卫星信号、galileo卫星信号，当观测到正在接收的某卫星信号出现连续性变差的情况出现时，本发明会自主及时调整卫星信号接收频道以保证卫星模拟信号的观测连续性和稳定性，避免降低导航定位信息的精准性、连续性和可靠性。

附图说明

图1为本发明的原理框图。

图2为本发明的工作原理图。

图3为本发明供电示意图。

具体实施方式

下面结合附图，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

本发明高精度多模多频数字式卫星智能天线，包括卫星天线模块、导航信息解算模块、信息处理模块以及信息采集辅助模块；所述卫星天线模块用于接收卫星信号以及台标信号，并等功率均分为两路模拟信号；所述导航信息解算模块分别用于解算导航定位信息和差分定位信息，并以数字信号形式连续输出；所述信息处理模块实时运行差分定位算法，利用差分定位信息辅助导航定位信息以实现高精度导航定位；所述信息采集辅助模块对系统连续供电，并为信号采集提供统一的时间参考基准。

如图1所示，本发明提供了一种高精度多模多频数字式卫星智能天线，主要包括卫星天线模块、导航信息解算模块、信息处理模块以及信息采集辅助模块，系统的工作原理图如图2所示。

(1)卫星天线模块

卫星天线模块主要由宽频天线电路和信号功分电路组成，主要用来接收卫星模拟信号，包含卫星定位信息和信标差分信息。如图2所示可知，卫星天线模块输出直接连接到功分电路输入，并经由功分电路输出a端口和功分电路输出b端口直接输出卫星模拟信号，即卫星模拟信号经过功分电路等功率分配后为卫星导航定位信息解算和差分定位信息解算提供所需信息源。

卫星天线模块是由宽频天线和前置放大器共同组成的模块化组件。宽频天线具有明显的锥形天线结构，能够接收全频段的模拟信号(低频信号、中频信号以及高频信号)。锥形天线可以将极微弱的卫星信号电磁波能转化为相应的电流，经过前置放大器放大后转换为卫星模拟信号。接收的信号是来自gps卫星信号、bds卫星信号、glonass卫星信号和galileo卫星信号中的一种或多种。宽频天线接收包含多频多模卫星信号以及台标信号的模拟信号，该信号包含卫星导航定位信息和差分定位信息。信号功分电路直接连接宽频天线电路输出，并将该模拟信号等功率分为参数属性完全相同的两路模拟信号，其中均包含卫星导航定位信息和差分定位信息。两路模拟信号分别为卫星模拟信号和台标模拟信号，然后通过经过良好屏蔽处理的同轴电缆分别传输至卫星信号解算单元和台标差分信号解算单元中完成信息解算。

(2)导航信息解算模块

导航信息解算模块主要用来解算卫星模拟信号中的卫星导航定位信息和差分定位信息。卫星模拟信号中的卫星定位信号和信标差分信号需分别经由特定的信号解算流程后获取到卫星导航定位信息和差分定位信息。基于此，导航信息解算模块由卫星信号解算单元和台标差分信号解算单元组成。

如图2所示，功分电路输出a端口连接卫星信号解算单元的模拟输入端口，传输卫星导航定位信息，卫星导航定位信息由gnss板卡p306实时解算，解算数据从其数字输出端口对外交互数据；功分电路输出b端口连接台标差分信号解算单元的模拟输入端口，传输差分定位信息，差分定位信息由差分板卡sbx-4实时解算,解算数据从其数字输出端口对外交互数据。

a.卫星信号解算单元

卫星模拟信号经过同轴电缆直接传输至卫星信号解算单元，在卫星信号解算单元中完成导航定位信息解算，并实时获取到载体的定位信息、速度信息、航向信息、时间信息等导航定位信息。然后，卫星信号解算单元将获取到的导航定位信息按照预定的通讯规约形式进行编码，并以数字信号形式通过高速串口(波特率≥230400bps)或10m/100m/1000m以太网对外部设备实现高速信息交互。

gnss板卡p306可以接收多频多模卫星模拟信号并实时解算卫星导航定位信息，包括gps卫星信号、bds卫星信号、glonass卫星信号、galileo卫星信号。当观测到正在接收的某卫星信号出现连续性变差的情况出现时，gnss板卡p306会自主及时调整卫星信号接收频道以保证卫星模拟信号的观测连续性和稳定性，避免降低导航定位信息的精准性、连续性和可靠性。从功分电路输出a端口输出的卫星导航定位信号通过同轴电缆和sma连接器稳定连接到gnss板卡p306，gnss板卡p306解调卫星导航定位信号并从中实时解算卫星导航定位信息。卫星导航定位信息解算完毕后，gnss板卡p306将卫星导航定位信息按照固定通讯协议(nmea0183协议)进行数字编码，并经由uartb(波特率230400bps)以ttl电平信号标准直接输出卫星导航定位信息至信息处理模块。

b.台标差分信号解算单元

台标模拟信号经过同轴电缆直接传输至台标差分信号解算单元，在台标差分信号解算单元中完成差分定位信息解算，并实时获取到载体相对于基准站的相对定位信息。然后，台标差分信号解算单元将获取到的相对定位信息按照预定的通讯规约形式进行编码，并以数字信号形式通过高速串口(波特率≥230400bps)或10m/100m/1000m以太网对外部设备实现高速信息交互。

差分板卡sbx-4主要接收来自台标发送的相对定位信息，并根据台标的绝对位置来定位载体的相对位置。差分板卡sbx-4的实际作用距离由台标的分布网络决定，台标分布越广泛，差分定位网络覆盖面积越大，差分定位的实际作用距离越大。从功分电路输出b端口输出的台标差分信号通过同轴电缆和sma连接器稳定连接到差分板卡sbx-4，sbx-4解调台标差分信号并从中实时解算差分定位信息。差分信息解算完毕后，差分板卡sbx-4将差分定位信息按照固定通讯协议(nmea0183协议)进行编码，并以波特率9600bps通过uart0以ttl电平信号标准直接发送至信息处理模块。

(3)信息处理模块

信息处理模块主要用于基于卫星导航定位信息和差分定位信息的差分定位解算，在获取到更高精度的卫星导航定位信息后按照预定通讯规约的具体要求将卫星导航定位信息重新编码并输出。信息处理模块直接连接至导航信息解算模块，二者通过高速串口(波特率≥230400bps)或10m/100m/1000m以太网实现高速信息交换。与此同时，信息处理模块对导航信息解算模块发布控制指令，设置导航信息解算模块工作于预定工作模式，包括启动指令、停止指令、工作模式配置指令、信息查询指令等；导航信息解算模块的卫星信号解算单元实时发送导航定位信息，导航信息解算模块的台标差分信号解算单元实时发送差分定位信息，所有信息直接进入到信息处理模块。基于差分定位算法，信息处理模块利用差分定位信息辅助计算导航定位信息，从而实现高精度导航定位功能。同时，按照对外输出通讯规约的具体要求，信息处理模块重新编码导航定位信息，并以通过rs422高速串口(波特率≥230400bps)或10m/100m/1000m以太网输出。

如图2所示，信息处理模块的输入端口a与卫星信号解算单元的数字输出端口连接，信息处理模块的输入端口b与台标差分信号解算单元的数字输出端口连接，信息处理模块的输出端口对外直接输出经过差分解算后的卫星导航定位信息。arm板卡am3358利用差分定位信息提升卫星导航定位信息的准确性，从而实现提升导航定位精度的目的。arm板卡am3358的uart1具有高速串口属性，能够以高速波特率(波特率最高为921600bps)交互数据。arm板卡am3358通过uart1(波特率9600bps)以ttl电平信号标准接收由差分板卡sbx-4发送的差分定位数据，按照nmea0183协议解析差分定位数据并获取差分定位信息；arm板卡am3358通过uart2(波特率9600bps)以ttl电平信号标准接收由gnss板卡p306发送的卫星导航定位信息，按照nmea0183协议解析卫星导航定位数据并获取卫星导航定位信息。基于解析完毕的卫星导航定位信息和差分定位信息，arm板卡am3358利用差分定位算法实时完成差分解算。同时，为了提升高精度多模多频数字式卫星智能天线的抗干扰能力和输出距离，其输出接口选用rs422形式，并设计基于adm2582e的ttl-rs422转换电路实现输出信号形式的转换，通过高速串口uart4和uart5可实现高速、远距离传输信息。

与此同时，arm板卡am3358支持高速串口和以太网接口在线调试，因此，预留高速串口uart0(波特率115200bps)和10m/100m/1000m以太网eth0作为arm板卡am3358的调试接口，可实现内置程序的在线更新与在线调试。

(4)信息采集辅助模块

信息采集辅助模块主要用于为系统中各设备提供所需电压等级的供电和提供实时时钟参考的作用，对系统供电保证系统工作的稳定性和可靠性，提供实时时钟参考保证采集数据的一致性。高精度多模多频数字式卫星智能天线兼容两种供电方式，即dc24v和ac220v。

当选用ac220v对系统供电时，经由ups不间断电源和滤波器稳定输入电压并滤除噪声后，由ad/dc模块aym-60s24转换为dc24v；dc/dc模块miwi10-24s033将dc24v转换为dc3.3v，为arm板卡am3358、差分板卡sbx-4和gnss板卡p306供电；dc/dc模块miwi10-24s05将dc24v转换为dc5v，dc5v通过信号功分模块为卫星天线模块供电。同时，设计滤波电路保持dc5v、dc3.3v和dc24v电压稳定。

当选用dc24v对系统供电时，dc/dc模块miwi10-24s033直接将dc24v转换为dc3.3v，为arm板卡am3358、差分板卡sbx-4和gnss板卡p306供电；dc/dc模块miwi10-24s05直接将dc24v转换为dc5v，dc5v通过信号功分模块为卫星天线模块供电。同时，设计滤波电路保持dc5v、dc3.3v和dc24v电压稳定。

基于此，arm板卡am3358、差分板卡sbx-4和gnss板卡p306均为3.3v供电系统，其串行通讯接口均满足3.3vttl电平信号标准，可以直接进行高速串口通讯，无需设计转换电路辅助电平转换。同时，差分板卡sbx-4和gnss板卡p306均需对卫星天线模块供电以保证卫星模拟信号的连续性和可靠性。差分板卡sbx-4对卫星天线模块的供电要求为dc5v，gnss板卡p306对卫星天线的供电要求低于dc15v即可，因此，差分板卡sbx-4和gnss板卡p306的卫星天线统一采用dc5v供电。

所有电源模块的输入电压范围均为dc9v～36v，具有宽电压输入特性，具有较好的输入电压兼容能力，适用于电压较大波动的实际工作环境。依据基于cots设计准则的电源系统工程化经验，各电压模块的额定输出功率2倍于额定输出功率，能够有效避免因温度过高而导致转换效率降低进而输出功率不够的问题，并且能够削弱启动时的电流尖峰对系统供电稳定性的影响。

同时，设计基于ds1302的实时时钟电路，信息处理模块通过i²c总线实时读取时间信息，并以此信息为导航定位信息和差分定位信息提供时间戳，确保信息解算的统一性。

本发明具体实施方式还包括：

本发明高精度多模多频数字式卫星智能天线，包括卫星天线模块、导航信息解算模块、信息处理模块以及信息采集辅助模块；

卫星天线模块包括宽频天线电路和信号功分电路；宽频天线电路用于同时接收包含多频多模卫星信号以及台标信号的混合模拟信号，其中包含卫星导航定位信息和差分定位信息；信号功分电路直连宽频天线电路的输出端，并将混合模拟信号等功率分配为两路模拟信号，即卫星模拟信号和台标模拟信号，然后输入到卫星信号解算单元和台标差分信号解算单元完成信息解算；

导航信息解算模块包括卫星信号解算单元和台标差分信号解算单元；卫星信号解算单元用于解算卫星导航定位信息，接收来自卫星天线模块信号功分电路的混合模拟信号，解算卫星模拟信号得到定位信息、速度信息、航向信息、时间信息等信息，并按照预定通讯协议编码并发出数字信息；台标差分信号解算单元用于解算差分定位信息，接收来自卫星天线模块信号功分电路的混合模拟信号，解算台标模拟信号得到相对位置信息，并按照预定通讯协议编码并发出数字信息；

信息处理模块连接导航信息解算模块，通过与导航信息解算模块之间的信息交互以实时接收卫星导航定位信息和差分定位信息；基于差分定位算法，差分定位信息辅助于卫星导航定位信息以提升载体导航定位的准确性；按照系统输出通讯协议的具体要求重新编码卫星导航定位信息并对外实时输出；

信息采集辅助模块，用于为卫星天线模块、导航信息解算模块和信息处理模块提供所需的供电电压，并为解算定位信息提供时间戳以统一信息采集时刻。

其中，卫星天线模块以宽频锥形天线电路为核心部件，能够同时接收多频多模卫星模拟信号，包括低频段的台标信号以及高频段的卫星信号，两种信号叠加为混合模拟信号对外输出；

其中，混合模拟信号由电阻型信号功分电路等功率分配为两个信号成分相同且均包含卫星模拟信号和台标模拟信号的混合信号，然后分别传输到导航信息解算模块中的卫星信号解算单元和台标差分信号解算单元完成信息解算；

其中，信号功分电路以具有较大带宽的电阻电路为基础，卫星模拟信号和台标模拟信号输出端口并联可调电阻r1和r2，使其输出阻抗具备50欧阻抗匹配的最优特性；

其中，导航信息解算模块采用gnss板卡p306，其具有较高的定位精度以及数据输出频率，卫星模拟信号输入到卫星信号解算单元后，自主检测卫星信号的连续性和稳定性是否满足设定阈值要求，并自动切换到多频多模卫星信号中连续性和稳定性最优的信号频道，稳定、连续地输出卫星导航定位数据；

其中，卫星信号解算单元解算卫星模拟信号完成后，按照nmea0183协议编码卫星导航定位信息，并通过rs422以高速波特率(≥230400bps)发送该信息；

其中，台标差分信号解算单元解算台标模拟信号完成后，按照nmea0183协议编码差分定位信息，并通过rs422以高速波特率(≥230400bps)发送该信息；

其中，差分定位信息辅助导航定位信息实现高精度导航定位，差分定位算法可根据导航定位实际性能需求通过以太网或高速串口在线调整模型及其参数；

其中，信息处理模块采用运行linux操作系统的arm板卡am3358，其通过串口与外部设备实现信息交互和在线更新。

其中，信息处理模块通过rs422以高速波特率(≥230400bps)从卫星信号解算单元接收卫星导航定位信息，通过rs422以高速波特率(≥230400bps)从台标差分信号解算单元接收差分定位信息，在差分解算完成后通过rs422以高速波特率(≥230400bps)输出经由差分导航定位信息辅助计算后的卫星导航定位信息；

其中，信息处理模块可根据对外输出通讯规约的具体要求，重新编码对外输出数据的具体格式。

其中，所述信息采集辅助模块包括系统供电电路和实时时钟电路，系统供电电路可向系统提供所需的各级电源(5v、3.3v、24v)；实时时钟模块为卫星导航定位信息和差分定位信息提供时间戳，统一信息采集时刻以保证信息采集的一致性。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。