一种长波定位导航授时的有源全向磁天线差分接收装置及其设计方法与流程

1.本发明属于定位导航授时装置领域，特别涉及该领域中的一种长波定位导航授时的有源全向磁天线差分接收装置及其设计方法，用于长波定位导航授时信号的差分接收和定位导航授时(pnt)功能的实现。


背景技术：

2.定位导航授时（pnt）体系即由定位（positioning）、导航（navigation）、授时（timing）组成的时空体系，是人类得以在纷繁信息中准确描述时间和空间的关键技术。常见的pnt体系有美国的gps定位导航系统、欧盟的galileo定位导航系统、俄罗斯的glonass定位导航系统以及中国的北斗定位导航系统。上述四种定位导航系统均属于卫星定位导航系统，其主要原理是利用导航卫星进行测时和测距。卫星导航定位系统具有定位精度高、观测时间短、可提供三维坐标等优点，现已成为pnt体系的主流系统，但其抗干扰性能存在严重不足，在现代化战争中极易被敌方摧毁卫星或干扰通信链路。
3.为了弥补卫星定位导航系统的先天不足，主流技术均采用甚低频长波无线电定位导航系统作为卫星定位导航系统的备份。长波无线电定位导航系统主要原理是通过测量陆基无线电导航台发射信号的时间、相位、幅度、频率等参量，确定运动载体相对于导航台的方位、距离等参数，实现对运动载体的定位导航授时。目前使用的主流长波无线电定位导航授时系统为罗兰-c（loran-c）系统，是pnt体系的另一主要系统。
4.长波定位导航授时系统的关键技术在于接收机对甚低频长波（100khz）无线电定位导航信号的接收能力和处理能力。通常采用电偶极子天线或磁偶极子天线接收长波无线电信号，而普通的长波电偶极子天线和磁偶极子天线，尽管实现了天线全向性，但尺寸较大，抗干扰能力不足，不具备多个方向来波的分辨能力，即便结合信号处理算法，仍无法实现准确的定位导航授时功能。


技术实现要素：

5.本发明为了解决常规长波接收天线尺寸较大，抗干扰能力不足的问题，提供一种小型化长波定位导航授时的有源全向磁天线差分接收装置及其设计方法。
6.本发明采用如下技术方案：一种长波定位导航授时的有源全向磁天线差分接收装置，其改进之处在于：包括一根长磁芯和两根短磁芯，两根短磁芯分别位于长磁芯的两侧，三根磁芯呈十字交叉，在长磁芯的两端各绕制一组接收线圈，在两根短磁芯上各绕制一组接收线圈，四组接收线圈的引线端子均接至电路板的公共地上，此外四组接收线圈还分别与放大电路电连接。
7.进一步的，长磁芯和短磁芯均采用初始磁导率ui=2000的铁氧体磁芯，铁氧体磁芯的形状为长方体。
8.进一步的，长磁芯的长度为127mm、宽度为20mm、高度为4mm，两根短磁芯的长度均
为53.5mm、宽度均为20mm、高度均为4mm。
9.进一步的，两根短磁芯粘贴固定在长磁芯的两侧。
10.进一步的，接收线圈选用直径ф=0.12mm的漆包线，绕制匝数为200匝，绕制方向为将漆包线顺时针向右侧按单层结构绕50匝，然后保持顺时针方向绕回起始处，使右侧形成双层共100匝，再将漆包线向左侧拉开一定距离后顺时针向左侧按单层结构绕50匝，然后保持顺时针方向绕回，使左侧形成双层共100匝。
11.进一步的，放大电路包括预放大电路和后放大电路。
12.一种设计方法，用于设计上述的接收装置，其改进之处在于，包括如下步骤：步骤1，根据甚低频长波电磁波特性，选择合适的铁氧体磁芯作为接收线圈芯轴；步骤2，选取合适直径的漆包线在铁氧体磁芯上绕一定匝数，构成铁氧体接收线圈；步骤3，将一定数量的铁氧体接收线圈排布组合成特定的形状；步骤4，设计接收线圈后级差分放大电路。
13.本发明的有益效果是：本发明所公开的接收装置，使用十字交叉形式的铁氧体接收线圈进行长波定位导航授时信号的差分接收，在有效接收长波定位导航授时信号的同时，结合电磁波远场传播特性及数字信号处理算法，能够根据输出信号的相位特性，确定多个来波（导航台）的方向，即具备多个方向来波的分辨能力，解决了常规天线无法实现定位导航的问题，实现更为精准的长波定位导航授时功能，是适合长波定位导航授时的小型化有源全向磁天线，经实验验证，满足实用要求，且操作维护简便、质量可靠。
14.本发明所公开的接收装置，实现了磁天线的全向性和小型化，提高了抗干扰能力。泛化能力强，利用放大电路的调谐功能，能够适用于不同频率长波信号的接收放大。
15.本发明所公开的设计方法，思路清晰，可操作性强。
附图说明
16.图1是本发明所公开接收装置中接收线圈的排布示意图；图2是长方体磁芯的结构尺寸示意图；图3是长磁芯和短磁芯的长宽尺寸示意图；图4是接收线圈的绕制方向示意图；图5是不同角度来波的相位差示意图；图6是预放大电路的示意图；图7是后放大电路的示意图；图8（a）是本发明所公开有源全向磁天线在45
°
来波方向的幅度相位特性曲线图；图8（b）是本发明所公开有源全向磁天线在315
°
来波方向的幅度相位特性曲线图；图9是本发明所公开设计方法的流程示意图。
具体实施方式
17.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并
不用于限定本发明。
18.实施例1，本实施例公开了一种长波定位导航授时的有源全向磁天线差分接收装置，如图1所示，包括一根长磁芯1和两根短磁芯2，两根短磁芯分别粘贴固定在长磁芯的两侧，三根磁芯呈十字交叉，在长磁芯的两端各绕制一组接收线圈（标号b1b2和d1d2），在两根短磁芯上各绕制一组接收线圈（标号a1a2和c1c2），四组接收线圈标号为a2、b2、c2、d2的引线端子均接至电路板的公共地上，这样标号a1和c1的引线端子构成一组差分输出信号，标号b1和d1的引线端子构成一组差分输出信号，具有一定的抗干扰能力，此外四组接收线圈还分别与放大电路电连接。
19.发射信号极化方向确定后，不同来波方向的长波定位导航授时信号在4组接收线圈上感应出来的信号相位是不同的，如图5所示。
20.图5中竖向深色虚线圆为a接收线圈和c接收线圈这一组接收天线的方向图，横向浅色虚线圆为b接收线圈和d接收线圈这一组接收天线的方向图。
21.以来波方向分别为45
°
、135
°
、225
°
和315
°
为例，四个实线箭头分别对应来波方向45
°
、135
°
、225
°
和315
°
来波的磁场方向。不同方向来波的磁场方向不同，在接收线圈上感应的电压幅度相位均有不同。利用该接收装置，经过一定的信号处理算法，可以得到不同的相位信息，代表了不同的来波方位，结合信号本身携带的位置时间信息，可以实现更为精确的定位导航授时功能。
22.在铁氧体磁芯（接收线圈芯轴）的选择过程中，主要考虑两个方面：铁氧体磁芯的初始磁导率和铁氧体磁芯的形状。在甚低频长波（频率一般低于300khz）电磁波方面应用时，长磁芯和短磁芯均采用初始磁导率ui=2000的mxd-2000铁氧体磁芯。如图2所示，考虑到便于接收线圈安装固定，铁氧体磁芯的形状为长方体，图2中铁氧体磁芯的长度l=53.5mm，宽度s=20mm，高度h=4mm。
23.如图3所示，考虑到空气磁阻较大，4组接收线圈中间应为同样的铁氧体成分。结合铁氧体磁芯制造工艺，长磁芯的长度l2=127mm、宽度s2=20mm、高度为4mm，两根短磁芯的长度l1均为53.5mm、宽度s1均为20mm、高度均为4mm。
24.绕制接收线圈有三个方面主要内容：漆包线直径、绕线方向和绕线匝数。接收线圈选用直径ф=0.12mm的漆包线，绕制匝数为200匝。
25.如图4所示，图中实线箭头表明了线圈绕制的起始位置和方向，虚线箭头表明了线圈绕制的结束位置和方向，实线表示绕在磁芯正面，虚线表示绕在磁芯背面。从实线箭头绕起，绕制方向为将漆包线顺时针向右侧按单层结构绕50匝，然后保持顺时针方向绕回起始处，使右侧形成双层共100匝，再将漆包线向左侧拉开一定距离（如图4磁芯正中间虚线所示）后顺时针向左侧按单层结构绕50匝，然后保持顺时针方向绕回虚线箭头处，使左侧形成双层共100匝，接收线圈绕制完毕。
26.接收线圈后级放大电路，在各通道（a1、b1、c1、d1）预放大后，采用仪表放大器的三级运放结构，能够实现差分信号的抗干扰放大传输功能。放大电路包括图6所示的a1输出端和c1输出端的预放大电路，图7所示4个通道的后放大电路。
27.将设计调试完成的有源全向磁天线放置在磁屏蔽室中进行测试，调整磁屏蔽室中磁场方向，模拟不同导航台产生的信号，图8（a）是有源全向磁天线在45
°
来波方向的幅度相位特性曲线图；图8（b）是有源全向磁天线在315
°
来波方向的幅度相位特性曲线图。
28.本实施例还公开了一种设计方法，用于设计上述的接收装置，如图9所示，包括如下步骤：步骤1，根据甚低频长波电磁波特性，选择合适的铁氧体磁芯作为接收线圈芯轴；步骤2，选取合适直径的漆包线在铁氧体磁芯上绕一定匝数，构成铁氧体接收线圈；步骤3，将一定数量的铁氧体接收线圈排布组合成特定的形状，实现全向性；步骤4，设计接收线圈后级差分放大电路，构成有源全向磁天线接收装置。