专利名称：一种运动载体方位标定装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及无线电定向装置，具体地说是一种可利用北斗卫星导航定位系统进行运动载体方位标定的装置。
背景技术：
GPS由美国研制的空间卫星导航定位系统，其空间部分是由M颗工作卫星组成， 它位于距地表20200km的上空，均勻分布在6个轨道面上(每个轨道面4颗)，轨道倾角为 55°。目前，运动载体姿态标定系统主要是利用GPS对载波相位高精度的相对定位信号，来确定两天线相位中心的相对位置，以计算载体的方位角、俯仰角和横滚角。该系统通常需要3个以上的接收天线，以防止运动载体旋转时屏蔽掉1个或更多的天线，其余额外的天线提供测量冗余度；系统中各天线共用的载波相位接收机测定足够多的GPS卫星载波瞬时相位，并比较相位差，最终完成精确测定基线的空间方向；对互不平行且不共平面的三条基线测向，则可测定运动载体空间指向，亦即确定其姿态。具体的测定方法是以一个天线(O1)为基准点，精确测量WGS84坐标系下另外两个天线(02、O3)相对于O1的坐标差(ΔΧ2，ΔΥ2， ΔΖ2)和(ΔΧ3，ΔΥ3, Δ Z3) 0依据坐标差算出三个姿态角。系统中三个天线的相位中心构成两个短基线(长度约为3 30m)。系统测姿的精度主要取决于基线的长度和基线的相对定位精度。当基线b = 3. Om时，测姿精度可达0.2° 0.5° ；当基线大于30m时，测姿精度可达0.02°。载波相位相对定位的观测值为L波段载波的相位值，它包括整周数N(存在�：�)和不足1周的相位值Δ φ，Δ φ的测量精度很高，一般其等效距离只有O 3) mm。因此，如何准确确定整周�：染统晌夭ㄏ喽远ㄎ坏墓丶�。常规的静态定位一般利用长时间的静态观测，使卫星几何图形产生足够大的变化，从而求解出整周�：取Ｔ诙ㄎ恢校苣：鹊脑诤浇馑�(OnTheFly)方法主要有快速�：冉馑惴�(FARA)、最小二乘�：人阉鞣�(LSAST)、模糊函数法(AFM)等。由此可见利用GPS的运动载体姿态标定技术已比较成熟。由此可见，利用GPS的运动载体姿态标定系统其技术已相对比较成熟。北斗卫星导航定位系统是中国研制的定位系统。目前启用的北斗一号卫星导航定位系统属于区域性定位系统，它由三颗北斗卫星组成，均为静止轨道卫星。由于该系统采用的是静止轨道地球同步卫星，其卫星数目较少并且只发送一个频率的下行载波，因此，GPS 运动载体姿态标定技术并不适用于北斗一号卫星导航定位系统。目前，利用北斗一号卫星导航定位系统进行姿态测量主要采用旋转天线法。该方法存在诸多问题，如求解整周�：鹊乃惴ǜ丛樱旌死眩ㄏ蚪峁煽啃缘停涣铰飞淦挡糠值氖毖右恢滦阅岩员Ｖぃㄏ蚪峁蟛畲螅豢垢扇判阅懿睿苟嗑渡杓苹岽蟠笤黾犹煜呒昂蠖舜淼母丛有�。本实用新型的目的就是要提供一种抗干扰性能好，智能化程度高，定向结果可靠性高的，适用于北斗一号卫星导航定位系统的运动载体方位标定装置
实用新型内容
[0006]本实用新型的目的是通过以下技术方案实现的本实用新型所提供运动载体方位标定装置，包括有天线、电缆、和差信号网络、和差信号接收�？�、电源模块、串口数据线、显控�？椋惶煜呶铰肪卣笮翁煜撸缓筒钚藕沤邮漳？橥ü谑菹哂胂钥啬？榱樱涣铰诽煜呓邮盏奈佬切藕磐ü缋陆残藕庞� Δ信号构成和差信号网络，Σ、Δ信号通过和差信号接收�？榻馑闼腿胂钥啬？�。本实用新型装置通过两路矩阵形天线同时接收北斗卫星信号，采用多模式并行工作，经过和差处理后，送入显控�？椋辉诙蕴煜呓邮盏墓β适萁斜冉�、处理时，找出功率最小值，由此较为精确的找到正对卫星的方向；再根据本机当前坐标与卫星的空间几何关系，解算出天线所指方向与真北之间的方位角。本实用新型装置具有抗干扰性能好，智能化程度高，定向结果可靠等特点。本实用新型同时还具有体积小、重量轻、价格便宜、全天候、误差不随时间积累、无需长时间初始对准等诸多优点。本实用新型装置可广泛应用于测绘、地质勘探、气象雷达等领域。本实用新型所提供的利用北斗一号卫星导航定位系统进行运动载体方位标定的方法，是由本实用新型装置中的两路矩阵形天线分别接收两组来自北斗卫星的相位信息， 通过和差信号网络转换为包含幅度信息的单通道信号，在通过幅度测量来实现方位的测量。更为具体的运动载体方位标定的方法是a、开机注册输入本机所在地的大地坐标LBH或大地直角坐标XYZ ；b、获取卫星坐标转动天线，开启本机，通过和差信号接收�？樗ū倍肺佬侵械囊豢盼佬遣ㄊ壹扑愠龉β首愎磺康氖焙颍Ｖ棺煜撸筒钚藕沤邮漳？橹械男藕糯砟？榭际涑鼋邮盏降暮筒钚藕磐缰械闹饭β适荩暾邮盏轿佬亲旰螅Ｖ故涑觯恢馗瓷鲜龉讨敝寥盼佬堑淖杲邮胀瓯希佬堑目占渥曜魑竺婕扑愕牟问斜４妫籆、获取Σ信号与Δ信号天线接收卫星信号，通过和差信号网络得到Δ、Σ信号， 经过和差信号接收�？槎允淙胄藕诺慕饫�、解调、译码等，解出信号功率及导航电文，送入显控�？�。d、计算卫星方位其流程包括显控�？橄蚝筒钚藕沤邮漳？橹蟹⑺痛莨β拭睿筒钚藕沤邮漳？椴⑿兴阉鞔砹霾ㄊ佬切藕殴β什⑹凳苯藕殴β史⑺椭料钥啬？椋钥啬？橥苯邮胀馕淙氲姆轿皇荩邮盏降睦醋院筒钚藕沤邮漳？榈墓β适萦敕轿皇菀灰欢杂Γ淮虮昙牵⒍允萁写恚坏碧煜咝街芎螅钥啬？榉⑺屯Ｖ姑钪梁筒钚藕沤邮漳？椋筒钚藕沤邮漳？橥Ｖ故涑觯蝗缓缶扑愕玫�3颗卫星所在的一组方位角数据；通过计算可得到一组真北方位数据；将这组真北方位数据剔除野值后，取平均值即可得到真北方位数据；e、传递真北方位数据。本实用新型装置及其方法与现有技术相比较，具有如下突出实质性特点和有益效果(1)利用两路矩阵形天线的接收功率差的最小值确定卫星信号方位，用接收功率和的最大值来解决方位的模糊，由此避免了载波整周�：鹊那蠼猓蚧思扑惴椒ǎ岣�
4了装置的运行效率。(2)卫星Σ、Δ信号在和差信号网络出口获得，射频部分的延时对方位确定无影响，由此大大降低了对设备一致性的苛求条件，提高了定向结果的可靠性，降低产品成本。(3)多径效应对信号功率估值影响不大，所以对定向精度的影响也不大。本实用新型中的Σ信号是指和支路信号；Δ信号是指差支路信号；
图1是本实用新型装置的结构示意图。图2是本实用新型装置中的天线结构示意图。图3是本实用新型装置中的和差信号网络的电路原理图图4是本实用新型装置中的和差信号接收�？榈墓δ芸蛲�。图5是本实用新型装置中和差信号接收模块中的信号通道处理�？榈墓δ芗敖峁箍蛲�。图6是本实用新型装置中显控模块外围硬件结构示意图。图7是本实用新型装置天线接收卫星信号原理图。
以下结合附图对本实用新型做进一步的详述。
具体实施方式
本实用新型装置如图1所示，包括有天线1、电缆2、和差信号网络3、和差信号接收模块4、电源�？�5、串口数据线6、显控�？�7;天线1为两路矩阵形天线(101、102)，和差信号接收�？�4通过串口数据线6与显控�？�7连接；天线1为两路矩阵形天线(101、102)， 两路天线(101、102)接收的卫星信号通过电缆2将Σ信号与Δ信号构成和差信号网络3 ； 和差信号接收�？�4接收和差信号网络3输入的Σ、Δ信号经过解算送入显控模块7。如图2所示，本实用新型装置的两路天线(101、102)优选微带天线阵列，方位面采用16个阵子(A1 Α8、Α9 A16)，每路天线方位面采用8个阵子；在物理结构上分为左右两个部分(即左边8个阵子，右边8个阵子)，接收的卫星信号通过电缆2将Σ信号与Δ信号构成和差信号网络3。和差信号网络3中的Σ、Δ信号通过Σ信号接口与Δ信号接口输入和差信号接收�？�4，经解算得到一个方位和波束和方位差波束并送入显控�？�7。如此通过加大天线平面净尺寸，有效提高了天线的接收性能。本实用新型装置中的和差信号网络3的主要功能是搬移微波信号的相位。其功能框图如图3所示，微波移相器301、微波功率合成器302、构成和差信号网络 3。一路天线101信号分别走传输线a和传输线b，当其选择传输线b时会比走传输线a多走2个四分之一波长(λ /2)。因此，天线101走传输线b就比走传输线a相位滞后180度。 天线101信号的模值保持不变，相位变化180度，则天线101信号就会变为负值，然后将微波移相器301所输出的信号送给微波功率合成器302。另一路天线102信号通过c传输线直接进入微波功率合成器302。微波功率合成器302将由一路天线101传输的两支路信号分别与另一路天线102传输的信号合成，即做相加运算，输出两路数值。本实用新型装置中的和差信号接收�？�4用于实现对输入信号的捕获、跟踪、解扩、解调、译码功能，解出信号功率及导航电文。其具体的电路设计如图4所示，该�？橛葾/D转换器(401、404)和通道处理�？�(402、40；3)和信号处理�？�405构成，其中的A/D转换器(401、404)分别通过通道处理�？�(402、40；3)与信号处理器�？�405相连，信号处理�？�405提取通道处理模块送来的数据，经处理送入显控�？�7。A/D转换器(401、403)将和差信号网络3送来的模拟信号转换为数字信号，然后再通过通道处理�？�(402、403)对数字中频信号及复现载波和复现码的相关处理输出功率值及导航电文等信息，通过信号处理�？�405提取通道处理模块(402、40；3)送来的功率值及导航电文信息送入显控�？�7， 而后显控�？�7对接收到的功率值数据进行比较，数值越小表明天线与卫星之间的夹角越�。笔荡锏较喽宰钚≈凳保煜哒晕佬�。上述的通道处理�？�002、403)的功能、结构如图5所示，该�？榘ㄓ斜镜厥衷夭ǚ⑸�、NCO (载波数控振荡器)、I支路码相关器、Q支路码相关器。通道处理�？� (402,403)接收和差网络3送来的数字中频信号，由本地数字载波发生器、NCO产生的复现载波和复现码与接收的数字中频载波信号和码信号相乘，然后经过I支路相关器、Q支路相关器进行相关处理，得到功率值及导航电文信息观测量。上述中的I是指h-phase (同相分量)；Q是指Quadrature (正交分量)。本实用新型装置中的显控�？�7负责对和差信号接收�？�4、与外围输入的方位角数据进行处理。在数据处理时，对两路天线的数据进行比较，以找出最小值，即为正对卫星的方向，由此再根据本机当前坐标与卫星的空间几何关系可以解算出天线所指方向与真北之间的方位角。本实用新型装置中的显控�？�7即CPU，与显控�？榱拥耐馕в布蒄PGA+DSP 结构实现。如图6所示，包括有USB接口 701，定位数据接口 702、方位角数据录取接口 703、 和差信号接收�？榻涌� 704，实时钟705，JTAG 706，Flash接口 707、SDRAM接口 708，以太网接口 709，液晶屏710，键盘711，及SD卡712。显控�？�7中运行的操作系统，可以方便地实现液晶显示屏710驱动、控制面板接口、扩展接口等功能。USB为显控�？�7提供内置主从控制接口 ；定位数据接口 702、方位角数据录取接口 703、和差信号接收模块接口 704分别接收定位数据、方位角数据及和差信号；实时钟705为显控�？�7提供时间。显控模块 7根据信号功率及对应的角度信息及从导航电文中解算的卫星位置解算出卫星方位与天线方位的对应关系，进而推算出真北方位与天线方位的关系；定位数据接口 702可从外部定位终端获得自身位置坐标信息。本实用新型装置中的电源�？�5为各个�？樘峁┧枰墓�。采用本实用新型装置，利用北斗一号卫星导航定位系统进行运动载体方位标定 首先通过两路矩阵形天线(101、10幻分别接收两组来自北斗卫星的相位信息，通过和差信号网络3转换为包含幅度信息的单通道信号，再通过幅度测量来实现方位的测量。其更为具体的步骤是a、开机注册主要是从键盘711输入本机所在地的大地坐标LBH或大地直角坐标 XYZ。b、获取卫星坐标转动天线，开启本机，通过和差信号接收�？�4锁定北斗卫星中的特定卫星波束且计算出功率足够强的时候，停止转动天线，信号通道处理器405开始输出接收到的和差信号网络3中的支路功率数据，待完整接收到卫星坐标后，停止输出；重复上述过程直至三颗卫星的坐标接收完毕，将卫星的空间坐标作为后面计算的参数进行保存；C、获取方位波束和信号与方位波束差信号接收天线发送的和支路功率数据、同时接收外围输入的方位角数据并将和支路功率数据和天线方位数据形成映射关系，根据接收到的方位角数据确定天线转动了一周后，设置天线输出差支路功率数据；d、计算卫星方位显控模块7向和差信号接收�？�4中发送传递功率命令，和差信号接收�？�4并行搜索处理六个波束卫星信号功率并实时将信号功率发送至显控�？�7，显控�？�7同时接收方位数据，并将接收到的来自和差信号接收�？�4的功率数据与方位数据一一对应； 打标记，并对数据进行处理；当天线旋转两周后，显控模块7发送停止命令至和差信号接收�？�4，和差信号接收�？�4停止输出；然后经过计算得到3颗卫星所在的一组方位角数据；通过计算可得到一组真北方位数据；将这组真北方位数据剔除野值后，取平均值即可得到真北方位数据；e、传递真北方位数据。5、传递真北方位流程人工或自动。本实用新型装置天线接收卫星信号原理如图7所示，随时间不断旋转的两路天线 (101,102)接收的两路信号，两路天线相位中心距离为L，卫星与天线中心平面夹角为α， 可以得到两路天线(101、102)接收到的信号传输距离差s，设天线(101、102)均为各向同性且性能相同，经过移相和切换后可以得到一包络信号，通过对包络信号对α的微分可知 包络的变化dP正比于L，反比于λ。根据包络的极值点可以确定卫星方位，根据本机位置坐标及卫星位置坐标确定本机至卫星的基线方位，进而确定真北方位。其具体运算方式如下首先进行和差运算，两路天线(101、102)相位中心距离(即基线长度)为L，卫星与天线中心平面夹角为α，则两路天线(101、102)接收到的信号传输距离差为S = Lcos α = Φ λ /2 π(1)艮P Φ = 2 π Lcos α /λ(2)设天线(101、102)均为各向同性且性能相同，令天线(101)接收信号为PA = Acos ω Ot(3)则天线(102)接收信号为PB = Acos(co0t+O)(4)经过和差运算后得到Σ + Δ和Σ - ΔΣ = ΡΑ+ΡΒ = Acos ω Ot+Acos (ω Ot+ Φ)= 2Acos(co0t+O/2)cos(lV2 (5)Δ = PA-PB = Acos ωOt-Acos (ωOt+Φ)= 2Asin(co0t+O/2)sinO/2 (6)差支路经过移相和切换后表达式为ΔΜ = I(t)2Acos(co0t+O/2)sinO/2(7)其中I(t)值为1，-1，则有Σ +ΔΜ = 2Acos(co0t+O/2) X〔cosO/2+I (t) sinO/2〕(8)为一包络信号，其包络变化幅度为[0069]P = 4AsinO/2为考察包络变化，求包络P对α的微分，得dP = -4Acos ( π Lcos α / λ ) Φ ji Lsin α / λ α(9)由(9)式可知包络的变化dP正比于L，反比于λ根据包络的极值点可以确定卫星方位，根据本机位置坐标及卫星位置坐标确定本机至卫星的基线方位，进而确定真北方位。
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权利要求1.一种运动载体方位标定装置，其特征在于该装置包括有天线(1)、电缆O)、和差信号网络(3)、和差信号接收�？�0)、电源�？�(5)、串口数据线(6)、显控模块(7)；天线(1) 为两路矩阵形天线(101、102)；和差信号接收�？�(4)通过串口数据线(6)与显控�？�(7) 连接；两路天线接收的卫星信号通过电缆(2)将Σ信号与Δ信号构成和差信号网络(3)， Σ、Δ信号通过和差信号接收�？�(4)解算送入显控�？�(7)。
2.根据权利要求1所述的运动载体方位标定装置，其特征在于所说的两路天线(101、 102)为微带天线阵列，每路天线方位面采用8个阵子。
3.根据权利要求1或2所述的运动载体方位标定装置，其特征在于所说的和差信号网络(3)由微波移相器(301)与微波功率合成器(302)构成，一路天线信号(101)通过传输线经微波移相器(301)进入微波功率合成器(302)，另一路天线信号(102)通过传输线直接进入微波功率合成器(302)。
4.根据权利要求1或2所述的运动载体方位标定装置，其特征在于所说的和差信号接收�？橹邪ㄓ猩栌蠥/D转换器001、404)、通道处理模块002、403)、信号处理�？� 005)，其中A/D转换器(401、404)分别通过通道处理器(402、40；3)与信号处理�？�(405) 连接，信号处理�？�(40 提取通道处理�？�(402、40；3)送来的数据送入显控�？�(7)。
专利摘要本实用新型公开了一种可广泛应用于测绘、地质勘探、气象雷达等领域的运动载体方位标定装置，包括有天线、电缆、和差信号网络、和差信号接收�？�、电源�？�、串口数据线、显控�？椋惶煜呶铰肪卣笮翁煜撸缓筒钚藕沤邮漳？橥ü谑菹哂胂钥啬？榱樱涣铰诽煜呓邮盏奈佬切藕磐ü缋陆菩藕庞毽ば藕殴钩珊筒钚藕磐纾啤ⅵば藕磐ü筒钚藕沤邮漳？榻馑闼腿胂钥啬？�。本实用新型装置具有抗干扰性能好，智能化程度高，定向结果可靠等特点。本实用新型同时还具有体积小、重量轻、价格便宜、全天候、误差不随时间积累、无需长时间初始对准等诸多优点。
文档编号G01S19/53GK202025090SQ20112012528
公开日2011年11月2日 申请日期2011年4月26日 优先权日2011年4月26日
发明者张旭, 张泽建, 曹春辉, 胡和水, 邱峻, 陈玉周 申请人:石家庄市经纬度科技有限公司
专业数控铣床产品供应商
20年生产经验，实力工厂，精工品质，质量有保障
