CN111077762A - 北斗多模授时接收装置 - Google Patents
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Abstract
北斗多模授时接收装置由多模宽带授时天线和多模基带解调模块组成，其中多模宽带授时天线包括宽带陶瓷介质圆极化天线或多模天线组合装置、前置带通滤波器、低噪声场效应放大器、宽带带通滤波器、单片低噪声放大器、防雷击浪涌电压冲击电路、供电稳压电路以及半球全向固定装置，本装置可多模式接收北斗三号和GPS、Galileo，QZSS，IRNSS，或GLONASS等卫星导航授时载波信号。为适应北斗导航卫星播放体制的改变，采用了新型多模天线组合方式，同时根据B1I和B1C频段在倾斜静止轨道播发，专门配置了卫星寻址固定结构以及配合使用多模基带解调模块，保证现有授时基站能够同时接收不同卫星导航授时信号，力争摆脱对GPS单一卫星导航***的依赖，提高我国移动通信和电力网络授时的安全性、可靠性和自主性。本发明属卫星导航授时领域。
Description
技术领域
本发明涉及一种北斗多模授时接收装置，特别适用于移动通信机站和电力网络授时同步，以及在新一代移动通信和定位导航装置上应用。属于卫星定位导航授时领域。
背景技术
建立兼容性卫星导航和授时接收设备已经在GNSS界成为共识。随着北斗三号卫星导航***的建立，我国专业从事卫星导航半导体器件制造的企业相继开发出以北斗三号为主，同时兼容其他GNSS导航***的射频基带一体化解调芯片，为我国开发各种卫星导航应用产品奠定了基础。但是，制作兼容性卫星导航授时接收装置不仅需要实现多模射频基带一体化解调芯片的突破，同时也必须解决多模卫星接收天线与基带芯片的耦合连接，在此之前，美国Trimble(天宝)公司和瑞典NovAtel等公司开发的兼容性授时导航测试设备主要采用各自独立的GPS和GLONASS单频天线进行组合，或设计成一体的大型多模金属天线与射频放大器耦合。在我国北斗二号优先占用1561.098MHz 民用频点后，发明人基于双峰宽带射频接收原理最先提出开发微型平面宽带陶瓷介质天线，实现了北斗二号B1频点1561.098与GPS和GALILEO共用的 1575.42MHz民用频点双模接收，并在移动基站试验成功，同时将该技术写入专利文献200810080082.X中，此后又在200910073942.1专利中将GLONASS 民用频点纳入其中，力争实现对GNSS导航***民用开放信号的多模式接收。但从2017年11月中国卫星导航***管理办公室发布的有关北斗三号接口控制文件看，北斗导航卫星体系做了较大调整，北斗三号新设立的B1C信号将在中圆地球轨道(MEO)卫星和倾斜地球同步轨道(IGSO)卫星上播发，其载波频率与美国GPS的1575.42MHz实现频率共享，其带宽明确为32.736MHz，并采用BOC(1.1)二进制偏移载波技术调制。如表1。
表1.B1C信号结构
与此同时公布了B1I频点仍为1561.098MHz，但明确不在中圆地球轨道(MEO)卫星播放，这是一个很大的变化，意味着国内为该频点研发的地面导航授时设备都要对其产品做出适应性改进，而且新近公开的国家标准征求意见稿也对测量型接收机兼容方式做了新的规定，对测量型接收天线提出了更高要求。如表2和表3及图示。
表2.GNSS测量型接收机通道数与跟踪能力
| 接收机类别 | 频点数 | 最小***组成 | 通道数 |
| 单模单频 | ≥1 | BDS | ≥12 |
| 多模单频 | ≥2 | BDS+(GPS/GLONASS/Galileo) | ≥24 |
| 单模多频 | ≥2 | BDS | ≥24 |
| 多模多频 | ≥4 | BDS+(GPS/GLONASS/Galileo) | ≥48 |
| 全星座多频 | ≥8 | BDS+GPS+GLONASS+Galileo | ≥96 |
表3.GNSS导航***各频点信号中心频率、码速率、带宽及调制方式
尽管发明人专利200910073942.1采用的宽带授时有源天线技术是为兼容北斗二号B1和GPS的L1频点设计的，但由于接收频带宽，因此仍能满足接收北斗三号B1I和B1C在静止轨道播发的新载波，但欲高质量兼容接收大部分GNSS卫星导航信号，就必须根据北斗新体制进行调整，特别是B1C 的频谱采用偏移载波方式组成，上下边带信号能否被完整接收就成为保证解调精度的关键，因此需要对现有的多模授时有源天线进行完善和改进。特别是北斗三号播发的B1I信号在静止轨道卫星播放，客观要求地面接收天线应具有半球全向寻址功能，涉及到的固定结构也要做相应改变。
发明内容
本发明所要解决的问题是统筹设计以北斗三号为主的包括多模式多***兼容型授时有源天线和多模基带解调的授时接收装置，保证现有授时基站能够同时接收不同卫星导航授时信号，力争摆脱对GPS单一卫星导航***的依赖，提高我国移动通信和电力网络***安全性、可靠性和自主性。
本发明北斗多模授时接收装置由多模宽带授时有源天线、多模基带解调模块组成，其特征在于：所述多模宽带授时有源天线包括宽带陶瓷介质圆极化天线或多模天线组合装置、前置带通滤波器、低噪声场效应放大器、宽带带通滤波器、单片低噪声放大器、防雷击浪涌电压冲击电路、供电稳压电路、含微带电路的印制电路板、非标准N型针式连杆电连接器，天线外壳、单向或半球全向固定装置；所述宽带陶瓷介质圆极化天线或多模天线组合装置可同时接受北斗三号和GPS、Galileo，QZSS，IRNSS，或GLONASS卫星导航授时载波信号，接收频率分别为北斗三号B1I的1561.098MHz和北斗三号B1C与GPS、Galileo等实现频率共享的1575.42MHz；或扩展至GLONASS 的1602.56MHz；或能够涵盖北斗三号B2\B3，GPS的L2\L5，Galileo的E5A\E5B、 E6，以及GLONASS的G2\G3等军民兼用频段；该宽带陶瓷介质圆极化天线或多模天线组合装置设置于印制电路板的一面，并通过引线连接到另一面前置带通滤波器输入端；或设置单模单频宽带陶瓷介质天线专门接收B1C、或B3I 在中圆轨道卫星播发的载波信号；
上述宽带带通滤波器采用陶瓷介质或声表面波滤波器，根据兼容模式可选择的频响带宽分别为1166-1217MHz；或1250-1286MHz；或 1550-1595MHz，或至1620MHz；采用单模单频接收B1C载波信号时，其陶瓷介质或声表面波滤波器的频响带宽宜选择1558-1592MHz，确保采用BOC技术调制的上下边带信号被完整接收，同时兼容GPS、Galileo等频率共享信号；
多模宽带授时有源天线主要技术参数如下：
(1)频率范围[MHz]：1166-1217MHz；或1250-1286MHz；或1550-1595MHz；或扩展至1620MHz；或1558-1592MHz
(2)增益[dBi]： ＞20
(3)噪声系数[dB]：＜2.5@+25℃、＜3.0@+80℃
(4)带外抑制[dB]：fo＝1190MHz；或fo＝1268MHz；
或fo＝1570MHz；或fo＝1575MHz；或fo＝1585MHz
fo±30MHz ＞5
fo±50MHz ＞20
fo±100MHz ＞50
(5)输入输出电压驻波比： ≤2.0
(6)防浪涌(冲击)抗扰度性能符合
IEC 61000-4-5：1995标准；GB/T 17626.5-2008标准
浪涌波形：CWG组合波，1.2/50μs，8/20μs
电压峰值[V]： ≥2000
脉冲数量： 10
(7)信号时延小于5ns；
上述宽带陶瓷介质圆极化天线选择平面结构设计制作，或选择圆柱体螺旋结构设计制作，为单臂、或两臂、或四臂螺旋陶瓷介质圆极化天线；也可以同时选择平面宽带陶瓷圆极化天线与GLONASS中心频率为1602.56MHz的单频螺旋陶瓷圆极化天线进行组合；接收北斗三号B1I和B1C与GPS、Galileo 共享的1575.42MHz频率、或B1C、B3I单模单频天线宜选择平面宽带陶瓷结构；全频多模接收天线宜选择螺旋宽带陶瓷结构，或多层叠加平面和螺旋陶瓷介质圆极化天线；
上述前置带通滤波器、低噪声场效应放大器、宽带带通滤波器、单片低噪声放大器和防雷击浪涌电压冲击电路及供电稳压电路位于印制电路板的另一面；以上电路设置在金属屏蔽腔内；防雷击浪涌电压冲击电路不宜选择气体防雷击元件，只能选择开关特性和耐压特性优异的单向TVS管，也称瞬变电压抑制二极管，将该二极管在供电稳压电路前反向对地接入即可承担防雷击和防静电任务，为提高保险系数宜设置两个，也可设置一个；其原因在于，气体放电元件采用辉光放电原理卸载，但卸载的同时必然在放电器件两端产生无规则瞬时高压尖脉冲，该脉冲可对低噪声器件造成严重损害；
上述天线外壳分为壳盖和壳体，上述印制电路板安装在壳体内，载波输出引线与非标准N型针式连杆电连接器连接，非标准N型针式连杆电连接器固定或嵌入在壳体上；壳体底部为平面固定结构，底部固定孔内镶嵌固定螺母，便于天线壳体底部平面与金属平面固定装置用螺钉紧固；或采用传统底部螺旋槽固定结构，壳体底部通过固定孔与外部平面金属固定装置固定；壳盖与壳体密闭性封接；
上述单向或半球全向固定装置是为跟踪导航卫星设计的，单向固定装置要求天线顶部朝向天顶上方安装，适合接收北斗三号中圆地球轨道(MEO) B1C信号和其它共享卫星频段信号；半球全向固定装置要求天线能左右180度水平转向，也可以前向90度倾斜转向，以便授时有源天线准确朝向北斗导航倾斜地球同步轨道(IGSO)卫星或地球静止同步轨道(GEO)卫星；天线经方位角调整测试后选择接受增益最大点紧固；
上述半球全向固定装置是为新的北斗三号卫星播放体制采取的必要措施，半球全向固定装置可以有多种结构选择，例如可仿照***天线的寻址固定结构等；本发明则根据天线壳体底部平面构造，通过紧固螺母将北斗多模授时有源天线固定在平面基座金属固定板上，该金属板延长部分弯曲，在弯曲部设立一个旋转轴固定孔，和一个可弯曲滑动的导向孔，以便成90度上下倾斜转向，相对应的是配置一个可与抱杆固定的金属板，其板面一端与基座金属固定板对应设立两个旋转轴固定孔，以便调整方位角后整体固定，金属固定板另一端为双侧对称的抱杆结构，用四枚螺钉紧固在抱杆上；
上述多模天线组合装置是根据使用环境有选择地将宽带陶瓷介质天线或与单频陶瓷介质天线包括平面或螺旋结构天线分别进行组合，并在覆铜印制电路板上采用上下叠加或平面分置的方法加以固定，以确保高质量接收导航卫星播发的导航授时信号；或根据国家规范设置单模单频或单模多频宽带陶瓷介质天线，如依据北斗B2a、B3I射频规范选择单频陶瓷介质天线，同时根据载波带宽选择相应的带通滤波器，以满足用户特殊需要。
所述多模基带解调模块俗称OEM解调板卡，包括多模陶瓷介质功分器、陶瓷介质或声表面波滤波器、基带解调模块，安装和贴装在一块印制电路板上；其特征在于：所述多模陶瓷介质功分器输入端接入来自北斗多模授时有源天线的高频载波信号，输出端分别连接属于B1I、B1C，或GLONASS三个频点，或属于B2a、B3I频点专用陶瓷介质或声表面波滤波器，陶瓷介质或声表面波滤波器输出端分别连接基带解调模块输入端，通过软件编译来规定授时主备用信号，其输出为1PPS秒脉冲，误差小于50ns，供移动基站或电力网路基准授时之用。
本发明的优势在于该装置充分兼顾了北斗导航体制和北斗三号卫星播发信号发生的重大变化，在兼顾接收中园低轨道卫星信号的同时又兼顾接收静止轨道卫星信号。该装置尤其适用移动基站授时以及电力网络授时。
附图说明
图1是本发明北斗多模授时有源天线原理示意图
图2是本发明北斗多模授时有源天线整体构造示意图
图3是本发明宽带陶瓷天线叠加组合示意图
(1)平面陶瓷天线叠加组合
(2)平面与螺旋陶瓷天线叠加组合
图4是本发明平面和螺旋陶瓷天线分置组合示意图
图5是本发明授时有源天线全向寻址固定结构示意图
图6是本发明防雷击电路原理和TVS管特性示意图
图7是本发明多模基带射频接收机模块示意图
图8是北斗导航卫星现有射频频点分布图
其中：1宽带陶瓷介质圆极化天线或天线组合装置，2前置带通滤波器，3低噪声场效应放大器，4宽带带通滤波器，5单片低噪声放大器，6 防雷击浪涌电压冲击电路，7供电稳压电路，8含微带电路的双面印制覆铜板， 9非标准N型针式连杆电连接器，10屏蔽罩，11天线壳盖，12天线壳体，13 半球全向固定装置，14紧固螺母，15同轴电缆，16平面宽带陶瓷介质天线， 17单频螺旋陶瓷介质天线，18单向TVS管，19导向孔，20抱杆，21.多模陶瓷介质功分器，22.陶瓷介质或声表面波滤波器，23.基带解调模块
具体实施方式
北斗多模授时有源天线构造如图1所示，由宽带陶瓷介质天线1接收复合导航信号后经前置带通滤波2连接至低噪声放大器3输入端，低噪声场效应放大器3输出端连接宽带带通滤波器4，再经单片低噪声放大器5由同轴电缆15连接非标准N型针式连杆电连接器9输入端，其9的N型端经同轴电缆15与基带授时解码***连接，构成低噪声高频RF放大接收链路；防雷击浪涌电压冲击电路6和供电稳压电路7一方面保证供电，同时防止危害性电脉冲经电源电路损坏低噪声器件。
为覆盖北斗卫星播发的民用频段信号，其天线组合装置可选择平面宽带陶瓷介质天线16与平面型单频陶瓷介质天线17上下叠加组合，或选择平面型宽带陶瓷介质天线16与单频螺旋陶瓷介质天线17分置组合，或选择宽带螺旋陶瓷介质天线17与平面单频陶瓷介质天线组合，组合天线引线连接前置带通滤波器输入端。
半球全向固定装置13是为适合北斗三号卫星新的播放体制采取的必要手段，半球全向固定装置13可以有多种结构选择，例如***天线可寻址固定结构等，本发明根据天线壳体底部平面构造，通过紧固螺母14固定在平面金属固定板上，该金属板延长部分弯曲，在弯曲部设立一个旋转轴固定孔，和一个弯曲可滑动的导向孔19，以便成90度上下倾斜转向，相对应的是需要与抱杆20固定的金属板，其板面一侧对应设立两个旋转轴固定孔，以便整体固定完成寻址后的授时天线，另一侧为双侧金属抱杆结构，用四枚螺钉紧固在抱杆20上。
多模基带解调模块俗称OEM解调板卡设置多模陶瓷介质功分器21，输入端接入来自北斗多模授时有源天线的高频载波信号，输出端分别连接属于B1I、B1C，或GLONASS三个频点、或属于B2a、B3I频点专用的陶瓷介质或声表面波滤波器22，之后分别连接基带解调模块23输入端，通过软件编译来规定授时主备用信号，其输出为1PPS秒脉冲，误差小于50ns，供移动基站或电力基准授时之用。
Claims (2)
1.北斗多模授时接收装置由多模宽带授时有源天线、多模基带解调模块组成，其特征在于：所述多模宽带授时有源天线包括宽带陶瓷介质圆极化天线或多模天线组合装置、前置带通滤波器、低噪声场效应放大器、宽带带通滤波器、单片低噪声放大器、防雷击浪涌电压冲击电路、供电稳压电路、含微带电路的印制电路板、非标准N型针式连杆电连接器，天线外壳、单向或半球全向固定装置；所述宽带陶瓷介质圆极化天线或多模天线组合装置可同时接受北斗三号和GPS、Galileo，QZSS，IRNSS，或GLONASS卫星导航授时载波信号，接收频率分别为北斗三号B1I的1561.098MHz和北斗三号B1C与GPS、Galileo等实现频率共享的1575.42MHz；或扩展至GLONASS的1602.56MHz；或能够涵盖北斗三号B2\B3，GPS的L2\L5，Galileo的E5A\E5B、E6，以及GLONASS的G2\G3等军民兼用频段；该宽带陶瓷介质圆极化天线或多模天线组合装置设置于印制电路板的一面，并通过引线连接到另一面前置带通滤波器输入端；或设置单模单频宽带陶瓷介质天线专门接收B1C、或B3I在中圆轨道卫星播发的载波信号；
1)上述宽带带通滤波器采用陶瓷介质或声表面波滤波器，根据兼容模式可选择的频响带宽分别为1166-1217MHz；或1250-1286MHz；或1550-1595MHz，或至1620MHz；采用单模单频接收B1C载波信号时，其陶瓷介质或声表面波滤波器的频响带宽宜选择1558-1592MHz，确保采用BOC技术调制的上下边带信号被完整接收，同时兼容GPS、Galileo等频率共享信号；
2)多模宽带授时有源天线主要技术参数如下：
(1)频率范围[MHz]：1166-1217MHz；或1250-1286MHz；
或1550-1595MHz；或扩展至1620MHz；或1558-1592MHz
(2)增益[dBi]： ＞20
(3)噪声系数[dB]：＜2.5@+25℃、＜3.0@+80℃
(4)带外抑制[dB]：fo＝1190MHz；或fo＝1268MHz；
或fo＝1570MHz；或fo＝1575MHz；或fo＝1585MHz
fo±30MHz ＞5
fo±50MHz ＞20
fo±100MHz ＞50
(5)输入输出电压驻波比： ≤2.0
(6)防浪涌(冲击)抗扰度性能符合
IEC 61000-4-5：1995标准；GB/T 17626.5-2008标准
浪涌波形：CWG组合波，1.2/50μs，8/20μs
电压峰值[V]： ≥2000
脉冲数量： 10
(7)信号时延小于5ns；
3)上述宽带陶瓷介质圆极化天线选择平面结构设计制作，或选择圆柱体螺旋结构设计制作，为单臂、或两臂、或四臂螺旋陶瓷介质圆极化天线；也可以同时选择平面宽带陶瓷圆极化天线与GLONASS中心频率为1602.56MHz的单频螺旋陶瓷圆极化天线进行组合；接收北斗三号B1I和B1C与GPS、Galileo共享的1575.42MHz频率、或B1C、B3I单模单频天线宜选择平面宽带陶瓷结构；全频多模接收天线宜选择螺旋宽带陶瓷结构，或多层叠加平面和螺旋陶瓷介质圆极化天线；
4)上述前置带通滤波器、低噪声场效应放大器、宽带带通滤波器、单片低噪声放大器和防雷击浪涌电压冲击电路及供电稳压电路位于印制电路板的另一面；以上电路设置在金属屏蔽腔内；防雷击浪涌电压冲击电路不宜选择气体防雷击元件，只能选择开关特性和耐压特性优异的单向TVS管，也称瞬变电压抑制二极管，将该二极管在供电稳压电路前反向对地接入即可承担防雷击和防静电任务，为提高保险系数宜设置两个，也可设置一个；
5)上述天线外壳分为壳盖和壳体，上述印制电路板安装在壳体内，载波输出引线与非标准N型针式连杆电连接器连接，非标准N型针式连杆电连接器固定或嵌入在壳体上；壳体底部为平面固定结构，底部固定孔内镶嵌固定螺母，便于天线壳体底部平面与金属平面固定装置用螺钉紧固；或采用传统底部螺旋槽固定结构，壳体底部通过固定孔与外部平面金属固定装置固定；壳盖与壳体密闭性封接；
6)上述单向或半球全向固定装置是为跟踪导航卫星设计的，单向固定装置要求天线顶部朝向天顶上方安装，适合接收北斗三号中圆地球轨道(MEO)B1C信号和其它共享卫星频段信号；半球全向固定装置要求天线能左右180度水平转向，也可以前向90度倾斜转向，以便授时有源天线准确朝向北斗导航倾斜地球同步轨道(IGSO)卫星或地球静止同步轨道(GEO)卫星；天线经方位角调整测试后选择接受增益最大点紧固；
7)上述半球全向固定装置是为新的北斗三号卫星播放体制采取的必要措施，半球全向固定装置可以有多种结构选择，例如可仿照***天线的寻址固定结构等；本发明则根据天线壳体底部平面构造，通过紧固螺母将北斗多模授时有源天线固定在平面基座金属固定板上，该金属板延长部分弯曲，在弯曲部设立一个旋转轴固定孔，和一个可弯曲滑动的导向孔，以便成90度上下倾斜转向，相对应的是配置一个可与抱杆固定的金属板，其板面一端与基座金属固定板对应设立两个旋转轴固定孔，以便调整方位角后整体固定，金属固定板另一端为双侧对称的抱杆结构，用四枚螺钉紧固在抱杆上；
8)上述多模天线组合装置是根据使用环境有选择地将宽带陶瓷介质天线或与单频陶瓷介质天线包括平面或螺旋结构天线分别进行组合，并在印制电路板上采用上下叠加或平面分置的方法加以固定，以确保高质量接收导航卫星播发的导航授时信号；或根据国家规范设置单模单频或单模多频宽带陶瓷介质天线，如依据北斗B2a、B3I射频规范选择单频陶瓷介质天线，同时根据载波带宽选择相应的带通滤波器，以满足用户特殊需要。
2.根据权利要求1北斗多模授时接收装置所述多模基带解调模块俗称OEM解调板卡，包括多模陶瓷介质功分器、陶瓷介质或声表面波滤波器、基带解调模块，安装和贴装在一块印制电路板上；其特征在于：所述多模陶瓷介质功分器输入端接入来自北斗多模授时有源天线的高频载波信号，输出端分别连接属于B1I、B1C，或GLONASS三个频点，或属于B2a、B3I频点专用陶瓷介质或声表面波滤波器，陶瓷介质或声表面波滤波器输出端分别连接基带解调模块输入端，通过软件编译来规定授时主备用信号，其输出为1PPS秒脉冲，误差小于50ns，供移动基站或电力网路基准授时之用。
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