一种便携式北斗兼容型定位定向仪设计

技术研究
1 引言
目前，GNSS 技术发展的总方向是低功耗、小型化和芯片组的大众化、日用化，以及系统功能的嵌入式和集成化。

技术的指向应主要定位于提供给用
户以价廉物美、界面友好的便携式GNSS 组合设备，
向大众化、安全性和专业类发展[1]。

随着我国自行研制的卫星导航系统-北斗卫星导航系统应用的日趋完善，国内目前正处于GPS 高精度
一种便携式北斗兼容型定位定向仪设计
史哲英，王 宁，谭雪松
（广州海格通信集团股份有限公司，广州 510663）
摘要：文章提出了一种以GNSS组合定位、北斗RNSS双频定向为核心，结合高集成度的处理器、低功耗的ARM单片机等，设计了一款便携式北斗兼容型定位定向仪设备。

设备具有小型化、轻量化、满足携行使用要求等特点，能实时向用户提供高精度的时间、位置和方向基准数据，弥补了传统天文定向和磁针指北易受天气等环境影响较大的不足。

关键词：北斗；GNSS；定位；定向；便携；低功耗doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2016.z2.003
中图分类号：TN96 文献标示码：A 文章编码：1672-7274（2016）z2-0007-05
Abstract: This paper presents the a GNSS positioning combination, compass RNSs dual directional as the core, combined with the high degree of integration of the processor, low power ARM MCU, designs a portable compass compatible type positioning and orienting instrument equipment. Equipment with miniaturization, lightweight, meet the portable use requirement, can real time to the user provides high precision time, location and orientation of the reference data, to make up for the traditional astronomy orientation and a magnetic needle refers to the north is easily affected by the weather and other environmental impact larger problems.
Keywords: Beidou; GNSS; location; orientation; portable; low power consumption
Shi Zheying, Wang Ning, Tan Xuesong
(Guangzhou Haige Communications Group Limited by Share Ltd., Guangzhou, 510663)
Design of a Portable Compass Compatible
Positioning and Orientation Instrument
作者简介：史哲英，男,工程师,现主要从事嵌入式系统开发、北斗导航产品的研究与设计。

王 宁，男,工程师,现主要从事北斗导航产品的研究与设计。

谭雪松，男,工程师,现主要从事北斗导航产品的研究与设计。

3.1 高精度零相位中心天线
高精度零相位中心天线采用耦合馈电、对称四馈点、高介质厚度和高介电常数的微带贴片天线形式，实现相位中心与几何中心的重合，降低天线对测量误差的影响；天线增益高，方向图波束宽，对低仰角信号接收效果好，确保在一些遮挡严重的场合能正常收星；带有抗多径扼流板，有效降低多路径信号对测量精度的影响；馈电网络采用两级功分器，最终单路输出。

高精度零相位中心天线的关键技术指标为相位中心误差，相位中心误差分为PCO （相位中心偏移量）和PCV （相位中心变化量），可用于评估天线相位中心的稳定性情况。

采用Ansoft HFSS 软件对天线可以进行建模和优化，仿真模型图如图3所示。

测绘设备向北斗/GPS 双系统高精度测绘设备的过渡阶段[2]。

同时，传统的寻北定向手段中，天文定向易受自然天气影响，磁针指北易受周围磁场环境影响，而便携式北斗兼容型定位定向仪具有全天候、小型化、轻量化，且不易受自然环境影响，能实时向用户提供高精度的时间、位置和方向基准数据。

2 便携式北斗兼容型定位定向仪功能
2.1 GNSS双频快速定位、定向的功能
便携式北斗兼容型定位定向仪通过高精度零相位中心天线接收北斗和GPS 卫星信号，并测量天线至卫星距离实现接收天线位置解算；接收北斗卫星播发的RNSS 双频信号（B1,B3），并测量两个零相位中心天线接收到的卫星信号的载波相位值，可实现高精度的基线快速解算和定向功能。

2.2 显示定位定向数据、收星状态、电池电量及
充电状态指示功能
便携式北斗兼容型定位定向仪的显示屏可以显示定位信息、定向信息、电池电量、充电状态、时间等，并且可以切换不同的坐标系显示实时位置信息。

3 便携式北斗兼容型定位定向仪硬件
设计方案
便携式北斗兼容型定位定向仪包括主站和从站，其中，主站包括高精度零相位中心天线、低噪声放大器、基带板、电源板、无线通信板、显示屏和电池，基带板包括射频模块、接收机模块和接口，从站包括高精度零相位中心天线、低噪声放大器、基带板、电源板、无线通信板、电池。

原理框图如图1、图2所示。

图1 主站框图
图2 从站框图
图3 天线仿真模型图
3.2 低噪声放大器（LNA）
在低噪声放大器前端采用耐压和耐大功率冲击的器件，有效防止带外强干扰信号引起第一级放大管饱和，提高系统的可靠性。

为保证信道的噪声系数要求，采用先放大后功分的方案；按照多级滤
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3.3 基带板
基带板方案如图5所示，分为射频和数字部分。

射频部分接收主站或从站的零电气相位中心天线提供的射频信号，信号经过两个功分器SCN-2-19经各自滤波器之后分成B1,L1,B3信号，之后送入GNSS 专用芯片XN112进行下变频处理。

数字硬件部分基于低功耗FPGA+低功耗DSP 设计，实现信号的捕获、跟踪、电文的解算、位置计算、方位计算等功能。

为减轻后续生产、管理成本，采用基带硬件集成化设计。

显示处理部分采用STM32系列单片机，通过SPI 总线实现显示屏数据传输，同时处理CAN 接口数据输出控制；授时接口和数据串口由FPGA 实现。

3.4 无线通信模块
无线通信模块嵌入高速低功耗单片机和基于
SEMT ECH 公司的高性能LoR a 扩频芯片SX1278（收发一体），数据传输距离（3,000米）与穿透能力比传统FSK 提升1倍以上，同时使用FEC 前向纠错算法，能主动纠正被干扰的数据包，抗干扰和灵敏度都大大提高。

模块发射功率100mW ，具有无线唤醒功能（超低功耗），并且提供了多个频道的选择，可在线修改串口波特率等参数。

通过主、从站间的无线数据通信，实现载波相位值的共享，从而实现高精度的基线快速解算和定向功能。

3.5 电源模块
外部电源输入10V ～32V 电压后，先进入EMI
滤波器FDK5A/50P-D1进行滤波，然后再使用电源模块将电压转为5V 给低噪声放大器和无线模块使用，转为3.3V 和1.2V 给FPGA 和DSP 使用。

波器、放大管间隔依次摆放，通过合理的增益分配来实现低噪声放大器的放大功能；通过选择低差损的前置滤波器及低噪声器件来保证噪声系数性能；通过多级滤波器来实现对过渡带、带外信号的抑制。

原理框图如图4所示。

图4 低噪声放大器原理框图
图5 基带板框图
图6 电源部分框图
电源模块部分还要完成对主站内部电池充放电管理，框图如图6所示。

外部供电时通过电源开关可控制主机供电，但是电池处于充电状态；内部供电时通过电源开关可控制电池供电。

3.6 显示屏及电池
便携式北斗兼容型定位定向仪使用SPI 总线控制的显示屏，将定位信息、定向信息、电池电量、充电状态、时间等信息显示出来，并且可以切换不同的坐标系显示实时位置信息。

电池采用通用的18650电池，可以保证设备连续工作时间大于4小时。

4 便携式北斗兼容型定位定向仪软件
设计
便携式北斗兼容型定位定向仪软件共分为基带处理软件和ARM 软件，基带处理软件包括GNSS 信号处理和GNSS 信息处理。

4.1 GNSS信号处理
GNSS 信号处理模块主要负责GNSS 卫星信号
的捕获控制、跟踪环路计算，位、帧同步等功能。

射频信号经射频模块下变频后，经过AD 输入数字中频信号给基带信号处理单元。

在GNSS 信号处理模块中，主要包括PLL 模块、接口控制部分、抗窄带干扰模块、捕获控制、捕获引擎、失锁重捕模块、定位定向32路跟踪通道。

GNSS 信号处理模块功能框图如图7所示。

4.3 ARM软件
ARM 软件运行在处理器STM32F415上，主要控制显示屏和CAN 接口，接收基带软件发出的定位定向数据，输出定位定向数据、收星状态等信息到显示屏上显示。

同时，实时检测电池电量和充电状态并在显示屏上显示。

5 关键技术分析
5.1 快速定向技术
在北斗定位定向仪基线解算中，针对定向时间的快速架设时间要求，采用了双频组合应用技术和载波相位整周模糊度的快速解算技术相结合的方式来进行定向解算，可有效提高定向的解算速度。

RNSS 双频组合带来的最大优势就是可以单历元解算整周模糊度，如果卫星可视性满足要求，可以实现快速定向功能。

为了提高定向精度,在单历元解算整周模糊度之后加入了静态序贯平差算法，按相关分析，开机后定向时间不大于3分钟。

5.2 静态逐次滤波技术
为了提高定向精度，在原有基础上增加了静态逐次滤波技术。

静态逐次滤波也叫序惯平差，当观测量的个数n 很大时，为了解决高阶矩阵求逆的困难和处理器容量不足的问题,将多个观测向量分为若干份,逐次进行计算，分组后可以使每组的法方程阶数降低，减轻计算强度。

解算基线向量的观测方程为：AX N L +=。

式中，A 为观测矩阵；X 为基线向量；N 为整周模糊度；L 为载波相位双差值。

整周模糊度解算成功之后，回代如观测方程，再利用静态逐次滤波技术即可解算出基线向量。

基线解算递推公式如下：
11
1111111111111()();(());
T T k k k k K k k K K K T T K k k K k k K k X X Q A P A Q A L N A X Q E Q A P A Q A A Q −−++++++−−+++++=++−−=−+根据理论推导，符合广义最小二乘原理。

即综合多个历元的观测数据，求解出来的基线向量满足最小二乘残差最小原则。

将其应用于基线向量解算中，可以有效提高定向精度。

5.3 频域抗窄带处理设计
采用频域抗干扰技术实现对窄带干扰的滤除，
图7 GNSS 信号处理模块功能框图
4.2 GNSS信息处理
GNSS 信息处理模块主要负责GNSS 卫星伪距计算、电文处理、卫星状态计算等，然后根据这些信息进行选星、PV T 解算和定向解算。

解算完成后，根据得到的钟差、钟速计算本地时间调整量，GNSS 信号处理模块据此调整本地时间，定时守时时间的写入与读取也由本模块执行。

本模块共包含子模块如图8所示。

图8 GNSS 信息处理模块结构
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实现流程为：首先对AD 采样信号进行重叠加窗，减少FFT 变换后的频谱泄露，再FFT 变换到频域，频域自适应确定干扰检测门限值，最后经过反加窗和IFFT 变换输出时域信号。

按照上述流程进行仿真，对输入的干扰信号进行频域抗窄带干扰处理，得出抗干扰处理流程中各节点信号的频域图形。

如图9所示。

置具有标准的5/8″×20的螺纹孔，
便于架设。

6.1 轻量化设计
基于轻量化设计，结构件的主体材料采用镁铝
合金，在保证满足结构强度、机械性能及电磁屏蔽等设计要求的情况下，重量比铝合金轻约30%，针对镁铝合金耐蚀性差的特点，采用先钝化后喷丙烯酸漆的表面处理工艺，镁铝合金结构件钝化后可以耐中性盐雾24小时持续稳定，甚至可以达到96小时，加上漆层保护，能有效满足各种环境适应性要求。

6.2 结构电磁兼容性设计
⊙ 底盘、腔体均采用镁铝合金，结构件接触面
做导电处理，保证整机电接触良好。

⊙ 射频模块采用独立壳体与信号处理板分隔开，实现干扰电路与敏感电路的隔离。

⊙ 单元上的敏感器件用铜板制造表面为镀银处理的小屏蔽盒或马口铁镀锡的屏蔽盒进行屏蔽，防止它们受到外界电磁场的影响。

⊙ 在孔缝处合理运用电磁兼容材料，如腔体与底座之间选用导电双峰胶条，其余的接插件装配缝隙则用导电橡胶板进行处理。

导电橡胶条和橡胶板的填充材料为Ag/Cu 合金，用MIL-STD285方法测量，10GHz 平面波，屏蔽效能可达120dB ，同时还可以起到防止水渗漏的作用。

7 结束语
本文针对传统天文定向和磁针指北易受天气等环境影响较大的不足，给出了一种以GNSS 组合定位、RNSS 双频快速定向核心的便携式北斗兼容型定位定向仪设计方案，并详细介绍了设备的组成、设计方案和关键技术。

该设备具有成本低、低功耗、传输数据实时、架设方便等优点，弥补了传统定向手段的不足，为高精度测量领域提供了一种新型测量技术手段。

■
参考文献
[1] 曹冲著．北斗与GNSS 系统概述．北京：电子工业出版社，2016.4[2] 夏林元等．北斗在高精度定位领域中的应用．北京：电子工业出版
社，
2016.4
图9 抗干扰处理流程各节点频域图形
“初始数据频谱”为原始信号频谱图；“加干扰后数据频谱”为原始数据加干扰但不加窗的频谱图，其干扰谱线展宽严重；“加窗数据频谱”为干扰数据加窗后得到的频谱图。

由上图可知，虽然干扰谱线的主瓣有些展宽，但很好的将干扰信号能量集中在临近的几个点；“检测处理后的频谱”为对干扰谱线置零后得到的频谱图；“延时检测处理后的频谱”为延时通道频谱。

由上可知，频域抗窄带算法能很好的将窄带干扰在频域直接去除。

6 结构设计
基于设备的小型化设计，主、从站外形尺寸可
以做到为≦Φ100mm ×90mm ，总重量小于2千克。

主、从站结构分为天线罩、腔体、底盘三部分，各功能模块分别装入腔体与底盘，天线罩和腔体之间为螺纹连接、腔体和底盘之间则通过螺钉连接，接缝处装防水胶条，对外接插件选用高可靠性的防水类型，保证设备满足防水要求。

安装底座几何中心位。