一种基于可重构模块化的星载GNSS接收机的制作方法

一种基于可重构模块化的星载gnss接收机
技术领域
1.本发明涉及一种基于可重构模块化的星载gnss接收机，属于卫星导航领域。


背景技术：

2.随着商业航天的快速发展，微小卫星凭借小体积、机动性强、建造速度快、低轨运行等优点，在宽带通信、电子侦查、遥感观测等领域发展迅猛，并呈现出大规模组网趋势，建设需求大。星载gnss接收机作为核心组部件之一，为卫星提供高精度位置、速度以及时间等信息。不同于地面场景，星载场景复杂，卫星运动速度快且存在不同姿态调整，信号多普勒频移大、可见星切换速度快等，对星载gnss接收机性能、可靠性等均提出了极高要求。传统星载gnss接收机仍以分系统或大单机形式为主，以fpga+dsp及rf+专用基带等单板设计为保证性能与可靠性，在小型化与低功耗程度上显得十分有限。近年来，国内一些卫星开始选用普通地面商用小型gnss接收机作为星上定轨设备，但在空间适应性及可靠性均无法满足长期在轨工作需求。此外，由于卫星型号与星座在功能与结构定义上往往各不相同，无法实现通用化，现有星载gnss接收机大多采用定制化方案实现，设计、生产成本以及周期难以压缩，无法形成批量化生产能力。


技术实现要素：

3.本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种基于可重构模块化的星载gnss接收机，采用模块化设计，包括射频模块、导航模块、控制模块以及底板；其中，射频模块、导航模块、控制模块采用标准化结构设计，模块间可重构组合，可支持多天线输入、多机冗余备份并适用于星载场景。射频模块接收多路天线gnss射频信号输入，并完成放大、合路与功分处理；导航模块基于一体化导航芯片完成gnss信号的捕获、跟踪与定位；控制模块基于主控cpu完成与星上分系统间的通信及控制指令接收与执行等；底板用于提供模块间互联、对外接口以及基本供电。本发明适用于复杂星载场景，具有可重构特性，兼具灵活性、通用性与可靠性，能够大幅降低设计成本，实现批量化生产能力。
4.本发明目的通过以下技术方案予以实现：
5.一种基于可重构模块化的星载gnss接收机，包括射频模块、导航模块、控制模块、底板；
6.射频模块用于接收gnss射频信号，然后进行一级滤波放大、合路与功分处理，输出多路射频信号；每一路射频信号输入至一个导航模块；
7.导航模块包括射频前端电路、一体化导航芯片；射频前端电路用于接收并处理射频信号；一体化导航芯片用于完成gnss信号捕获、跟踪与定位，输出定位结果、观测量数据至控制模块，同时接收控制模块指令；
8.控制模块接收导航模块输出的数据并进行打包，完成与星上分系统间的数据通信，控制模块接收指令并控制导航模块的工作模式与状态；
9.底板用于提供模块间互联、对外接口、调试接口以及供电。
10.进一步的，射频模块接收多路天线射频信号输入，对每一路射频信号均完成一级滤波放大后，依次经过多合一合路器与一分多功分器，输出多路射频信号；射频模块支持至多4路射频输入，至多3路射频信号输出，增益控制在14～16db范围内。
11.进一步的，导航模块的射频前端电路接收射频模块输出的单路射频信号，依次通过放大器、功分器、滤波器、单端转差分巴伦后输出3路差分射频信号，分别为1.5g频段、1.2g频段、1.1g频段；单一射频链路增益应控制在35～40db。
12.进一步的，3路差分射频信号同时输入至导航模块的一体化导航芯片；一体化导航芯片完成3路差分射频信号下变频变换与模数转换，输出不同频点的数字中频信号，并对3路数字中频信号完成多模多频点gnss信号的捕获、跟踪、定位。
13.进一步的，一体化导航芯片与控制模块的通信接口为uart；一体化导航芯片还预留1路uart接口作为备份。
14.进一步的，底板具备四路sma连接器，接收至多四路gnss天线射频信号，并通过微型板间连接器输出给射频模块。
15.进一步的，射频模块设有至多四路射频信号输入、三路射频信号输出，并预留天线馈电antvcc。
16.进一步的，导航模块的板间连接器引脚定义除电源vcc、gnd、uart、1pps、jtag、复位信号外，针对一体化导航芯片测试与调试需求还定义了：一体化导航芯片模拟中频输出、一体化导航芯片内部射频芯片配置接口spi、一体化导航芯片内部射频芯片采样时钟；以及定义iic、gpio接口用于通信接口扩展，提升导航模块通用性，降低后续设计更改。
17.进一步的，控制模块的板间连接器引脚定义采用统一标准，除电源信号、复位信号、jtag外，还提供一系列通信接口与调试接口；其中，控制模块与星上分系统通信接口包括can、iic、rs422、spi，支持1种或者多种可选。
18.本发明相比于现有技术具有如下有益效果：
19.(1)本发明采用模块化设计，各模块功能、接口定义清晰并采用标准化结构设计，可降低设计与生产成本。
20.(2)本发明在保证标准化结构设计要求下，通过选用不同合路器与功分器形成多种可插拔替换的射频模块，支持多路天线信号同时输入与射频信号输出，提高星载gnss接收机的空间适用性。
21.(3)本发明通过多个射频模块、导航模块、控制模块以及底板组合，可实现多机冗余备份，提高星载gnss接收机可靠性。
22.(4)本发明导航模块基于一体化导航芯片实现，功能密度比高，同时支持多模多频gnss信号定位，体积小、功耗低、可靠性高，可满足微小型卫星应用需求。
附图说明
23.图1是本发明星载gnss接收机实施例1基本原理框图；
24.图2是本发明实施例1射频模块基本原理框图；
25.图3是本发明实施例1导航模块基本原理框图；
26.图4是本发明实施例1控制模块基本原理框图；
27.图5是本发明星载gnss接收机实施例2基本原理框图。
具体实施方式
28.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步详细描述。
29.实施例1
30.本发明提供了一种基于可重构模块化的星载gnss接收机，如图1所示，其主要包括射频模块、导航模块、控制模块与底板。导航模块a与导航模块b为同类型导航模块，可互为冷备份，也可同时工作。控制模块a与控制模块b为同类型控制模块，可互为冷备份，也可同时工作。
31.射频模块、导航模块、控制模块均采用标准化结构设计，单个射频模块尺寸为40
×
20mm，单个导航模块尺寸为40
×
40mm，单个控制模块尺寸为40
×
40mm。
32.底板用于提供模块间互联、对外接口、调试接口以及基本供电；射频模块、导航模块、控制模块与底板间通过微型板间连接器连接。
33.底板具备四路sma连接器，接收至多四路gnss天线射频信号。本实施方案中使用其中两路sma连接器接收双路gnss天线射频信号，并通过微型板间连接器输入至射频模块。
34.射频模块通过滤波器、放大器、合路器与功分器输出多路射频信号至导航模块。
35.导航模块对输入的单路射频信号进行放大、功分、滤波等处理，形成3路差分射频信号，基于一体化导航芯片完成射频信号下变频、模数转化、数字中频处理以及捕获、跟踪、导航定位解算等，通过uart输出定位结果等数据至控制模块。
36.控制模块通过uart接收导航模块输入的数据并进行打包处理。采用标准化接口，包括can、iic、rs422、spi，可支持1种或者多种与星上分系统进行数据通信。控制模块接收星上分系统控制指令，并转发至导航模块，控制导航模块工作模式切换等。
37.(1)射频模块
38.如图2所示，射频模块接收双路gnss天线射频信号输入，使用滤波器、低噪声放大器对每路射频信号进行一级滤波放大。而后依次经过二合一合路器与一分二功分器，输出双路射频信号。射频模块的整体增益控制在14～16db。
39.此外，依据星载gnss接收机设计需求，在保持标准结构设计与引脚定义下，射频内部可选用不同端口数的合路器与功分器，实现多路天线信号的接收与多路射频信号的输出。如，选用三合一合路器与二合一功分器可实现三路gnss天线信号输入与双路射频信号输出。
40.但需要保证在选用不同合路器与功分器后形成的射频模块符合标准化结构设计，板间连接器引脚定义采用相同标准，以便实现不同类型的射频模块的同等插拔替换。鉴于多路合路与功分会造成衰减；同时，考虑射频模块体积限制，引脚定义除固定基本电源vcc、gnd引脚外，设有至多四路射频信号输入，三路射频信号输出并预留天线馈电antvcc，以提高适用性与兼容性。射频模块根据内部合路器输入端口以及功分器输出端口，选择相应射频信号输入输出引脚。
41.射频模块输出的每一路射频信号均将输入至一个导航模块进行处理。
42.(2)导航模块
43.如图3所示，射频模块输出的每一路射频信号输入至一个导航信号。
44.导航模块主要由射频前端电路、一体化导航芯片组成。射频信号依次通过低噪声
放大器、功分器、声表面波滤波器以及单端转差分巴伦，输出3路差分射频信号，分别支持为1.5g频段、1.2g频段、1.1g频段。单一射频链路增益增益控制在35～40db。
45.3路差分射频信号同时输入至导航模块的一体化导航芯片。
46.本发明中一体化导航芯片内部集成射频芯片、数字基带芯片、flash及电源，具有高功能密度比、低功耗，支持gps l1/l2/l5、bds b1/b2/b3及glonass l1/l2三模八频信号。其中，一体化导航芯片内部集成的射频芯片支持3路差分射频信号同时输入，完成二次下变频、放大器、滤波器等。数字基带芯片对射频芯片进行参数配置，完成3路差分射频信号下变频与模数转换，输出3路不同频点的数字中频信号。一体化导航芯片内部集成的数字基带芯片支持3路数字中频信号处理，通过软件算法设计完成三模八频gnss信号捕获、跟踪、定位。定位结果、观测量等数据将由一体化导航芯片的uart接口输出至控制模块。同时，预留1路uart接口作为备份。
47.导航模块板间连接器引脚定义除电源vcc、gnd，uart，1pps，jtag、复位信号等基本信号固定外，针对一体化导航芯片测试与调试需求还定义了部分接口，包括：一体化导航芯片模拟中频输出，一体化导航芯片内部射频芯片配置接口spi，一体化导航芯片内部射频芯片采样时钟等。同时，定义iic、gpio接口用于通信接口扩展，提升导航模块通用性，降低后续设计更改。
48.(3)控制模块
49.如图4所示，控制模块主要由主控cpu、接口电路、电源、存储单元组成。通过uart接收导航模块输出的数据，并根据数据约定进行打包处理。数据打包由软件算法完成。控制模块板间连接器引脚定义采用统一标准，除电源信号、复位信号、jtag等基本信号固定定义外，提供一系列通信接口与调试接口。其中，控制模块与星上分系统通信接口包括can、iic、rs422、spi，支持1种或者多种可选。
50.其中，can总线接口由can收发器及外围电路实现，iic总线接口主要包括iic中继器及外围电路。控制模块通过上述接口定时向外发送打包后的数据，也可根据具体设计需求选择特定接口进行数据发送。
51.此外，控制模块通过can或者iic总线接口接收星上分系统发送的轮询指令，依据轮询指令发送指定数据。同时，接收星上分系统发送的控制指令，并将控制指令转发至导航模块，导航模块基于控制指令完成工作模式切换等。
52.控制模块电源部分主要完成5v供电及内部所需的3.3v、1.8v、1.2v电源转换与控制。存储单元主要包括存储程序所需的flash。
53.实施例2
54.本实施例如图5所示：
55.(1)选用1个射频模块，2个导航模块与2个控制模块以及底板实现星载gnss接收机设计。
56.(2)射频模块支持三路gnss天线输入，内部通过依次选用滤波器、低噪声放大器、三合一合路器以及一分二功分器，输出2路射频信号。
57.(3)分别选用2个导航模块与2个控制模块，沿用实施例1中的设计，采用双机冷备份，提高空间适用性与可靠性。
58.(4)射频模块、导航模块、控制模块均采用标准化结构设计与引脚定义，单个射频
模块尺寸为40
×
20mm，单个导航模块尺寸为40
×
40mm，单个控制模块尺寸为40
×
40mm。
59.(5)底板沿用实施例1中的设计，使用其中三路sma连接器，支持三路gnss天线输入。
60.本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。
61.本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。