北斗天线结构设计论文
基于北斗二代的卫星星座设计
针对”北斗二代“卫星导航系统,首先,设计适合我国区域导航定位需求的GEO+MEO的星座;在此基础上增加一个倾斜地球同步轨道卫星星座扩充成一个GEO+MEO+IGSO的全球卫星导航系统;进行GDOP值和可见星数仿真,根据仿真结果对星座参数进行优化.
作 者：戴邵武 马长里 李宇 代海霞 DAI Shao-wu MA Chang-li LI Yu DAI Hai-xia 作者单位：戴邵武,DAI Shao-wu(海军航空工程学院控制工程系,山东,烟台,264001)马长里,李宇,代海霞,MA Chang-li,LI Yu,DAI Hai-xia(海军航空工程学院研究生管理大队,山东,烟台,2640013;北京清华同方工业有限公司,北京,100083)
刊 名：海军航空工程学院学报 ISTIC英文刊名：JOURNAL OF NAVAL AERONAUTICAL AND ASTRONAUTICAL UNIVERSITY 年，卷(期)： 25(1) 分类号：V556.3 关键词：北斗二代 GDOP 可见星 仿真文献中可查阅的多模卫星导航天线[1,2,3,4,5]多工作在GPS(1 227.6±2.06 MHz,1 575±2.046 MHz)和GLONASS(1 603.69±10.732 5 MHz)频段,相对带宽约为32.9%。而设计工作在GPS频段(1 575±2.046 MHz)至北斗频段(2 491.75±8.25 MHz)的终端天线的相对驻波带宽约为45.3%,相对频带间隔宽于目前的多模卫星导航天线。设计覆盖北斗频段的多模卫星导航天线已经面临紧迫的挑战。同时,文献中给出的天线设计多考虑天线自身的电性能实现,但是结构方面的设计及不同载体的要求较少顾及,如天线的载体限制尺寸且为金属结构,则天线的馈电网络则不能直接使用微带线和槽线结构,也不能过于复杂等。
由于铝金属结构具有强度高、重量轻和加工方便的特点,大多数卫星导航终端都使用这类材料作为天线的载体。为了易于集成,载体上层用于固定天线,而下层则用于放置射频组件。本文设计了一种可以工作在GPS频段(1 575±2.046 MHz)、GLONASS频段(1 603.69±10.732 5 MHz)和北斗频段(2 491.75±8.25 MHz)的多模圆极化天线结构形式。为了易于调谐和集成,选用具有低剖面特性的圆环形天线和贴片枝节结构形式和不受天线载体的限制且具有宽带特性的带状线结构。
1 天线设计
图1给出了天线及馈电网络的结构示意图。北斗多模卫星导航天线的整体尺寸为40 mm×40 mm×11 mm。通过双馈电点“叠层式”设计,即耦合馈电方式实现双频带工作。为保证上、下贴片天线具有相同的馈电位置,微带天线的介质基板分为两层,其介电常数分别选为ε=2.2和3.2,厚度分别为2.4 mm和6.4 mm。为了易于调谐,贴片天线选用调节参数少的圆环形结构,其内、外半径尺寸选为r=16 mm,r=43 mm和r=13 mm,r=52.6 mm,上层贴片的谐振频率为1 589 MHz,下层贴片的谐振频率为2 494 MHz。贴片枝节尺寸为2.5 mm×2 mm,来微调北斗天线的谐振频率。仿真软件选用Ansoft HFSS和AWR Microwave Office。
2 天线仿真与分析
图2中给出了矩形贴片天线的S11的仿真结果,可以看出,天线在频段1 573~1 577 MHz,1 593~1 620 MHz和2 480 ~2 500 MHz 内的S11均<-10 dB,满足指标要求。
图3为馈电网络的结构示意图和仿真结果。馈电网络采用改进的紧凑型90°宽带移相器结构[4],设计时需要兼顾带状线间的耦合相应。因为采用两层介质材料(ε=3.2,厚度1 mm),为了保证带状线的电性能,实施过程中在带状线结构周围使用了很多金属销钉,保证两层介质板材贴合紧密。通过仿真结果可以看出,改进的宽带馈电网络在需要的1 570 ~2 492 MHz频段内具有良好的90°移相特性和一致的幅度特性。表1给出了图3(a)中对应的圆极化网络参数的数值。
图4给出了北斗多模导航卫星天线的结构图。天线的接口为SMA同轴连接器。仿真过程中考虑了实施时的具体情况,馈电网络中带状线周围通过金属螺钉保证2层介质板贴实,同时移相器的短路点应连接带状线的上下底板以防止高次模的产生。在同轴与带状线过渡处应放置若干金属销钉连接带状线上下表面,通过仿真确定销钉位置以减小不连续产生的影响。介质基板的金属层起到接地板的作用,其上有通孔构造成50 Ω同轴线,通过1 mm的金属细线连接天线和90°电桥来实现对天线馈电。
图5给出了北斗多模导航卫星天线的实测电压驻波比曲线,可以看出,由于使用宽带馈电网络,使得在频带1 400~2 600 MHz内总端口的电压驻波比<2。
图6和图7分别给出天线的仿真辐射性能曲线。图6为天线在1 575 MHz、1 603 MHz和2492 MHz处实测的左、右旋圆极化方向图曲线。图7给出了在频带1 500~1 700 MHz和2 350~2 550 MHz内的实测增益和轴比曲线,实验数据表明,在要求的频带内该天线具有良好的圆极化辐射性能。
3 结束语
本文设计了一种易于调谐并应用于多载体平台的北斗多模卫星导航天线。该天线具有小型化、低剖面和结构稳固的特点,易于与后端射频组件集成,具有良好的电性能和工程实现性。
参考文献
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【关键词】北斗卫星 预警发布 发布平台 发布手段
一、引言
国家气象信息中心建设的基于北斗导航卫星的气象预警发布示范工程，目的是利用我国北斗卫星导航系统具有独特的短报文通信功能，解决气象预警信息对边远地区的覆盖及预警信息传输“最后一公里”，对指定区域进行预警信息的精细化发布服务，避免常规通信手段覆盖不到的偏远地区气象预警信息的发布问题。最大程度地减少国家以及人民生命和财产损失，增强社会公众防灾减灾的能力。
示范工程建设的基于北斗导航卫星的气象预警信息发布系统架构见图1，建设的主要内容为基于北斗导航卫星的预警信息发布平台（以下简称“北斗预警发布平台”），包括国家、省、地市三级平台架构，以及基于北斗导航卫星的预警信息接收终端（以下简称“北斗预警接收终端”），包括双向终端、单向终端以及LED显示屏。
北斗预警发布平台的设计是整个系统的关键，如何实现上游预警信息的采集、下游通过北斗导航卫星系统发布预警信息，以及提供一套集中的预警信息、链路通道、指挥机和终端的管理操作平台是其中重点要考虑的。
二、功能设计
2.1预警信息采集
北斗预警信息发布平台实现对三类预警信息的采集：国家突发公共事件预警发布系统（以下简称“国突系统”）接入的预警信息、其他预警信息发布系统接入的预警信息和本平台web界面人工录入的预警信息。其中国突系统接入的预警信息为主要来源。
1、与国突系统发布管理平台对接。国突系统是国务院应急平台唯一的突发事件预警信息权威发布系统，通过不断建设，该系统将成为全国的突发事件预警信息统一发布系统。因此，北斗预警发布系统将国突系统作为主要的预警信息来源，从国突系统来说，北斗预警发布系统也可作为它的一种发布手段。国突系统对外部系统提供了TLQ对接方式，所以对接实现的方法使用TLQ对接方式：首先在国突系统发布管理平台上进行对接北斗平台注册，注册完成后国突平台将会以消息的方式推送预警信息包到北斗平台，北斗平台安装TLQ服务端及客户端，并完成相应配置，就能监听国突系统发布管理平台预警信息，并按照国突系统提供的预警信息包结构规范对预警信息进行解析。
2、与其他预警信息系统对接。除国突系统外，还有一些在运行的其他预警系统，北斗平台以提供ftp接口目录的方式进行对接实现预警信息采集，前提是这些预警系统推送到北斗平台的预警信息包应符合通用警报协议（CAP，Common Alerting Protocol）规范。
3、web界面人工录入。北斗预警信息发布平台以B/S架构设计，提供web发布管理界面，能通过本平台发布管理人员人工录入的方式实现预警信息的采集。
2.2预警信息发布
北斗预警信息发布平台实现预警信息的处理，并通过北斗导航系统发送的功能。
1、预警信息处理。北斗预警信息发布平台首先校验Web界面人工录入和外部系统接入方式所采集到的预警信息格式是否正确，只有通过校验的预警信息才能被接收，否则当成非法预警信息处理，并给对方发送错误信息回执。平台对格式正确的预警信息进行解析，抽取预警信息类型、预警级别、发布单位、发布范围等条目，分析预警信息相应的处理逻辑。平台根据相关规范将预警信息处理后的相关数据存储到数据库中，以便进行信息查询、检索、统计等操作。
2、预警信息上星发布。预警信息的发送是通过北斗导航系统的短报文功能实现的。预警信息的处理完成后，根据文献[3]中提供的预警信息北斗发布协议转换为北斗预警信息，再根据预警信息北斗传输协议将预警信息进行分包、封装，然后通过北斗指挥型用户机进行上星发布。
2.3发布链路控制
一是实现预警信息在北斗指挥型用户机上的多通播ID并行广播；二是实现向双向终端的点对点广播；三是实现预警信息优先级自动排队调度以及人工调度管理；四是实现预警信息的重发与广播次数控制。
2.4报警接受及处理
报警信息是由双向便携式终端在事发现场发往相关报警部门的短信息。在信息中，可以对事件性质、地点和时间等要素进行简要描述。终端用户可以操作北斗双向报警终端编辑报警信息并可进行确定后的发送；终端通过北斗卫星的短消息通信功能，将报警信息上传至北斗预警信息发布平台。北斗预警信息发布平台在收到报警信息后，向终端发送回执；然后对报警信息进行完整性检查、合法信息验证、协议转换等预处理操作。北斗预警信息发布平台可以根据报警终端的归属、报警信息的类别等内容，判断该报警的处理部门，并将报警信息通过网络传送给相应的报警处理部门，交由该部门进行处理。
2.5系统网管及监控
北斗预警信息发布平台可以对终端进行注册管理，未注册的终端无法接收平台预警。平台可以实现对系统用户的管理，对用户进行增、删、改、查操作，并可分配群组角色，配置权限。北斗预警信息发布平台可以对预警信息状态、系统运行状态、指挥机及终端状态进行监控，并具备信息查询与统计、异常告警与处置等功能。
预警信息状态监控可以为发布用户和系统运维人员提供预警信息发布处理各个环节的实时状态监视信息。系统运行状态监控可以为运维人员提供网络状态、服务器状态、软件进程的实时监视等功能。指挥机及终端状态监控可以提供指挥机运行状态查看、指挥机的参数查看与配置、终端的地理位置信息监视、终端参数查看与配置等功能。信息查询与统计可通过调用地理信息服务的方式，在基于地图的界面进行查询和统计，实现按照地域范围、预警信息类别等进行直观的选取、查询和统计。异常告警信息可提供声音和画面等方式提醒运维人员系统运行情况。系统还能够展示异常详细信息及可能导致此异常的原因，同时能够提供异常处理策略进行异常诊断及异常处理。
三、结构设计
为满足平台功能设计的要求，平台结构设计见图2。
北斗预警发布平台由以下部分组成：发布服务器、多串口发送服务器、北斗指挥型用户机。
发布服务器上部署北斗预警信息发布平台应用软件，负责预警信息的处理（解析、提取、分析）、封装、报警信息的拼装、系统配置管理及监控等平台的业务逻辑处理；接收端发布服务器与气象部门宽带网连接（国突系统预警信息通过气象部门宽带网传输），接收需要发布的预警信息，并将拼装后的报警信息通过气象宽带网络转发至相应的处理部门；发送端发布服务器与多串口发送服务器相连，将封装后的北斗预警信息传输报文交由后端的多串口发送服务器发送，并接收来自多串口发送服务器的报警信息。
多串口发送服务器与一台或多台北斗指挥型用户机相连，将封装后的预警信息传输报文通过串口传送至北斗指挥机。考虑时效要求和建设成本，这里仅使用一台可安装多块IC卡的北斗指挥机
北斗指挥型用户机负责北斗协议的处理、预警信息的上星发送和告警信息的接收。机内可安装多块指挥机IC卡，支持多通播ID并行广播。
另外，北斗服务器及多串口发送服务器均采用双机高可用（HA）设计。
四、平台测试
根据本文建设的国家级北斗预警发布平台，于2015年11月投入试运行，至2016年6月已成功测试发布预警9000余条，包括本平台测试预警8000余条和对接国突系统预警1000余条。
期间还对该平台时效性进行了测试。平台使用一台安装有3张指挥机IC卡的北斗指挥型用户机，指挥机发送频度为60秒，发送次数为2次（提高接收成功率），每种预警信息长度测10次，计算平均值。测试结果如下表：
五、结语
基于北斗导航卫星的预警信息发布平台是实现预警信息通过北斗导航系统发布的主要功能平台，平台上游实现了与国突系统的对接，为预警信息发布提供了一种覆盖面广、时效相对较高的发布手段。
为了解决舰艇纵横摇对通信天线的影响，设计出了一种通信天线电子自稳系统，并介绍了系统的电子自稳原理，给出了通信天线相位值的计算过程和电子自稳过程。
0 引 言
舰艇在海面上因受到风浪的作用而产生摇摆运动，为了保证舰载通信天线的高增益，舰载通信天线的波束俯仰方向很窄，舰载通信天线随同舰艇摇摆， 就会使舰载天线增益急剧下降，严重影响通信质量，因安装于舰艇平台。
通信设备在设计与使用过程中， 必须考虑舰艇纵横摇的影响，并进行天线波束稳定，这是舰用设备与岸基设备的显著差别之一。对这种影响的分析、研究已运用于雷达、电子战设备的设计和应用中[1-3]。
舰艇通信天线波束的稳定方法大致分为机械稳定、电子稳定两种。传统的机械稳定平台结构复杂、造价昂贵且易出故障，故目前的通用做法是取消笨重的机械平台，在通信天线的俯仰和方位轴上进行电子补偿来稳定天线的波束。
1 原 理
通信天线在零度仰角(水平面)附近的辐射特性，对于处于远场的，不论是海上还是空中对象的通信效果，都具有非常重要的意义。为了尽可能大的服务空域覆盖，通常需要天线垂直面的方向图在水平面附近上半空间具有尽可能大的辐射强度，同时，为了减少由海面反射造成的多径干涉效应，又需要尽量减少水平面附近下半空间的辐射强度。
因此，天线的垂直方向图在水平面附近，应该具有尽可能大的场强斜率，以满足这个方向图的要求。然而过于陡峭的场强斜率，会对舰船载体的摇摆很敏感，即舰船向某侧倾斜时，其相反方向上原本指向水平面以下的`。
很低场强的方向图将指向空中，造成相应覆盖区域场强大幅度下降，从而大大缩短了有效覆盖的作用距离，使远场通信对象无法有效通信。
舰艇在风速3～4级的海况下，最大摇摆幅度将达到±15?左右。在这种情况下射向水平面以下的部分射频场强较强，并通过海面形成反射波，它与直射波将发生多径信号叠加。
由于海水的良好导电性，反射波衰减很小，其幅度与直射波幅度具有较大可比拟性，因此对直射波形成较强的多径干涉现象。
使海面附近上半空间的直射波与反射波合成方向图随仰角变化形成一系列栅瓣-零陷分布，将会造成远场通信对象通信概率的下降。
电子稳定技术就是根据大地坐标系(静坐标系)与天线阵面坐标系(动坐标系)之间的关系，波控控制单元在计算移相器的移相值前，对天线阵面坐标系下的俯仰角、方位角进行补偿，这就涉及多个坐标系变换问题。
本通信系统采用电子自稳来稳定波束，天线电子自稳系统由角传感器、波束控制单元、相控阵天线组成，通信天线自稳系统组成框图如图1所示。
该通信天线电子自稳系统是一种基于相控阵原理的电子稳定天线，舰船摇摆时，天线内置的倾角传感器量化摇摆矢量，并通过处理器转换成相位变化信号来控制天线各辐射单元的相位。
从而改变天线不同方位上辐射波束的俯仰指向，综合形成相对于海平面平稳的方向图，实现对作用空域的稳定连续覆盖，其核心是相位值的计算。
2 相位值计算过程
相位计算是根据大地坐标系(静坐标系)与天线阵面坐标系(动坐标系)之间的关系，把摇摆角度转换成天线阵面坐标系下的俯仰角与方位角的相位补偿。
这就涉及多个坐标系变换问题，角传感器为波束控制单元提供的舰船姿态角信息主要有横摇角、纵摇角、航向角，其符号及方向规定如下：
(1)H-航向角，舰船首尾线在水平面投影相对正北的转角，顺时针为正。
(2)P-纵摇角，舰船首尾线相对水平面的转角，舰首抬起为正。
(3)R-横摇角，绕舰船首尾线相对水平面的转角，左弦抬起为正。
(4)A-倾斜角，天线阵面所在的x， y平面向后倾斜的角度。(一般天线安装好为固定值)。
2.1 航向角的坐标转换
航向角的坐标转换(x轴指向地理北，y轴指向地理西，z轴铅垂向上，轴xyz构成右手直角坐标系) 。图2所示的航向角变化图表示航向角沿坐标轴Z旋转H角，地理坐标M(x，y，z)到新甲板坐标M1(x1，y1，z1)，即(x，y，z)→(x1，y1，z1)。
通过如上一系列推导，把船的摇摆角换算成对应天线波控数据表存入波束控制单元，实际工作时调天线波控数据表来实时控制天线波束。
3 天线电子自稳过程
角传感器感应到舰船摇摆角度值，角传感器把船摇摆角度值实时发送给波束控制单元，波束控制单元根据船摇摆角调用天线波控数据表，天线根据天线波控数据表来实时控制天线波束以补偿舰船摇摆。
4 结 语
第1作者单位：
综合评价：
陈春红
修改稿：
南京理工大学电光学院
2、文中部分语句不够精炼职称论文发表如摘要的首句。
论文
具体建议：
注：同行评议是由特聘的同行专家给出的评审意见，发表论文综合评价是综合专家对论文各要素的评议得出的数值，以1至5颗星显示。
1、文中提到“将Rotman透镜看作1个多端口网络，对其散射参数矩阵[S]进行分析”，并给出了阵列端口的相位和幅度特性，但没有对散射参数进行适当的分析。全部作者：
梁志敏说，海东开发是省委、省政府作出的重大战略决策，也是我州的一项重要工作。目前，海东正在成为大理新的经济增长极和兴奋点。北斗卫星应用产业项目落地海东，将使大理的经济发展走在信息化的前沿，特别是将对整个海东开发层次的提升、整个海东新城品质的提高和全州经济发展的拉动起到巨大辐射作用。这对大理来说是历史性的飞跃，也是我们经济转型升级的需要。在今后的工作中，我州会支持好、协调好这个项目，使其如期建成投产，尽早发挥效益。
何华表示，卫星应用产业是一个前景广阔的产业，北斗公司落户大理建设卫星应用省级平台，将对全州引导产业发展起到重要作用。他说，在下一步工作中，我州将尽力做好协调配合，支持项目尽快顺利完成。同时，希望北斗公司将我州作为卫星应用产业示范性城市，帮助大理构建智慧城市；希望卫星应用产业的发展在我州减灾防灾工作方面发挥作用；希望在卫星应用地面设备的研发等方面进一步开展合作。
李伟表示，公司将充分发挥资源优势，与海开委通力合作，尽快在海东搭建起实验系统，坚定不移地推进项目建设，为海东开发、大理建设、云南发展发挥积极作用。
州委常委、大理市委书记罗进忠，州委常委、州政府常务副州长王以志，州政协副主席、海开委主任杨志东等参加会见。
关键词：双天线,北斗模块,TMS320F28335,STM32F103,UKF,轨迹预测
北斗定位系统是我国自主开发的全球定位系统, 目前北斗定位系统在轨运行卫星已达16颗, 截止2012年12月27日, 我国的北斗定位系统空间信号接口控制文件正式版已公布, 北斗定位导航业务正式对亚太地区提供无源定位、导航及授时服务。该系统可为汽车、客机和轮船等常用交通工具提供定位服务, 为精确制导武器提供定位导航服务, 其对我国军事国防事业摆脱对国外GPS系统依赖有着重要意义, 另外对农牧业、渔业生产也有着重要意义。
在众多实际应用背景下, 如何提高卫星定位导航系统的定位精度就显得尤为重要。本文提出一种基于双天线结构的构想, 以提高北斗定位模块的定位精度为目的, 在嵌入式ARM+DSP系统上实现北斗定位系统[1,2,3]。
1 系统设计思想
在卫星定位系统众多应用中, 常用于描述卫星定位精度的参数主要有水平均方根误差 (Distance RootMean-Square, DRMS) 、圆概率误差 (Circular Error Probable, CEP) 和球概率误差 (Spherical Error Probable, SEP) 等, 这些参数被广泛用于测量和各种定位系统中, 其计算和准确性与定位误差的三维分布特征密切相关。文献[1]证明在一般情况下, 定位误差的三维分布呈椭球状, 被称为误差椭球。其几何特征主要包括椭球的轴方向、轴长和轴比。轴方向是椭球的3个主轴所在的方向, 轴长是定位误差在椭球轴方向上的标准差, 轴比是椭球3个轴长之间的比值。误差椭球的轴比决定了真实位置落在DRMS圆上的概率。
在对文献[1]分析后, 进行单点100组连续北斗模块定位测试, 统计误差分布规律, 经实际测试、统计分析得出北斗模块的实际定位误差近似服从正态分布, 北斗定位模块的水平定位误差依91%的概率收敛于8~10 m之间, 其中9 m处的分布概率为82%, 如图1所示。
DRMS值为9.0 m, 记作R, 在实际测量中北斗模块给出一组定位数据 (a1, b1) , 记作A, a1、b1分别表示经度和纬度信息, 则以 (a1, b1) 为圆心的DRMS圆如图2所示。
在同一块电路板上使用双天线模块接收北斗定位导航信息, 由于将两个天线并排安放, 所以在任意时刻两个北斗定位模块相对于北斗卫星的通信链路相同, 两个北斗定位模块可见星情况和接收到的前端卫星定位信息也相同。假定某一时刻两个模块接收到的定位信息分别为 (a1, b1) 和 (a2, b2) , 以 (a1, b1) 和 (a2, b2) 为圆心, R为半径的DRMS圆, 两圆记为A、B, 则真实点依大概率收敛于两个圆交点中 (a3, b3) 、 (a4, b4) 。根据前一时刻的位置信息和速度信息可排除其中一个交点 (a3, b3) 或 (a4, b4) , 则剩下的点就为真实位置的最大概率分布点。
2 系统硬件设计
系统使用DSP+ARM双芯片结构, DSP主要负责接收北斗模块的定位信息和算法处理功能, ARM芯片负责与DSP芯片通信、控制TFT液晶屏的显示功能。硬件设计主要包括电源部分、ARM部分、DSP部分、网络部分、TFT液晶屏部分以及北斗模块多部分的设计。
2.1 系统硬件结构框图
2.2 电源部分
系统使用较为常见的12 V电压作为总的电源输入, 经LM2596芯片得到5 V电压作为DSP模块和TFT液晶屏的电源, 5 V电压经ASM1117得到3.3 V电压作为ARM模块和网络部分以及TF卡的电源。
2.3 ARM部分设计
ARM芯片使用意法半导体公司的STM32F103VET6芯片, 该芯片为32位Cortex-M3内核微处理器, 主频最高可达72 MHz, 封装为LQFP100, 减小了PCB板的面积。另外, 还支持IO管脚的重映射配置, 降低了PCB布线的难度, 且支持JTAG、SWD两种调试/下载模式, 方便用户使用市面上较为常见的调试工具J-LINK调试/下载程序, 因此使用方便。
2.4 DSP部分说明
DSP部分使用的芯片为TI公司的新型数字信号处理器TMS320F28335, 该款芯片最高主频达150 MHz, 采用哈佛流水线结构, 并具有片内硬件乘法器, 完成一次浮点数的乘加运算只需10个机器周期, 故可进行高速数据运算。
2.5 网络部分说明
网络部分主要提供了一个可选功能, 当条件满足时可将系统的定位信息发送到以太网上, 供远端的用户访问、查询。
系统使用美国微星公司的ENC28J60网络芯片, 该芯片为IEEE802.3兼容的以太网控制器, 支持全/半双工模式, 工作电压兼容TTL电平和CMOS电平, 可编程会在发生冲突时自动重发, 可编程填充和CRC生成, 用于快速发送数据的内部FIFO、DMA以及硬件支持的IP校验和计算。其封装为SSOP28, 与微处理器的链接方式为SPI总线, 因此控制方便, 最高速度可达10 Mbit·s-1。
2.6 TFT液晶屏部分说明
TFT液晶屏的每个像点均是由集成在像素点后面的薄膜晶体管来驱动的, 从而可做到高速度、高亮度、高对比度显示屏幕信息, 是目前最佳的LCD彩色显示设备之一, 其效果接近CRT显示器, 是现在笔记本电脑和台式机上的主流显示设备。
系统使用16 bit真彩色, 320×240分辨率TFT液晶屏。STM32F103ARM芯片负责TFT液晶屏的驱动, STM32F103ARM芯片与TFT液晶屏之间使用FSMC总线通信, 以完成对该液晶屏的初始化和显示控制。
2.7 北斗模块部分说明
北斗模块部分使用北京和芯星通公司的UM220北斗定位芯片, 其可同时支持BD2 B1、GPS L1两个频点, 输出数据方式为USART, 数据协议为NMEA 0183, 默认通信波特率为9 600 bit·s-1, 并可根据用户需要自行设定最高支持波特率为230 400 bit·s-1, 其输入/输出信号类型均为LVTTL电平。
UM220通过串口与DSP连接, DSP通过串口完成对北斗模块的配置, 并接收其定位信息。
3 系统工作流程
3.1 系统总体工作流程
系统采用DSP+ARM双核结构[4], DSP与ARM各司其职。在系统上电后, DSP、ARM芯片完成上电复位, DSP通过USART接收北斗定位模块的定位信息, 在不失星的情况下进行北斗双天线定位算法计算。而DSP在进行北斗双天线定位算法计算后, 通过串口将计算后的北斗定位信息发送给ARM芯片。若处于失星的情况下, 进行UKF算法轨迹预测, 并将得到的预测结果通过串口发送给ARM芯片, ARM芯片接收到北斗定位信息后, 通过FSMC总线将定位信息更新到TFT液晶屏上, 如图4所示。
3.2 轨迹预测算法设计
系统采用无迹卡尔曼滤波 (UKF) 做为失星情况下的轨迹预测算法。无迹卡尔曼滤波 (UKF) 是一种基于最小方差估计准则的非线性状态估计器, 其以非线性最优高斯滤波器作为基本理论框架。UKF采用UT变换技术, 即采用确定的样本点 (Sigma点) 来完成状态变量统计特性沿时间的传播, 改进了扩展卡尔曼滤波 (EKF) 不能求解雅可比矩阵以及泰勒级数线性化只具有一阶的低精度问题, 其逼近精度可达二阶或二阶以上[5,6,7,8,9]。UKF算法实现过程如下
Step1
式中, x为未失星前时刻北斗双天线定位所得定位经、纬度信息;px是x的协方差;n表示系统状态维数;北斗应用中n取值为2;λ是微调参数, 其可控制样本点到均值的距离。
Step2根据系统状态方程求样本点传递值
Step3求系统定位误差均值和方差的一步预测
Step4根据系统量测方程求取定位误差状态一步预测的传递值
Step5获得定位误差均值和协方差
式中, pzz是定位误差的量测方差矩阵;pxz是定位误差状态向量与定位误差量测向量的协方差矩阵。
Step6计算UKF增益, 更新定位误差状态向量和方差
式中, 为UKF轨迹预测算法所求经、纬度第k+1时刻的预测值。
4 系统测试
4.1 北斗双天线定位测试
该测试需对北斗双天线定位思想设计进行验证, 对系统的定位精度进行实际测试。在晴天的情况下, 单北斗模块定位精度约在9 m, 双天线北斗模块定位精度约为3.3 m, GPS的定位精度约在10 m, 这说明使用双天线结构大幅提升了北斗定位模块的定位精度, 如表1所示。
4.2 轨迹预测测试
轨迹预测测试选定在晴天情况下, 首先沿固定路线运动, 然后重新沿固定路线运动, 在特定时刻经北斗双天线定位模块的天线取下, 然后对比路线轨迹与轨迹预测算法得到的轨迹数据。如图6所示。
图中横轴坐标为经度坐标, 标定到“分”, 均为东经126°xx分, xx为图中横轴标定坐标值;纵轴坐标为纬度坐标, 标定到“分”, 均为北纬45°xx分, xx为图中纵坐标值。实线轨迹data1为在谷歌地图上标定的真实运动路线, 星点状轨迹data2为得到实际运动路线后, 精确到重新测定运动轨迹失星时刻前后的运动路线。两次轨迹对比结果表明, 在失星情况下采用UKF算法所进行轨迹预测得到临近时刻定位数据的定位精度大约在10 m, 介于单模块北斗定位精度和GPS定位精度之间, 但随着失星时间的增长, 轨迹预测的误差将会增大, 在20个采样点后, 轨迹预测得到数据的误差将增大至50 m以上。
5 结束语
定位精度是本系统的关键, 经实际测试在晴天的情况下北斗双天线定位思想设计可大幅度提高北斗定位模块的定位精度。而在其他的定位系统上, 若两个定位模块精度相差较小时, 也可应用双天线定位思想, 提高系统的定位精度。
此外, 系统还可使用性能更好的嵌入式处理器, 如TI的DM37XX系列芯片, 内嵌有“DSP+ARM”双核, 既可以做复杂运算, 也可进行复杂控制, 这样便可减小系统的体积与芯片使用数量, 从而简化系统设计, 使系统更加便于使用。
参考文献
[1]刘波文, 孙岩.嵌入式实时操作系统μC/OS-II经典实例—基于STM32处理器[M].北京:北京航空航天大学出版社, 2012.
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[5]朱志宇.粒子滤波算法及其应用[M].北京:科学出版社, 2010.
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【关键词】单极天线 套筒天线 RFID
【中图分类号】 TN82【文献标识码】 A【文章编号】1672-5158（2013）07-0028-02
1 引言
随着物联网及RFID技术的发展与普及，越来越多的应用需要具有UHF RFID读写功能的手持设备。UHF RFID天线的性能、体积和成本是业界关注的重点问题。本文设计的天线是一款成本低、加工方便，且带宽满足UHF RFID（860MHz～960MHz）工作带宽的天线。
传统的单极天线是竖直的具有四分之一波长的天线[1]。该天线安装在一个接地平面上，它可以是实际地面，也可以是人造接地面上。手机内置天线中也常采用变形单极子天线。普通PCB单极天线地板对天线指标的影响非常大，有文献专门对地板长度对天下的影响做过研究，结果如图1所示[2]。
本文设计的天线克服了传统PCB单极天线对地板长度的依赖，具有工作频率稳定、端口驻波特性好、可用同轴电缆馈电、结构简单、加工方便等优点。
2 理论分析
本文设计的天线为了能达到阻抗和带宽的要求，采用天线加顶的方法提高辐射电阻。为增加垂直部分的有效高度，可以在天线顶部加装水平部分使天线类似倒L型。当水平部分和垂直部分之和接近时，有效高度最大，同时可以使天线的输入电抗分量大大减小。设计中借鉴了套筒单极天线的工作原理，在单极天线的底部套上接地外壁，与普通单极子天线类似。套筒单极子天线的总长度通常取为工作频段下限频率的四分之一波长，即λ/4。在总长度确定的情况下，天线的电性能主要取决于上辐射体长度与套筒接地外壁的长度之比，有文献认为2.25 是套筒单极子天线的最佳长度比[3]。
本文的天线设计仿真采用矩量法。矩量法是一种将连续方程离散化为代数方程组的方法，这种方法对于求解微分方程和积分方程均适用。在天线工程中，当天线的最大尺寸不大于两个波长时，非常适合于用矩量法。
假设导线的线径与波长相比非常细，导线上的电流只沿导线的轴线流动，则线上电流J产生的电场Es可以表示为：
频段内。然后再调整参数d改变套筒与辐射体的长度比，这样也很容易地将天线的驻波特性调整好。
4 参数优化
经过优化后的天线版图如图4所示，其中的参数具体值为：a=6mm、b=35.3mm、c=45.3mm、d=31.6mm、e=5.5mm、f=62.4mm、g=2mm。
经过优化后的天线S11参数如图5所示，工作频段860 MHz～960MHz内天线的驻波都在1.5以下。
通过观察天线的2D和3D辐射图可以看到，天线在一个方向上有较大的辐射，增益达到了5dB。
5 结束语
本文结合单极天线和套筒天线的优点设计了一种PCB单极天线，并且给出了具体的PCB版图。从仿真结果可以看出达到了预期的设计效果。
参考文献
[1] 王元坤， 李玉权 线天线的宽频带技术〔M ] 西安 西安电子科技大学出版社，1995
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[3] Poggio A J，Mayes P E. Pattern Bandwidth Optimization of the Sleeve Monopole Antenna[J]. IEEE Trans. Antennas Propagat，1966
卫星导航与位置服务产业在国际上已成为继互联网、移动通信之后发展最快的新兴信息产业之一，融合了信息业、制造业、服务业等多个行业，是极具发展前景的战略性新兴产业，被列入国家“十二五”规划战略性新兴产业之一。据权威部门估算，目前我国涉足卫星导航与位置服务产业的厂商与机构超过7000家，总投资规模500亿元左右。其中参与北斗终端研发或销售的企业数量达到50-60家，年产值3-4亿元左右，其产业正成为新的经济增长点。
一、我市北斗系统产业基本情况
我市是山东省涉足北斗产业最早的市，北斗系统研发及终端产品在国内有着较高的知名度，如山东英特力光通信开发有限公司、山东广安电子科技股份有限公司、山东航天正和电子有限公司等。
山东英特力光通信开发有限公司是国家工信部，中国人民解放军总参谋部、总装备部、海军、空军、二炮，山东省委和省政府、济宁市委和市政府重点扶持的军工科研生产单位。公司获得了“国家武器装备科研生产许可证”，具备“武器装备承制单位资格”，通过了“国军标GJB9001A质量体系认
证”，是国家二级保密单位。英特力是集自动化综合指挥车系统、光通信系统、智能综合交换系统、无线宽带多媒体系统、智能无人升空平台系统、卫星动中通系统及北斗导航系统的研发、生产、销售于一体的国防军工高新技术企业。2011年完成销售收入5.1亿元，实现利税1.3亿元，实现了又好又快发展。公司连续六年被总部授予“军工明星企业”光荣称号，被山东省评为省级技术中心，被中共济宁市委、济宁市政府授予“改革开放30年优秀企业”称号，被济宁高新区授予“最佳创新企业”和“十大突出贡献企业”称号等。
山东广安电子科技股份有限公司成立于2006年4月，注册资金1100万元。是一家从事车载全球卫星定位系统北斗及GPS双模和汽车行驶记录仪（汽车黑匣子）的山东省民营高科技企业，现有自有知识产权二十多项，拥有雄厚的技术开发能力和人才优势，公司在深圳建有研发制造中心，2010年成为山东省高新技术企业。公司主要从事全球卫星定位系统、GIS开发制作、汽车行驶记录仪、汽车监控系统、车辆导航系统、智能交通系统建设与相关产品研发、生产、销售。公司企业监控平台已通过通过交通部符合性审查，并在《符合道路运输车辆卫星定位系统标准的系统平台（第4批）公示 》中公示。
山东航天正和电子有限公司是工信部专业生产精密金属箔系列电阻器的定点骨干企业，也是我国航天产品用电子
元器件定点供应单位，已被总装备部列为“中国军用电子元器件科研生产企业”、合格供应商。主导产品精密金属箔电阻器1999年以来先后为“神舟”一号到“神舟”十号飞船配套。伴随着国家大力推进北斗I型卫星终端的民用推广政策支持，以及船舶自动识别系统及搜救系统在国内普及性安装工作的落地工作推进，公司专门成立项目组进行“北斗定位海上搜救用通信模块”的科研工作。该项目预计总投资2980万，其中2013年1720万，2014年1260万。项目研制周期约为2年，2013年主要进行产品研制，2014年主要工作是生产线建设和产品批量生产。
二、围绕发展北斗产业和推广应用所做工作
为推动北斗卫星导航产业加快发展，我市组织有关人员先后赴北京、珠三角地区拜访对接了北斗系统行业主管部门、科研单位、专家学者及产业链上下游企业，并与4月11日，在国家测绘局测绘大厦成功举办了济宁（北京）北斗产业对接会。对接会上，我市与中国卫星导航定位协会签署了战略合作协议，被中国卫星导航定位协会授予国家级北斗产业化应用示范基地。同时与广东东莞5家入园区企业签署了入园协议，济宁市北斗龙头企业也同时与合作伙伴签署项目合作协议。
为加快北斗产业发展，与中科院计算所在任城区规划共建“中科智造北斗及物联网产业园”。一期规划600亩，以打
造北斗产业链为目标，以中科院计算所济宁分所、山东省物联网技术研究院为龙头，成立山东省北斗技术研究院、北斗芯片及应用软件研发中心、卫星导航产品检测中心。重点推进卫星导航、授时、通信等高新技术产业，形成从研发、设计到生产、服务的一站式产业聚集区。产业园采用公司制运作模式，为园区企业和从业人员打造“产业、人与环境”协调发展空间，实现产业聚集，科研聚集，生活聚集。5年内打造150亿产值。
三、我市下步发展北斗导航产业方面的优势。政策优势。济宁市委、市政府把北斗产业列为我市重点发展的新兴产业予以重点扶持，拟规划编制我市北斗卫星导航产业发展2013-2015年行动计划，明确重点发展的路线图，鼓励引进核心关键技术和产业技术领军人才，从财政、税收、金融、科技等方面全方位支持北斗系统发展。为进一步对接央属有关从事导航产业企业，市委市政府成立了济宁市支持与中央企业合作加快发展工作领导小组，出台了《支持与中央企业合作加快发展若干政策措施》，形成了对接央企工作线、央企科学发展工作线，一对一为央企服务，为来我市发展北斗产业提供了新环境。
载体优势。济宁是淮海经济区中心城市，建有国家级创业服务中心、国家级留学生创业园、国家级博士后工作站。借助与国内12所重点高校共建大学科技园优势，建成了全
国一流的知识创新基地。拥有2个省级信息产业园、1个省级软件园和1个信息服务外包示范基地，是山东省首批物联网基地，可为北斗产业发展提供技术、人才、服务等全方位支撑。目前，围绕卫星导航产业，济宁已形成芯片研制、功能模块、元器件制造、终端机生产及上下游企业相对完整的产业链条。
科研优势。惠普公司落户济宁，总投资20亿美元，在我市建设国际软件人才及产业基地项目，主要包括软件人才实训基地、软件开发测试及IT资源服务中心、产品演示中心和惠普产业基地等4大项目。同时，济宁市人民政府今年10月份与中科院深圳先进技术研究院共建“中科院深圳先进技术研究院济宁创新技术研究所”，中科院深圳先进技术研究院是国内研究北斗导航系统的知名院所。这些科研院所入驻济宁将为我市发展北斗产业提供强大科技及人才支撑。
一、活动主题：春机盛宴，学生手机特惠
二、活动时间：3月19日至3月25日
三、引爆方案:折扣限量抢,说明:活动期间每天早十点之前,举行限量抢购活动,抢购的手机为身先士《待定》
配件有万能充5元,内存卡 电池 商务电池,抢购活动每天开业开始,十点结束,上述商品恢复原价!
四、活动内容：
（一）娱乐促销: 开心词典，参与就有礼
1、无论购机与否均可参与此活动,2、游戏规则: 两个游戏任选其一,开心词典:答中一题既得一分,每人限猜二十题,1)20分无线蓝牙耳机一台或50元购机代金券;
2)19-16分手机电池一块或40元购机代金券;
3)15-10分万能充电器一个或20元代金券;
4)10-5分水杯一个或10元代金券;
5)5分以下屏帖一个或5元代金券.代金券可用于购买店内非特价手机产品
（二）礼品促销,凡购机顾客还可参加抽奖活动,1)一等奖 手机一部
2)二等奖 电磁炉
3)三等奖 运动水壶
4)四等奖 拼图
5)纪念奖 水杯一个
[促销说明]：
2、重点机型礼品配送（仅限主推机）：
（三）特价产品促销
机型：《待定》
资源机：A2000抢购399，5105售价499，J110售价299，S10和售价599，T608售价 1099，X828售价799，E787售价 899，Z710：999，A8：999，A615：999
流水：J100售价266，1116：269送一电一充，C139：248，W205：299，1600：348，5300：1388，N70IE：1799，N73：2498，WN511：999，5200售价899，5700售价2299，5310售价1999，6300售价1499
国产机：6868：799，6588：699，HT608：799，创维T528：899，物料准备：
(一)店内美陈----柜台内帖,展架,活动型像展板,主推手机每柜均配展板图示
(二)店内广播稿录音,线上北斗手机网及哈尔滨分站同步活动网页,(三)营业员,促销员均配带北斗绶带,带活动胸帖
(四)单页同步活动,周日开始发放,在各店周围人流密集处高效率发放
1994年，党中央、国务院、中央军委高瞻远瞩，做出独立自主研制“北斗”卫星导航系统的重大战略决策。当年已经52岁的谭述森，毅然离开了曾经奋斗29载的军事测绘战线，投身于这个全新的领域。
1965年从成都电讯工程学院雷达专业毕业的谭述森，一直在军事测绘岗位上工作。20世纪70年代，中国西沙海域的地图精度很低，难以满足军事需要;而一些邻国趁着中国国内政治局势动荡，开始觊觎这片远离中国大陆的海疆。为了维护领土安全，必须有精确的军事地图，国家组织了多种团队争分夺秒地开展测绘工作。正是在这样的局面下，谭述森所在的科研团队，创造性地运用雷达无线电联测手段，得到了西沙群岛的大地联测数据，精度达1米，填补了新中国高精度海图上的一块空白。
为了进一步拓展测绘导航业务，领导要他参加“北斗”卫星导航系统立项论证工作的时候，他带着兴奋而激动的心情接受了这一新的任务。多年之后，他对此回忆说：“升入大学的时候，我实际上是被分配到了雷达专业，我很快喜欢上了这个此前完全陌生的领域。雷达的工作原理与卫星定位系统之间，有着不可分割的联系。我虽距离退休已经不远，如果让这个属于‘本行’的任务擦肩而过，这将会成为我的终生遗憾。所以，我欣然同意回归‘本行’。”
领受这项全新的任务，必然意味着挑战和风险。当时，美国早已建成了全球定位系统（GPS），俄罗斯也即将建成“格洛纳斯”卫星导航系统。而中国在这个领域的技术储备相当薄弱，尚未“起跑”就已经落后于世界强国20多年，专业人才也相当匮乏。正是在这样的条件下，谭述森和他的团队一起，开始了这项国家战略工程的起跑。
“在接受这项工作的时候，我就很清楚，‘北斗’的研发工作只能成功，不能失败。尽管技术储备薄弱，但我们必须要迎难而上。”谭述森说，“这是因为，我们这些人的成功与否，将会影响一代人。如果我们失败了，或是无果而终，那么新一代科研人员再次启动这个项目的时候，必然会首先查找前人失败的原因，其代价恐怕会错过整整一个时代。所以，我们只能成功，不能失败。”
“保险绳”不能交到别人手里
“永远不能把登山的保险绳交到别人手里！”在研发“北斗”的漫长征程中，这或许是谭述森说得最多的一句话。卫星导航技术直接关系着国家的安全命脉，既不能依赖别人的系统，也不能照搬别人的技术。否则，最终会受制于人。
最早的“北斗”卫星导航系统被称为北斗一号。根据“两弹一星”功勋科学家陈芳允院士提出的“双星定位”理论，北斗一号使用两颗地球静止卫星，实现覆盖中国本土的区域性卫星定位服务。但是，这项创意想要变成工程应用，却还有相当长的路要走。因为，当时的中国既没有双星高精度定位的成熟理论，更没有成熟的技术支持，谭述森决定从新技术上寻求突破。他巧妙地将地面高程数据库，与两颗卫星的数据相互补充，不但实现了精确的定位，还实现了位置报告和短时通信。为了实现上述目标，还需克服无线电快速测量等难题。
对于卫星导航系统来说，导航频率资源是它的“生命线”。没有可用频率，建设卫星导航系统就无从谈起。在北斗一号开始研发之前，发达国家已经在卫星导航领域捷足先登，使国际上通用的导航频率所剩无几，争取频率就需要从零开始。
作为北斗频率设计与国际协调首席专家，谭述森以和平利用太空为依据，经过复杂的频率设计与周密的干扰仿真计算，创造性地提出了卫星导航频谱共用与兼容性评估准则。他的研究得到了国际导航频率协调专家的广泛认可，并且推动国际电信联盟制定了新的规则。经过与几十个国家300多次艰苦的谈判，“北斗”终于争取到了系统发展所必须的宝贵频率资源。
拥有“独门绝技”方能傲立全球
在着手研发“北斗”之初，谭述森就希望为它赋予某些“独门绝技”。这是因为，已然成熟的GPS系统，早就解决了“我在哪里”的问题;它的功能，也仅限于这种定位服务。在谭述森看来，如果只满足于跟在GPS后面追赶，“北斗”就会是一项短命的事业;而卫星导航系统的未来发展趋势，一定将是解决“我们在哪里”的问题。也就是说，享受定位服务的每一个人，都能知道彼此的方位和情况，并且互通有无，就像今天手机微信软件里的“朋友圈”功能一样。
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因此，在建设北斗一号的时候，这套系统就在定位的基础上，增加了授时和通讯的功能。在2003年北斗一号竣工之后，类似手机的北斗一号终端机，可以收到从卫星传来的精确时间，而且能互发短信，甚至将短信发送到指定的手机上。在2008年汶川地震等严重自然灾害中，这些卫星导航系统终端机传送的信息，成为抢险救灾工作的有力保障。
在北斗一号成功之后，建设覆盖全球大部分区域的新一代“北斗”系统旋即提上议事日程。此时，有人建议沿用GPS成熟的技术体制，但谭述森说，如果这样选择，就意味着“北斗”会存在一处明显的“软肋”。在他的坚持下，第二代“北斗”系统取得了连续定位和位置报告、星地双向高精度的时间同步等一系列关键技术的重大突破，成为世界上第一个连续导航与定位报告深度融合、全星座播发三频信号的卫星导航定位系统。这意味着“北斗”从根本上摆脱了对GPS的依赖，也从此结束了中国需要依靠国外导航系统授时的历史，使中国的卫星导航系统不再受制于人。
愿航班失联的悲剧不再重演
如今，第二代“北斗”卫星导航系统已经深入中国人生活的方方面面，在很多我们意想不到的地方发挥着自己的价值。比如说，现在的很多的主流智能手机里，都同时搭载了GPS和“北斗”定位模块，使中国手机用户享受到了当今世界领先的消费级卫星导航服务。虽然绝大多数人都不会关心定位数据究竟来自何方，但“北斗”确实已经在为许许多多的人指路。
雨季来临时各大城市的迎战内涝工作，如今也因为“北斗”的助力更为高效。谭述森介绍说，在今年夏天，北京市在容易发生积水的位置，部署了7000多个探测装置。它们搭载了“北斗”的终端，会在积水达到某个指定水位之后，自动发出报警信号并给出精确的位置，通知抽水车辆和救援人员前往处理。这样一套自动化的信息网络，会有助于救援力量的高效调配。
看着飞速成长的第二代“北斗”系统，已经为这项事业两次推迟退休的谭述森，仍然希望为“北斗”赋予其他卫星导航系统尚不具备的功能。他说：“2014年3月8日，马来西亚航空公司的一架波音777客机，在执飞MH370航班途中失联，最终宣告坠毁。持续两年有余的多国联合搜救，只是偶然寻获了极少量的残骸，飞机的‘黑匣子’则至今仍然不见踪影，坠毁的原因也众说纷纭。这件事情对我刺激很大，一架载着数百人的巨型客机悄无声息地消失在大海上;而人类现有的搜寻技术，相对于飞机可能坠落的广阔区域来说，显得非常落后。如果我们能对飞机本身或者它的‘黑匣子’配置快速定位报告模块，就可以有效地缩减搜救区域，也有更大的概率知道飞机究竟遭遇了什么。我期待‘北斗’未来的应用，能够让类似的悲剧不再重演。不仅如此，这种对航空器的实时精确监控，也同样关系着国家安全。”
谭述森小传
谭述森（1942年1月30日-），卫星导航系统总体设计专家，中国工程院院士。长期从事大地测量装备和卫星导航系统设计论证与应用研究，任“北斗”卫星导航系统工程副总设计师，参与了“北斗”系统三个发展阶段的顶层设计与研制建设，是“北斗”卫星导航系统的主要开拓者和建设者之一。
