標(biāo)校機(jī)便攜式測試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

(解放軍61081部隊(duì)，北京 100094)

1 引 言

“北斗”一號(hào)標(biāo)校系統(tǒng)是我國衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的重要組成部分，其設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)及其數(shù)據(jù)質(zhì)量直接影響到“北斗”一號(hào)衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性及服務(wù)質(zhì)量。由于標(biāo)校站設(shè)備連續(xù)運(yùn)行，設(shè)備老化、環(huán)境溫度變化和時(shí)鐘漂移等因素會(huì)導(dǎo)致設(shè)備時(shí)延漂移，并且在標(biāo)校設(shè)備運(yùn)行期間對設(shè)備進(jìn)行維護(hù)和故障設(shè)備的替換也會(huì)導(dǎo)致設(shè)備的時(shí)延變化，所有時(shí)延漂移和變化都會(huì)影響地面應(yīng)用系統(tǒng)的衛(wèi)星定軌精度和用戶差分定位服務(wù)質(zhì)量，因此會(huì)大大降低“北斗”一號(hào)系統(tǒng)的定位精度。為了保證標(biāo)校設(shè)備工作的可靠性和穩(wěn)定性，需要在設(shè)備運(yùn)行期間對設(shè)備進(jìn)行動(dòng)態(tài)維護(hù)，定期對眾多標(biāo)校機(jī)在運(yùn)行期間的主要技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行檢測及校準(zhǔn)，當(dāng)檢測結(jié)果不滿足技術(shù)要求時(shí)，就要及時(shí)進(jìn)行維護(hù)或校準(zhǔn)，以保證“北斗”一號(hào)系統(tǒng)正常運(yùn)行。另外，由于各個(gè)標(biāo)校站分布在全國各地，地域分散，要完成對標(biāo)校機(jī)的定期檢測任務(wù)，必須研制一套體積小、重量輕、精度高，且適合外場作業(yè)的便攜式的標(biāo)校機(jī)專用測試設(shè)備，通過巡檢方式，在各個(gè)站上完成相關(guān)技術(shù)指標(biāo)的檢測及校準(zhǔn)，以保障標(biāo)校系統(tǒng)設(shè)備能正?？煽康胤?wù)于“北斗”一號(hào)衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)。

2 硬件體系設(shè)計(jì)

標(biāo)校機(jī)便攜式測試系統(tǒng)用于標(biāo)校機(jī)的性能測試，能模擬衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器轉(zhuǎn)發(fā)的出站信號(hào)及其它測試信號(hào)，完成標(biāo)校機(jī)主要技術(shù)指標(biāo)及性能參數(shù)的評(píng)估，同時(shí)具備一定的數(shù)據(jù)處理能力。整個(gè)標(biāo)校機(jī)便攜式測試系統(tǒng)由信號(hào)發(fā)射機(jī)、信號(hào)接收機(jī)、數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)以及輔助測試儀器構(gòu)成[1-3]，硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 標(biāo)校機(jī)便攜式測試系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

信號(hào)發(fā)射機(jī)模擬產(chǎn)生“北斗”一號(hào)下行S頻段射頻信號(hào)，對標(biāo)校機(jī)的接收性能指標(biāo)進(jìn)行測試，是標(biāo)校機(jī)便攜式測試系統(tǒng)的重要組成部分。同時(shí)，發(fā)送與“北斗”一號(hào)入站信號(hào)格式相同的測試信號(hào)，用于測試系統(tǒng)本身的標(biāo)校。信號(hào)發(fā)射機(jī)由銣原子鐘、頻率綜合器、時(shí)基/基帶信號(hào)發(fā)生器、中頻調(diào)制器以及合路與上變頻器構(gòu)成，主要完成發(fā)射信號(hào)頻偏的預(yù)置、碼分通道發(fā)射時(shí)延的調(diào)整、發(fā)射功率的調(diào)整等功能。

信號(hào)接收機(jī)接收被測標(biāo)校機(jī)發(fā)送的入站信號(hào)，從中獲取入站信息，同時(shí)測定入站信號(hào)的各種參數(shù)，把測試結(jié)果送到數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。為了完成系統(tǒng)標(biāo)校，信號(hào)接收機(jī)還能接收源于信號(hào)發(fā)射機(jī)的標(biāo)校測試信號(hào)，以便確定系統(tǒng)本身的零值和檢驗(yàn)系統(tǒng)的測試精度。由于本系統(tǒng)是一個(gè)精密的時(shí)延測量設(shè)備，為了精確定標(biāo)，接收通道采用寬帶系統(tǒng)；為了精密測定信號(hào)功率，信道部分的放大采用AGC控制，在輸入動(dòng)態(tài)10 dB情況下能很好地保證系統(tǒng)的線性度；為了精密測定入站信號(hào)的發(fā)射時(shí)標(biāo)，在精密時(shí)標(biāo)檢測單元中采用時(shí)標(biāo)信號(hào)多次平均的方法，提高了時(shí)標(biāo)捕獲精度；為了保證系統(tǒng)時(shí)延及功率的準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性，在信號(hào)接收機(jī)采用了自校的辦法，即利用自?；鶞?zhǔn)源對系統(tǒng)的零值和功率進(jìn)行校準(zhǔn)。

數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)是標(biāo)校機(jī)便攜式測試系統(tǒng)的控制和數(shù)據(jù)處理核心，它根據(jù)當(dāng)前的測試項(xiàng)目設(shè)定系統(tǒng)其它部分的工作模式和工作參數(shù)，在測試過程中實(shí)時(shí)收集各種監(jiān)測數(shù)據(jù)，進(jìn)行必要的處理，獲得測試結(jié)果或?qū)y試項(xiàng)目進(jìn)行評(píng)判。主要完成以下功能：信號(hào)發(fā)射機(jī)各項(xiàng)功能的設(shè)置和控制，入站信號(hào)數(shù)據(jù)幀的顯示和處理，控制設(shè)備的自環(huán)校準(zhǔn)，標(biāo)校機(jī)發(fā)射出站幀數(shù)據(jù)的加密以及入站幀數(shù)據(jù)的解密，時(shí)間間隔計(jì)數(shù)器的初始化以及數(shù)據(jù)的采集顯示，統(tǒng)計(jì)并處理標(biāo)校機(jī)的接收數(shù)據(jù)誤碼率。

3 軟件體系設(shè)計(jì)

標(biāo)校機(jī)便攜式測試系統(tǒng)的軟件部分包括功能測試、零值測試和自環(huán)測試[2-3]，其軟件流程圖如圖2所示。

圖2 便攜式測試系統(tǒng)軟件流程圖

3.1 功能測試模塊

標(biāo)校機(jī)功能測試用于通過檢驗(yàn)出站信號(hào)對標(biāo)校機(jī)進(jìn)行控制，收集標(biāo)校機(jī)的入站標(biāo)校數(shù)據(jù)，檢驗(yàn)其入站數(shù)據(jù)及正確性。測試流程如下：

(1)根據(jù)測試項(xiàng)目調(diào)入測試配置項(xiàng)，準(zhǔn)備測試數(shù)據(jù)；

(2)設(shè)置信號(hào)發(fā)射機(jī)、信號(hào)接收機(jī)工作模式和工作參數(shù)，輸出出站信號(hào)，準(zhǔn)備接收用戶設(shè)備的入站信號(hào)；

(3)從信號(hào)接收機(jī)接收入站標(biāo)校信息，對標(biāo)校信息進(jìn)行檢驗(yàn)，記錄標(biāo)校數(shù)據(jù)，并對收到的標(biāo)校數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

測試結(jié)果包括：出站波束，系統(tǒng)時(shí)差值，測試時(shí)長；收到的標(biāo)校數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)、錯(cuò)誤數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)；入站信號(hào)功率、頻偏；標(biāo)校機(jī)設(shè)備零值及其均方差；標(biāo)校機(jī)測得的時(shí)差或時(shí)延等信息。

3.2 零值測試模塊

零值測試用于校準(zhǔn)系統(tǒng)的信號(hào)發(fā)射機(jī)的出站信號(hào)電平、校正信號(hào)接收機(jī)對入站信號(hào)電平和頻率的測量值，重新標(biāo)定系統(tǒng)的零值。測試流程如下：

(1)根據(jù)測試項(xiàng)目調(diào)入測試配置項(xiàng)，準(zhǔn)備標(biāo)校配置參數(shù)，設(shè)置系統(tǒng)工作于標(biāo)校模式，準(zhǔn)備標(biāo)校；

(2)從信號(hào)接收機(jī)讀取信號(hào)的電平、時(shí)延測量值，校正信號(hào)接收機(jī)功率測量零點(diǎn)，計(jì)算信號(hào)接收機(jī)的零值；

(3)從信號(hào)接收機(jī)讀取信號(hào)接收機(jī)測得的信號(hào)電平、頻率和信號(hào)時(shí)延，校正信號(hào)發(fā)射機(jī)功率測量零點(diǎn)，計(jì)算信號(hào)發(fā)射機(jī)的零值，更新系統(tǒng)收發(fā)終端的功率零點(diǎn)、收發(fā)分系統(tǒng)零值。

測試結(jié)果包括系統(tǒng)收發(fā)終端功率、零值標(biāo)校結(jié)果、信號(hào)接收機(jī)的零值。

3.3 自環(huán)測試模塊

系統(tǒng)自環(huán)測試用于檢驗(yàn)信號(hào)發(fā)射機(jī)的出站信號(hào)，統(tǒng)計(jì)信號(hào)發(fā)射機(jī)出站信號(hào)的誤碼率和信號(hào)接收機(jī)的入站信號(hào)解調(diào)誤碼率。測試流程如下：

(1)控制信號(hào)接收機(jī)工作于系統(tǒng)自環(huán)模式，輸出解調(diào)的出站信號(hào)，從信號(hào)接收機(jī)讀取輸出的出站信號(hào)；

(2)將信號(hào)接收機(jī)送來的解調(diào)數(shù)據(jù)與信號(hào)發(fā)射機(jī)發(fā)出的出站信息進(jìn)行比對，統(tǒng)計(jì)誤碼率，在比對完107 bit后，結(jié)束此波束的自環(huán)；

(3)控制信號(hào)接收機(jī)工作于系統(tǒng)自環(huán)模式，輸出解調(diào)的入站信號(hào)，從信號(hào)接收機(jī)讀取送來的解調(diào)數(shù)據(jù)；

(4)將信號(hào)接收機(jī)送來的解調(diào)數(shù)據(jù)與信號(hào)發(fā)射機(jī)發(fā)出的入站信息進(jìn)行比對，在比對完107 bit后，統(tǒng)計(jì)誤碼率。

測試結(jié)果包括信號(hào)發(fā)射機(jī)各個(gè)波束的發(fā)射信號(hào)誤碼率和信號(hào)接收機(jī)的入站信號(hào)解調(diào)誤碼率。

4 應(yīng)用實(shí)例

本文介紹的標(biāo)校機(jī)便攜式測試系統(tǒng)是針對“北斗”一號(hào)標(biāo)校系統(tǒng)而研制的可應(yīng)用于外站的標(biāo)校設(shè)備，在站上即可完成標(biāo)校機(jī)各項(xiàng)指標(biāo)的測試。圖3為本測試系統(tǒng)所測試的標(biāo)校機(jī)所有功能及性能指標(biāo)；圖4為本測試系統(tǒng)所測得的一組標(biāo)校機(jī)零值數(shù)據(jù)，最大值為938 745.3 ns，最小值為938 741.9 ns，均值為938 744.2 ns，方差為0.8 ns。

圖3 標(biāo)校機(jī)測試全圖

圖4 標(biāo)校機(jī)零值測試

5 結(jié) 論

“北斗”一號(hào)標(biāo)校機(jī)便攜式測試系統(tǒng)的成功研制，解決了“北斗”一號(hào)標(biāo)校系統(tǒng)外場標(biāo)校機(jī)設(shè)備零值標(biāo)定問題，同時(shí)為分布在全國各地的標(biāo)校站提供了一種便于攜帶、方便維護(hù)的手段，提高了“北斗”一號(hào)地面應(yīng)用系統(tǒng)的定位精度和可靠性，有極高的軍事和經(jīng)濟(jì)效益。此外，通過對測試系統(tǒng)軟件進(jìn)行升級(jí)，可以完成對“北斗”一號(hào)用戶終端設(shè)備(包括用戶機(jī))的各項(xiàng)性能和指標(biāo)測試，同時(shí)該系統(tǒng)為“北斗”用戶終端設(shè)備的研制提供了調(diào)試及測試手段，縮短了研制周期，提高了產(chǎn)出效益，應(yīng)用前景廣闊。

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