多體制轉(zhuǎn)發(fā)式衛(wèi)星導(dǎo)航信號源的總體設(shè)計(jì)*

許志民

(中電科航空電子有限公司，成都611731)

在衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)研制及衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用領(lǐng)域，衛(wèi)星導(dǎo)航信號源都不可或缺。衛(wèi)星導(dǎo)航信號源根據(jù)信號產(chǎn)生的來源可分為自主式信號源和轉(zhuǎn)發(fā)式信號源，根據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)頻率可分為同頻轉(zhuǎn)發(fā)和變頻轉(zhuǎn)發(fā)，根據(jù)對衛(wèi)星信號的處理方式不同可分為直接轉(zhuǎn)發(fā)和信號處理后的轉(zhuǎn)發(fā)。本設(shè)備屬于后一類，即為可變頻的轉(zhuǎn)發(fā)式導(dǎo)航信號源。

該技術(shù)來源于機(jī)載導(dǎo)航應(yīng)用。由于機(jī)體和機(jī)翼阻擋等原因，原機(jī)載衛(wèi)星接收機(jī)因不能收到外部真實(shí)衛(wèi)星信號而無法定位，需要外部設(shè)備來接收真實(shí)衛(wèi)星信號并生成模擬導(dǎo)航信號，使原接收機(jī)可正常定位。

該方案采用了“接收機(jī)+發(fā)射機(jī)”的設(shè)計(jì)原理，可生成多種體制的衛(wèi)星導(dǎo)航信號[1]，包括BDS(Bei-Dou Navigation Satellite System)、GPS(Global Positioning System)、GLONASS(Global Navigation Satellite System)，其應(yīng)用目標(biāo)既可作通用信號源，也可在特殊場景下作信號轉(zhuǎn)發(fā)使用。

1 基本功能和原理

1.1 基本功能要求

(1)射頻信號接收

接收多體制的衛(wèi)星導(dǎo)航信號，包括目前全球主要的導(dǎo)航信號頻段[2]:

GPS L1/L2 頻點(diǎn)(1 575.42/1 227.6 MHz);

GLONASS L1頻段(1 598～1 607 MHz);

BDS B1/B3 頻段(1 561.098/1 268.52 MHz)。

(2)信號處理和控制

實(shí)現(xiàn)信號處理和參數(shù)控制等。完成對接收真實(shí)衛(wèi)星信號A/D轉(zhuǎn)換、解擴(kuò)、解調(diào)等和抗干擾處理，然后作定位解算、頻率偏移控制，最后進(jìn)行擴(kuò)頻、調(diào)制和D/A轉(zhuǎn)換發(fā)送信號發(fā)射模塊。通過顯控終端或外部接口實(shí)現(xiàn)對頻率和功率參數(shù)的控制。

(3)射頻信號發(fā)射

根據(jù)不同要求發(fā)射不同頻率和功率的導(dǎo)航信號。設(shè)備對不同頻率的中頻信號進(jìn)行調(diào)制、混頻等上變頻處理，生成所需要的衛(wèi)星導(dǎo)航信號。發(fā)射功率和頻率通過外部接口由顯控終端實(shí)現(xiàn)可調(diào)節(jié)。

1.2 衛(wèi)星導(dǎo)航工作原理

衛(wèi)星導(dǎo)航定位是通過終端接收機(jī)接收、處理和解算衛(wèi)星導(dǎo)航信號完成終端定位的。以GPS為例，導(dǎo)航信號包括載波、擴(kuò)頻碼(C/A碼和P碼)和導(dǎo)航電文，其中導(dǎo)航電文又稱數(shù)據(jù)碼或D碼，是用戶用來定位和導(dǎo)航的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，主要包括衛(wèi)星星歷、時(shí)鐘校準(zhǔn)、電離層時(shí)延校準(zhǔn)、工作狀態(tài)和C/A碼轉(zhuǎn)換到捕獲P碼等信息，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

衛(wèi)星將這些信息以二進(jìn)制碼調(diào)制后向終端發(fā)送，基本單位是包含1 500 b的一個(gè)主幀，碼速率為50 b/s。一個(gè)主幀含5個(gè)子幀，其中第1～3子幀各有10個(gè)字碼，每個(gè)字碼為30 b;第4～5子幀各有25個(gè)頁面，37 500 b。

各個(gè)導(dǎo)航系統(tǒng)的調(diào)制方式不同，GPS和BDS都采用碼分多址(CDMA)調(diào)制原理，終端根據(jù)不同的擴(kuò)頻碼標(biāo)示衛(wèi)星;而GLONASS采用頻分多址(FDMA)調(diào)制方式，根據(jù)不同頻率標(biāo)示衛(wèi)星。

以GPS L1為例，采用如下公式調(diào)制信號:

關(guān)于導(dǎo)航信號具體內(nèi)容可參見《GPS系統(tǒng)原理和應(yīng)用》或“北斗”導(dǎo)航原理等資料[3]，本文不再贅述。

衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)即通過對收到的導(dǎo)航電文數(shù)據(jù)解算并實(shí)現(xiàn)定位，通常采用成熟的三球定位原理進(jìn)行位置坐標(biāo)解算，使用多普勒頻移法進(jìn)行速度測量。

1.3 信號轉(zhuǎn)發(fā)的一般原理

一般情況下，要實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星信號的轉(zhuǎn)發(fā)和放大，通常采用接收、濾波和放大的原理設(shè)計(jì)，其原理如圖2所示。

圖1 GPS導(dǎo)航電文格式Fig.1 The format of GPS code

圖2 一般導(dǎo)航信號轉(zhuǎn)發(fā)原理圖Fig.2 Schematic diagram of signal retransmission

圖2 所示方案的轉(zhuǎn)發(fā)原理比較簡單，特點(diǎn)是僅能信號放大和同頻轉(zhuǎn)發(fā)，無法實(shí)現(xiàn)對轉(zhuǎn)發(fā)器本身的定位、頻移和抗干擾等功能。

1.4 基于“接收機(jī)+發(fā)射機(jī)”的轉(zhuǎn)發(fā)原理

為了某些特殊用途和實(shí)現(xiàn)更多功能，還有一種采用“接收機(jī)+發(fā)射機(jī)”的設(shè)計(jì)[5]，其原理如3圖所示。

圖3采用“接收機(jī)+發(fā)射機(jī)”的轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)，其原理首先對收到的衛(wèi)星信號下變頻、A/D、解擴(kuò)解調(diào)和抗干擾，生成中頻信號并解算，即為接收機(jī)[4];數(shù)字信號處理后，頻偏處理再功放、D/A、上變頻，最后通過天線以原來頻率或變化的頻率向外部的機(jī)載接收機(jī)天線輻射載波，即為發(fā)射機(jī)功能。該技術(shù)有一個(gè)重要功能，就是發(fā)射頻率可設(shè)置，這是一種創(chuàng)新性設(shè)計(jì)，在工程中有重要用途，后文將進(jìn)行介紹。

圖3 基于“接收機(jī)+發(fā)射機(jī)”的信號轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)計(jì)圖Fig.3 Signal retransmission design based on“a receiver+a transmitter”

2 詳細(xì)設(shè)計(jì)

根據(jù)“接收機(jī)+發(fā)射機(jī)”的原理，設(shè)備主要組成單元包括接收天線、接收信道、信號處理、發(fā)射信道、發(fā)射天線、顯控終端和電源模塊等。下面重點(diǎn)介紹收發(fā)天線、收發(fā)信機(jī)和電源模塊等關(guān)鍵模塊的詳細(xì)設(shè)計(jì)。

2.1 接收天線設(shè)計(jì)

接收天線位于飛機(jī)背部，用于接收真實(shí)信號。為了抗干擾，衛(wèi)星接收天線設(shè)計(jì)為多個(gè)天線陣的調(diào)零天線，接收衛(wèi)星右旋圓極化信號，并將其放大送給主機(jī)處理。因天線陣距離主機(jī)較遠(yuǎn)，采用有源設(shè)計(jì)，即將LNA模塊與多天線陣集成。

天線包括天線陣、低噪聲放大器(LNA)等模塊，其原理圖見圖4。不同導(dǎo)航信號經(jīng)過低噪聲放大器放大后，在合成器合成為一路輸出，這樣可以減少電纜數(shù)量。

圖4 天線陣及LNA設(shè)計(jì)圖Fig.4 Schematic diagram of antenna and LNA

其中，天線陣是調(diào)零天線的重要組成，因此后文關(guān)鍵技術(shù)中將對天線陣設(shè)計(jì)進(jìn)行詳細(xì)描述。

2.2 信號處理單元

該單元主要完成中頻信號數(shù)字化采樣、抗干擾處理、信號解調(diào)、解擴(kuò)處理、同步信號提取等功能，實(shí)現(xiàn)多系統(tǒng)導(dǎo)航信號的融合，將剝離噪聲的衛(wèi)星信號進(jìn)行反調(diào)制、數(shù)字域合成、數(shù)模轉(zhuǎn)換處理。信號處理采用直接中頻采樣和全數(shù)字化信號處理方案實(shí)現(xiàn);數(shù)據(jù)處理采用高速數(shù)字信號處理(DSP)來完成信號的捕獲、跟蹤及定位、測速等算法[5]。

該單元主要由 AD、DA、FPGA、DSP等組成，還包括1553B、RS232串行接口芯片等硬件電路和數(shù)據(jù)處理軟件，RS232用于調(diào)試，1553B用于與飛機(jī)控制系統(tǒng)通信，其原理框圖如圖5所示。

圖5 信號處理單元設(shè)計(jì)圖Fig.5 Schematic diagram of signal processing

2.3 射頻通道設(shè)計(jì)

射頻通道包含一個(gè)接收通道和一個(gè)發(fā)射通道，將收到的射頻信號變?yōu)橹蓄l數(shù)字信號，將經(jīng)過信號處理的中頻信號再變?yōu)樯漕l信號，經(jīng)過發(fā)射天線發(fā)射出去，其設(shè)計(jì)原理如圖6所示。

圖6 射頻通道設(shè)計(jì)圖Fig.6 Schematic diagram of RF channel

在下行的接收通道中，從天線接收的導(dǎo)航射頻信號經(jīng)過放大后功分成兩路，一路進(jìn)入B3射頻濾波器，另一路進(jìn)入GNSS射頻濾波器。經(jīng)過濾波器后的信號通過混頻、中頻濾波及放大后得到中頻信號，該中頻信號經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器成數(shù)字信號。其前端是帶通濾波器，可使有用信號通過并抑制鏡像頻率和放大器中產(chǎn)生的諧波分量，另外也能改善通道的寄生響應(yīng)，防止噪聲進(jìn)入混頻器。而上行的發(fā)射通道中，幅值調(diào)整器可單獨(dú)調(diào)整各頻段和各路信號的發(fā)射電平。

另外，由于設(shè)備對頻率源的精度要求較高，信道單元還提供統(tǒng)一的基準(zhǔn)頻率源供各模塊使用。

2.4 發(fā)射天線設(shè)計(jì)

由于轉(zhuǎn)發(fā)的信號電平不高，不需要放大器，因此發(fā)射天線為無源天線，發(fā)射天線涵蓋了GPS L1/L2、GLONASS L1、BDS B1/B3頻點(diǎn)的信號，要求具有寬頻帶。因此可采用貼片天線，并使用層疊結(jié)構(gòu)，由兩層貼片和一個(gè)接地板組成。上層貼片輻射BDS頻段，下層貼片既充當(dāng)上層輻射貼片接地板，同時(shí)輻射其他頻段。上層貼片與中層貼片及中層貼片與接地板之間為兩層基板，這種設(shè)計(jì)具有復(fù)用度高、結(jié)構(gòu)小、功能可靠的特點(diǎn)。

2.5 電源模塊設(shè)計(jì)

由于在機(jī)艙使用，機(jī)載電源的特性復(fù)雜，所以在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮，后文將詳細(xì)說明。

3 關(guān)鍵技術(shù)分析

3.1 頻率偏移設(shè)計(jì)

為了避免衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)的多徑問題，在信號轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)使用了頻率偏移技術(shù)，可以保證目標(biāo)衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)可正常收星和定位，而其他普通接收機(jī)不能接收轉(zhuǎn)發(fā)信號。因此，這是一種針對某些特殊場景情況下使用的關(guān)鍵技術(shù)。

使用該技術(shù)為一種創(chuàng)新性設(shè)計(jì)。對目標(biāo)衛(wèi)星接收機(jī)來說，當(dāng)加入一定的頻率偏移后，可以不改動(dòng)原接收機(jī)的硬件設(shè)計(jì)，僅對其軟件部分做相應(yīng)的修改或參數(shù)設(shè)置，即可以只接收具有頻偏的轉(zhuǎn)發(fā)信號，而屏蔽掉可能存在的真實(shí)衛(wèi)星信號影響。經(jīng)計(jì)算，當(dāng)偏移值設(shè)置為N×50 kHz(N=0，±1，±2，…)時(shí)，可屏蔽真實(shí)衛(wèi)星信號對目標(biāo)接收機(jī)的影響。

當(dāng)目標(biāo)接收機(jī)不需要轉(zhuǎn)發(fā)信號時(shí)，通過外部接口下發(fā)參數(shù)控制命令，可以使其恢復(fù)正常的收星頻率，從而接收真實(shí)衛(wèi)星信號，同時(shí)不會對目前衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)定位造成干擾，并具有定位連續(xù)性。

3.2 鏈路增益設(shè)計(jì)

信號在整個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)通道中，信號功率被不斷放大、衰減和再放大，信號的增益不斷變化，需要考慮鏈路增益分配。鏈路增益設(shè)計(jì)如表1所示。

表1 鏈路增益分配Table1 The gain configuration of link

接收天線陣包括了LNA模塊，因此增益較高。

3.3 關(guān)于調(diào)零天線設(shè)計(jì)

抗干擾設(shè)計(jì)主要采用了調(diào)零天線和抗干擾算法。關(guān)于抗干擾算法可參見相關(guān)資料，此處不再贅述，僅描述調(diào)零天線的設(shè)計(jì)。

每種頻段采用多個(gè)微帶貼片，用矩形貼片方式，將貼片放在一塊大的基板上按陣列形式排列，但微帶貼片天線存在表面波，導(dǎo)致天陣之間的互耦。

為減少互耦，每一微帶天線陣的基板都是單獨(dú)的。由于需要接收3種導(dǎo)航系統(tǒng)的信號，其頻率差別大。對于微帶天線來說，接收帶寬較窄，根據(jù)頻率特性采用了兩種微帶天線，分別接收1.5 GHz和1.2 GHz頻段。天線陣數(shù)目較多，多種天線并排放將增加天線尺寸，因此BDS B1/B3微帶天線和GPS微帶天線采用疊層的方式設(shè)計(jì)，上層接收1.5 GHz頻段，中間層接收1.2 GHz頻段。這種設(shè)計(jì)解決了互耦和尺寸等問題。

4 主要技術(shù)特征

4.1 衛(wèi)星信號的接收和發(fā)射設(shè)計(jì)

設(shè)備對接收的衛(wèi)星信號進(jìn)行抗干擾處理后完成解調(diào)、解擴(kuò)、捕獲和跟蹤等處理，得到?jīng)]有噪聲的數(shù)字信號，進(jìn)行調(diào)制、加入頻移、數(shù)字域信號合成處理，送到DA模塊產(chǎn)生中頻模擬信號，經(jīng)過上變頻后輻射。衛(wèi)星導(dǎo)航信號的接收、轉(zhuǎn)發(fā)和頻偏原理如圖7所示。

圖7 信號“接收機(jī)+發(fā)射機(jī)”的轉(zhuǎn)發(fā)原理Fig.7 Schematic diagram of“RX+TX”

4.2 機(jī)載電源設(shè)計(jì)

由于機(jī)載電子設(shè)備多，共用一個(gè)電源，電磁環(huán)境很復(fù)雜，電源特性較差，如具有浪涌、尖峰多、50 ms瞬時(shí)斷電等特點(diǎn)，因此需采用特殊設(shè)計(jì)。

設(shè)備有模擬電路、數(shù)字電路，必須解決數(shù)模電路的電磁干擾，因此采用了3塊28.5 V轉(zhuǎn)5 V的 DC/DC模塊，各路輸出地分別連接到模擬地，而模擬地與飛機(jī)地隔離，電源輸出電流分若干并行線輸出，可降低每根線上通過的電流，其原理如圖8所示。

圖8 機(jī)載電源設(shè)計(jì)圖Fig.8 Schematic diagram of power supply

設(shè)計(jì)時(shí)選用帶抗浪涌電壓的電源濾波器來滿足其電壓浪涌、尖峰的要求。電源濾波器前端有一個(gè)110 V的TVS管和電子開關(guān)，TVS管可將所有高于110 V的電壓穩(wěn)定到110 V左右，而電子開關(guān)將110 V的電壓再下拉到30 V左右，使過壓浪涌和尖峰不會對后端的電源模塊和電路造成損害;當(dāng)外加電源跌落到18 V以下之后，電源濾波器后端采用24 000 μF的大容量固體鉭電容在欠壓或者斷電情況下為設(shè)備提供50 ms的供電，這樣讓設(shè)備不間斷地工作，完全滿足要求。

直流供電經(jīng)過濾波后，經(jīng)過欠壓檢測電路進(jìn)入DC/DC。過欠壓檢測電路檢測到輸入直流電壓超過電源模塊正常范圍時(shí)，DC/DC可實(shí)現(xiàn)本機(jī)直流供電與機(jī)載其他設(shè)備的隔離，實(shí)現(xiàn)保護(hù)功能。

5 試驗(yàn)情況

對本次工程樣機(jī)進(jìn)行了地面試驗(yàn)和飛行試驗(yàn)。在試驗(yàn)時(shí)，將信號源主機(jī)安裝于電子艙，接收天線裝于飛機(jī)背部，發(fā)射天線裝于機(jī)翼下側(cè)，而目標(biāo)導(dǎo)航接收機(jī)安裝于機(jī)翼下側(cè)的某載體上，無法正常接收真實(shí)衛(wèi)星信號，但可接收轉(zhuǎn)發(fā)式導(dǎo)航信號源輻射的模擬信號。

為了避免部分真實(shí)信號可能形成的多徑干擾，因此試驗(yàn)時(shí)使用了頻率偏移設(shè)置并進(jìn)行了對比。設(shè)備經(jīng)過多次空中試飛試驗(yàn)，主要數(shù)據(jù)記錄如表2所示。

表2 飛行試驗(yàn)記錄表Table2 The records of flight test

上述試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，通過對真實(shí)衛(wèi)星導(dǎo)航信號的收發(fā)使機(jī)載目標(biāo)接收機(jī)可接收由轉(zhuǎn)發(fā)式信號源發(fā)出的模擬信號，而機(jī)載目標(biāo)接收機(jī)在水平、轉(zhuǎn)彎、側(cè)飛和翻滾等飛行狀態(tài)下可有效定位和導(dǎo)航。

6 結(jié)束語

本文提出了一種轉(zhuǎn)發(fā)式衛(wèi)星導(dǎo)航信號源的總體設(shè)計(jì)方法，描述了關(guān)鍵設(shè)計(jì)技術(shù)和試驗(yàn)情況。分析和試驗(yàn)證明，與一般的轉(zhuǎn)發(fā)器相比，該方案具備多體制、多頻段、抗干擾、可定位和發(fā)射頻率可設(shè)置等特點(diǎn)，具有創(chuàng)新性和實(shí)用性?；谠摷夹g(shù)研制的轉(zhuǎn)發(fā)式衛(wèi)星導(dǎo)航信號源在科研生產(chǎn)中有許多特殊用途[6]，包括航空航天的衛(wèi)星信號轉(zhuǎn)發(fā)、地面導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計(jì)、空管領(lǐng)域和衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)的研制等。但是，該技術(shù)實(shí)用性和創(chuàng)新性方面還需要進(jìn)一步通過不同的系統(tǒng)應(yīng)用進(jìn)行拓展，特別是頻率偏移設(shè)置技術(shù)在實(shí)踐方面是否存在問題需要進(jìn)一步通過相關(guān)試驗(yàn)來驗(yàn)證和分析。

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