北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的應(yīng)用及終端檢測技術(shù)

康朋飛，李 秋，李小棉，劉 鑫

（西安思源學(xué)院，陜西 西安 710038）

1 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)概述

1.1 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)是一項(xiàng)完全由中國研究發(fā)展的一項(xiàng)重要技術(shù)，在經(jīng)濟(jì)發(fā)展、國家軍事和民用應(yīng)用方面具有重要作用。如今，衛(wèi)星導(dǎo)航和定位已經(jīng)廣泛應(yīng)用于軍事、智能交通、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、防災(zāi)和援助、地理遙感和遙測等工作。北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的接收器可以進(jìn)行位置信息的準(zhǔn)確定位，以幫助位置管理系統(tǒng)做出最佳決定，并為軍隊(duì)提供準(zhǔn)確的武器放置和攻擊技術(shù)支持。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的主要組成部分包括地面控制中心、人造軌道衛(wèi)星（多顆衛(wèi)星）和用戶接收端組成。

1.2 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)原理及網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

北斗的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)提供導(dǎo)航功能，主要是依賴通用無線分組服務(wù)和地理信息技術(shù)。GPS能夠進(jìn)行導(dǎo)航，主要是因?yàn)樗哂腥蚨ㄎ还δ?。北斗衛(wèi)星的導(dǎo)航系統(tǒng)可有效實(shí)現(xiàn)一些功能，如全球定位、地理信息技術(shù)進(jìn)行的信息映射以及規(guī)劃行駛的路線等。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)包含許多復(fù)雜組件，其中比較重要的有衛(wèi)星地面控制中心、軌道衛(wèi)星以及一些必要的收發(fā)信號裝置。信號質(zhì)量分析、實(shí)時(shí)監(jiān)視和動態(tài)調(diào)整以及衛(wèi)星運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)視和控制，可有效確保衛(wèi)星的運(yùn)行狀態(tài)。衛(wèi)星是按照地面站的指令進(jìn)行工作的，其各種信息都被傳送到地面的控制中心。地面控制中心可以將這些信息發(fā)送到一些終端設(shè)備，以實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星導(dǎo)航。對于北斗導(dǎo)航系統(tǒng)來說，它的信號接收器使用的是GNSS。這種接收器主要由射頻接口、信號轉(zhuǎn)換裝置以及定位功能實(shí)現(xiàn)裝置等構(gòu)成[1]。

2 檢測準(zhǔn)備要求

在實(shí)際測試前，需要進(jìn)行如下工作。第一，終端需要附件、設(shè)備技術(shù)要求和使用說明。同時(shí)，端子的每個(gè)組件外觀沒有受到損壞，組件和附件必須完整。第二，必須按照“關(guān)于發(fā)布北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)演示應(yīng)用程序的通知”和“選擇和測試終端產(chǎn)品的程序”中所述的要求，將終端直接連接到RS232串行數(shù)據(jù)電纜。第三，RS232串行端口必須支持標(biāo)準(zhǔn)RS232串行端口輸出，可以設(shè)置支持參數(shù)（包括波特率、數(shù)據(jù)位以及奇偶校驗(yàn)等）、NMEA-0183協(xié)議支持以及BD用戶設(shè)備接口的命令輸入和數(shù)據(jù)輸出，支持北斗4.0或2.1用戶計(jì)算機(jī)通信協(xié)議所需的命令輸入和數(shù)據(jù)輸出。第四，終端已經(jīng)正確連接到檢測平臺，且在加載后自動啟動。終端自檢、信號指示燈、按鈕和顯示等設(shè)備均保持正常[2]。

3 接收應(yīng)用端功能實(shí)現(xiàn)

第一級LNA的主要作用是接收衛(wèi)星傳回的信號并將其進(jìn)行初步放大，然后可以將信號送入電路系統(tǒng)。來自接收通道的反饋的高頻信號先通過電阻耦合器，后通過低噪聲放大器和選擇電路。RF噪聲電平計(jì)經(jīng)過帶通濾波衰減PAD進(jìn)入混頻器，并將其轉(zhuǎn)換為211 MHz的中頻信號。中頻放大器內(nèi)置在混頻器，中頻輸出信號由第一中頻SAW濾波器進(jìn)行初步轉(zhuǎn)化后傳輸?shù)街黝l帶。一般情況下，可以使用第一級中頻濾波器。它可以達(dá)到中間頻帶抑制相關(guān)要求。最大QPSK輸入信號為-26 dBm，這對應(yīng)于無需壓縮即可輸入大的8PSK信號的要求。最大QPSK輸入信號為-15 dBm，輸出功率小于16 dBm，并使用中頻聲表衰減6 dB。最后，使用限制電路限制中頻信號。圖1為北斗衛(wèi)星導(dǎo)航接收器的硬件示意圖。

圖1 北斗導(dǎo)航接收機(jī)硬件原理圖

射頻干擾更常見，因?yàn)榻邮掌髦饕ㄟ^射頻信號接收信息。因此，對于下變頻架構(gòu)來說，它的作用主要是防止電壓RF信號出現(xiàn)問題，如較大的波動?；旌想娏饔泻芏嘧饔?，一方面可以出色地抑制信道中的一些干擾信號，另一方面可以對RF進(jìn)行有效的增益，以達(dá)到接收機(jī)的一些特殊要求，如對線性度、噪聲的規(guī)定[3]。

4 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)用終端檢測技術(shù)

4.1 準(zhǔn)備工作

為了確保應(yīng)用程序終端的穩(wěn)定性，必須對其選擇進(jìn)行智能測試。需要做好充分的準(zhǔn)備工作，以檢測與北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)兼容的終端。一方面，測試介質(zhì)必須符合相關(guān)技術(shù)的要求。例如，在實(shí)驗(yàn)室中測試應(yīng)用終端時(shí)，需要確保環(huán)境溫度和濕度滿足要求，且沒有電磁等因素的干擾。供電的電源電壓應(yīng)為220 V，頻率應(yīng)為5 Hz，以確保測量設(shè)備和參考衛(wèi)星的數(shù)據(jù)在穩(wěn)定范圍內(nèi)，并且可以有效測試應(yīng)用終端。相關(guān)的設(shè)備必須由有關(guān)部門檢查，以確保沒有失誤。另一方面，評估前必須確保實(shí)驗(yàn)設(shè)備不能短缺，應(yīng)用終端的所有附件均必須完整且無損失。比較應(yīng)用附件的主機(jī)及附件，以確保它們的信號完全一致，且沒有衰減跡象。此外，通過與說明書進(jìn)行比較來檢查設(shè)備的相關(guān)規(guī)格。圖2顯示了應(yīng)用程序終端與檢測平臺之間的連接圖[4]。

4.2 搭建檢測平臺

圖2 應(yīng)用終端與檢測平臺連接示意圖

一般來說，設(shè)備的終端檢測平臺由兩部分組成，即用作導(dǎo)航測試的平臺和導(dǎo)航用暗室。導(dǎo)航用的暗室主要包括矩形微波暗室和其他設(shè)備。其中，矩形設(shè)計(jì)是一種通用設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備發(fā)送和接收雙向信號的功能。使用特殊的暗室平臺進(jìn)行導(dǎo)航，可以創(chuàng)建一個(gè)良好的測試環(huán)境，且不受外部電磁因素的影響，可以保證測試過程的有效開展。在通過天線接收到衛(wèi)星導(dǎo)航信號后，可以測量定位設(shè)備的無線電信號。先研究一個(gè)用于測試導(dǎo)航的特殊平臺，這一特殊平臺包括導(dǎo)航測試和北斗通信測試兩個(gè)系統(tǒng)。這兩個(gè)不同的子系統(tǒng)分別使用自己的信號模擬器。這方面可以單獨(dú)測試設(shè)備終端的性能和功能，前者負(fù)責(zé)測試RNSS，后者分系統(tǒng)測試RDSS[5]。

4.3 數(shù)字頻率合成技術(shù)

頻率源在衛(wèi)星導(dǎo)航終端中至關(guān)重要，是數(shù)字集成電路有效性的重要指標(biāo)。如今，直接數(shù)字合成器芯片主要用于測量技術(shù)，帶有可編程現(xiàn)場門陣列（Field Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA）器件，作為任意波形發(fā)生器的控制器和數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)波形存儲器。它的內(nèi)核通常由一個(gè)相位累加器和一個(gè)相幅值轉(zhuǎn)換模塊組成，而相位累加器通常由幾個(gè)N位加法器和一個(gè)累加寄存器組成。頻率控制字K中的時(shí)鐘的積分結(jié)果被存儲在積分寄存器中，且該積分結(jié)果被發(fā)送到加法器的輸入端。相位幅度轉(zhuǎn)換功能由波形存儲器實(shí)現(xiàn)。相位累加器選擇數(shù)據(jù)以形成地址，然后訪問存儲器以獲取特定時(shí)間的數(shù)字波形幅度，后將其轉(zhuǎn)換為頻率模擬信號。通用校準(zhǔn)儀的三角和正弦波頻率分辨率為0.01 Hz，最大頻率為5 MHz。低通濾波器設(shè)計(jì)為在每個(gè)周期8個(gè)點(diǎn)處再現(xiàn)波形。相位幅值轉(zhuǎn)換模塊的采樣頻率可以達(dá)到40 MHz或更高。

4.4 信號的跟蹤與捕獲

導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)用接收端接收信號并處理后，將最終得到的信號與NCO系統(tǒng)的載波進(jìn)行混合，以生成基于同相和正交的參考信號，最后獲得模擬中頻信號。這一信號通過一定的轉(zhuǎn)換處理后，被轉(zhuǎn)換為一種數(shù)字信號。另外，將AGC添加到A/D輸入的接口，以控制輸入信號的幅度。它應(yīng)分布在一系列量化的A/D值上。中頻數(shù)字輸出信號通過數(shù)字接收器和通道發(fā)送，最終得到目標(biāo)位置、移動速度等數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了信號的跟蹤等。在找尋信號時(shí)，需要找到導(dǎo)航衛(wèi)星的信號。接收機(jī)重新生成PRN代碼和衛(wèi)星載波信號，然后進(jìn)行多普勒頻移和代碼相位估計(jì)概率。它在頻域?qū)崿F(xiàn)了完全的載波分離和消除，在多普勒和時(shí)域中提供代碼標(biāo)記。GNSS接收器會自動執(zhí)行信號追蹤。載波去除完成后，可以接收同相和正交信號，并且將這些信號發(fā)送到相應(yīng)的裝置。該裝置與前導(dǎo)碼、實(shí)時(shí)碼和延遲碼（由本地碼生成器發(fā)出）相關(guān)，最后得到預(yù)積分時(shí)間內(nèi)的離散型I、Q支路上的相關(guān)數(shù)據(jù)，如超前、滯后等的相關(guān)值。

4.5 RDSS檢測

首先，在測試RDSS性能時(shí)，運(yùn)營商可以將終端直接連接到測試平臺，并且針對靜態(tài)和動態(tài)仿真場景以及包括頻率點(diǎn)S和L的射頻仿真信號配置仿真器用于輸出。其次，它使用10束光將定位和通信數(shù)據(jù)發(fā)送到終端，通過測控計(jì)算機(jī)查找終端接收的信息，并對接收通道的數(shù)量進(jìn)行計(jì)數(shù)。再次，使用10射線的其中之一將消息發(fā)送到終端，并將終端的電文與發(fā)送的電文進(jìn)行比較，根據(jù)比較結(jié)果統(tǒng)計(jì)該通信過程中被認(rèn)為是成功的概率。最后，使用10個(gè)光束的其中之一向終端發(fā)送模擬電平信號。終端接收到信號后，操作員可以將傳出信息與計(jì)算機(jī)上的原始信息進(jìn)行比較，以進(jìn)行測量和控制，并將信號發(fā)送到終端。

5 結(jié) 論

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)終端設(shè)備的使用正在推進(jìn)，且終端檢測技術(shù)的重要性與日俱增。因此，本文重點(diǎn)闡述了檢測前后的準(zhǔn)備工作、檢測平臺、技術(shù)指標(biāo)以及技術(shù)方法類型，以促進(jìn)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)終端設(shè)備產(chǎn)品的生產(chǎn)。