北斗RDSS用戶機(jī)測(cè)試系統(tǒng)指標(biāo)監(jiān)測(cè)校準(zhǔn)方案設(shè)計(jì)①

唐 斌，柳 奇，張益青，舒 展，李 騰

（1.北京環(huán)球信息應(yīng)用開(kāi)發(fā)中心，北京100094；2.中國(guó)電子科技集團(tuán)第54研究所，河北 石家莊050081）

0 引 言

北斗衛(wèi)星無(wú)線電測(cè)定業(yè)務(wù)（RDSS）用戶機(jī)是北斗衛(wèi)星導(dǎo)航試驗(yàn)系統(tǒng)的應(yīng)用終端，可為用戶提供導(dǎo)航、定位、短報(bào)文通信和授時(shí)服務(wù)。自2003年北斗RDSS服務(wù)開(kāi)通以來(lái)，RDSS用戶機(jī)在通信、航海、交通、氣象、火警、災(zāi)害預(yù)報(bào)、公共安全等各個(gè)領(lǐng)域取得廣泛應(yīng)用。為對(duì)北斗RDSS用戶機(jī)的研制使用提供可靠保障，需要采用衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)模擬源，仿真導(dǎo)航信號(hào)環(huán)境，建立自動(dòng)化的測(cè)試系統(tǒng)，對(duì)用戶機(jī)進(jìn)行功能檢查和性能試驗(yàn)［1]。目前已經(jīng)初步建立了以生產(chǎn)廠家為基礎(chǔ)的用戶設(shè)備出廠檢測(cè)和售后服務(wù)體系。檢測(cè)和服務(wù)體系的核心即各類不同的北斗RDSS用戶機(jī)測(cè)試系統(tǒng)。為保證全國(guó)各家測(cè)試系統(tǒng)在長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確和統(tǒng)一，按照測(cè)試設(shè)備計(jì)量校準(zhǔn)與核查要求［2]，需要對(duì)測(cè)試系統(tǒng)指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和定期標(biāo)校。

國(guó)內(nèi)外由于GPS的廣泛應(yīng)用，導(dǎo)航信號(hào)的模擬、仿真研究大部分集中于GPS測(cè)試技術(shù)研究上。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航試驗(yàn)系統(tǒng)原理與GPS不同，用戶機(jī)接收系統(tǒng)出站信號(hào)后，需要發(fā)射入站信號(hào)，才能獲取RDSS服務(wù)［3]。因此，北斗RDSS用戶機(jī)測(cè)試系統(tǒng)由RDSS出站信號(hào)發(fā)射終端、用戶機(jī)入站信號(hào)監(jiān)測(cè)接收機(jī)，以及其他相關(guān)控制與評(píng)估軟件組成［4]。北斗RDSS用戶機(jī)測(cè)試系統(tǒng)指標(biāo)的校準(zhǔn)主要實(shí)現(xiàn)發(fā)射終端、監(jiān)測(cè)接收機(jī)的相關(guān)功率、頻率、時(shí)延等指標(biāo)的校準(zhǔn)。校準(zhǔn)方法可以借鑒一些同樣具有發(fā)射信號(hào)評(píng)估的移動(dòng)手機(jī)的測(cè)試儀校準(zhǔn)方法［5]。具體實(shí)現(xiàn)是基于一臺(tái)改進(jìn)的、各項(xiàng)指標(biāo)可控的RDSS用戶機(jī)進(jìn)行，該用戶機(jī)稱之為校準(zhǔn)設(shè)備，將測(cè)試系統(tǒng)的相關(guān)指標(biāo)引出，實(shí)現(xiàn)至標(biāo)準(zhǔn)儀器的溯源。著重研究測(cè)試系統(tǒng)監(jiān)測(cè)接收機(jī)對(duì)用戶機(jī)入站信號(hào)測(cè)量指標(biāo)、測(cè)試系統(tǒng)對(duì)用戶機(jī)時(shí)延測(cè)量指標(biāo)的校準(zhǔn)，以及測(cè)試系統(tǒng)出站信號(hào)指標(biāo)的監(jiān)測(cè)方法。

1 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航試驗(yàn)系統(tǒng)與RDSS出入站信號(hào)

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航試驗(yàn)系統(tǒng)由兩顆地球同步衛(wèi)星、一個(gè)地面中心和若干標(biāo)校站組成。地面中心是全系統(tǒng)的控制中心；兩顆同步衛(wèi)星構(gòu)成地面中心與用戶之間的無(wú)線電鏈路，共同完成RDSS無(wú)線電測(cè)定業(yè)務(wù)。標(biāo)校站為確定衛(wèi)星軌道位置、傳播延遲校正提供標(biāo)準(zhǔn)參量。地面中心通過(guò)兩顆地球同步衛(wèi)星上的C／S轉(zhuǎn)發(fā)器向用戶發(fā)出“誰(shuí)要定位”的詢問(wèn)信號(hào)；需要RDSS服務(wù)的用戶接收到任意一顆衛(wèi)星的出站詢問(wèn)信號(hào)后，即可響應(yīng)詢問(wèn)，發(fā)出入站申請(qǐng)，通過(guò)兩顆衛(wèi)星L／C轉(zhuǎn)發(fā)器轉(zhuǎn)發(fā)應(yīng)答信號(hào)，即可測(cè)定地面中心分別經(jīng)2顆衛(wèi)星到用戶的距離。由于同步衛(wèi)星位置可以從測(cè)軌獲得，可導(dǎo)出用戶到每顆衛(wèi)星的距離。利用存儲(chǔ)在地面中心數(shù)據(jù)庫(kù)中的地形數(shù)字高程計(jì)算出用戶所在位置。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航試驗(yàn)系統(tǒng)與GPS系統(tǒng)不同，它通過(guò)兩個(gè)衛(wèi)星發(fā)送四個(gè)波束的動(dòng)態(tài)信號(hào)，而且是雙向測(cè)距的。

2 測(cè)試系統(tǒng)監(jiān)測(cè)接收機(jī)測(cè)量指標(biāo)校準(zhǔn)方案

北斗RDSS用戶機(jī)發(fā)射的入站信號(hào)為短突發(fā)擴(kuò)頻信號(hào)，根據(jù)測(cè)試儀器工作原理和現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試儀器實(shí)際情況，很難準(zhǔn)確測(cè)量出用戶設(shè)備發(fā)射功率。因此，要對(duì)測(cè)試系統(tǒng)監(jiān)測(cè)接收機(jī)測(cè)量指標(biāo)進(jìn)行校準(zhǔn)，需要通過(guò)校準(zhǔn)設(shè)備產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)可控的入站信號(hào)。

2.1 標(biāo)準(zhǔn)入站信號(hào)的產(chǎn)生

為了評(píng)估測(cè)試系統(tǒng)接收機(jī)的測(cè)量的準(zhǔn)確性，需要產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)、可控的入站信號(hào)，并且該信號(hào)的頻率與功率可以通過(guò)通用測(cè)試儀器進(jìn)行標(biāo)定。為了滿足標(biāo)準(zhǔn)通用的儀器測(cè)量的需要，對(duì)校準(zhǔn)設(shè)備天線進(jìn)行了改進(jìn)，選用了收發(fā)獨(dú)立的標(biāo)準(zhǔn)天線，如圖1所示，并且設(shè)計(jì)了連接標(biāo)準(zhǔn)頻率與功率測(cè)量?jī)x器的接口。通過(guò)對(duì)校準(zhǔn)設(shè)備基帶的發(fā)射部分進(jìn)行改進(jìn)，使得設(shè)備在不接收出站信號(hào)的情況下，可以發(fā)射可控的連續(xù)單載波信號(hào)。

圖1 收發(fā)獨(dú)立的標(biāo)準(zhǔn)天線

2.2 監(jiān)測(cè)接收機(jī)測(cè)量指標(biāo)校準(zhǔn)

測(cè)試系統(tǒng)監(jiān)測(cè)接收機(jī)測(cè)量校準(zhǔn)設(shè)備入站信號(hào)功率已經(jīng)考慮了測(cè)試系統(tǒng)天線接收增益和空間損耗等因素，測(cè)量值即為轉(zhuǎn)臺(tái)上校準(zhǔn)設(shè)備發(fā)射天線口面的信號(hào)功率。因此，入站信號(hào)測(cè)量值的校準(zhǔn)就是要測(cè)定校準(zhǔn)設(shè)備發(fā)射天線口面的信號(hào)功率和頻率。具體方案如圖2所示。

圖2 入站信號(hào)測(cè)量校準(zhǔn)方案

校準(zhǔn)設(shè)備通過(guò)設(shè)置發(fā)射2s以上的單載波，設(shè)到達(dá)校準(zhǔn)設(shè)備發(fā)射天線口面的信號(hào)功率為P，發(fā)射天線增益為PT，發(fā)射天線至功放的電纜損耗為PL1，功放耦合口至標(biāo)準(zhǔn)儀器的電纜損耗為PL2，標(biāo)準(zhǔn)儀器測(cè)量值為P0，則校準(zhǔn)設(shè)備天線口面的信號(hào)功率P為

式中，PT、PL1、PL2可以事先精確測(cè)定。入站信號(hào)頻率監(jiān)測(cè)使用圖2中相同連接，同樣由標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試儀器測(cè)定。校準(zhǔn)設(shè)備天線口面的信號(hào)功率、頻率值與測(cè)試系統(tǒng)監(jiān)測(cè)接收機(jī)測(cè)量值進(jìn)行比對(duì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)試系統(tǒng)監(jiān)測(cè)接收機(jī)測(cè)量指標(biāo)的歸屬。

3 測(cè)試系統(tǒng)用戶機(jī)時(shí)延測(cè)量指標(biāo)方案

校準(zhǔn)設(shè)備時(shí)延可以精確設(shè)定，以校準(zhǔn)測(cè)試系統(tǒng)對(duì)用戶機(jī)設(shè)備時(shí)延測(cè)試精度，實(shí)現(xiàn)測(cè)試系統(tǒng)對(duì)用戶機(jī)時(shí)延測(cè)量指標(biāo)的校準(zhǔn)。

為了實(shí)現(xiàn)校準(zhǔn)設(shè)備設(shè)定絕對(duì)時(shí)延功能，在校準(zhǔn)設(shè)備發(fā)射時(shí)標(biāo)前增加一個(gè)可調(diào)延時(shí)器，采用高速時(shí)鐘控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)其大范圍，小步進(jìn)的調(diào)整。設(shè)定時(shí)延調(diào)整的功能是通過(guò)基帶信號(hào)處理來(lái)完成的。在設(shè)計(jì)中，采用計(jì)數(shù)器進(jìn)行延遲。如圖3所示，假定接收32PPS時(shí)標(biāo)的時(shí)刻為t0，t1，t2，設(shè)備時(shí)延需要在當(dāng)前基礎(chǔ)上延遲T，則可將每個(gè)32PPS時(shí)標(biāo)順延T即可。獲得延遲的精度越高，則延遲越準(zhǔn)確。為了提高延遲精度，一般采用100MHz或200 MHz的時(shí)鐘來(lái)驅(qū)動(dòng)該計(jì)數(shù)器［6]。這樣做的缺點(diǎn)一是工作頻率高，計(jì)數(shù)器功耗大；二是即便工作頻率如此之高，計(jì)數(shù)器的步進(jìn)分辨率僅為10ns或5 ns，不能夠做到以任意步長(zhǎng)精度進(jìn)行延遲調(diào)整。

在校準(zhǔn)設(shè)備基帶信號(hào)處理算法中，采用了數(shù)控振蕩器（NCO）作為延遲單元，其累加器的精度為32bit，工作時(shí)鐘頻率為50MHz.NCO溢出的整數(shù)時(shí)刻作為T的時(shí)標(biāo)，溢出時(shí)刻對(duì)應(yīng)的NCO相位字尾數(shù)部分送到發(fā)射模塊，作為另一個(gè)發(fā)射NCO的初始相位字?？商峁┑睦碚撗舆t精度為20／2＾32 ns，遠(yuǎn)高于1ns的調(diào)整精度。由于延遲單元的工作時(shí)鐘頻率降低至50MHz，使得整個(gè)模塊的功耗也隨之降低。

圖3 校準(zhǔn)設(shè)備時(shí)延設(shè)定

4 測(cè)試系統(tǒng)出站信號(hào)監(jiān)測(cè)方案

4.1 測(cè)試系統(tǒng)出站信號(hào)監(jiān)測(cè)原理

測(cè)試系統(tǒng)出站信號(hào)監(jiān)測(cè)包括信號(hào)中信息檢測(cè)、信號(hào)功率檢測(cè)和雙通道時(shí)差設(shè)定檢測(cè)等，要求功率測(cè)試精度優(yōu)于1dB，時(shí)差檢測(cè)精度優(yōu)于2ns.測(cè)試系統(tǒng)可以通過(guò)自校完成功率有線條件下的標(biāo)定，但實(shí)際測(cè)試信號(hào)一般在無(wú)線條件下測(cè)試，由于各種原因可能會(huì)使接收天線收到的信號(hào)功率出現(xiàn)變化。對(duì)測(cè)試系統(tǒng)發(fā)射的出站信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，在監(jiān)測(cè)出站信息正確性同時(shí)完成出站信號(hào)實(shí)時(shí)功率監(jiān)測(cè)，要實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)定就需要根據(jù)測(cè)量的原理對(duì)測(cè)試方法進(jìn)行論證，根據(jù)理論計(jì)算，影響測(cè)量精度的主要因素是接收信號(hào)的信噪比，在高信噪比情況下測(cè)量得到的數(shù)據(jù)穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性高。

4.2 校準(zhǔn)設(shè)備用于出站信號(hào)監(jiān)測(cè)的設(shè)計(jì)方案

校準(zhǔn)設(shè)備用于出站信號(hào)監(jiān)測(cè)的具體設(shè)計(jì)方案是利用校準(zhǔn)設(shè)備對(duì)測(cè)試系統(tǒng)6個(gè)波束出站信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，需要并行處理，并提高信號(hào)處理的速率。這就需要對(duì)校準(zhǔn)設(shè)備硬件電路部分如相關(guān)器、解調(diào)器等采取并行處理的方法，對(duì)嵌入式的軟件部分采用提高CPU時(shí)鐘頻率的方法。

硬件設(shè)計(jì)采用并行處理的方式，優(yōu)點(diǎn)在于不必提高工作時(shí)鐘，時(shí)鐘越高對(duì)于印制板布線的要求越高，對(duì)于信號(hào)完整性的要求越高［7]，而采用并行處理的方式主要是提高了硬件的容量，鑒于當(dāng)前的器件水平，大容量高集成度的器件應(yīng)用越來(lái)越廣泛，采用大容量的器件就可以滿足六通道的硬件要求。

信號(hào)處理中采用了偽碼快速捕獲與精密跟蹤技術(shù)。偽碼快速捕獲與精密跟蹤技術(shù)采用多假設(shè)并行匹配濾波法。該方法的實(shí)質(zhì)就是使用一組并行結(jié)構(gòu)的匹配濾波器對(duì)偽碼相位進(jìn)行并行搜索，從而在一次積分時(shí)間內(nèi)，完成對(duì)多個(gè)相位的偽碼的相關(guān)積累，大大提高偽碼的捕獲速度。由于本方法提高捕獲速度不是靠減少每次相關(guān)積累的積分時(shí)間，而是靠分段并行搜索來(lái)實(shí)現(xiàn)的，所以相關(guān)積累時(shí)間可以很長(zhǎng)，如取整個(gè)PN碼周期，這樣就能有效避免PN碼部分相關(guān)所帶來(lái)的自身噪聲對(duì)相關(guān)判決的影響。這種捕獲方法除了捕獲速度快外，同時(shí)具有捕獲靈敏度高、信噪比要求低的特點(diǎn)。

4.3 提高出站信號(hào)功率指示精度

若直接進(jìn)行理想的載噪比估計(jì)，則需要的軟硬件開(kāi)銷較大。在校準(zhǔn)設(shè)備設(shè)計(jì)中，采用了兩級(jí)估計(jì)的方法。第一級(jí)，為近似估計(jì)，采用簡(jiǎn)明算法，估計(jì)（S＋N）／N 的值，而非S／N .這樣，可以采用I／Q信號(hào)作為近似的S＋N估計(jì)。對(duì)于N的估計(jì)，為了保證估計(jì)的準(zhǔn)確性，采用了專門的N生成通道，產(chǎn)生了一路非相干N信號(hào)作為所有通道N估計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。第二級(jí)，對(duì)第一級(jí)獲得的近似估計(jì)進(jìn)行修正，修正曲線事先由MATLAB仿真獲得。這樣，通過(guò)兩級(jí)估計(jì)，就得到了理想的載噪比估計(jì)，估計(jì)的精度優(yōu)于0.5dB.圖4為MATLAB仿真圖，可制成表格存入接收機(jī)內(nèi)部存儲(chǔ)器單元。實(shí)際存儲(chǔ)的輸入信噪比范圍可從0dB向上，此信噪比對(duì)應(yīng)接收機(jī)前端的輸入信號(hào)功率為－132dBm，可以適應(yīng)大部分情況下的信號(hào)功率變化范圍。

圖4 信噪比估計(jì)仿真

4.4 測(cè)試系統(tǒng)雙通道時(shí)差測(cè)量波束監(jiān)測(cè)方案

對(duì)測(cè)試系統(tǒng)用戶機(jī)雙通道時(shí)差測(cè)量波束的監(jiān)測(cè)，通過(guò)校準(zhǔn)設(shè)備解調(diào)出站信號(hào)后，外接計(jì)數(shù)器進(jìn)行。校準(zhǔn)設(shè)備中每個(gè)接收通道都包含1個(gè)精跟功能模塊，除了本地偽碼生成器以外，這些精跟功能模塊的硬件結(jié)構(gòu)是完全相同的。如圖5所示，校準(zhǔn)設(shè)備通過(guò)精跟模塊獲得兩個(gè)波束的幀時(shí)標(biāo)送計(jì)數(shù)器。要獲得某一時(shí)刻一個(gè)波束的完整延時(shí)信息必須已知分幀號(hào)、符號(hào)計(jì)數(shù)值、偽碼相位值，時(shí)標(biāo)信號(hào)由各個(gè)偽碼精跟功能模塊提取，由維特比模塊得到分幀號(hào)等信息。

通過(guò)計(jì)數(shù)器多次測(cè)量，計(jì)數(shù)器記取時(shí)標(biāo)信號(hào)之間的時(shí)間差。取其均值并扣除測(cè)試系統(tǒng)和校準(zhǔn)設(shè)備系統(tǒng)通道時(shí)延等系統(tǒng)差后，從而對(duì)測(cè)試系統(tǒng)用于用戶機(jī)雙通道時(shí)差測(cè)量的兩個(gè)波束時(shí)間差進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

圖5 測(cè)試系統(tǒng)雙通道時(shí)差測(cè)量波束監(jiān)測(cè)

5 結(jié) 論

北斗RDSS用戶設(shè)備測(cè)試系統(tǒng)通過(guò)校準(zhǔn)設(shè)備實(shí)現(xiàn)功率、頻率、時(shí)延指標(biāo)向標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試儀器的溯源，有利于提高測(cè)試系統(tǒng)的測(cè)量精度；利用校準(zhǔn)設(shè)備對(duì)測(cè)試系統(tǒng)的定期標(biāo)校，可實(shí)現(xiàn)各測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果的統(tǒng)一。測(cè)試系統(tǒng)指標(biāo)的溯源方法將成為建立北斗RDSS用戶設(shè)備檢測(cè)體系的重要技術(shù)支撐，有助于進(jìn)一步提高北斗RDSS用戶設(shè)備檢測(cè)的科學(xué)性。

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