手持北斗雙模型接收機總體設(shè)計與關(guān)鍵技術(shù)

高　揚，王成賓，烏　萌，劉召磊，程銘鈺

1.西安測繪研究所，陜西，西安，710054；2.地理信息工程國家重點實驗室，陜西，西安，710054；3.西安航天天繪數(shù)據(jù)技術(shù)有限公司，陜西，西安，710100

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手持北斗雙模型接收機總體設(shè)計與關(guān)鍵技術(shù)

高揚1,2，王成賓1,2，烏萌1,2，劉召磊3，程銘鈺3

1.西安測繪研究所，陜西，西安，710054；2.地理信息工程國家重點實驗室，陜西，西安，710054；3.西安航天天繪數(shù)據(jù)技術(shù)有限公司，陜西，西安，710100

本文以手持北斗雙模型接收機研制為背景，提出了系統(tǒng)總體方案,對天線、射頻、抗干擾AD等硬件模塊，信息處理和星控軟件，以及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進行了設(shè)計，對接收靈敏度、捕獲策略、低功耗設(shè)計等關(guān)鍵技術(shù)進行了研究；最后，從接收靈敏度，首次定位時間、通信成功率等方面進行了實驗，驗證了方案的可行性。

RNSS;RDSS;北斗雙模型接收機;靈敏度;捕獲策略

1　引　言

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)具有兩種工作模式：RNSS模式，提供無源模式的定位、測速、導(dǎo)航和授時服務(wù)；RDSS模式，除提供有源模式的定位和授時服務(wù)之外，還具備短報文通信、位置報告、監(jiān)收、通播和指揮功能，這是北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)區(qū)別于其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的顯著特點，不但能夠解決用戶“我在哪里”的問題，還能解決“讓別人知道我在哪里、我在干什么”的問題,在軍事和民用領(lǐng)域都有很大的應(yīng)用潛力[1]。

北斗手持雙模型接收機基于RNSS和RDSS兩種工作模式，具備連續(xù)實時導(dǎo)航、定位、測速、定時、短報文通信、位置報告等功能，一般采用一體化設(shè)計，對體積、功耗、續(xù)航時間等要求較高，技術(shù)復(fù)雜度和開發(fā)難度都比較大。

2　總體設(shè)計

2.1系統(tǒng)組成

手持北斗雙模型接收機主機主要由天線、射頻、抗干擾AD、基帶、信息處理和顯控等6部分組成。其功能組成與信號流程圖如圖1所示。

圖1　手持北斗雙模型接收機組成與信號流程

2.2硬件設(shè)計

手持北斗雙模型接收機包括天線、射頻、抗干擾AD、基帶、信息處理、顯控6個功能模塊，硬件框圖如圖2所示。

圖2　北斗雙模型接收機功能框圖

2.2.1天線模塊

天線單元主要包含三頻無源天線，能夠完成RNSS B3頻點、RDSS S頻點信號的接收和RDSS L頻點信號發(fā)射。對于手持北斗雙模型接收機而言，為了減小體積，天線應(yīng)采用一體化設(shè)計的微帶陶瓷天線，三個頻點按照頻點特性堆疊在一起，如圖3所示。

圖3　三頻天線示意圖

2.2.2射頻模塊

射頻模塊采用B3、L、S雙模一體模式，在單一模塊內(nèi)完成RNSS和RDSS的功能。主要功能包括：①實現(xiàn)接收B3、S頻點信號的濾波、低噪聲放大及下變頻處理，接收通道實現(xiàn)自動增益控制(AGC)；②實現(xiàn)L頻點信號的BPSK調(diào)制、濾波、放大，發(fā)射通道信號功率≥5W，可通過SPI接口微調(diào)，發(fā)射頻率可調(diào)，可調(diào)范圍大于20KHz；③模塊內(nèi)置高穩(wěn)態(tài)晶振，綜合產(chǎn)生所需頻點，可輸出50MHz時鐘和62MHz時鐘。

2.2.3抗干擾AD

考慮到接收機窄帶抗干擾的要求，可采用與AD9288引腳兼容的抗干擾AD芯片，同時提供B3、S頻點兩路信號的窄帶抗干擾和模數(shù)轉(zhuǎn)換，其中RNSS抗窄帶干信比不小于60dB，RDSS不小于50 dB。

2.2.4基帶模塊

基帶模塊的核心器件為RNSS基帶芯片和RDSS基帶芯片。

(1)RNSS基帶芯片

在硬件設(shè)計中，基帶芯片連接抗干擾AD芯片輸入4bit數(shù)字中頻采樣信號；通過并行總線連接DSP, 完成與信息處理模塊的信息交換；為了實現(xiàn)加密信息的P碼直捕功能，需要外接精密測距產(chǎn)生器芯片、保密芯片、RTC時鐘芯片；基帶芯片62M中頻時鐘也由射頻模塊提供。

(2)RDSS基帶芯片

RDSS基帶芯片集成了ARM7TDMI處理器，完成RDSS基帶信號處理和發(fā)射基帶信號的生成等功能。硬件設(shè)計中，基帶芯片連接抗干擾AD芯片輸入2bit數(shù)字中頻信號；通過異步串口連接信息處理模塊完成信息交互；外接一片保密芯片或用戶卡完成RDSS業(yè)務(wù)功能。

2.2.5信息處理模塊

(1)信息處理器選型

為了滿足多任務(wù)處理、實時性好、運行效率高、功耗低等需求，本設(shè)計采用TI的TMS320C6747 DSP實現(xiàn)信息處理功能；TMS320C6747內(nèi)的多個模塊可以通過配置打開或關(guān)閉，便于功耗控制；TMS320C6747的待機功耗為62mW，完全運行模式中為470mW[2，3]，符合低功耗的要求。

(2)原理框圖

硬件設(shè)計中DSP通過并行總線連接RNSS基帶芯片對其進行控制、參數(shù)配置，通過串口連接RDSS基帶芯片和顯控模塊；配置一塊16MB的SDRAM，保證PVT解算所需的內(nèi)存空間；通過連接SPI接口Flash存儲器，完成程序啟動加載和參數(shù)存儲。信息處理模塊原理框圖如圖4所示。

圖4　信息處理模塊原理框圖

2.2.6顯控模塊

顯控模塊用于提供一個友好的人機交互界面。兼顧功耗、性能、技術(shù)成熟度及成本等因素，采用一款A(yù)RM芯片(三星S3C6410)作為主處理器；為保證操作系統(tǒng)足夠、高效的運行空間，外部擴展兩片256MB DDRAM，另外配置一片NAND FLASH用于系統(tǒng)啟動加載及地圖等信息的存儲；其他外圍部件還包括音頻模塊、OLED液晶觸摸屏、鍵盤及調(diào)試接口等。顯控模塊原理框圖如圖5所示。

圖5　顯控模塊原理框圖

2.3軟件設(shè)計

北斗手持雙模型接收機軟件包括信息處理軟件和顯控軟件，分別是信息處理模塊和顯控模塊的核心軟件。

2.3.1信息處理軟件

信息處理軟件采用TI Code Composer Studio v3.3集成開發(fā)環(huán)境；基于TI的eXpressDSP(TM)技術(shù)構(gòu)成基本的片內(nèi)操作系統(tǒng)BIOS運行[4]。

信息處理軟件框架包括BSP板級支持包、主處理流程、用戶接口協(xié)議處理模塊。信息處理軟件整體框架如圖6所示。

圖6　信息處理軟件整體框架圖

(1)BSP板級支持包

在程序中將與硬件平臺相關(guān)代碼集中于一個板級支持包BSP(Board Support Package)中，BSP負責和DSP硬件平臺進行交互，如內(nèi)存處理、中斷處理等，在以后平臺變更后，可以只對BSP包進行移植，便于系統(tǒng)的維護與升級。

(2)主處理流程

在配套模塊的協(xié)作下完成RNSS處理流程和RDSS處理流程。

RNSS處理流程：當RNSS基帶芯片產(chǎn)生中斷時，進入中斷服務(wù)程序，通過信號量、消息或郵箱等同步機制激發(fā)相應(yīng)的處理任務(wù)；主要的處理任務(wù)有捕獲、導(dǎo)航電文處理和觀測量任務(wù)，其中觀測量任務(wù)在判斷觀測量、導(dǎo)航電文的有效性后，啟動PVT解算任務(wù)，進行PVT解算。

RDSS處理流程：當用戶接口協(xié)議處理模塊產(chǎn)生RDSS命令或收到RDSS基帶芯片串口信息時，啟動RDSS處理任務(wù)，進行RDSS定位、通信和授時等操作。

配套模塊：設(shè)備配置模塊和文件系統(tǒng)分別完成DSP初始化和參數(shù)配置，以及文件存儲；串口控制、RNSS基帶芯片接口、PRM接口、保密芯片接口以及RTC芯片接口模塊，用于和這些外設(shè)進行交換，實現(xiàn)數(shù)據(jù)收發(fā)，配合其他主流程的工作。

(3)用戶接口協(xié)議處理模塊

在信息處理的上層，是用戶接口協(xié)議處理模塊，完成來自UI或者外部串口的數(shù)據(jù)收發(fā)和協(xié)議轉(zhuǎn)換功能，實現(xiàn)命令處理、參數(shù)配置和數(shù)據(jù)輸出功能。

2.3.2顯控軟件

(1)軟件開發(fā)與運行環(huán)境

開發(fā)環(huán)境：Platform Builder

Platform Builder是微軟公司發(fā)布的用于定制WinCE操作系統(tǒng)的集成開發(fā)環(huán)境，利用Platform Builder完成系統(tǒng)定制任務(wù)[5]。

運行環(huán)境：WinCE6.0操作系統(tǒng)

(2)顯控軟件框架

顯控模塊軟件框架結(jié)構(gòu)由驅(qū)動層、系統(tǒng)層、應(yīng)用層三部分組成，其主要軟件研制工作包括驅(qū)動程序的開發(fā)、操作系統(tǒng)內(nèi)核的定制、輸入法等配套軟件的調(diào)試。顯控軟件整體框圖如圖7所示。

圖7　顯控軟件整體框圖

2.4結(jié)構(gòu)設(shè)計

手持北斗雙模型接收機通過整機結(jié)構(gòu)件將所有器件固定安裝在一個整機上，通過結(jié)構(gòu)件實現(xiàn)抗沖擊振動、防淋雨、防濕熱等環(huán)境特性，并提供數(shù)據(jù)、人機交互及外置天線接口。整機外觀如圖8所示。

圖8　整機外觀圖

主機包含各種零部件和整件，整機結(jié)構(gòu)爆炸圖如圖9所示。

圖9　整機結(jié)構(gòu)爆炸圖

3　關(guān)鍵技術(shù)

3.1接收靈敏度

影響整機接收靈敏度的主要因素有天線性能、射頻性能、基帶性能、電磁兼容性和整機結(jié)構(gòu)計等多方面。在射頻、基帶等核心模塊已確定、指標已固化的情況下，接收靈敏度主要取決于天線性能。

接收機整機(含天線)靈敏度計算公式為：

S=-174+NF+C/N0-G

(1)

其中，S是整機靈敏度，-174是整機空口熱噪聲，單位為dBm，NF為整機的噪聲系數(shù)，C/N0為基帶解調(diào)門限，G為天線增益。從上式可以看出，影響整機靈敏度的因素只有NF、C/N0和G。

此外，考慮到天線不圓度的影響，整機靈敏度指標要求保留1～1.5dB的余量，以包含AD、射頻連接器以及其他損耗。

基于上述要求，結(jié)合整機靈敏度技術(shù)指標，可以得到靈敏度對天線增益的要求，即

(1)B3頻點增益

≥0dBic(仰角50°)

≥-3 dBic(仰角20°)

(2)S頻點增益

≥1dBic(仰角50°)

≥-2Bic(仰角20°)

當天線增益符合上述要求時，整機靈敏度符合技術(shù)指標要求。同時在PCB布板時，綜合采用器件合理布局、良好接地、電源濾波、電磁屏蔽等措施，最大程度降低傳導(dǎo)干擾和輻射干擾，使靈敏度達到設(shè)計要求。

3.2捕獲策略

首次定位時間和失鎖重捕時間是決定接收機RNSS性能的兩項重要指標。衛(wèi)星列表決定了衛(wèi)星的捕獲順序，通過優(yōu)化衛(wèi)星列表排列策略，精確計算P碼時間不確定度，可縮短捕獲時間，進而縮短首次定位時間和失鎖重捕時間。

3.2.1衛(wèi)星列表“3+1+N”策略

衛(wèi)星仰角越高，信號強度越強，越容易捕獲；衛(wèi)星幾何(DOP值)分布好，定位可信度就高[6]。因此，衛(wèi)星列表的排列應(yīng)兼顧衛(wèi)星仰角和衛(wèi)星幾何分布。衛(wèi)星排列順序可依次設(shè)置為3顆GEO衛(wèi)星、1顆MEO/IGSO衛(wèi)星、N顆剩余衛(wèi)星，以達到快速、可靠定位的目的。

3.2.2時間不確定度的精確計算

P碼時間不確定度是P碼捕獲的一個重要參數(shù)，直接影響P碼的捕獲速度。在P碼時間不確定度足夠準確的條件下，時間不確定范圍越小，捕獲的速度越快。P碼時間不確定度的計算公式如下：

P=Δ+τ

(2)

其中，P為P碼時間不確定度；Δ為鐘差不確定范圍；τ為信號傳播時延。

在不同的場景下，可以通過先驗信息精確估計，從而獲得P碼時間不確定度的精確范圍，優(yōu)化捕獲時間如表1所示。

表1不同場景下時間不確定度的設(shè)置

場景Δ值(ms)τ值失鎖重捕[-10,﹢10]前一歷元偽距/光速熱啟動[-100,﹢100]站星距/光速溫啟動[-1000,﹢1000]站星距/光速冷啟動[-1000,﹢1000]估算站星距/光速

注：估算站星距為中國大地原點到GEO衛(wèi)星距離

采用上述捕獲策略后，首次定位時間和失鎖重捕時間得到明顯優(yōu)化，詳見表2所示。

表2重捕與首次定位時間優(yōu)化對照表

測試項目重捕時間(s)熱啟動時間(s)溫啟動時間(s)冷啟動時間(s)優(yōu)化前7216998優(yōu)化后4113872

3.3低功耗設(shè)計

手持雙模型接收機有明確的功耗要求，同時應(yīng)盡量降低運行功耗，延長電池的使用時間，以滿足8小時續(xù)航時間的指標要求。主要采取了以下低功耗設(shè)計：

(1)選用低功耗、高集成度的器件；

(2)選用高效的電源方案，合理分配功耗；

(3)分時分區(qū)的電源管理策略；

(4)動態(tài)功耗調(diào)節(jié)。

采用上述低功耗設(shè)計后，手持雙模機的運行功耗從4.2W降低到3.1W，長時間待機功耗降低到2.6W，不僅滿足功耗指標要求，也使整機滿足低溫續(xù)航8小時的要求。

4　實驗與結(jié)論

研制的北斗手持雙模型接收機分別進行了入網(wǎng)許可測試、科研鑒定測試和試用試驗，試驗項目涵蓋了暗室性能指標測試、常規(guī)性能測試、環(huán)境適應(yīng)性試驗、可靠性測試等。通過試驗驗證了上述方案的可行性，研制產(chǎn)品的技術(shù)狀態(tài)符合有關(guān)技術(shù)要求。

為了驗證北斗接收機在實星狀態(tài)下的使用性能，重點從接收靈敏度、RNSS定位精度、RNSS首次定位時間、RDSS定位/通信成功率等方面進行了試驗，試驗方法及結(jié)果如下。

4.1接收靈敏度

在實星測試時，接收靈敏度的測試按照接收機實際輸出的載噪比作為參考依據(jù)。 在開闊無遮蔽的環(huán)境下，接收機仰角90°放置，記錄連續(xù)12小時的GEO衛(wèi)星載噪比數(shù)據(jù)，計算平均值。統(tǒng)計平均載噪比數(shù)值為42.4dB。載噪比達到實星狀態(tài)下接收機靈敏度的使用要求。

4.2定位精度

(1)靜態(tài)試驗

靜態(tài)試驗以西安航天城某點為基準點，統(tǒng)計北斗接收機水平、高程方向的測量值與基準點差值的絕對值，12個小時的定位精度曲線圖如圖10所示，定位精度統(tǒng)計表如表3所示。

圖10　靜態(tài)試驗北斗接收機定位精度曲線圖

表3靜態(tài)試驗北斗接收機定位精度統(tǒng)計表

方向均值(m)標準差(m)RMS(m)95%置信度(m)水平1.4651.4012.0274.290高程2.9040.5542.9563.665三維3.4381.0123.5845.589

(2)動態(tài)試驗

動態(tài)跑車試驗以測量型接收機RTK測量定位數(shù)據(jù)為基準，統(tǒng)計北斗接收機高程、水平方向上實際測量值與基準點的絕對差值，定位精度曲線圖如圖11所示，定位精度統(tǒng)計表如表4所示：

圖11　跑車試驗北斗接收機定位精度曲線圖

表4跑車試驗北斗接收機定位精度統(tǒng)計表

方向均值(m)標準差(m)均方根(m)95%置信度(m)水平4.7430.7394.8936.933高程4.0750.7034.2846.264三維5.1870.6694.2877.454

表5首次定位時間與重捕統(tǒng)計表

測試項目熱啟動時間(s)溫啟動時間(s)冷啟動時間(s)重捕時間(s)平均值1138724最大值1442785最小值935683

由上述結(jié)論看出項目組研制的北斗手持雙模型接收機在靜態(tài)、動態(tài)使用條件下定位精度均能夠滿足≤10m要求。

4.3RNSS首次定位時間

對熱啟、溫啟、冷啟和失鎖重捕在實星條件下測試20次，統(tǒng)計均值、最大值、最小值結(jié)果，如表5所示。

4.4RDSS定位成功率/通信成功率

通過靜態(tài)拷機和動態(tài)跑車試驗，分別對北斗接收機的RDSS定位和通信成功率進行了測試，結(jié)果如表6所示。

表6定位通信成功率統(tǒng)計表

測試內(nèi)容入站次數(shù)成功次數(shù)成功率%定位4350427198.18通信504998

從試驗結(jié)果可以看出研制的手持北斗雙模型接收機在接收靈敏度、RNSS定位精度、RNSS首次定位時間、RDSS定位/通信成功率等方面均達到比較理想的水平。

[1]譚述森.衛(wèi)星導(dǎo)航定位工程(第2版)[M].北京：國防工業(yè)出版社，2010.

[2]張雄偉.DSP集成開發(fā)與應(yīng)用實例[M].北京：電子工業(yè)出版社，2002.

[3]三恒星科技.TMS320C6747 DSP原理與應(yīng)用實例[M].北京：電子工業(yè)出版社，2009.

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[6]周文宏.影響GPS定位精度的因素及改進方法[J].安徽科技，2009(9):49-51.

Overall Design and Key Technology of Hand-held BeiDou Dual-mode Receiver

Gao Yang1,2,Wang Chengbin1,2,Wu Meng1,2,Liu Zhaolei3,Cheng Mingyu3

1.Xi’an Research Institute of Surveying and Mapping,Xi’an 710054,China 2. State Key Laboratory of Geo-information Engineering,Xi,an 710054,China 3. Xi’an Aerors Data Technology Co.Ltd, Xi’an 710010,China

Based on the development of hand-hald Beidou dual-mode receiver, an overall system scheme is proposed, hardware modules (including antenna, radio frequency, anti-resistance AD etc.), information processing and display & control software, and system structure are designed. Key technologies such as receive sensitivity, acquisition strategy, and low power design are studied. Finally, feasibility of the scheme is validated through experiments on the sensitivity, Time to First Fix, communication success rate, and so on.

RNSS;RDSS; hand-held BeiDou dual-mode receiver; sensitivity; acquisition strategy

2015-06-12。

高揚(1969—)，男，高級工程師，主要從事衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用及測繪導(dǎo)航軟件測評技術(shù)研究。

TN927

A