北斗定向設(shè)備檢測(cè)儀的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

杜 丹，李建雷，楊萬(wàn)君

(1.陸軍北京軍代局駐石家莊地區(qū)軍代室，河北 石家莊 050081；2.衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)與裝備技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 石家莊 050081)

北斗定向設(shè)備檢測(cè)儀的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

杜 丹1，李建雷2，楊萬(wàn)君1

(1.陸軍北京軍代局駐石家莊地區(qū)軍代室，河北 石家莊 050081；2.衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)與裝備技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 石家莊 050081)

針對(duì)北斗定向設(shè)備的產(chǎn)品線測(cè)試和外場(chǎng)檢測(cè)需求，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種體積小、成本低的便攜式北斗定向設(shè)備檢測(cè)儀，采用高精度數(shù)字延遲控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了雙路定向信號(hào)模擬及對(duì)齊。為提高測(cè)試效率，采用自動(dòng)化測(cè)試評(píng)估技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了北斗設(shè)備定向精度的一鍵式測(cè)試。試驗(yàn)結(jié)果表明，該檢測(cè)儀偽距控制精度優(yōu)于0.05m，雙路定向信號(hào)對(duì)齊精度優(yōu)于1 ns，定向角度自動(dòng)化測(cè)試精度優(yōu)于0.01°，可以應(yīng)用于北斗定向設(shè)備的生產(chǎn)線測(cè)試和外場(chǎng)檢測(cè)。

檢測(cè)儀；數(shù)字延遲濾波器；直接數(shù)字式頻率合成器；定向

0 引言

隨著北斗系統(tǒng)建設(shè)的不斷推進(jìn)，北斗設(shè)備的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，大量的軍用民用平臺(tái)上都加裝了北斗設(shè)備，并且數(shù)量還在不斷增加。北斗設(shè)備的爆炸式增長(zhǎng)對(duì)其測(cè)試保障能力提出了更高的要求，如何快速、高效、便捷地完成從產(chǎn)品線到加裝現(xiàn)場(chǎng)乃至北斗設(shè)備整個(gè)生命周期內(nèi)的不間斷測(cè)試保障，使其持續(xù)發(fā)揮效力，成為亟待解決的問(wèn)題。

當(dāng)前已有或者在研的衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)模擬器[1-2]，大多可設(shè)置測(cè)試場(chǎng)景。為了模擬測(cè)試場(chǎng)景，需要建立衛(wèi)星軌道、用戶軌跡和信號(hào)傳輸模型，占用大量的計(jì)算資源；進(jìn)行場(chǎng)景數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，又需要占用很大的數(shù)據(jù)傳輸帶寬，模擬器一般采用總線式架構(gòu)[3]。基于該類模擬器搭建的北斗設(shè)備測(cè)試系統(tǒng)[4]普遍體積大、成本高，不利于推廣使用，無(wú)法完成多層次測(cè)試保障任務(wù)。

針對(duì)低成本、小型化的北斗測(cè)試設(shè)備需求，本文提出了測(cè)試場(chǎng)景預(yù)存的高精度衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)產(chǎn)生方案，測(cè)試場(chǎng)景不再實(shí)時(shí)產(chǎn)生，而是選取若干典型場(chǎng)景預(yù)先存儲(chǔ)在本地板卡，通過(guò)讀取場(chǎng)景文件方式來(lái)產(chǎn)生衛(wèi)星導(dǎo)航模擬信號(hào)。這種方式大大減少了仿真計(jì)算量和設(shè)備間數(shù)據(jù)傳輸量，基于該方法構(gòu)建的檢測(cè)設(shè)備體積小、成本低，能夠滿足大多數(shù)北斗設(shè)備的測(cè)試需求。

文基于數(shù)仿場(chǎng)景本地存儲(chǔ)和自動(dòng)化測(cè)試評(píng)估思想，針對(duì)北斗定位定向設(shè)備的產(chǎn)品線和外場(chǎng)測(cè)試需求，研制了北斗定向設(shè)備檢測(cè)儀，實(shí)現(xiàn)了雙路高精度定向信號(hào)模擬和精準(zhǔn)對(duì)齊以及北斗定位定向設(shè)備的一鍵式測(cè)試評(píng)估，可用于北斗定位定向設(shè)備全生命周期內(nèi)的測(cè)試保障。

1 設(shè)備組成及工作原理

北斗定向設(shè)備檢測(cè)儀主要由測(cè)試控制評(píng)估模塊以及主從信號(hào)產(chǎn)生模塊組成，如圖1所示。

圖1 北斗定向設(shè)備檢測(cè)儀組成框圖

信號(hào)模擬所需的衛(wèi)星軌道、用戶軌跡、電離層對(duì)流層等建模，偽距、載波相位觀測(cè)量計(jì)算以及導(dǎo)航電文組幀等均在高性能計(jì)算機(jī)上完成，并保存為測(cè)試場(chǎng)景文件，經(jīng)由測(cè)試控制評(píng)估模塊預(yù)先下載到信號(hào)產(chǎn)生模塊中。主、從信號(hào)產(chǎn)生模塊通過(guò)讀取存儲(chǔ)的場(chǎng)景文件，模擬生成定向設(shè)備基準(zhǔn)天線和從天線接收到的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)。北斗定向設(shè)備接收到雙天線模擬信號(hào)后，自動(dòng)完成定位定向解算，并將解算結(jié)果上報(bào)至測(cè)試控制評(píng)估模塊，經(jīng)與仿真設(shè)定值進(jìn)行比對(duì)，給出評(píng)估結(jié)果。這種測(cè)試場(chǎng)景離線生成方法節(jié)省了大量的計(jì)算資源和數(shù)據(jù)接口帶寬，大大減輕了測(cè)試控制評(píng)估模塊的工作量和設(shè)備間接口復(fù)雜度，顯著降低了設(shè)備成本，減小了設(shè)備體積。

1.1 測(cè)試控制與評(píng)估模塊

測(cè)試控制評(píng)估模塊完成測(cè)試過(guò)程中的設(shè)備控制調(diào)度以及測(cè)試數(shù)據(jù)的解析和誤差評(píng)估，是整個(gè)檢測(cè)儀的控制中心。

為便于產(chǎn)品線測(cè)試和外場(chǎng)檢測(cè)使用，提高測(cè)試效率，減少人為干預(yù)，采用自動(dòng)化測(cè)試評(píng)估技術(shù)，將測(cè)試過(guò)程中的測(cè)試設(shè)備控制、測(cè)試數(shù)據(jù)采集及誤差統(tǒng)計(jì)等單步操作按軟件語(yǔ)言“繪制”成測(cè)試控制評(píng)估模塊可識(shí)別的“測(cè)試流程圖”，操作者點(diǎn)選某項(xiàng)測(cè)試任務(wù)，測(cè)試控制與評(píng)估模塊就可以按照“測(cè)試流程圖”自動(dòng)執(zhí)行測(cè)試，直至最終給出評(píng)估結(jié)果。

1.2 信號(hào)產(chǎn)生模塊

主、從信號(hào)產(chǎn)生模塊軟硬件完全相同，僅IP地址不同和場(chǎng)景文件不同。主信號(hào)產(chǎn)生模塊存儲(chǔ)基準(zhǔn)天線的場(chǎng)景文件，產(chǎn)生基準(zhǔn)天線射頻模擬信號(hào)；從信號(hào)產(chǎn)生模塊存儲(chǔ)從天線的場(chǎng)景文件，產(chǎn)生從天線射頻模擬信號(hào)。信號(hào)產(chǎn)生模塊由接口管理、場(chǎng)景存儲(chǔ)、時(shí)頻以及信號(hào)產(chǎn)生通道組成，如圖2所示。

圖2 信號(hào)產(chǎn)生模塊原理

信號(hào)產(chǎn)生模塊設(shè)計(jì)關(guān)鍵是高精度延遲的實(shí)現(xiàn)以及主從模塊射頻信號(hào)對(duì)齊。高精度延遲是衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)模擬器的核心技術(shù)之一，本文基于數(shù)字信號(hào)處理理論，采用多級(jí)累加器和數(shù)字延遲濾波器技術(shù)實(shí)現(xiàn)延遲的精確控制。采用粗同步和鏈路延遲精細(xì)調(diào)整相結(jié)合的方法，通過(guò)系統(tǒng)時(shí)間同步實(shí)現(xiàn)粗同步，基于高精度數(shù)字延遲技術(shù)進(jìn)行鏈路延遲精確補(bǔ)償，從而實(shí)現(xiàn)主從模塊射頻信號(hào)的精確對(duì)齊。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 高精度數(shù)字延遲控制技術(shù)

采用多級(jí)累加器和數(shù)字延遲濾波器組實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航信號(hào)的高精度數(shù)字延遲控制，如圖3所示。

圖3 高精度數(shù)字延遲控制技術(shù)原理

由圖3看出，若把數(shù)字域?qū)Ш叫盘?hào)看作樣點(diǎn)序列，基帶處理時(shí)鐘看作采樣時(shí)鐘，則多級(jí)累加器實(shí)時(shí)輸出相位就表示當(dāng)前時(shí)刻采樣時(shí)鐘在模擬域?qū)Ш叫盘?hào)中的采樣位置。根據(jù)實(shí)時(shí)相位獲取數(shù)字延遲濾波器組的子濾波器，并對(duì)碼元序列進(jìn)行延遲濾波，則得到該采樣位置的樣點(diǎn)值，將樣點(diǎn)序列送入DA轉(zhuǎn)變?yōu)槟M信號(hào)，并經(jīng)上變頻可產(chǎn)生高精度衛(wèi)星導(dǎo)航模擬信號(hào)。

這種數(shù)字延遲控制技術(shù)響應(yīng)速度快、精度高，當(dāng)信號(hào)延遲發(fā)生微小變化時(shí)，可以立刻反映在射頻輸出信號(hào)上，不僅可以實(shí)現(xiàn)偽碼相位的精確控制，產(chǎn)生高精度衛(wèi)星導(dǎo)航模擬信號(hào)，還可以準(zhǔn)確控制設(shè)備零值，對(duì)鏈路延遲進(jìn)行精確補(bǔ)償，從而保證系統(tǒng)的通道一致性。

高精度數(shù)字延遲控制技術(shù)的關(guān)鍵是多級(jí)累加器設(shè)計(jì)和數(shù)字延遲濾波器設(shè)計(jì)。數(shù)字延遲濾波器理論和設(shè)計(jì)已有成熟論述，可以采用抽取內(nèi)插技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)[5]，也可以對(duì)濾波器沖擊響應(yīng)函數(shù)直接采樣量化實(shí)現(xiàn)[6]。多級(jí)累加器設(shè)計(jì)目前缺少數(shù)學(xué)模型方面的描述，這里從積分、級(jí)數(shù)、數(shù)字化角度進(jìn)行闡述，為多級(jí)累加器數(shù)字設(shè)計(jì)提供參考。

設(shè)ρ′、ρ″、ρ?分別是測(cè)試場(chǎng)景中偽距延遲的一、二、三階觀測(cè)量，t0為時(shí)間初值，則t時(shí)刻偽距延遲可表示為：

不失一般性，令t0=0，且將上式用級(jí)數(shù)表示為：

對(duì)應(yīng)數(shù)字化框圖如圖4所示。三級(jí)累加器頻率控制字分別為ρ?Δt3Δt2Δt1、ρ″Δt2Δt1和ρ′Δt1，更新率分別為Δt3、Δt2、Δt1?？梢?jiàn)，各級(jí)累加器可以采用不同的更新率實(shí)現(xiàn)，與3級(jí)累加器皆采用同一種更新率[7-8]相比，可以降低功耗，減少累加器字長(zhǎng)，降低資源消耗量，在小型化和低功耗衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)模擬器設(shè)計(jì)中具有重要的意義。

圖4 多級(jí)DDS實(shí)現(xiàn)框圖

2.2 雙路定向模擬信號(hào)對(duì)齊技術(shù)

采用系統(tǒng)時(shí)間粗同步和鏈路延遲精確補(bǔ)償相結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)雙路定向模擬信號(hào)精確對(duì)齊。

系統(tǒng)時(shí)間同步指測(cè)試控制與評(píng)估模塊、主從信號(hào)產(chǎn)生模塊之間時(shí)間同步。首先進(jìn)行主從信號(hào)產(chǎn)生模塊時(shí)頻同步。信號(hào)產(chǎn)生模塊可以使用自身10 MHz和1 PPS時(shí)頻信號(hào)，也可以外接時(shí)頻信號(hào)，當(dāng)有外時(shí)頻信號(hào)輸入時(shí)，自動(dòng)同步外時(shí)頻上。連接主從信號(hào)產(chǎn)生模塊的時(shí)頻輸入輸出，如圖1所示，可以實(shí)現(xiàn)兩模塊時(shí)頻同步。時(shí)頻同步完成后，進(jìn)行主從信號(hào)產(chǎn)生模塊、測(cè)試控制評(píng)估模塊三者之間的仿真時(shí)間同步。信號(hào)產(chǎn)生模塊的狀態(tài)幀在1 PPS上升沿上報(bào)至測(cè)試控制評(píng)估模塊，狀態(tài)幀中包含了信號(hào)產(chǎn)生模塊工作狀態(tài)信息和模塊計(jì)時(shí)信息，測(cè)試控制評(píng)估模塊從測(cè)試場(chǎng)景文件中讀取起始仿真時(shí)刻信息，在接收到狀態(tài)幀時(shí)，立即向主從信號(hào)產(chǎn)生模塊下發(fā)起始仿真時(shí)刻信息，完成系統(tǒng)時(shí)間同步初始化。主從信號(hào)產(chǎn)生模塊以起始仿真時(shí)刻為起點(diǎn)開(kāi)始計(jì)時(shí)，在每秒上升沿將狀態(tài)信息上報(bào)，測(cè)試控制評(píng)估模塊解析狀態(tài)信息，監(jiān)測(cè)主從信號(hào)產(chǎn)生模塊時(shí)間同步情況。系統(tǒng)時(shí)間同步過(guò)程如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)時(shí)間同步

通過(guò)系統(tǒng)模塊時(shí)間同步，可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的粗同步，經(jīng)過(guò)粗同步后，雙路射頻模擬信號(hào)對(duì)齊精度可以達(dá)到數(shù)十ns。粗同步誤差是由于模擬鏈路有差異導(dǎo)致的，對(duì)鏈路延遲進(jìn)行標(biāo)定后，基于高精度數(shù)字延遲控制技術(shù)，在數(shù)字基帶對(duì)同步誤差進(jìn)行精確補(bǔ)償，定向信號(hào)對(duì)齊誤差可減小到1 ns以內(nèi)。

2.3 定向精度自動(dòng)化測(cè)試評(píng)估技術(shù)

采用可編輯腳本化測(cè)試模板[9]和基于狀態(tài)機(jī)的全面化異常處理機(jī)制實(shí)現(xiàn)定向精度自動(dòng)化測(cè)試評(píng)估。

測(cè)試控制評(píng)估模塊按照測(cè)試模板中的測(cè)試步驟和測(cè)試參數(shù)完成測(cè)試設(shè)備控制、測(cè)試過(guò)程顯示、測(cè)試數(shù)據(jù)采集以及測(cè)試結(jié)果評(píng)估。全面分析測(cè)試過(guò)程中出現(xiàn)的多種可預(yù)測(cè)異常和不可預(yù)測(cè)異常，實(shí)現(xiàn)基于狀態(tài)機(jī)的異常處理機(jī)制，確保測(cè)試評(píng)估流程的健壯性。

定向精度自動(dòng)化測(cè)試評(píng)估方法如下：按測(cè)試模板自動(dòng)執(zhí)行系統(tǒng)時(shí)間同步和鏈路補(bǔ)償，生成精確對(duì)齊的雙頻雙路定向射頻模擬信號(hào)，控制待測(cè)北斗定向設(shè)備工作于雙頻定向模式，將北斗定向設(shè)備上報(bào)的定向信息與仿真信息設(shè)定值進(jìn)行比較，計(jì)算定向角度誤差。角度誤差計(jì)算方法如下：

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 偽距延遲控制精度測(cè)試

偽距延遲控制精度測(cè)試方法[10]如圖6所示。以1PPS上升沿為參考，使用高速示波器分別測(cè)試基準(zhǔn)天線信號(hào)和從天線信號(hào)的過(guò)零點(diǎn)延遲。

(a) 試連接 (b) 向零值過(guò)零點(diǎn)圖6 偽距控制精度測(cè)試

以0.05 m(合0.167 ns)為步進(jìn)量設(shè)置偽距延遲變化，每步進(jìn)一次，進(jìn)行一次過(guò)零點(diǎn)偽距延遲統(tǒng)計(jì)。共步進(jìn)10次，獲取11組測(cè)量數(shù)據(jù)。偽距精度按下式進(jìn)行計(jì)算：

Δρn-1=ρn-ρn-1-0.05，

式中，n=2，……，11。

主、從信號(hào)產(chǎn)生模塊B1、B3頻點(diǎn)原始測(cè)量值曲線和偽距控制精度曲線如圖7所示。

圖7 偽距延遲控制精度

由圖7可見(jiàn)，主信號(hào)產(chǎn)生器B3頻點(diǎn)偽距控制精度優(yōu)于0.04 m，B1頻點(diǎn)優(yōu)于0.03 m；從信號(hào)產(chǎn)生器B3頻點(diǎn)偽距精度優(yōu)于0.03 m，B1頻點(diǎn)優(yōu)于0.02 m。主從信號(hào)產(chǎn)生模塊B1、B3頻點(diǎn)偽距控制精度均優(yōu)于0.05 m。

3.2 射頻信號(hào)對(duì)齊精度分析

根據(jù)圖7(a)、圖7(b)，分別計(jì)算主從信號(hào)產(chǎn)生模塊B1、B3頻點(diǎn)射頻信號(hào)之間的對(duì)齊誤差，如圖8所示。

圖8 雙路射頻信號(hào)對(duì)齊誤差

由圖8可見(jiàn)，經(jīng)過(guò)精同步后，兩板卡B1、B3頻點(diǎn)射頻信號(hào)之間的時(shí)延差不超過(guò)1 ns。實(shí)際上，只要鏈路零值能夠準(zhǔn)確標(biāo)定，則進(jìn)行鏈路延遲精細(xì)補(bǔ)償后誤差可減小到與偽距延遲誤差相當(dāng)，即0.05 m(0.167 ns)以內(nèi)。多次試驗(yàn)表明，B1、B3頻點(diǎn)射頻信號(hào)對(duì)齊誤差能夠控制在1 ns內(nèi)。

3.3 定向角度自動(dòng)化測(cè)試精度

使用商用北斗定位定向儀對(duì)該檢測(cè)儀進(jìn)行了測(cè)試驗(yàn)證，測(cè)試連接如圖9所示。

圖9 定向精度自動(dòng)化測(cè)試驗(yàn)證

該定位定向儀采用雙頻定向方式?？刂茩z測(cè)儀產(chǎn)生雙路雙頻北斗B1、B3衛(wèi)星導(dǎo)航模擬信號(hào)，分別注入到定位定向儀基準(zhǔn)天線端和從天線端，等待定位定向儀定向后，收取定向數(shù)據(jù)，并對(duì)定向結(jié)果進(jìn)行評(píng)估。

共設(shè)置2 m基線180°、2 m基線90°、3 m基線180°和3 m基線90°四種場(chǎng)景。其自動(dòng)化測(cè)試結(jié)果分別如圖10所示。

圖10 4種場(chǎng)景定向結(jié)果

自動(dòng)化角度誤差評(píng)估曲線分別如圖11所示。

圖11 4種場(chǎng)景的定向誤差

由圖可見(jiàn)，4種場(chǎng)景情況下，待北斗定位定向儀定向結(jié)果收斂后，定向角度誤差均在0.01°內(nèi)。北斗定位定向儀定向結(jié)果連續(xù)無(wú)中斷，誤差曲線平穩(wěn)，定向結(jié)果具有較高的精度，這表明該檢測(cè)儀具有較好的定向仿真精度和定向測(cè)試精度。

4 結(jié)束語(yǔ)

由試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果可知，這種便攜式、低成本北斗定向設(shè)備檢測(cè)儀具有較高的偽距控制精度和射頻信號(hào)對(duì)齊精度，能夠精確實(shí)現(xiàn)雙頻雙路定向信號(hào)仿真和定向角度的自動(dòng)化測(cè)試評(píng)估。設(shè)備研制所采取的場(chǎng)景預(yù)存式衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)模擬思想以及所實(shí)現(xiàn)的高精度數(shù)字偽距控制技術(shù)、自動(dòng)化測(cè)試評(píng)估技術(shù)等可以應(yīng)用于同類檢測(cè)設(shè)備的研制。隨著我國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航事業(yè)的不斷推進(jìn)，對(duì)北斗設(shè)備的測(cè)試需求必然會(huì)持續(xù)增長(zhǎng)，該類檢測(cè)儀擁有廣闊的市場(chǎng)空間。

[1] 董立橋,周雪娟.基于PXI架構(gòu)的導(dǎo)航信號(hào)模擬器設(shè)計(jì)[J].無(wú)線電工程,2011,41(3):34-37.

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DesignandImplementationofTestingEquipmentforBeidouOrientator

DU Dan1,LI Jian-lei2,YANG Wan-jun1

(1.MilitaryRepresentativeOfficeinShijiazhuangRegion,PLAArmyBeijingMilitaryRepresentativeBureau,ShijiazhuangHebei050081,China； 2．StateKeyLaboratoryofSatelliteNavigationSystemandEquipmentTechnology,ShijiazhuangHebei050081,China)

To meet the requirements of product line testing and outfield testing for Beidou orientator,a kind of small low cost portable testing equipment for Beidou orientator is designed and implemented in this paper.The equipment applies some high precision digital delay control techniques,realizes double path oriented signal simulations and RF synchronization.Auto testing and assessment techniques are adopted to improve testing effectiveness,and one key testing of the Beidou equipment orienting precision is realized.The experimental results show that this equipment’s pseudo-range accuracy is better than 0.05 m,the double path oriented signal synchronization accuracy is better than 1 ns,the orienting angle auto test accuracy is better than 0.01 degree,and therefore,the equipment can be applied in product line testing and outfield testing for Beidou orientator.

testing equipment;digital delay filter;Direct Digital Synthesizer (DDS);orientation

10.3969/j.issn.1003-3106.2017.12.10

杜丹，李建雷，楊萬(wàn)君.北斗定向設(shè)備檢測(cè)儀的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].無(wú)線電工程,2017,47(12):43-48.[DU Dan,LI Jianlei,YANG Wanjun.Design and Implementation of Testing Equipment for Beidou Orientator[J].Radio Engineering,2017,47(12):43-48.]

TP391.4

A

1003-3106(2017)12-0043-06

2017-06-12

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(“863”計(jì)劃)基金資助項(xiàng)目(2015AA124001)。

杜丹女，(1987—)，碩士，工程師。主要研究方向：通信和圖像處理技術(shù)。

李建雷男，(1981—)，高級(jí)工程師。主要研究方向：衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)模擬。