基于國產化北斗專用芯片樣機的設計與實現(xiàn)

周國印，常 琨，曲彥峰，劉 朔

(1.中國人民解放軍32180部隊，北京 100072；2.中國人民解放軍63963部隊，北京 100072)

0 引言

北斗導航定位設備目前已廣泛應用于陸軍武器平臺，為指揮員及時調整兵力部署、實施精確指揮奠定了基礎。但目前北斗導航定位設備部分部件采用國外進口模塊或電路，自主性和安全性得不到有效保障；設備由多部門開發(fā)研制，內部結構復雜多樣，通用性距離使用要求還存在一定差距。因此開展北斗導航定位設備的國產化設計，提高安全自主能力和通用能力，已變得迫在眉睫。

隨著北斗二號衛(wèi)星導航系統(tǒng)的不斷升級和能力的不斷增強，國內相關部門組織招標研制了系列化國產芯片和模塊，且經比測性能穩(wěn)定，成熟度高，具備了推廣應用的基礎。前期相關部門組織開發(fā)了基于國產化北斗專用芯片的OEM板，將北斗接收機的主要部件做成大規(guī)模集成電路，集成在一塊電路板上，具有北斗信號接收、信號處理、信號輸出號和定位等功能。文獻[1-8]對OEM板進行了分析，具備性能穩(wěn)定、輕巧靈便等優(yōu)點，可利用其輸出的位置、時間等數據信息與計算機、通信等技術相結合，提升導航定位設備的自主能力，但OEM板目前僅限于特定設備和一定范圍內應用，尚未得到大規(guī)模推廣，且北斗設備的通用性能并未得到有效提升。本文通過開展基于國產化北斗專用芯片的應用研究以及核心功能組件開發(fā)，設計鏈路匹配與接口標準，提升北斗設備的安全性和自主性，有效減少北斗設備類型，提高其通用性能；通過開展基于國產化北斗專用芯片的樣機功能和性能測試，以及與某設備的對比，驗證國產化北斗專用芯片應用后的整機指標滿足程度。

1 國產化北斗芯片核心功能組件設計

某北斗設備具備RNSS B3、B1頻點定位、RDSS定位及通信、GPS定位、GLONASS定位及上述組合定位功能，在當前應用中具有一定的普適性。以該北斗機為研究對象，開展國產化北斗專用芯片的應用設計。

1.1 國產化北斗專用芯片選型研究

1.1.1 基帶芯片選型

結合國內北斗基帶芯片的比測情況以及芯片本身功能，基帶芯片選用內部集成SDRAM，F(xiàn)lash，RTC的芯片，以減小與之匹配的外電路設計和尺寸，降低電路板層要求和電路設計難度，因此選用國內某基帶芯片1。

1.1.2 射頻芯片選型

為滿足復雜戰(zhàn)場環(huán)境下定位導航和態(tài)勢感知需求，北斗設備應具備RNSS和RDSS射頻通道，以實現(xiàn)RDSS收發(fā)，RNSS的B3，B1，GPS，GLONASS收發(fā)、高靈敏度、高精度和抗干擾能力等要求。

(1)RDSS射頻芯片選型

RDSS射頻芯片選擇需重點關注接收靈敏度、發(fā)射功率和發(fā)射相差等指標，且具備抗干擾能力，綜合對比國內RDSS射頻芯片，選用國內某具備接收窄帶抗干擾能力的通用射頻芯片1。

(2)RNSS射頻芯片選型

RNSS共有BD B3，BD B1，GPS L1，Glonass四個頻點，考慮到BD B3頻點的重要性和工作穩(wěn)定性，B3頻點射頻芯片獨立選擇，具備抗干擾能力；因BD B1，GPS L1，Glonass頻點相對靠近，選用單片雙通道RNSS射頻芯片實現(xiàn)，未考慮抗干擾能力。

1.2 核心功能組件設計

將選中的基帶芯片和射頻芯片通過集成設計，形成核心功能組件，其原理框圖如圖1所示，主要分為中頻電路部分、射頻電路部分、電源部分以及外部接口部分。射頻電路部分具備信號接收和發(fā)射功能：接收BD B3，BD B1，GPS L1，GLONASS F1頻點以及S頻點射頻信號，處理后將4路信號傳至中頻部分，提供中頻工作時鐘；完成L頻點信號的發(fā)射。

圖1 核心功能組件原理

中頻電路部分接收到射頻電路的信號后，完成數據處理，并將處理結果輸出到對外數據接口；提供RDSS發(fā)射信號以及頻率、功率等控制信號。

電源電路提供工作電源，包括射頻饋電5 V、模擬電3.0，1.2 V和數字電1.2，1.8 V。

2 整機設計

2.1 整機設計原理

將國產化北斗芯片的核心功能組件嵌入某型北斗機中，其原理如圖2所示。

圖2 整機原理

2.2 接口標準設計

對外接口含RS232串口1/加注口、RS232串口2/CAN總線以及電源接口，接口定義如表1所示[9-17]。

表1 對外接口定義

引腳號接口定義1電源正(24 V)2GND3TXD24-5-6RXD17TXD18CAN1L9CAN1H10CAN_GND引腳號接口定義11-12-13-14-15空16空17GND18RXD219電源地

RS232串口1/加注口用于加注密鑰、核心功能組件升級，以及與車載計算機/顯控終端進行數據交互；RS232串口2/CAN總線用于與車載計算機/顯控終端進行數據交互；電源接口為該型北斗機提供電能。

2.3 整機鏈路設計

某型北斗用戶機存在收發(fā)2條鏈路，具有4頻點接收和1頻點發(fā)射功能。接收鏈路分配如圖3所示。

2.3.1 S頻點鏈路分析

基帶芯片S通道采用有效位12位高精度ADC，最大輸入1 Vp-p，50 Ω阻抗匹配，最大功率約為4 dBm。第n位高精度ADC采樣精度計算公式為[18]：

(1)

式中，P為功率；U為電壓；R為電阻。由式(1)可知，基帶芯片信號采樣的動態(tài)范圍為-68～4 dBm。

整機S鏈路設計時，天線組件鏈路增益如圖3所示，S頻點帶內功率約為-105 dBm，若S通道增益為Gs1，則

-68 dBm≤-105 dBm+35.3 dB+Gs1≤4 dBm，

S頻點射頻芯片一般模式下增益范圍為50～85 dB，因此50 dB≤Gs1≤73.7 dB。

RDSS射頻芯片使用AGC模式實現(xiàn)抗窄帶干擾性能，S抗窄帶干擾干信比不低于55 dB，抗窄帶干擾時S頻點帶內功率約為-124.6 dBm，若S通道所需增益為Gs2，則

-68 dBm≤-124.6 dBm+55 dB +Gs2≤4 dBm，

S頻點抗窄帶干擾增益范圍為22～83 dB，因此22 dB≤Gs2≤73.6 dB。

圖3 接收鏈路分配

2.3.2 B3頻點鏈路分析

整機B3頻點鏈路設計與S頻點鏈路設計相似，核心功能組件B3頻點鏈路增益如圖3所示，B3頻點帶內功率約為-101 dBm，若B3通道所需增益為GB1，則

-68 dBm≤-101 dBm+26.2 dB+GB1≤4 dBm，

B3頻點射頻芯片一般模式下增益范圍為50～100 dB，因此50 dB≤GB1≤78.8 dB。

B3頻點射頻芯片在抗窄帶干擾中使用自動增益控制(AGC)模式。要滿足B3抗窄帶干擾干信比不低于60 dB要求，抗干擾條件下B3頻點帶內功率約為-130 dBm，若B3通道所需增益為GB2，則

-68 dBm≤-130 dBm+60 dB +GB2≤4 dBm，

抗干擾模式下增益范圍也為50～100 dB，因此50 dB≤GB2≤74 dB。

2.3.3 B1/L1頻點和F1頻點鏈路分析

整機B1/L1頻點鏈路設計與上相同，B1/L1頻點帶內功率約為-110 dBm，若B1/L1通道增益為GB1/L1，則有

-62 dBm≤-110 dBm+26.8 dB+GB1/L1≤4 dBm，

B1/L1頻點射頻芯片一般模式下增益范圍56～96 dB，因此56 dB≤GB1/L1≤87.2 dB。

2.3.4 L頻點發(fā)射鏈路分析

發(fā)射鏈路采用射頻調制技術實現(xiàn)，主要節(jié)點包括調制器、放大器、傳輸電纜和功放等，鏈路電平分配如圖4所示。

圖4 發(fā)射鏈路設計

L發(fā)射鏈路設計中，核心功能組件射頻出口后級增益約為40.2～46.2 dB，整機發(fā)射功率指標要求為6～16 dBW(36～46 dBm)，核心功能組件L發(fā)射功率可配置的范圍為-2～8 dBm，因此通過配置核心功能組件L發(fā)射功率為-1 dBm，發(fā)射功率范圍為39.2～45.2 dBm，可以滿足整機發(fā)射功率的要求。

3 測試分析

3.1 測試原理

基于核心功能組件的某型北斗機功能性能測試在北京星地恒通信息科技有限公司暗室環(huán)境中進行，測試設備和測試環(huán)境已通過相關單位認證。樣機測試原理如圖5所示，根據該型北斗機制造與驗收規(guī)范涉及的基本功能、定位功能、通信功能、指揮功能、北斗S/B3/B1頻段接收性能、GPS接收性能、GLONASS接收性能、北斗L頻段發(fā)射性能、1PPS電氣性能和組合定位性能等，測試項目共計95項。

圖5 用戶機暗室測試原理

3.2 測試結果分析

① 基本功能：包括精密測距碼捕獲、導航電文轉換及解密、用戶密鑰有效時間顯示和注入、精密測距碼時效參數有效期顯示和注入、坐標轉換功能、“位置報告1”和“位置報告2”功能以及重要數據自毀功能等16項功能與已定型北斗機相同，B3頻點抗窄帶干擾提升6 dB；S頻點抗窄帶干擾能力提升2 dB，如表2所示。

表2 基本功能測試對比

測試項目戰(zhàn)技指標提升程度/dB結論B3抗窄帶干擾6優(yōu)于S抗窄帶干擾2優(yōu)于

② 定位功能(含BD B3、BD B1頻點RNSS定位、RDSS定位、GPS定位、GLONASS定位以及上述GNSS系統(tǒng)組合定位功能)、通信功能、指揮功能與已定型北斗機性能相同。

③ 北斗S頻段接收性能：在首次捕獲時間、失鎖重捕時間和兩通道時差測量誤差方面明顯優(yōu)于定型設備指標，其余能力與定型設備相當。首捕時間指揮機提升13.3%，用戶機提升23.5%；失鎖重捕時間提升37.5%，兩通道時差測量誤差提升40%，如表3所示。

表3 S頻點接收指標測試對比

測試項目戰(zhàn)技指標提升程度/%結論首次捕獲時間用戶機:23.5優(yōu)于指揮機:13.3優(yōu)于失鎖重捕時間37.5優(yōu)于任意兩通道時差測量誤差40.0優(yōu)于

④ 北斗B3頻點接收指標：跟蹤通道數較原來定型北斗機增加4個；90°時捕獲靈敏度提升2 dB，跟蹤靈敏度提升3 dB；B3頻點水平定位精度和高程定位精度分別提升87.5%和74.1%；測速精度提升21.4%；接收信號功率范圍內水平精度和高程精度分別提升86.2%和75.6%；首次定位時間溫啟動提升14.3%，熱啟動提升25%；失鎖重捕時間提升15%，如表4所示。其余能力與定型設備相同。

表4 B3頻點接收指標測試對比

測試項目戰(zhàn)技指標提升程度結論跟蹤通道數增加4個優(yōu)于90°時捕獲靈敏度2 dB優(yōu)于跟蹤靈敏度3 dB優(yōu)于RNSS_B3定位精度水平精度:87.5%高程精度:74.1%優(yōu)于測速精度21.4%優(yōu)于接收信號功率范圍水平精度:86.2%高程精度:75.6%優(yōu)于首次定位時間溫啟動:14.3%熱啟動:25%優(yōu)于失鎖重捕時間15%優(yōu)于

⑤ 北斗B1頻點接收指標：跟蹤通道數、90°時捕獲靈敏度和跟蹤靈敏度提升情況同B3頻點；B1頻點水平定位精度和高程定位精度分別提升76.8%和74.7%；測速精度提升11.8%；接收信號功率范圍內水平精度和高程精度分別提升83.8%和75.3%；首次定位時間溫啟動提升14.1%，熱啟動提升20%，如表5所示。其余能力與已定型設備相同。

表5 B1頻點接收指標測試對比

測試項目技指標提升程度結論跟蹤通道數增加4個優(yōu)于90°時捕獲靈敏度2 dB優(yōu)于跟蹤靈敏度3 dB優(yōu)于RNSS定位精度水平精度:76.8%高程精度:74.7%優(yōu)于測速精度11.8%優(yōu)于接收信號功率范圍水平精度:83.8%高程精度:75.3%優(yōu)于首次定位時間溫啟動:14.1%熱啟動:20%優(yōu)于

⑥ GPS和GLONASS接收指標：除跟蹤通道數增加4個外，均在冷啟動和熱啟動方面有效提升，其中GPS冷啟動和熱啟動分別提升10.9%和30%，GLONASS冷啟動和熱啟動分別提升6.7%和15.4%；GPS和GLONASS重捕性能均提升23.5%，如表6所示。

表6 GPS和GLONASS接收指標測試對比

⑦ 1PPS精度：1 PPS精度提升28.3%。

⑧ 組合定位精度：BD B3，GPS，GLONASS組合定位水平精度和高程定位精度分別提升71.7%和79.6%；BD B1，GPS，GLONASS組合定位水平精度和高程定位精度分別提升68.5%和70.6%，如表7所示。

表7 組合定位指標測試對比

測試項目戰(zhàn)技指標提升程度結論BD B3/GPS L1/GLONASS R1組合定位水平:71.7%高程:79.6%優(yōu)于BD B1/GPS L1/GLONASS R1組合定位水平:68.5%高程:70.6%優(yōu)于

測試結果表明，基于國產化北斗專用芯片的某型北斗機功能和性能指標均滿足與之對應的定型北斗機指標要求，共有30項功能得到提升，其余65項功能與定型北斗機相當；尤其是在定位精度、1 PPS精度以及抗干擾功能等事關裝備作戰(zhàn)性能的關鍵指標上提升明顯。

4 結束語

在選用國產化北斗專用基帶芯片、RDSS射頻芯片、RNSS B3射頻芯片及RNSS B1/L1/GLONASS接收芯片的基礎上，通過核心功能組件設計、規(guī)范接口標準和鏈路分析計算，研制基于核心功能組件的測試樣機，測試結果表明：

① 應用國產化北斗專用芯片的樣機滿足與之對應的已定型北斗機所有指標要求，95項測試指標中，30項功能提升明顯，其他指標與已定型設備能力相當。

② 與實際作戰(zhàn)應用聯(lián)系緊密的定位精度、授時精度和抗干擾等關鍵指標中，B3頻點定位精度最大可提升87.5%，B1頻點定位精度最大可提升76.8%，組合定位精度最大可提升79.6%；1 PPS精度提升28.3%；B3頻點抗窄帶干擾提高6 dB，S頻點抗窄帶能力提升2 dB，性能提升顯著。

③ 應用國產化北斗專用芯片的功能模塊安全自主能力和可靠性大大提高，推廣應用前景廣闊。