基于北斗系統(tǒng)的高可靠箭載無線定位裝置

陳 偉,婁 莎,趙衛(wèi)軍,劉文怡,白 嘉

(1.北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京 100076； 2.北京航天石化技術(shù)裝備工程有限公司，北京 100076； 3.中北大學(xué) 儀器與電子學(xué)院，太原 030051)

0 引言

受益于衛(wèi)星導(dǎo)航定位產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展以及衛(wèi)星導(dǎo)航定位芯片的性能提升，火箭殘骸回收技術(shù)出現(xiàn)了一種新方法。通過在待回收艙體安裝一臺具有導(dǎo)航電文解算和北斗短報文發(fā)送功能的無線定位裝置，將殘骸在下降過程中以及落地后的定位數(shù)據(jù)持續(xù)發(fā)送給地面殘骸搜尋人員，大幅加快了搜尋的進程和可靠性，降低了回收成本。經(jīng)飛行試驗驗證，該無線定位裝置水平定位精度優(yōu)于5 m，實現(xiàn)了殘骸回收“下車即見”的預(yù)定目標(biāo)。

1 總體設(shè)計

無線定位系統(tǒng)通過安裝于艙壁的導(dǎo)航天線和定位裝置內(nèi)部的定位芯片實時獲取火箭殘骸的經(jīng)緯高數(shù)據(jù)，利用北斗衛(wèi)星短報文通信業(yè)務(wù)將其發(fā)送給地面搜尋人員手持終端。無線定位裝置流程控制、資源調(diào)度和內(nèi)部模塊間的電路接口通過低功耗、高性能的ARM Cortex架構(gòu)微控制器完成。無線定位裝置采用外部設(shè)備供電和內(nèi)置鋰電池供電兩種模式。

1.1 方案設(shè)計

1.1.1 定位數(shù)據(jù)無線傳輸方式

隨著北斗系統(tǒng)應(yīng)用的推廣和普及，利用導(dǎo)航定位芯片獲取設(shè)備自身定位信息已成為業(yè)內(nèi)的首選方案，而定位數(shù)據(jù)的無線傳輸方式則有GSM、GPRS、無線數(shù)傳電臺、北斗短報文通信等多種方式。鑒于GSM、GPRS對無人區(qū)和少人地區(qū)信號網(wǎng)絡(luò)覆蓋較差，通信質(zhì)量難以保證；無線數(shù)傳電臺方式則需要額外增加箭上設(shè)備，且通信距離通常只有數(shù)十公里，作用距離受限；經(jīng)過綜合評估，本方案選擇北斗短報文通信方式進行定位數(shù)據(jù)無線傳輸。

北斗系統(tǒng)衛(wèi)星無線測定業(yè)務(wù)(BDS RDSS,beidou system radio determination satellite service)短報文通信是我國北斗衛(wèi)星系統(tǒng)特有的一項功能，該功能允許用戶與用戶之間進行雙向數(shù)據(jù)傳輸[1]。北斗短報文通信優(yōu)點突出，目前已覆蓋中國及周邊地區(qū)，數(shù)據(jù)誤碼率<10-5，通信時延約為0.5 s，而且北斗終端一戶一密，保密性高。短報文通信用戶通過申領(lǐng)北斗用戶卡，獲取唯一的終端機ID號，并根據(jù)用戶卡等級享受不同的通信頻率和單次通信容量。其中，軍用級用戶卡單次短報文最多可傳輸120個漢字(或1 920 bit有限數(shù)據(jù))，通信頻率最高為1秒/次；民用級用戶卡單次傳輸容量為60個漢字，通信頻率為60秒/次[2]。由于軍用級用戶卡申請較難且必要性不大，本方案采用了民用級用戶卡。

1.1.2 技術(shù)實現(xiàn)途徑

通過需求分析，整個無線定位系統(tǒng)的功能可進一步細(xì)化為三步：1)箭載裝置實時獲取自身定位信息及精確時間；2)基于BDS RDSS短報文服務(wù)功能，箭載裝置將定位信息和時間的發(fā)送給BDS；3)北斗手持終端接收BDS發(fā)送的短報文。無線定位系統(tǒng)業(yè)務(wù)流程及架構(gòu)如圖1所示[3-4]。

圖1 無線定位系統(tǒng)業(yè)務(wù)流程及架構(gòu)

從圖1可知，無線定位裝置的總體技術(shù)實現(xiàn)途徑如下：衛(wèi)星導(dǎo)航定位芯片通過火箭艙外的接收天線獲取GNSS導(dǎo)航信號，獲取殘骸當(dāng)前的經(jīng)緯度、高程和精確時間信息；微控制器(MCU)接收定位導(dǎo)航芯片上的定位和時間信息并輸出給北斗短報文發(fā)送模塊，然后短報文發(fā)送模塊通過火箭艙外的發(fā)射天線將信息發(fā)送給BDS；北斗手持終端接收BDS發(fā)送的短報文，獲取殘骸的精確定位和時間信息。

1.2 可靠性設(shè)計

1.2.1 導(dǎo)航定位芯片選擇

為了確保導(dǎo)航定位解算功能不受制于美國國家航天政策[5]，本設(shè)備選用基于北斗系統(tǒng)應(yīng)用的BDM910型模塊。該模塊由國內(nèi)廠商北斗星通研制，可以同時支持北斗RDSS和RNSS功能。模塊內(nèi)部集成了RDSS射頻收發(fā)芯片、10 W輸出功率的功放模塊、北斗專用RDSS基帶電路和BD2 B1/GPS L1導(dǎo)航定位芯片，尺寸為58.3 mm×54 mm×12 mm，具有集成度高、體積小、功耗低、對外接口簡單等優(yōu)點。BDM910型模塊依托北斗系統(tǒng)即可完成定位解算和短報文發(fā)送功能，從而完全擺脫了對美國GPS和美國航天政策的依賴。

1.2.2 無線鏈路裕度設(shè)計

在無線定位系統(tǒng)通信鏈路中，BDS手持終端接收北斗衛(wèi)星短報文的無線鏈路、北斗衛(wèi)星與地面控制中心站之間的無線通信鏈路依托于北斗系統(tǒng)成熟服務(wù)。此外，無線定位系統(tǒng)還涉及2條無線通信鏈路，即定位裝置導(dǎo)航芯片接收衛(wèi)星導(dǎo)航電文的鏈路，以及短報文發(fā)送定位信息至北斗衛(wèi)星的鏈路，下文對這2條無線鏈路進行裕度設(shè)計，分別如表1和表2所示。

1.2.2.1 導(dǎo)航信號接收鏈路裕度(見表1)

表1 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航信號接收鏈路裕度計算

1.2.2.2 短報文上行鏈路裕度(見表2)

表2 短報文上行鏈路裕度計算

計算結(jié)果表明，衛(wèi)星導(dǎo)航信號下行鏈路裕度不小于1.8 dB，短報文上行鏈路裕度不小于0.9 dB。無線通信鏈路存在鏈路裕度。

1.2.3 冗余設(shè)計

箭載微帶天線是無線定位裝置與北斗衛(wèi)星通信的關(guān)鍵設(shè)備，并且在無線通信過程中，隨著殘骸的快速運動，天線與北斗衛(wèi)星通信的仰角、極化損耗以及天線指向方向的增益都在一直變化，因此務(wù)必引起重視。本方案采用的箭載微帶天線是寬波束天線，單天線方向性圖接近半球，在標(biāo)準(zhǔn)球坐標(biāo)中θ=30°和60°切面對應(yīng)的方向性圖增益見圖2。從圖2可見，該天線的波束寬度和性能指標(biāo)優(yōu)于同類天線，但是為了嚴(yán)格避免殘骸姿態(tài)滾轉(zhuǎn)而出現(xiàn)微帶天線干涉區(qū)或盲區(qū)對準(zhǔn)北斗衛(wèi)星的情況，在設(shè)計中采用沿艙體橫截面中均勻布設(shè)4個相同天線的方案，見圖3。

圖2 箭載微帶天線方向性圖(單天線)

圖3 組陣天線分布圖

另外，考慮到導(dǎo)航信號定位芯片和北斗短報文發(fā)送模塊也是箭載無線定位裝置的核心裝置，單故障點導(dǎo)致系統(tǒng)失效的環(huán)節(jié)較多。為提高設(shè)備的工作可靠性，系統(tǒng)在無線定位裝置中采取兩個BDM910型雙模模塊冗余設(shè)計的方案(后文簡稱模塊A、模塊B)?？紤]到北斗系統(tǒng)規(guī)定了每個短報文發(fā)送模塊必須間隔60 s才能發(fā)送下一次定位數(shù)據(jù)，系統(tǒng)約定兩個短報文發(fā)送模塊之間的發(fā)送時間間隔35 s(含5 s為時間間隔裕度)，將整個無線定位系統(tǒng)的定位頻率從“次/60秒”提升為“次/35秒”。同理，為提高地面接收設(shè)備的可靠性，對地面接收設(shè)備也采取了冗余設(shè)計(地面接收模塊1、2)，并制定了收發(fā)模塊切換策略，最大限度降低了單個模塊失效對無線定位系統(tǒng)造成的影響。

在4個箭載組陣天線中，兩個周向間隔180°天線的合成方向性圖接近完整的球形，因此對于采用冗余設(shè)計的天線和短報文發(fā)送模塊，采用了天線1與天線3組陣，并與短報文發(fā)送模塊A配合使用；天線2與天線4組陣，并與短報文發(fā)送模塊B配合使用的方案。

1.2.4 環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計

由于北斗衛(wèi)星和火箭殘骸之間的相對位移，會造成導(dǎo)航定位芯片實際接收到的信號載波頻率并不是導(dǎo)航衛(wèi)星發(fā)射頻率f0(1 561.098 MHz)，而是f0加上一個多普勒頻移fd。北斗二號衛(wèi)星按照軌道不同有地球靜止軌道(GEO)、傾斜地球同步軌道(IGSO)、中高度圓軌道(MEO)三種，其中MEO衛(wèi)星造成的多普勒效應(yīng)最大，其最大多普勒速率Vdm約為928 m/s，由衛(wèi)星在軌運動造成的最大多普勒頻移為fdm=f0×Vdm/c(光速)=4.83 kHz。同理，經(jīng)計算可知速度為1 Ma的物體，造成的多普勒頻移約為1.7 kHz，考慮到殘骸的運動速度及裕度系數(shù)，需要選擇多普勒頻移范圍能適應(yīng)±10 kHz的導(dǎo)航芯片。此外，為適應(yīng)飛行環(huán)境，對無線定位裝置開展了沖擊、振動等力學(xué)試驗和高溫、老練等熱學(xué)試驗。

2 硬件設(shè)計與實現(xiàn)

無線定位裝置內(nèi)部硬件結(jié)構(gòu)如圖4所示，主要包括導(dǎo)航定位芯片、北斗短報文發(fā)送模塊、微控制器、RS422數(shù)據(jù)接口電路、鋰電池及電源管理模塊等。

圖4 無線定位裝置硬件電路結(jié)構(gòu)

2.1 北斗雙模模塊外圍電路設(shè)計

BDM910模塊是一款支持北斗RDSS/RNSS功能的雙模模塊，具有集成度高、功耗低、接口簡單等優(yōu)點。BDM910模塊共有3個高頻接口，連接器型號為MCX-KYD11，分別用于BD2 B1/GPS L1接收、RDSS接收和RDSS發(fā)射；1個低頻接口，連接器型號為DF9_25S_1 V；以及一個北斗卡接口，用于放置用戶卡。BDM910模塊采用線性穩(wěn)壓電源供電，供電電壓為5 V和12 V(用于RDSS射頻發(fā)射功能)。模塊與MCU之間采用串口通信，其中RDSS和RNSS功能各使用1路。即BDM910模塊解算出的定位信息通過串口發(fā)送端TX1傳送到微控制器串口接收端；微控制器將符合短報文幀格式的定位信息通過串口發(fā)送端XXX發(fā)送給模塊RDSS接收端。此外，模塊還為MCU提供1路精準(zhǔn)的秒脈沖信號(1PPS)。BDM910模塊外圍電路設(shè)計如圖5所示。

圖5 BDM910模塊外圍電路設(shè)計

2.2 微控制器電路設(shè)計

本設(shè)計選擇意法半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的STM32F030CC芯片作為微控制器，這是一款以ARM CortexTM-M0為內(nèi)核的32位單片機，具有功耗低、外設(shè)豐富、實時控制等優(yōu)點。該芯片集成有256KB FLASH和32KB SRAM，集成6個USART串口(異步通信時兼容UART)，工作頻率最高48 MHz，工作電壓3.3 V。STM32F030CC通過USART串口接收BDM910模塊解算的定位信息(圖5 BDM910模塊串口1)，對數(shù)據(jù)進行處理，將符合北斗短報文幀格式的定位信息通過USART串口傳給BDM910模塊(圖5 BDM910模塊串口0)。

此外，STM32F030CC 還通過監(jiān)測外部供電電壓，實施無線定位裝置內(nèi)部鋰電池供電電路的通斷控制；按照系統(tǒng)規(guī)定的流程步驟，控制SRAM、RDSS功能模塊嚴(yán)格按照預(yù)定邏輯和時間間隔工作。

2.3 供電模塊設(shè)計

為了兼顧地面系統(tǒng)測試和飛行試驗兩種工況，定位裝置在地面系統(tǒng)測試時使用外部設(shè)備提供的15 V電壓供電，并同時為裝置內(nèi)置的鋰電池充電；在飛行試驗中，當(dāng)外部設(shè)備提供的15 V電壓消失后，定位裝置立即切換為內(nèi)置鋰電池供電模式，直至設(shè)備落地?fù)p毀或鋰電池耗盡關(guān)機。

3 軟件流程設(shè)計

無線定位系統(tǒng)軟件流程設(shè)計見圖6。

圖6 無線定位裝置軟件流程

系統(tǒng)啟動測試時，無線定位裝置由外部設(shè)備提供15 V供電電壓。無線定位裝置進行狀態(tài)初始化，計時器清0。主控制器(MCU)接收依次詢問兩個定位芯片解算的定位信息，將其寫入緩存器，該步驟循環(huán)進行，直到計數(shù)器35 s計時時間到。MCU將緩存器中的定位數(shù)據(jù)寫入外部存儲器，切換箭上RDSS發(fā)射模塊和地面接收模塊。判斷外部設(shè)備15 V供電是否消失，如果外部供電消失，表明殘骸已正常分離，啟動鋰電池供電，將緩存器中的定位數(shù)據(jù)通過短報文模塊發(fā)給北斗系統(tǒng)，將計時器清0，重新進入下一輪循環(huán)；如果外部持續(xù)供電，表明殘骸未分離，為避免短報文模塊瞬時大功率發(fā)射干擾其它射頻設(shè)備，按照規(guī)定步驟，流程跳轉(zhuǎn)直計時器清0，進入下一輪循環(huán)。重復(fù)上述循環(huán)，直至無線定位裝置內(nèi)部鋰電池耗盡關(guān)機。

4 仿真試驗及飛行試驗

4.1 仿真試驗驗證情況

為了驗證產(chǎn)品工作性能，在露天環(huán)境下搭載實物平臺開展地面靜態(tài)仿真試驗[6-8]。試驗結(jié)果表明，該狀態(tài)下，無線定位裝置RNSS功能成功定位概率≥95%，北斗手持終端接收定位信息的通信成功率≥70%，通信成功率與試驗開展的時間有關(guān)，但在各種工況下，至少有一個RDSS模塊通信效果≥90%，實現(xiàn)了穩(wěn)定、可靠通信的預(yù)期目標(biāo)。

為考核無線定位裝置在殘骸姿態(tài)變化情況下的工作情況，在靜態(tài)仿真試驗基礎(chǔ)上，對定位裝置收發(fā)天線進行平移、轉(zhuǎn)動操作，統(tǒng)計北斗系統(tǒng)RNSS定位情況和RDSS模塊通信成功率，與靜態(tài)仿真試驗結(jié)果相當(dāng)。

4.2 飛行試驗

順利通過地面試驗后，無線定位裝置參加了某飛行試驗考核。飛行試驗中，地面搜尋人員在北斗手持終端上準(zhǔn)實時地獲取了殘骸的定位數(shù)據(jù)，部分定位數(shù)據(jù)見表3。

表3 某飛行試驗部分定位數(shù)據(jù)

表3中，“XX…X”為定位數(shù)據(jù)中沒有變化的部分。從表3可知無線定位裝置經(jīng)度精度結(jié)果≤0.000 02°，轉(zhuǎn)換為距離誤差≤(Δθ/180°)×3.14×6 400×103=2.23 m；同理，緯度精度結(jié)果≤0.000 001°，轉(zhuǎn)換為距離誤差≤0.1 m；高度誤差≤0.8 m。地面搜尋人員按照定位結(jié)果進行實物搜索時，實物位置與手持終端接收到的定位結(jié)果綜合誤差≤5米，實現(xiàn)了“下車即見”的預(yù)期目標(biāo)。

5 結(jié)束語

本文介紹了一種基于北斗系統(tǒng)RNSS和RDSS業(yè)務(wù)的高可靠、高精度、低成本的箭載無線定位裝置。該裝置通過北斗系統(tǒng)衛(wèi)星導(dǎo)航信號實時解算安裝點位的經(jīng)緯高，并利用北斗系統(tǒng)RDSS業(yè)務(wù)短報文通信功能準(zhǔn)實時發(fā)送給地面手持終端，為地面搜尋人員提供高精度的定位信息。經(jīng)飛行試驗考核，本裝置綜合性能優(yōu)良、可靠性高，具有廣闊的應(yīng)用前景。