基于RDSS 和RNSS 的北斗定位裝置設(shè)計(jì)*

劉宏藝 ，李 晨* ，龐俊奇 ，郝現(xiàn)偉

(1.中北大學(xué)電子測(cè)試技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030051；2.北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京 100000)

我國(guó)北斗衛(wèi)星無(wú)線電定位系統(tǒng)(Radio Determination Satellite System，RDSS)的短報(bào)文通訊功能極具特色，不依賴于地面站設(shè)備，具有安全、可靠、全域覆蓋的特點(diǎn)，能將通訊覆蓋到地廣人稀，移動(dòng)信號(hào)覆蓋不完善的地區(qū)，非常適合我國(guó)地理地貌特征的通訊需求[1－3]。在全區(qū)域的國(guó)防工程、交通運(yùn)輸、海洋觀測(cè)、抗震救災(zāi)、核電工程等諸多領(lǐng)域得到深入應(yīng)用[4－6]。衛(wèi)星無(wú)線電導(dǎo)航業(yè)務(wù)(Radio Navigation Satellite System，RNSS)與其他定位系統(tǒng)沒(méi)有較大區(qū)別，屬于交會(huì)測(cè)量的范疇，用戶接收機(jī)接收衛(wèi)星的導(dǎo)航信號(hào)，在數(shù)字基帶部分完成對(duì)毎顆衛(wèi)星的偽距測(cè)量，同時(shí)從衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)中解調(diào)出衛(wèi)星星歷，并獲得其他各種誤差改正量，最后自主獲得接收機(jī)位置[7]。

定位裝置由北斗二號(hào)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行定位以及通信。相較于北斗一號(hào)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，北斗二號(hào)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)增加了無(wú)源定位，不再采用北斗一號(hào)所使用的主動(dòng)式雙向測(cè)距的定位方式，改用與GPS 相同的單向測(cè)距三維導(dǎo)航，使得通信和定位更加準(zhǔn)確、安全[8－9]。

1 方案設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的新型定位裝置基于北斗二號(hào)進(jìn)行深度開(kāi)發(fā)，主控單元采用STM32F030 低功耗單片機(jī)對(duì)定位信息進(jìn)行接收、提取、編幀、發(fā)送；北斗模塊選用高性能RDSS 射頻收發(fā)芯片GNS1531 模塊；RNSS定位模塊選用定位速度、精度、穩(wěn)定性都比較優(yōu)異的UM4B0 定位模塊；電源模塊特地選用充電模塊SC8803 進(jìn)行鋰電池充電管理，其中電源模塊由電池充電模塊和鋰電池組成，負(fù)責(zé)給整個(gè)設(shè)備供電；RNSS 模塊和北斗模塊負(fù)責(zé)定位以及短報(bào)文的發(fā)送，主控單元負(fù)責(zé)對(duì)數(shù)據(jù)的處理以及控制整個(gè)定位裝置的供電、斷電?？傮w方案設(shè)計(jì)如圖1 所示。

圖1 定位裝置總體方案設(shè)計(jì)圖

本方案中，定位裝置內(nèi)含A、B 兩組北斗模塊，每個(gè)模塊都可以獨(dú)立完成RNSS 定位和RDSS 短報(bào)文通訊。為了增加捕獲衛(wèi)星信號(hào)的機(jī)會(huì)，特別設(shè)計(jì)兩個(gè)天線互為冗余，指向不同的方向。詳細(xì)的功能描述如下:

由于定位裝置上有兩套獨(dú)立的RNSS，所以定位裝置可以獨(dú)立地獲取位置信息，并組合成發(fā)送數(shù)據(jù)包。為了降低每個(gè)環(huán)節(jié)發(fā)生故障時(shí)數(shù)據(jù)丟失的概率，A、B 北斗模塊和地面接收裝置1、2 采用交互發(fā)送的方式，即A－1、B－1、A－2、B－2 四條數(shù)據(jù)鏈路，其中A、B 各自發(fā)送的周期為每次30 s，但A、B 發(fā)送間隔設(shè)置為約20 s，如此循環(huán)。這種模式下，即使有任何一個(gè)RDSS 模塊或地面接收裝置發(fā)生故障，都會(huì)確保有數(shù)據(jù)發(fā)回。地面接收裝置收到定位裝置位置數(shù)據(jù)，通過(guò)分析和比對(duì)，可以檢測(cè)定位裝置工作是否正常。此測(cè)試可以覆蓋到天線、定位裝置、地面接收裝置的檢測(cè)。定位裝置帶著天線安裝在飛行體上，隨著飛行體運(yùn)動(dòng)，同時(shí)將每次定位后的變化的位置信息，通過(guò)北斗模塊發(fā)送到北斗衛(wèi)星，經(jīng)由北斗衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)至地面接收裝置，另一方面通過(guò)422 總線傳遞定位裝置狀態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。為了盡量避免單點(diǎn)失效，地面布置了兩臺(tái)接收裝置，接收裝置收到數(shù)據(jù)后通過(guò)串口上傳給計(jì)算機(jī)，保存、顯示、分析處理。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 主控模塊

主控單元選用STM32F030 低功耗單片機(jī)。該單片機(jī)擁有多路串口，滿足總體方案所需，主要負(fù)責(zé)對(duì)于定位信息的接收、提取、編幀、發(fā)送。該單片機(jī)擁有6 路UART，滿足設(shè)計(jì)方案所需要的4 路UART，將RNSS 的定位信息進(jìn)行提取、編幀，隨后通過(guò)RDSS 發(fā)送至北斗衛(wèi)星，地面接收設(shè)備再將接收到的位置信息傳送至PC 端處理、顯示。

2.2 北斗RDSS 模塊

北斗模塊采用的RDSS 模塊為GNS1531，該模塊支持北斗RDSS 的屏蔽罩結(jié)構(gòu)，模塊內(nèi)部集成了LNA，實(shí)現(xiàn)對(duì)RDSS 衛(wèi)星信號(hào)進(jìn)行濾波，低噪聲放大、高性能RDSS 射頻收發(fā)芯片、輸出功率低到5 W 的功放模塊，無(wú)需外加PA 即可進(jìn)行衛(wèi)星通信；北斗專用RDSS 基帶電路，RDSS 基帶芯片集成了10 個(gè)獨(dú)立的數(shù)字接收機(jī)通道和1 個(gè)發(fā)射通道，完成北斗RDSS 基帶信號(hào)的接收和發(fā)射基帶信號(hào)的生成等功能?？赏暾麑?shí)現(xiàn)RDSS 定位、通信功能。只需要5 V 供電，靜態(tài)功耗≤0.56 W，發(fā)射瞬間功耗≤17.5 W。IC＿VCC、IC＿SD、IC＿SCLK、IC＿SRSTN、VPP、GND 五個(gè)引腳與SIM 卡連接，其中IC＿SD、IC＿SCLK 為SIM 卡的數(shù)據(jù)引腳和時(shí)鐘引腳，IC＿VCC、VPP、GND 是北斗模塊向SIM 卡供電引腳，IC＿SRSTN 為復(fù)位引腳，RFIN 為RDSS 射頻接收信號(hào)輸入端口，RFOUT 為RDSS 射頻發(fā)射信號(hào)輸出端口。GNS1531 北斗模塊應(yīng)用簡(jiǎn)單方便，集成度高、體積小、功耗低、可靠性高，可以廣泛地應(yīng)用于各類北斗RDSS 導(dǎo)航終端，包括北斗RDSS 車載型、手持型、數(shù)傳型終端設(shè)備[10]。

定位裝置采用了A、B 兩組北斗/GPS 單點(diǎn)定位和北斗短報(bào)文模塊，北斗/GPS 定位模塊用于在飛行到落地的過(guò)程中各以1 Hz 的頻率確定飛行體位置，并將信息發(fā)送給主控制器。主控制器將兩路信息融合后，通過(guò)A、B 兩個(gè)短報(bào)文RDSS 模塊發(fā)送出去。RDSS 模塊周圍電路如圖2 所示。

圖2 GNS1531 周圍電路

2.3 RNSS 模塊

飛行過(guò)程中的定位精度、定位速度以及定位穩(wěn)定性極其重要，RDSS 模塊雖然具有一定的定位功能，但是RNSS 模塊的定位速度、精度、穩(wěn)定性等方面優(yōu)于RDSS 模塊，特此選擇UM4B0 定位模塊。UM4B0 是和芯星通自主研發(fā)的全系統(tǒng)多頻高精度RTK 定位定向模塊，輕小型的單面表貼封裝，極大增加了RTK 技術(shù)產(chǎn)品的使用范圍，可應(yīng)用于GIS 信息采集、無(wú)人機(jī)、輕型機(jī)器人、智能駕駛等領(lǐng)域。UM4B0 集成了板載MEMS 芯片和U-Fusion 組合導(dǎo)航算法，有效解決因衛(wèi)星信號(hào)失鎖導(dǎo)致的定位結(jié)果中斷等情況，在樓群、隧道、高架橋和樹(shù)蔭等復(fù)雜環(huán)境下可提供連續(xù)的高質(zhì)量的定位結(jié)果[11]。

UM4B0 采用新一代全系統(tǒng)全頻點(diǎn)高精度SoC 芯片—NebulasII，支持432 個(gè)超級(jí)通道，其強(qiáng)大的處理能力以及內(nèi)嵌的JamShield 多頻點(diǎn)抗干擾技術(shù)，可同時(shí)跟蹤BDS、GPS、GLONASS、Galileo 等全系統(tǒng)多頻衛(wèi)星信號(hào)并進(jìn)行多頻點(diǎn)抗干擾處理，完成增強(qiáng)的多模多頻RTK 引擎解算，顯著改善城市街區(qū)和樹(shù)蔭等復(fù)雜環(huán)境下的RTK 初始化速度、測(cè)量精度和可靠性。

2.4 供電模塊

為了保證飛行過(guò)程中定位裝置一直保持在工作狀態(tài)，特在定位裝置內(nèi)部設(shè)有鋰電池，可以保證定位裝置工作4 h 以上。定位裝置還可以通過(guò)外部24 V電源進(jìn)行供電來(lái)工作。此外定位裝置自帶鋰電池，可通過(guò)外部24 V 供電口進(jìn)行充電，當(dāng)外部24 V 供電斷開(kāi)時(shí)，定位裝置轉(zhuǎn)換為內(nèi)部鋰電池供電，設(shè)備繼續(xù)工作直到落地或電池耗盡。為了在地面測(cè)試狀態(tài)下保護(hù)鋰電池，定位裝置外接一路鋰電池?cái)嚯娭噶钚盘?hào)，通過(guò)該信號(hào)可以控制鋰電池與設(shè)備內(nèi)部其他電路斷開(kāi)。

保持電池使用壽命及其一次充電后的使用時(shí)長(zhǎng)是保證本定位裝置正常工作必不可少的一項(xiàng)指標(biāo)，特此選用充電模塊SC8803 進(jìn)行鋰電池充電管理，SC8803 還是一個(gè)同步降壓充電器控制器。當(dāng)輸入電壓高于電池電壓的時(shí)候，可有效管理充電。在充電模式下，SC8803支持微電流充電、恒流充電、恒壓充電自動(dòng)管理功能，SC8803 的輸入和輸出電壓范圍非常寬。

SC8803 的雙向輸出是通過(guò)控制DIR 引腳實(shí)現(xiàn)的。在放電模式下，SC8803 可以從電池輸出升壓到VBUS。支持輸入限流、輸出限流、動(dòng)態(tài)輸出穩(wěn)壓、內(nèi)部限流、超溫保護(hù)，保證不同異常情況下的安全。SC8803 可以通過(guò)PWM 信號(hào)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)放電電壓、以及輸入和輸出的電流限制。其內(nèi)部集成了10 V、2 A 的門(mén)極驅(qū)動(dòng)?？烧{(diào)頻率范圍從200 kHz 到600 kHz。SC8803 引腳如圖3 所示。

圖3 SC8803 引腳圖

2.5 通信終端

通用型北斗二代短報(bào)文、北斗GPS 定位通信終端是自主開(kāi)發(fā)，專門(mén)為數(shù)據(jù)傳輸而研制的機(jī)型，采用收發(fā)天線、模塊、核心主板一體化設(shè)計(jì)，集成了RDSS、RNSS 天線、射頻收發(fā)電路、功放電路、基帶電路等，集成度高、功耗低，配有專用的固定支架，安裝使用極為方便[12]。性能指標(biāo)如表1 所示。

表1 通信、定位頻點(diǎn)與功能

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 定位裝置工作流程

每個(gè)短報(bào)文模塊的最小發(fā)送周期是30 s，為了確保每個(gè)短報(bào)文發(fā)送間隔大于15 s，在主控制器的協(xié)調(diào)下，每個(gè)模塊增加10 s 時(shí)間，可以實(shí)現(xiàn)整機(jī)每隔20 s 發(fā)送一次報(bào)文，增加設(shè)備落地毀損前發(fā)出短報(bào)文的機(jī)會(huì)和次數(shù)。

定位算法:定位裝置的RNSS 部分采用兩個(gè)物理獨(dú)立的模塊分別進(jìn)行定位，互為冗余，提高了物理故障下位置信息的可靠獲取能力。每個(gè)模塊定位方式采用BD 和GPS 混合計(jì)算模式，提高定位可靠性和精確度。

信標(biāo)機(jī)上電后通過(guò)內(nèi)部的RNSS 獲取當(dāng)前的位置信息，并通過(guò)STM32F030 低功耗單片機(jī)對(duì)收到的定位信息進(jìn)行提取、編幀，然后通過(guò)RDSS 以短報(bào)文的形式發(fā)送至地面接收設(shè)備，地面接收設(shè)備再將接收到的位置信息傳送至PC 端，由上位機(jī)進(jìn)行處理并顯示所在位置的經(jīng)緯高度等信息。具體流程如圖4 所示。

圖4 信標(biāo)工作流程

3.2 測(cè)試結(jié)果分析

對(duì)信標(biāo)機(jī)進(jìn)行不間斷連續(xù)測(cè)試，并對(duì)收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析。

選取其中一包數(shù)據(jù):

解析上面數(shù)據(jù)得到以下結(jié)果:

東經(jīng):112.446 182 73；北緯30.013 415 10；海拔:896.883；系統(tǒng)供電:斷開(kāi)；定位狀態(tài):已定位。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的定位裝置以RNSS 和RDSS 為核心，能夠精確獲取飛行過(guò)程中的位置信息，在高樓、隧道、高架橋以及樹(shù)蔭等復(fù)雜環(huán)境下可提供連續(xù)的高質(zhì)量的定位結(jié)果，并且將定位信息通過(guò)RDSS 發(fā)送出去。采用了雙短報(bào)文模塊，增加了冗余和發(fā)送頻率，采用雙天線背向設(shè)計(jì)，盡最大效果獲取北斗導(dǎo)航衛(wèi)星信號(hào)，提高通訊可靠性。采用低功耗STM32 單片機(jī)做主控制器，提高了產(chǎn)品集成度，降低了功耗和體積，提高了可靠性。通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間不間斷的測(cè)試，該信標(biāo)機(jī)通信成功率≥95%，能夠很好地應(yīng)用到實(shí)際中。