導(dǎo)航綜合基帶的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張金濤，韓雙林，楊麗云，胡正群

( 1. 衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)與裝備技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 石家莊 050081；2. 中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所, 石家莊 050081；3. 中國科學(xué)院國家天文臺, 北京100012 )

0 引 言

中國區(qū)域?qū)Ш蕉ㄎ幌到y(tǒng)[1-2](CAPS)是以轉(zhuǎn)發(fā)式衛(wèi)星導(dǎo)航原理為基礎(chǔ)，利用地球同步軌道衛(wèi)星[3-4]轉(zhuǎn)發(fā)地面主控站生成的信號，并以氣壓高度計(jì)輔助實(shí)現(xiàn)的三維實(shí)時(shí)定位系統(tǒng)[5].

CAPS系統(tǒng)主要由地面運(yùn)控系統(tǒng)、地球靜止軌道(GEO)衛(wèi)星、地面用戶三部分組成. 地面運(yùn)控系統(tǒng)通過GEO衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)方式，將導(dǎo)航信號播發(fā)至地面用戶，用戶利用多顆GEO衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)的導(dǎo)航信號實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航定位. 導(dǎo)航綜合基帶是地面運(yùn)控系統(tǒng)主控站核心任務(wù)承載平臺，在主控站中發(fā)揮著重要作用. 導(dǎo)航綜合基帶完成轉(zhuǎn)發(fā)式導(dǎo)航信號的生成，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航信號的下行接收，其高精度測量和高可靠通信能力是地面運(yùn)控系統(tǒng)各項(xiàng)業(yè)務(wù)正常運(yùn)行的有力保障。

1 總體設(shè)計(jì)

導(dǎo)航綜合基帶，采用軟件無線電設(shè)計(jì)思想，整個(gè)設(shè)備在標(biāo)準(zhǔn)面向儀器系統(tǒng)的PCI擴(kuò)展(PXI)機(jī)箱內(nèi)部集成，設(shè)備單元采用PXI插卡式板卡結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了通用化和模塊化. 導(dǎo)航綜合基帶由收發(fā)基帶單元、主控單元、放大濾波合路單元、時(shí)頻單元、背板等部分組成. 總體框圖如圖1所示.

圖 1 導(dǎo)航綜合基帶結(jié)構(gòu)框圖

1)收發(fā)基帶單元設(shè)計(jì)

收發(fā)基帶單元是導(dǎo)航綜合基帶的核心組成部分，每個(gè)收發(fā)基帶單元融合了兩路上行信號發(fā)射和兩路下行信號接收的功能，實(shí)現(xiàn)了數(shù)字信號的小型化和模塊化處理，提高了設(shè)備的可靠性和擴(kuò)展能力.

收發(fā)基帶單元分為發(fā)射工作模塊和接收工作模塊. 其中，發(fā)射工作模塊在1次/s時(shí)頻基準(zhǔn)和10 MHz推動下，根據(jù)業(yè)務(wù)監(jiān)控軟件發(fā)來的控制參數(shù)和上行注入電文進(jìn)行擴(kuò)頻調(diào)制，產(chǎn)生符合系統(tǒng)信號接口定義文件的上行發(fā)射信號，每個(gè)收發(fā)基帶輸出相同頻率的數(shù)字中頻信號，經(jīng)過不同頻點(diǎn)的本振信號混頻后，輸出頻點(diǎn)可配置的L頻段射頻信號.

接收工作模塊接收來自多通道下變頻器送來的中頻信號，完成模擬信號的數(shù)字化采樣，并進(jìn)行后續(xù)的數(shù)字信號處理，主要包括導(dǎo)航信號的捕獲跟蹤、電文解調(diào)及解析、偽距測量、載波相位測量、信號電平估計(jì)、載噪比估計(jì)和多普勒估計(jì)等處理，最后送出偽距測量值及解調(diào)后的導(dǎo)航電文. 同時(shí)完成對自身狀態(tài)的監(jiān)視并上報(bào)業(yè)務(wù)監(jiān)控軟件.

2)主控單元設(shè)計(jì)

主控單元通過PCI總線和網(wǎng)絡(luò)UDP協(xié)議，完成兩個(gè)方面的功能，一是接收各個(gè)單元板卡的狀態(tài)信息和數(shù)據(jù)，并匯總上報(bào)；二是控制導(dǎo)航綜合基帶的對外指示燈進(jìn)行綜合狀態(tài)顯示.

3)放大濾波合路單元設(shè)計(jì)

放大濾波合路單元主要對12路上行信號進(jìn)行放大濾波，最后進(jìn)行合路處理，將合路后的信號輸出至上變頻器.

4)時(shí)頻單元設(shè)計(jì)

時(shí)頻單元主要是給收發(fā)基帶單元提供1 次/s、10 MHz信號.

5)背板單元設(shè)計(jì)

背板單元，主要為各模塊間提供高速信號互聯(lián)以及供電等.

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 發(fā)射信號頻率補(bǔ)償技術(shù)

GEO衛(wèi)星自身存在一定動態(tài)，當(dāng)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器將上行發(fā)射信號進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)，其下行信號不可避免地?cái)y帶了動態(tài)，并且衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的本振工作頻率也存在偏差[6-7]，因此衛(wèi)星發(fā)射頻率包含了從地面站發(fā)射天線到衛(wèi)星接收天線相位中心的上行多普勒頻率和衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器本振頻率偏差兩個(gè)方面的影響[8]. 導(dǎo)航綜合基帶接收部分監(jiān)測到這種偏移后，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理，將這種偏移反置入綜合基帶發(fā)射部分，以補(bǔ)償頻率差[9-10].

導(dǎo)航綜合基帶發(fā)射頻率補(bǔ)償調(diào)整在數(shù)字域進(jìn)行，通常通過累加器實(shí)現(xiàn)，即調(diào)整圖2中的載波數(shù)字振蕩器(NCO)一階量.

圖 2 頻率補(bǔ)償框圖

系統(tǒng)時(shí)鐘(等效于采樣時(shí)鐘)為fs，調(diào)整量為fd，對應(yīng)控制字為M，累加器位長為N，則根據(jù)系統(tǒng)時(shí)鐘、累加器位長、調(diào)整量之間的折算關(guān)系，有

當(dāng)M=1 時(shí) ，fd為分辨率 Δf(最小調(diào)整步長). 選擇累加器位長N為32位，設(shè)基帶工作時(shí)鐘為fs=82MHz ，則根據(jù)式(1)，當(dāng)M=1 時(shí)，其最小調(diào)整步進(jìn)Δf=0.02Hz.

使用累加器的低24位(高位為符號位，低位23位為數(shù)據(jù)位)進(jìn)行發(fā)射載波中心頻率調(diào)整，則根據(jù)式(1)，計(jì)算fd正負(fù)向調(diào)整范圍為

可以根據(jù)需要對累加器的位數(shù)進(jìn)行選取，適應(yīng)不同的調(diào)整范圍的需求.

2.2 導(dǎo)航信號高精度接收技術(shù)

高精度接收作為導(dǎo)航綜合基帶的核心業(yè)務(wù)功能之一，通過合理高效的數(shù)字信號處理算法的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對轉(zhuǎn)發(fā)式導(dǎo)航信號的快速穩(wěn)定捕獲跟蹤，獲得高穩(wěn)定高精度的偽距、多普勒、載噪比等觀測數(shù)據(jù)[11-13].

1)導(dǎo)航信號快速捕獲技術(shù)

綜合考慮轉(zhuǎn)發(fā)式導(dǎo)航信號的特點(diǎn)，采用并行頻率搜索和并行碼相位搜索兩種方法實(shí)現(xiàn)信號的快速捕獲[11-13]. 信號捕獲過程分為兩個(gè)步驟：第一步，應(yīng)用并行碼相位搜索算法，實(shí)現(xiàn)碼相位捕獲和多普勒頻移粗捕，可獲得誤差小于等于0.25碼片的碼相位估計(jì)值和較粗糙的多普勒頻移估計(jì)值；第二步，采用并行頻率搜索算法實(shí)現(xiàn)多普勒細(xì)捕，多普頻勒移估計(jì)的誤差約為20 Hz.

2)導(dǎo)航信號環(huán)路跟蹤技術(shù)

導(dǎo)航信號跟蹤過程主要分為載波跟蹤和偽碼跟蹤. 對于載波跟蹤，采用2階鎖頻環(huán)(FLL)輔助3階鎖相環(huán)(PLL)的方式， 先用FLL處理相關(guān)信號，當(dāng)FLL跟蹤穩(wěn)定下來后，由FLL來跟蹤載波多普勒頻移，并對PLL環(huán)路進(jìn)行輔助，使載波跟蹤環(huán)路在低動態(tài)情況下具有PLL精確跟蹤的特性，而在較高動態(tài)性情況下又具有FLL穩(wěn)定鎖定信號的能力，并且能快速重捕和牽引，可以滿足轉(zhuǎn)發(fā)式導(dǎo)航信號的動態(tài)需求. 對于偽碼跟蹤采用了傳統(tǒng)的2階延遲鎖定環(huán)(DLL)，其主要由延遲鎖定鑒別器、碼環(huán)濾波器、碼NCO三部分組成.

2.3 設(shè)備高穩(wěn)定時(shí)延保持技術(shù)

設(shè)備高穩(wěn)定時(shí)延保持技術(shù)，以保證信號在設(shè)備鏈路中的傳播時(shí)延穩(wěn)定性為目的. 在設(shè)備研制過程中通過設(shè)備高穩(wěn)定性設(shè)計(jì)、環(huán)境穩(wěn)定性精密監(jiān)測與控制等措施的綜合應(yīng)用，達(dá)到高穩(wěn)定鏈路時(shí)延保持的技術(shù)需求[14-15].

1)設(shè)備高穩(wěn)定性設(shè)計(jì)

設(shè)備的高穩(wěn)定性設(shè)計(jì)，是在設(shè)備元器件、板卡設(shè)計(jì)、機(jī)箱設(shè)計(jì)、連接線纜等多個(gè)環(huán)節(jié)均采取技術(shù)手段保證設(shè)備性能的可靠穩(wěn)定. 從信號產(chǎn)生到信號測量，每一個(gè)環(huán)節(jié)都經(jīng)過嚴(yán)格控制，確保時(shí)延的穩(wěn)定性. 在設(shè)備生產(chǎn)前，對元器件進(jìn)行老化篩選及老化試驗(yàn)，選取抗老化性能好的器件；優(yōu)化板卡設(shè)計(jì)，增大板卡的散熱面積，保證芯片的充分散熱；對機(jī)箱進(jìn)行熱設(shè)計(jì)，合理分配機(jī)箱內(nèi)設(shè)備布局，減少機(jī)箱內(nèi)溫度變化；機(jī)箱內(nèi)部和板卡間使用溫度系數(shù)較低的穩(wěn)相電纜.

2)機(jī)箱溫度監(jiān)測與控制設(shè)計(jì)

通過機(jī)箱內(nèi)核心板卡設(shè)置溫度監(jiān)測芯片，實(shí)現(xiàn)機(jī)箱的溫度監(jiān)測，通過控制風(fēng)扇的不同轉(zhuǎn)速對機(jī)箱的溫度進(jìn)行控制. 將所監(jiān)測到的溫度信息，進(jìn)行處理分析，監(jiān)測機(jī)箱風(fēng)扇是否異常. 通過長時(shí)間統(tǒng)計(jì)分析溫度監(jiān)測信息，分析溫度對設(shè)備時(shí)延的影響. 基于數(shù)據(jù)分析手段實(shí)現(xiàn)對收發(fā)設(shè)備時(shí)延的建模和修正.

3 測試結(jié)果

導(dǎo)航綜合基帶的性能指標(biāo)測試結(jié)果如表1所示，測試結(jié)果優(yōu)于設(shè)計(jì)要求和應(yīng)用需求. 導(dǎo)航綜合基帶發(fā)射載波中心頻率可調(diào)范圍優(yōu)于±160 kHz，能夠滿足發(fā)射信號頻率補(bǔ)償?shù)男枨?，偽距測量精度優(yōu)于0.20 ns，通道時(shí)延穩(wěn)定度優(yōu)于0.25 ns.

表 1 導(dǎo)航綜合基帶測試結(jié)果

其中，通道時(shí)延穩(wěn)定度測試包括24 h靜態(tài)時(shí)延測試和3次開關(guān)機(jī)測試. 信號模擬源發(fā)射合適大小信號，導(dǎo)航綜合基帶接收穩(wěn)定后，連續(xù)采集24 h數(shù)據(jù)；再將導(dǎo)航綜合基帶設(shè)備關(guān)機(jī)10 min，待開機(jī)接收穩(wěn)定后，連續(xù)采集2 h數(shù)據(jù)；再重復(fù)開關(guān)機(jī)2次. 數(shù)據(jù)處理如下：

假設(shè)第i個(gè)時(shí)刻的偽距值為zi，把所有zi每100點(diǎn)分為一組，共分成M組數(shù)據(jù)，每組數(shù)據(jù)分別進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到M組z的統(tǒng)計(jì)值

則時(shí)延穩(wěn)定度為將24 h靜態(tài)時(shí)延測試和3次開關(guān)機(jī)進(jìn)行聯(lián)立獲得總的時(shí)延穩(wěn)定度的測試結(jié)果，如表2所示，某通道時(shí)延穩(wěn)定度測試結(jié)果為0.20 ns. 圖3為某通道24 h靜態(tài)時(shí)延測試結(jié)果圖.

表 2 通道時(shí)延穩(wěn)定性測試結(jié)果 ns

圖 3 實(shí)驗(yàn)穩(wěn)定性測試24 h測試數(shù)據(jù)圖

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

2020年，導(dǎo)航綜合基帶設(shè)備完成進(jìn)場裝站調(diào)試，并與信道設(shè)備、天線設(shè)備等一起運(yùn)行. 如圖4所示，設(shè)備安裝在室外恒溫機(jī)柜內(nèi).

利用導(dǎo)航綜合基帶發(fā)射并接收經(jīng)GEO衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器轉(zhuǎn)發(fā)的導(dǎo)航信號，使信號傳輸構(gòu)成閉合環(huán)路，形成大環(huán)偽距值. 使用的轉(zhuǎn)發(fā)器為亞洲3S衛(wèi)星C轉(zhuǎn)發(fā)器，上行信號頻率為6 265 MHz，下行信號頻率為4 040 MHz. 圖5所示為2021年1月13日大環(huán)偽距值，存在類正弦變化趨勢，振幅約為2.68 ms，中心點(diǎn)約為255.05 ms. 圖6所示為大環(huán)偽距雙差值，24 h內(nèi)最大偽距雙差值約為0.033 ns/s2，最小雙差值約為-0.036 ns/s2，一方面說明GEO衛(wèi)星運(yùn)動加速度小，另一方面也說導(dǎo)航綜合基帶偽碼測量精度高.

圖 4 設(shè)備部署圖

圖 5 大環(huán)偽距值圖

圖 6 大環(huán)偽距雙差圖

因?yàn)閷?dǎo)航綜合基帶以及信道設(shè)備采用同一基準(zhǔn)頻率源作為參考輸入，消除了因頻率基準(zhǔn)精度不同帶來的測量誤差，所以可以獲得更高的測量精度.

1)利用大環(huán)碼偽距變化率可以計(jì)算衛(wèi)星相對于地面站的徑向運(yùn)動速度及多普勒系數(shù)，獲得下行多普勒頻率；

2)同時(shí)通過導(dǎo)航綜合基帶自大環(huán)可以獲得總的頻偏；

3)利用總的頻偏值減去獲得下行多普勒頻率就可以獲得需要補(bǔ)償頻率差.

圖7為2021年1月13日導(dǎo)航綜合基帶自大環(huán)獲得的總頻偏，導(dǎo)航綜合基帶發(fā)射端沒有進(jìn)行頻率補(bǔ)償，可以看見有4 kHz左右固有頻偏，并且存在幅值約為1 000 Hz 的類正弦變化趨勢.

圖 7 總頻偏圖

導(dǎo)航綜合基帶發(fā)射端進(jìn)行頻率補(bǔ)償后，接收端獲得的大環(huán)頻偏，即補(bǔ)償了上行多普勒頻率和衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器本振頻率偏差兩個(gè)方面的影響后，只有下行多普勒的值. 同樣，利用衛(wèi)星軌道參數(shù)、地面站坐標(biāo)、下行頻率等計(jì)算可以獲得的下行多普勒. 圖8為2021年1月14日，兩種不同方式獲得多普勒對比圖. 由圖8可知，兩種曲線幾乎完全重合在一起. 圖9為兩種方式獲得的下行多普勒的差值，24 h內(nèi)差值最大約0.6 Hz. 該差值既包含了衛(wèi)星軌道參數(shù)等誤差，也包含了導(dǎo)航綜合基帶的頻偏估計(jì)誤差和頻偏補(bǔ)償誤差.該結(jié)果表明頻偏補(bǔ)償誤差小，優(yōu)于0.8 Hz.

圖 8 下行多普勒對比圖

圖 9 下行多普勒差值圖

5 結(jié)束語

導(dǎo)航綜合基帶實(shí)現(xiàn)了12個(gè)頻點(diǎn)的轉(zhuǎn)發(fā)式導(dǎo)航信號的上行發(fā)射、導(dǎo)航電文播發(fā)及對相關(guān)參數(shù)的改正，完成12個(gè)頻點(diǎn)的導(dǎo)航信號的下行接收，實(shí)現(xiàn)偽距測量，時(shí)延測量修正，設(shè)備零值校準(zhǔn).

導(dǎo)航綜合基帶能夠進(jìn)行發(fā)射信號頻率補(bǔ)償，完成高精度導(dǎo)航信號接收，實(shí)現(xiàn)高穩(wěn)定的實(shí)驗(yàn)保持，有力地保障了地面運(yùn)控系統(tǒng)各項(xiàng)業(yè)務(wù)正常運(yùn)行，滿足了轉(zhuǎn)發(fā)式導(dǎo)航系統(tǒng)需求，其成果可推廣應(yīng)用于其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng).