北斗RDSS短報文通信終端測試系統(tǒng)計量裝置研制

胡 浩 劉寒遙

（湖南省計量檢測研究院,湖南 長沙 410014）

1960年，美蘇兩國以多普勒原理建設(shè)的子午儀系統(tǒng)和圣卡達(dá)系統(tǒng)為源頭，拉開了世界衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的歷史帷幕[1]。隨著時間的推移，世界范圍內(nèi)出現(xiàn)了美國的全球定位系統(tǒng)（GPS）、俄羅斯的格洛納斯（GLONASS）、歐盟的伽利略（GALILEO）和中國的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BDS）等衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。雖然定位方式、衛(wèi)星軌道高度、導(dǎo)航頻段等改變，使各衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的導(dǎo)航性能、定位服務(wù)區(qū)域得到了優(yōu)化與升級，但是兩代系統(tǒng)毫無兼容性可繼承，同時RNSS導(dǎo)航系統(tǒng)的研究和發(fā)展，只解決了用戶的定位和授時問題，未解決位置數(shù)據(jù)共享的廣域通信需求，沒給導(dǎo)航與通信集成留有余地[2]。

區(qū)別于其他全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，中國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)除了提供RNSS服務(wù)外，還提供RDSS（radio determination service of satellite）雙向短報文信息服務(wù)，實(shí)現(xiàn)了授時、通信和位置報告等功能集成使用[3]。RDSS閉環(huán)測試系統(tǒng)是測試RDSS終端的專用系統(tǒng)，用于檢驗(yàn)RDSS終端的功能指標(biāo)和性能指標(biāo)是否滿足規(guī)定要求，目前使用通用儀器設(shè)備來計量校準(zhǔn)。計量校準(zhǔn)時采用的通用儀器設(shè)備繁多，數(shù)據(jù)處理復(fù)雜，特別是對于部分參數(shù)（如系統(tǒng)時延），并不能直接進(jìn)行計量，由于需要多個校準(zhǔn)參數(shù)綜合處理獲得，不便于進(jìn)行系統(tǒng)指標(biāo)參數(shù)維護(hù)與內(nèi)校，影響了測試系統(tǒng)部分檢測參數(shù)的有效性。

為了有效解決RDSS閉環(huán)測試系統(tǒng)計量與校準(zhǔn)，需要對北斗RDSS短報文通信終端測試系統(tǒng)計量方法進(jìn)行研究。

1 北斗RDSS短報文通信終端測試系統(tǒng)計量方法分析

1.1 北斗RDSS短報文通信終端定位原理

RDSS定位原理為MCC（測量控制中心）通過S1、S2（衛(wèi)星）發(fā)射用于詢問的標(biāo)準(zhǔn)時間信號，用戶接收后發(fā)射應(yīng)答信號經(jīng)S1、S2傳回MCC，MCC測出衛(wèi)星返回信號時延，結(jié)合衛(wèi)星各時刻位置、相對運(yùn)動、空間傳輸延誤等，并根據(jù)用戶所在點(diǎn)高程計算出用戶坐標(biāo)，如圖1所示[4]。

圖1 RDSS定位原理

1.2 北斗RDSS短報文通信終端測試系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)

為有效保障北斗RDSS短報文通信終端測試系統(tǒng)計量具有準(zhǔn)確性，需明確相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)。由定位原理可知，信號傳播距離的測量會直接影響定位精度，而測距與信號傳播時延的測定是等價的[5-6]。從傳輸鏈路的角度出發(fā)，北斗RDSS短報文通信終端測試系統(tǒng)的計量，可以采用分段計量的方式將傳輸經(jīng)由的發(fā)射端、信道和接收端參數(shù)匯總作為系統(tǒng)性能參數(shù)。由于接收機(jī)在定位過程中起到信號轉(zhuǎn)發(fā)的功能，在此過程中傳輸產(chǎn)生的信號時延并不相同[7]，但必須在一定指標(biāo)范圍內(nèi)，否則會對測距精度產(chǎn)生影響。從接收機(jī)的角度出發(fā)，可以采用接收機(jī)基準(zhǔn)的方式，以標(biāo)準(zhǔn)接收機(jī)[8]性能參數(shù)作為標(biāo)準(zhǔn)，校準(zhǔn)計量整個測試系統(tǒng)。

1.3 北斗RDSS短報文通信終端測量系統(tǒng)計量方法

傳統(tǒng)計量方法分為兩大類，第一，采用分段、分類計量的方式，這種方法對于每類計量指標(biāo)需要使用不同的儀表設(shè)備，對于無法直接計量的參數(shù)指標(biāo)，例如時延需要分段計量、間接溯源；第二，采用標(biāo)準(zhǔn)接收機(jī)計量的方式，這種方式需要購置一臺經(jīng)過各計量單位認(rèn)證且能夠推算功率、頻率的接收終端，其接收環(huán)路時延因經(jīng)過多方計量單位認(rèn)證，可以作為整系統(tǒng)的標(biāo)定準(zhǔn)則。基于嚴(yán)苛的使用需求，一般采用全頻點(diǎn)監(jiān)測接收機(jī)，它具有造價高、體積大的缺點(diǎn)。

1.4 北斗RDSS短報文通信終端測試

短報文通信終端主要測試四部分[9]，第一部分為一般要求，主要包含尺寸、形態(tài)、外觀、接口等；第二部分為通信功能，包括位置報告、短報文通信、指揮管理等功能；第三部分為通信性能，包含發(fā)射功率、頻率、雙向零值（時延）等；第四部分為環(huán)境適應(yīng)性要求，如溫度、振動、外殼防護(hù)等。其中，對于一般要求、通信功能和環(huán)境適應(yīng)性要求，均具備明確、簡潔、實(shí)用的計量方式；而對于通信性能而言，仍有分段計量間接溯源或是傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)接收機(jī)計量造價高體積大的問題。本文通過研制一種北斗RDSS短報文通信終端測試系統(tǒng)計量裝置，并針對通信性能中發(fā)射功率、頻率指標(biāo)，對計量裝置性能進(jìn)行測試，以證明其具備標(biāo)準(zhǔn)計量裝置能力。

2 北斗RDSS短報文通信終端測試系統(tǒng)計量裝置設(shè)計

通過研制設(shè)計一種計量裝置，實(shí)現(xiàn)對北斗RDSS短報文通信終端測試系統(tǒng)的計量，其裝置組成原理如圖2所示。

圖2 北斗RDSS短報文通信終端測試系統(tǒng)計量裝置組成原理

2.1 北斗RDSS短報文通信終端測試系統(tǒng)計量裝置的組成

北斗RDSS短報文通信終端測試系統(tǒng)計量裝置由核心主板、射頻模塊、電源模塊和硬盤組成。其中，核心主板主要用于中頻信號生成，詳細(xì)構(gòu)造由ARM、FPGA、ADC、DAC、10MHz時鐘、電源和外圍電路構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 北斗RDSS短報文通信終端測試系統(tǒng)計量裝置核心主板結(jié)構(gòu)圖

2.2 北斗RDSS短報文通信終端測試系統(tǒng)模塊設(shè)計

（1）FPGA采 用XILINX的XC7A200T-1FBG484I，主要配置方式為SLAVE SELECT MAP-16bit方式，由ARM通過EIM（EMIF）總線對FPGA進(jìn)行配置，備用有Master SPI Configuration模式。

（2）ARM及外圍電路包括網(wǎng)絡(luò)收發(fā)、時鐘、MINI PCI-E、串口、顯示屏等，EIM總線連接接著FPGA，位數(shù)為16bit。SDRAM總線掛載4GB eMMC存儲器，用于存儲數(shù)據(jù)也可以用于BOOT；GPIO控制外部模塊；DDR3大小為1GB 64bit，用于程序運(yùn)行。

（3）ADC采用AD9230，最高采樣率250 MHz，ADC有12位數(shù)據(jù)，功耗僅為0.434 W，輸入信號帶寬達(dá)700 M。DAC采用DAC5681，最高采樣率達(dá)1 GHz，數(shù)據(jù)為16 bit。10 MHz參考時鐘生成采用OF173031-10.00MHz-E晶振，穩(wěn)定度為±0.5 ppm。

（4）射頻模塊主要用于將核心主板輸出的入站中頻信號上變頻至射頻輸出，同時支持將接收射頻信號下變頻中頻，輸出給核心主板。其由變頻子模塊、濾波子模塊和工控子模塊組成，組成框圖如圖4所示。

圖4 北斗RDSS短報文通信終端測試系統(tǒng)計量裝置射頻模塊組成框圖

（5）變頻子模塊包含1個上變頻通道和1個下變頻通道。其中，下變頻通道和上變頻通道共用本振，兩個本振的頻率可由串口指令設(shè)置。外部通過串口控制本振信號生成，同時接收本振信號狀態(tài)上報。輸入變頻的中頻信號經(jīng)上變頻混頻器混頻后輸出射頻信號。同理，自檢射頻信號經(jīng)下變頻混頻器混頻輸出中頻信號。

（6）功控子模塊實(shí)現(xiàn)+10 dB～-50 dB的功率控制。本模塊選用壓控衰減，采用基于移動最小二乘法曲線擬合改善壓控衰減器精度，控制精度可達(dá)0.1 dB。其中包含溫度傳感器實(shí)時監(jiān)測模塊工作溫度，通過建立信號輸入功率與輸出功率與溫度的映射關(guān)系，根據(jù)期望衰減值得到精確的衰減控制值，進(jìn)而提高射頻功率控制模塊的實(shí)際衰減穩(wěn)定度。

（7）濾波器子模塊主要包括上變頻的濾波器。濾波器的帶寬由頻率規(guī)劃決定，濾波器采用介質(zhì)濾波器。

3 北斗RDSS短報文通信終端測試系統(tǒng)計量裝置實(shí)測數(shù)據(jù)

如圖5所示，連接計量裝置、信號源、銣鐘進(jìn)行測試。信號源輸出的功率準(zhǔn)確度、頻率準(zhǔn)確度、調(diào)制信號偽距控制精度等指標(biāo)均經(jīng)過計量。

圖5 RDSS計量裝置測試框圖

（1）功率準(zhǔn)確度測試。依次輸入Lf0、Lf1、Lf2、Lf3、Lf4、Lf5信號，其測試結(jié)果如表1所示。

如表1所示，計量裝置在Lf0、Lf1、Lf2、Lf3、Lf4、Lf5頻點(diǎn)，輸入功率-40 dBm～10 dBm范圍內(nèi)的準(zhǔn)確度指標(biāo)優(yōu)于0.5 dB，滿足設(shè)計要求。

表1 入站功率準(zhǔn)確度數(shù)據(jù)記錄表

（2）多普勒頻移準(zhǔn)確度。接收信號源產(chǎn)生的固定多普勒頻偏的信號，模擬高動態(tài)接收環(huán)境。如表2所示，計量裝置在Lf0、Lf1、Lf2、Lf3、Lf4、Lf5頻點(diǎn)，多普勒頻偏6 000 Hz～-6 000 Hz范圍內(nèi)的準(zhǔn)確度指標(biāo)優(yōu)于0.8 Hz，滿足設(shè)計要求。

表2 多普勒頻偏準(zhǔn)確度數(shù)據(jù)記錄表

（3）偽距跳變。接收信號源產(chǎn)生的固定偽距的調(diào)制信號，設(shè)置偽距跳變測試偽距精度。如表3所示，計量裝置在Lf0、Lf1、Lf2、Lf3、Lf4、Lf5頻點(diǎn)，偽距精度指標(biāo)優(yōu)于0.2 m，滿足設(shè)計要求。

表3 偽距跳變數(shù)據(jù)記錄表

（4）入站捕獲成功率。如表4所示，經(jīng)多次測試，計量裝置入站捕獲成功率指標(biāo)優(yōu)于99.95%，滿足設(shè)計要求。

表4 入站捕獲成功率數(shù)據(jù)記錄表

（5）測量功率穩(wěn)定度。持續(xù)輸入Lf0、Lf1、Lf2、Lf3、Lf4、Lf5信號，每次測試完后調(diào)制功率步進(jìn)5 dB，其測試結(jié)果如表5所示。

表5 測量功率穩(wěn)定度數(shù)據(jù)記錄表

測試數(shù)據(jù)曲線如圖6、圖7、圖8所示，計量裝置-32 dBm～-42 dBm輸入功率范圍內(nèi)，功率波動的標(biāo)準(zhǔn)差小于0.5，滿足設(shè)計要求。

圖6 輸入功率-32 dBm時入站功率測量結(jié)果

圖7 輸入功率-37 dBm時入站功率測量結(jié)果

圖8 輸入功率-42 dBm時入站功率測量結(jié)果

4 結(jié)論

通過研究一種北斗RDSS短報文通信終端測試系統(tǒng)計量裝置，能夠在功率準(zhǔn)確度、多普勒頻偏、偽距跳變、入站捕獲成功率、測量功率穩(wěn)定度等指標(biāo)上滿足計量需求，實(shí)現(xiàn)了對北斗RDSS短報文通信終端測試系統(tǒng)的計量。在未來研究中，應(yīng)進(jìn)一步深化對北斗RDSS短報文通信終端測試系統(tǒng)的發(fā)展趨勢分析，針對高精度、高靈敏度、高可靠性的現(xiàn)實(shí)需求，創(chuàng)新研制新型計量裝置，為北斗RDSS短報文通信終端的發(fā)展奠定良好基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)精確計量，支持北斗系統(tǒng)的持續(xù)完善。