基于北斗一代衛星導航系統的用戶機實現

原艷寧，崔劍鋒

陜西凌云科技有限責任公司，陜西 西安 710119

0 引言

北斗衛星導航系統是我國自主研制的區域性衛星導航通信系統，該系統的建

立對我國國防和經濟建設將起到積極作用，使我國能在全球導航衛星系統

（GNSS）中占有一席之地。由于“北斗一號”衛星導航系統具有定位和短信功能，所以尤其適合于特殊，如邊遠與人口稀少地區、高山密林、內陸水路等特定地區和特殊行業應用。北斗系統的授時功能還能為通信、電力、鐵路等網絡進行精確授時、校時間同步[1]。由于北斗系統自身的特點和國家的大力支持，可以預見，北斗系統的應用將進入一個快速增長期和爆發期[2]。

1 系統主要功能

1）衛星通訊功能。支持基于北斗一代的民卡應用，可實現雙向短報文通訊；

2）衛星定位功能。支持在北斗服務區內全天候定位，具有緊急定位功能；

3）多種協議支持。支持多種協議，并可通過外部指令進行切換；

4）自動零值校準。通過串口設置天線所在點位的54坐標，用戶機可自動校準設備零值；

5）北斗時校正功能。外圍設備可向北斗終端發送校時指令獲取當前北斗標準時間。

2 系統組成

2.1 基本組成

北斗系統主要利用兩顆地球同步衛星和一顆在軌備份衛星采用有源定位的方式來測量地球表面和空中的各種用戶的位置，并同時兼有雙向報文通訊和授時的功能。本文實現的用戶機由收發機、天線及高頻電纜組成。組成結構如圖1所示。

圖1 組成結構框圖

2.2 工作流程

接收天線振子接收的模擬衛星信號經由低噪聲放大器進行放大和濾波，獲得較高的增益和較低的噪聲系數。前端多工器將接收信號、發射信號以及電源控制信號隔離，送給相應模塊處理。經介質雙工器的電源控制信號通過電壓控制部分控制功放模塊的打開與關閉，且通過DC/DC轉換芯片提供低噪聲放大器的工作所需的電壓。發射信號經雙工器后進行濾波和放大以彌補在電纜傳輸過程的信號衰減，然后經功放后送給發射天線振子。

收發機主要完成兩部分功能：接收和發射。后端多工器將接收信號、發射信號以及電源信號隔離。收發組件中的接收單元將射頻信號經過濾波處理、放大及下變頻和AGC控制后輸出至AD轉換電路部分，由經由AD轉換器后的數字中頻信號，再由基帶信號處理單元對多路數字中頻信號進行相關運算和解析，輸出通信、定位信息給接口單元，最后由接口單元完成電平轉換及對外輸出。發射單元產生北斗發射的上行載波信號，并對其進行放大、濾波及BPSK調制來自外部輸入的信息。

2.3 用戶機結構尺寸及重量

收發機的尺寸 為184mm×155mm×56.5mm，采用4個M4的螺釘直接與載體緊固，重量大約1.4kg。天線的尺寸為φ140mm×h120mm，采用4個M6的螺釘與載體緊固，重量大約1.1kg。

3 遇到的問題及解決措施

3.1 多種信號相互干擾的問題

用戶機中上行高頻信號、下行高頻信號、電源信號和控制信號均通過一根高頻電纜傳輸，信號交叉和串擾比較嚴重，在設計中將用戶機箱體結構設計分為上、下兩個腔體，既能有效地減少電磁干擾帶來的影響，又能更有效地提高產品的維護性。收發機和天線內部高頻部件均采用獨立結構，使其具有二次電磁屏蔽功能。有效保證了高頻和低頻部分、數字和模擬部分的相互獨立。

除此之外，在電路設計中充分考慮多種信號相互串擾的問題，在有可能出現信號交叉的地方均進行特殊的設計。

3.2 芯片溫度過高的問題

在+55℃環境下，電源芯片LTC3780表面溫度過高，導致工作不穩定。在設計時，盡量減少其工作時間，同時考慮到此芯片靜態功率較小，靠自身散熱基本能保證正常工作，而針對瞬間工作時產生的熱量，通過給芯片粘貼散熱片的方法來解決。

設備中FPGA芯片工作時發熱量也比較大，為了保證工作的可靠性，通過修改腔體結構，用散熱片將FPGA與機體相連，達到較快較好的散熱效果，并且增加導熱橡膠墊，避免硬接觸對元件版的損傷。

4 結論

本文給出了基于北斗一代衛星導航系統研發的一種用戶機的基本組成及工作流程概況。此型號產品現已批量生產，為水文監測、船舶運輸和國土資源調查等方面的綜合應用提供了有價值的數據。在此基礎上研發的同類產品，也已小批量投入使用。目前，用戶對產品性能指標等反應較好。

[1]唐金元，王翠珍，尚新強.“北斗一號”系統與GPS系統的應用比較[J].船用導航雷達，2007，1(1)：1-7.

[2]Jinchen Wei，Dingjie Xu，Jun Deng and Ping Huang.Synchronization for“Beidou” Satellite TerrestrialImprovement Radio Navigation System.Proceedings of the2004 International Conference on Intellgent Mechatrcnicsand Automation.Chengdu，China.August 2004:672-676.