北斗二號雙模型用戶機的設計實現

張禮偉 劉召磊 辛月寬 翟雄志

(1.海軍駐天津七〇七所軍事代表室 天津 300000)(2.中船航海科技有限責任公司 北京 100071)

北斗二號雙模型用戶機的設計實現

張禮偉1劉召磊2辛月寬2翟雄志2

(1.海軍駐天津七〇七所軍事代表室 天津 300000)(2.中船航海科技有限責任公司 北京 100071)

論文以北斗雙模型用戶機研制為背景,介紹了北斗雙模型用戶機的工作原理和組成,并詳細介紹了總體設計方案,包括硬件方案、軟件方案。然后從靈敏度、捕獲策略、導航電文處理策略、低功耗設計等四個方面解釋了關鍵技術,最后給出實驗結論及測試結果。

北斗用戶機; 北斗雙模型用戶機; 捕獲策略

Class Number TN927

1 引言

北斗衛星導航系統自1994年啟動建設,2006年建成北斗衛星導航試驗系統,于2012年正式形成區域服務能力,并已產生了巨大的經濟、政治和社會效益。北斗衛星導航系統分為RNSS模式和RDSS模式：RNSS模式提供無源模式的定位、測速、導航和授時服務；RDSS模式除提供有源模式的定位和授時服務之外,還具備短報文通信、位置報告、監收、通播和指揮功能,這是北斗衛星導航系統區別于其他衛星導航系統的重要特點,不但能夠解決用戶“我在哪”的問題,還能解決“讓別人知道我在哪、我在干什么”的問題[1～2]。

北斗雙模型用戶機基于北斗衛星導航系統RNSS和RDSS兩種工作模式,具備連續實時導航、定位、測速、定時、短報文通信、位置報告等主要功能；主要分為車載雙模型和手持雙模型,其中手持雙模型用戶機采用一體化設計,對體積、功耗、續航時間等要求較高,技術復雜度和開發難度都比較大,技術上有很強的代表性。本文以手持雙模型用戶機為例詳細介紹北斗用戶機的總體方案設計與關鍵技術。

2 北斗雙模型用戶機工作原理

2.1 北斗雙模型用戶機組成

北斗用戶機主機主要由天線、射頻、抗干擾AD、基帶、信息處理和顯控等六部分組成。其功能組成與信號流程圖如圖1所示。

2.2 RNSS工作原理

天線接收RNSS B3頻點衛星信號經過射頻模塊的濾波、低噪聲放大和下變頻處理,轉換為模擬中頻信號；再經過ADC芯片采樣及抗干擾處理后,輸出數字中頻信號給RNSS基帶處理芯片；RNSS基帶芯片完成信號的捕獲、跟蹤,并可輸出觀測量數據以及導航電文信息,用戶機通過DSP信息處理軟件控制基帶芯片完成上述功能,利用上述數據進行導航定位解算,并將解算結果按標準協議輸出給顯控單元,用于RNSS業務功能的顯示[3～4]。

2.3 RDSS工作原理

RDSS業務功能包含S頻點的接收功能和L頻點的發射功能。

1) 接收功能

天線接收到S頻點的衛星信號并放大后,射頻模塊再對接收信號經過濾波、低噪聲放大和下變頻處理,輸出模擬中頻信號；經過ADC芯片采樣及抗干擾處理后,輸出2bit數字中頻信號給RDSS基帶處理芯片；RDSS基帶芯片的完成信號的捕獲、跟蹤、解調,并可輸出RDSS導航數據；用戶機可通過DSP軟件將導航數據按照標準協議格式輸出給外設或顯控單元,用于RDSS業務功能的顯示。

2) 發射功能

當用戶通過顯控單元或串口指令進行RDSS業務功能的定位或短報文等操作時,DSP軟件將數據發送給RDSS基帶芯片；RDSS基帶芯片根據《RDSS出入站信號格式》進行格式轉換,再進行調制處理,生成BPSK數字基帶信號,發送給射頻模塊；射頻模塊將BPSK數據經過調制、濾波和放大后通過天線發射給衛星。

3 北斗雙模型用戶機設計方案

3.1 硬件方案

北斗用戶機從功能上可劃分為天線模塊、射頻模塊、抗干擾AD模塊、基帶模塊、信息處理模塊、顯控模塊六個單元模塊,硬件框圖如圖2所示。

3.1.1 天線模塊

天線單元主要包含三頻無源天線,能夠完成RNSS B3頻點、RDSS S頻點信號的接收和RDSS L頻點信號發射。對于手持雙模型用戶機而言,為了減小體積,天線應采用一體化設計的微帶陶瓷天線,三個頻點按照頻點特性堆疊在一起,如圖3所示。

3.1.2 射頻模塊

射頻模塊采用B3、L、S雙模一體模式,在單一模塊內完成RNSS和RDSS的功能。主要功能如下所述：

1) 實現接收B3、S頻點信號的濾波、低噪聲放大及下變頻處理,接收通道實現自動增益控制(AGC)；

2) 實現L頻點信號的BPSK調制、濾波、放大,發射通道信號功率≥5W,可通過SPI接口微調；發射頻率可調,可調范圍大于20KHz；

3) 模塊內置高穩態晶振,綜合產生所需頻點,可輸出50MHz時鐘和62MHz時鐘。

3.1.3 抗干擾AD

考慮到用戶機窄帶抗干擾的要求,可采用與AD9288引腳兼容的抗干擾AD芯片,同時提供B3、S頻點兩路信號的窄帶抗干擾和模數轉換,其中RNSS抗窄帶干信比不小于60dB,RDSS不小于50 dB。

3.1.4 基帶模塊

基帶模塊的核心器件為RNSS基帶芯片和RDSS基帶芯片。

1) RNSS基帶芯片

方案中選用的RNSS基帶芯片為統型的專用基帶芯片。在硬件設計中,基帶芯片連接抗干擾AD輸入4bit數字中頻采樣信號；通過并行總線連接DSP,完成與信息處理模塊的信息交換；為了實現加密信息的P碼直捕功能,需要外接精密測距產生器芯片、保密芯片、RTC時鐘芯片；基帶芯片62M中頻時鐘也由射頻模塊提供。

2) RDSS基帶芯片

方案選用的RDSS基帶芯片集成了ARM7TDMI處理器,完成RDSS基帶信號處理和發射基帶信號的生成等功能。硬件設計中,基帶芯片連接抗干擾AD芯片輸入2bit數字中頻信號；通過異步串口連接信息處理模塊完成信息交互；外接一片保密芯片或用戶卡完成RDSS業務功能。

3.1.5 信息處理模塊

1) 信息處理器選型

為了滿足多任務處理、實時性好、運行效率高、功耗低等需求,本設計采用TI的TMS320VC6747 DSP實現信息處理功能；TMS320C6747內的多個模塊可以通過配置打開或關閉,便于功耗控制；TMS320C6747的待機功耗為62mW,完全運行模式中為470mW[5～6],符合低功耗的要求。

2) 原理框圖

硬件設計中DSP通過并行總線連接RNSS基帶芯片對其進行控制、參數配置,通過串口連接RDSS基帶芯片和顯控模塊；配置一塊16MB的SDRAM,保證PVT解算所需的內存空間；通過連接SPI接口Flash存儲器,完成程序啟動加載和參數存儲。

信息處理模塊原理框圖如圖4所示。

3.1.6 顯控模塊

顯控模塊用于提供一個友好的人機交互界面,在核心CPU的選型上,兼顧功耗、性能、技術成熟度及成本等方面因素,設計中采用一款ARM芯片即三星S3C6410作為主處理器；為保證操作系統足夠、高效的運行空間,外部擴展兩片256MB DDRAM,另外配置一片NAND FLASH 用于系統啟動加載及地圖等信息的存儲；其他外圍部件還包括音頻模塊、OLED液晶觸摸屏、鍵盤及調試接口等。

顯控模塊原理框圖如圖5所示。

3.2 軟件方案

北斗雙模型用戶機軟件主要包括信息處理軟件和顯控軟件,分別為信息處理模塊和顯控模塊的核心軟件。

3.2.1 信息處理軟件

信息處理軟件采用TI Code Composer Studio v3.3集成開發環境；基于TI的eXpressDSP(TM)技術構成基本的片內操作系統BIOS運行[7]。

信息處理軟件框架主要分三部分：BSP板級支持包、主處理流程、用戶接口協議處理模塊。信息處理軟件整體框架如圖6所示。

1) BSP板級支持包

在程序中將與硬件平臺相關代碼集中于一個板級支持包BSP(Board Support Package)中,BSP負責和DSP硬件平臺進行交互,如內存處理、中斷處理等；在以后平臺變更后,可以只對BSP包進行移植,便于系統的維護與升級。

2) 主處理流程

在BSP之上,是主處理流程,在配套模塊的協作下完成RNSS處理流程和RDSS處理流程：

(1) RNSS處理流程：當RNSS基帶芯片產生中斷時,進入中斷服務程序,通過信號量、消息或郵箱等同步機制激發相應的處理任務；主要的處理任務有捕獲任務、導航電文處理任務、觀測量任務,其中觀測量任務在判斷觀測量、導航電文的有效性后,啟動PVT解算任務,進行PVT解算；

(2) RDSS處理流程：當用戶接口協議處理模塊產生RDSS命令或收到RDSS基帶芯片串口信息時,啟動RDSS處理任務,進行RDSS定位、通信和授時等操作；

(3) 配套模塊：設備配置模塊和文件系統分別完成DSP初始化和參數配置功能以及文件存儲功能；串口控制模塊、RNSS基帶芯片接口模塊、PRM接口模塊、保密芯片接口模塊以及RTC芯片接口模塊,用于和這些外設進行交換,實現數據收發功能,配合其他主流程的工作。

3) 用戶接口協議處理模塊

在信息處理的上層,是用戶接口協議處理模塊,完成來自UI或者外部串口的數據收發和協議轉換功能,實現命令處理、參數配置和數據輸出功能。

3.2.2 顯控軟件

1) 軟件開發與運行環境

(1)開發環境：Platform Builder

Platform Builder是微軟公司發布的用于定制WinCE操作系統的集成開發環境,利用Platform Builder完成系統定制任務[8～9]。

(2)運行環境：WinCE 6.0操作系統。

2) 顯控軟件框架

顯控模塊軟件框架結構由驅動層、系統層、應用層三部分組成,其主要軟件研制工作為驅動程序的開發、操作系統內核的定制、輸入法等配套軟件的調試。顯控軟件整體框圖如圖7所示。

4 關鍵技術

在用戶機的研發過程中,基于用戶機的關鍵技術指標要求及技術開發的難易程度,北斗用戶機關鍵技術主要涉及以下四個方面：1) 接收靈敏度;2) 捕獲策略;3) 導航電文處理策略;4) 低功耗設計。

4.1 接收靈敏度

影響整機接收靈敏度的主要因素有天線性能、射頻性能、基帶性能、電磁兼容性和整機結構計等多方面。在射頻、基帶等核心模塊已確定、指標已固化的情況下,接收靈敏度主要取決于天線性能。

接收機整機(含天線)靈敏度計算公式為

S=-174+NF+C/N0-G

(1)

其中：S是整機靈敏度,-174dBm是整機空口熱噪聲,NF為整機的噪聲系數,C/N0為基帶解調門限,G為天線增益；從計算公式可以看出,影響整機靈敏度的因素只有NF、C/N和G。

此外,考慮到天線不圓度的影響,整機靈敏度指標要求保留1～1.5dB的余量,以包含AD、射頻連接器以及其他損耗。

基于上述要求,結合整機靈敏度技術指標,可以得到靈敏度對天線增益的要求,即

1) B3頻點增益

≥0dBic(仰角50°)

≥ -3 dBic(仰角20°)

2) S頻點增益

≥1dBic(仰角50°)

≥-2Bic(仰角20°)

當天線增益符合上述要求時,整機靈敏度應符合技術指標要求。同時整機在PCB布板時,應綜合采用器件合理布局、良好接地、電源濾波、電磁屏蔽等措施,最大程度降低傳導干擾和輻射干擾,方可使靈敏度達到設計要求。

4.2 捕獲策略

首次定位時間和失鎖重捕時間是決定用戶機RNSS性能的兩項重要指標。衛星列表決定了衛星的捕獲順序,通過優化衛星列表排列策略,精確計算P碼時間不確定度,可縮短捕獲時間,進而縮短首次定位時間和失鎖重捕時間。

4.2.1 衛星列表“3+1+N”策略

衛星仰角越高,信號強度越強,越容易捕獲；衛星幾何分布(DOP值)好,定位可信度就高[10]。因此衛星列表的排列應兼顧衛星仰角和衛星幾何分布,衛星排列順序可依次設置為3顆GEO衛星、1顆MEO/IGSO衛星、N顆剩余衛星,以達到快速、可靠定位的目的。

4.2.2 時間不確定度的精確計算

P碼時間不確定度是P碼捕獲的一個重要參數,直接影響P碼的捕獲速度。在P碼時間不確定度足夠準確的條件下,時間不確定范圍越小,捕獲的速度越快。P碼時間不確定度的計算公式如下：

P=Δ+τ

(2)

其中：P為P碼時間不確定度；Δ為鐘差不確定范圍；τ為信號傳播時延。

在不同的場景下,可以通過先驗信息精確估計,從而獲得P碼時間不確定度的精確范圍,優化捕獲時間如表1所示。

表1 不同場景下時間不確定度的設置

采用上述捕獲策略后,首次定位時間和失鎖重捕時間得到明顯優化,如表2所示。

表2 重捕與首次定位時間優化對照表

4.3 導航電文處理策略

導航電文的處理策略分為三部分：導航電文的解析、導航電文的存儲和導航電文的提取。

4.3.1 導航電文解析

導航電文的解析分兩步進行處理,即導航電文預處理、電文解析,如圖8所示,其中導航電文預處理完成后,通過隊列和事件觸發的方式通知導航電文解析模塊；電文解析模塊負責分別對I支路和Q支路導航電文進行解析,并負責檢查當前原始電文數據庫的收集狀態,如果有收齊的,則按照電文存儲策略進行存儲或更新。

4.3.2 導航電文存儲

在實際過程中,為了保障導航電文使用的便利性和正確性,采取了將導航電文分三類存儲的策略,即實時原始導航電文的存儲、用于PVT解算的導航電文存儲和用于上電后快速定位的原始導航電文Flash存儲。如圖9所示。

4.3.3 導航電文提取

導航電文的提取分為兩部分：一是開機啟動時,根據用戶機工作模式,先從Flash中提取存儲的星歷參數和歷書參數,如果有效則更新PVT數據庫,用于快速定位解算；二是正常定位解算過程中,定義了一個統一的導航數據接口,按導航電文類型提取電文參數,參與定位解算,保證了電文數據的準確性。

4.4 低功耗設計

手持雙模型用戶機有明確的功耗要求,同時應盡量降低運行功耗,延長電池的使用時間,以滿足8小時續航時間的指標要求。主要采取了以下低功耗設計：

1) 選用低功耗、高集成度的器件；

2) 選用高效的電源方案,合理分配功耗；

3) 分時分區的電源管理策略；

4) 動態功耗調節。

采用上述低功耗設計后,手持雙模機的運行功耗從4.2W降低到3.1W,長時間待機功耗降低到2.6W,不僅滿足功耗指標要求,也使整機滿足低溫續航8小時的要求。

5 實驗與結論

為了驗證北斗用戶機在實星狀態下的使用性能,重點從接收靈敏度、RNSS定位精度、RNSS首次定位時間、RDSS定位/通信成功率等方面進行了試驗,試驗方法及結果如下。

5.1 接收靈敏度

在實星測試時,接收靈敏度的測試按照用戶機實際輸出的載噪比作為參考依據。 在開闊無遮蔽的環境下,用戶機仰角90°度放置,記錄連續12小時的GEO衛星載噪比數據,計算平均值。統計平均載噪比數值為42.4dB。載噪比達到實星狀態下用戶機靈敏度的使用要求。

5.2 定位精度

1) 靜態試驗

靜態試驗以某點為基準點,統計北斗用戶機水平、高程方向的測量值與基準點差值的絕對值,12個小時的定位精度曲線圖如圖10所示,定位精度統計表如表3所示。

方向均值標準差RMS95%置信度水平1.4651.4012.0274.290高程2.9040.5542.9563.665三維3.4381.0123.5845.589

2) 動態試驗

表4 跑車試驗北斗用戶機定位精度統計表

動態跑車試驗以測量型接收機RTK測量定位數據為基準,統計北斗用戶機高程、水平方向上實際測量值與基準點的絕對差值,定位精度曲線圖如下圖11所示,定位精度統計表如表4所示。

由上述結論看出項目組研制的北斗雙模型用戶機在靜態、動態使用條件下定位精度均能夠滿足≤10m要求。

5.3 RNSS首次定位時間

對熱啟、溫啟、冷啟和失鎖重捕在實星條件下測試20次,統計均值、最大值、最小值結果,如表5所示。

表5 首次定位時間與重捕統計表

5.4 RDSS定位成功率/通信成功率

通過靜態拷機和動態跑車試驗分別對北斗用戶機的RDSS定位和通信成功率進行了測試,結果如表6所示。

表6 定位通信成功率統計表

6 結語

由以上試驗結果看出項目組研制的北斗雙模型用戶機在接收靈敏度、RNSS定位精度、RNSS首次定位時間、RDSS定位/通信成功率等方面均達到比較理想的水平。

[1] 譚述森.衛星導航定位工程(第2版)[M].北京：國防工業出版社, 2010:15-16.

[2] 北斗網[EB/OL].http://www.beidou.gov.cn/201120665aa4ca6661147028cacd.html.

[3] 謝鋼,GPS原理與接收機設計[M].北京：電子工業出版社,2009:13-14.

[4] Elliott D.Kaplan,Christopher J.Hegarty.寇艷紅.GPS原理與應用(第二版)[M].北京：電子工業出版社. 2007:21-22.

[5] 張雄偉,DSP集成開發與應用實例[M].北京：電子工業出版社,2002:78-79.

[6] 三恒星科技.TMS320C6747 DSP原理與應用實例[M].北京:北京電子工業出版社,2009:67-68.

[7] Texas Instruments Inc.Code Composer Studio User′s Guide[M]. 2000:34-35.

[8] ARM官方站點[EB/OL].http：//www.arm.com/.

[9] 張冬泉,譚南林,王雪梅等,Windows CE實用開發技術[M].北京：電子工業出版社,2006:9-16.

[10] 周文宏,影響GPS定位精度的因素及改進方法[J]. 安徽科技,2009(9):49-51

Design and Implementation of BeiDou Double Model Receiver

ZHANG Liwei1LIU Zhaolei2XIN Yuekuan2ZHAI Xiongzhi2

(1. Navy Representative office in 707 in Tianjin, Tianjin 300000)(2. CSSC Marine Technology Co., Ltd, Beijing 100071)

Based on BeiDou double model receiver development as the background,this paper firstly introduces the operating principle and composition of BeiDou double model receiver, and then describes the overall scheme design mainly from the hardware design and the software design. Then the key technologies are described in this paper involve four designs, that are sensitivity, harvesting policy, navigation text processing policy and low power consumption. And finally the experiment conclusions and test results are given in the paper.

BeiDou receiver, BeiDou double model receiver, harvesting policy

2016年8月12日,

2016年9月28日

張禮偉,男,工程師,研究方向：衛星導航、質量管理。劉召磊,男,工程師,研究方向：衛星導航。辛月寬,男,工程師,研究方向：衛星導航。翟雄志,男,工程師,研究方向：衛星導航。

TN927

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.02.013