高動態(tài)RDSS 短報文通信入站信號的頻率補償研究

王 剛，周 云，伍蔡倫，李勝軍

（1.中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，石家莊 050081；2.衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)與裝備技術(shù)國家重點實驗室，石家莊 050081；3.陸裝駐石家莊地區(qū)第一軍代室，石家莊 050081）

0 引言

北斗導(dǎo)航系統(tǒng)經(jīng)歷了三個發(fā)展階段，即，北斗一代試驗導(dǎo)航系統(tǒng)、北斗二代區(qū)域?qū)Ш较到y(tǒng)、北斗三號全球?qū)Ш较到y(tǒng)。北斗一代試驗導(dǎo)航系統(tǒng)的工作體制為RDSS有源服務(wù)體制，提供定位、授時、短報文通信等功能。北斗二代區(qū)域?qū)Ш皆诒Ａ鬜DSS 的基礎(chǔ)上，新增了RNSS 服務(wù)，二代系統(tǒng)星座由三類衛(wèi)星組成，地球靜止軌道衛(wèi)星（GEO）、傾斜地球同步軌道衛(wèi)星（IGSO）和中圓軌道衛(wèi)星（MEO）[1]，其中GEO 衛(wèi)星為1–5號衛(wèi)星，提供RDSS 與RNSS 服務(wù)，其他兩類衛(wèi)星只提供RNSS服務(wù)。北斗三號為新一代全球?qū)Ш较到y(tǒng)，在繼續(xù)保留了二代RDSS 的入站信號Lf0的基礎(chǔ)上，新增了三個頻點的上行入站信號Lf1，Lf2，Lf3，其中Lf0主要用于過渡二代導(dǎo)航設(shè)備，Lf1，Lf2為民用信號，Lf3為軍用信號，衛(wèi)星星座組成與二代導(dǎo)航系統(tǒng)一致。

RDSS 基本業(yè)務(wù)包括定位、位置報告、授時及短報文通信等，其中，短報文通信服務(wù)一般用于靜態(tài)應(yīng)用場景中，在高動態(tài)場景的應(yīng)用研究還較少。本文在北斗二代導(dǎo)航系統(tǒng)的基礎(chǔ)上研究了高動態(tài)下RDSS 短報文通信信號的入站問題，利用RNSS 的定位、測速功能，對RDSS 的入站信號頻率進(jìn)行了補償，并在工程化中實現(xiàn)，目前已成功用于某型號火箭的位置報告服務(wù)中，對火箭殘骸回收提供有力的技術(shù)支撐。

1 高動態(tài)下RDSS 入站信號頻率分析

RDSS 短報文通信系統(tǒng)包括發(fā)送終端、GEO 衛(wèi)星、地面中心站、接收機終端四部分。發(fā)送終端將短報文信息通過L 波段信道發(fā)送給GEO 衛(wèi)星，通過星上的L/C透明轉(zhuǎn)發(fā)器轉(zhuǎn)為C 波段信號送至地面中心站，之后地面中心站對收到的信號、信息進(jìn)行核驗，如果滿足條件則再經(jīng)過C 波段上行信道發(fā)送至GEO 衛(wèi)星，GEO 衛(wèi)星再通過C/S 透明轉(zhuǎn)發(fā)器發(fā)送給目標(biāo)接收終端，即完成短報文信息的傳輸，原理框圖如圖1所示。

圖1 RDSS通信示意圖

發(fā)送終端中短報文與偽隨機碼先進(jìn)行擴頻調(diào)制，之后再與載波信號進(jìn)行BPSK 調(diào)制，因此，影響北斗RDSS 信號入站的因素主要有：信號發(fā)射功率、載波偽碼相位一致度、載體運動速度，其中，信號功率與載波偽碼相位一致度由設(shè)計保證。

在高動態(tài)下，主要考慮速度的影響，速度與多普勒的關(guān)系如下所示：

式中，c 為光速；fd為多普勒頻率；f 為載波頻率。二代RDSS 信號的L 波段上行頻率為1，615.68 MHz，地面中心站的入站動態(tài)范圍為±6 kHz，按上式計算出速度約為1，114.08 m/s，由此可以看出，當(dāng)目標(biāo)運動速度相對于衛(wèi)星的徑向速度高于1，114.08 m/s 時，會導(dǎo)致地面中心站接收不到下發(fā)的信息，因此，為了保證RDSS 短報文通信的成功，需要對載體多普勒頻率進(jìn)行補償。

2 高動態(tài)下RDSS 入站信號多普勒頻率補償

2.1 多普勒頻率的獲取

RDSS 入站頻率的補償來源為RNSS 對高動態(tài)載體的多普勒測量結(jié)果，根據(jù)RNSS 的收星狀態(tài)分為兩種情況：

（1）RNSS 接收通道中不存在GEO 衛(wèi)星，則通過載體位置、速度信息計算多普勒頻率，間接補償至上行入站信號。載體位置的確定采用四站定位的原理，先對至少4顆北斗衛(wèi)星利用偽碼相關(guān)進(jìn)行偽距測量，得到偽距值ρ，設(shè)載體的三維位置（xu，yu，zu）和鐘差tu，則偽距與用戶位置及用戶鐘差信息的關(guān)系[2]為

衛(wèi)星位置（xs，ys，zs）可以從導(dǎo)航電文星歷參數(shù)解析獲取，c 為光速，然后利用最小二乘算法即可以求出用戶的位置及鐘差。

在獲得用戶位置信息之后，RNSS 載體速度的測量主要利用多普勒觀測量的方法實現(xiàn)，為表述方便，RNSS接收多普勒頻率為frd，RDSS 發(fā)射多普勒頻率為fsd。

接收多普勒frd可以通過讀取RNSS 接收通道中載波NCO 的鎖存值，將其轉(zhuǎn)換成頻率后與標(biāo)稱中頻值fc相比較獲得，公式為

式中，Ncycle為載波整周計數(shù)；Nnco為載波相位計數(shù)；M 為載波相位累加器位數(shù)。

換算成相對于GEO 衛(wèi)星的發(fā)射多普勒頻率

式中，fl為二代RDSS 上行頻率；c 為光速，即可求出需補償?shù)亩嗥绽疹l率。

（2）RNSS 接收通道中跟蹤到了具有RDSS 服務(wù)的GEO 衛(wèi)星，此時fsd與frd相同，則從通道中的載波跟蹤環(huán)提取對應(yīng)GEO 衛(wèi)星的載波相位信息，按公式（3）計算出的頻率即為需要補償?shù)亩嗥绽疹l率。

2.2 多普勒頻率的補償

RDSS 信號體制為BPSK 調(diào)制，生成上行RDSS 頻率的方式一般采用二次變頻[4]的方式實現(xiàn)，如圖2所示：

圖2 RDSS動態(tài)補償方案原理框圖

圖2 中，偽碼NCO 生成碼發(fā)生器的時鐘速率，控制碼發(fā)生器生成二進(jìn)制偽碼，之后再與載波NCO 生成的正交中頻信號進(jìn)行調(diào)制，接著將其進(jìn)行DA 變換為模擬信號并通過低通濾波器濾除掉鏡像信號，最后與本振信號二次調(diào)制實現(xiàn)最終RDSS 的入站信號。結(jié)合以上分析，對于高動態(tài)的載體，只需將發(fā)射多普勒頻率折成所需的頻率控制字即可實現(xiàn)多普勒頻率的補償。

載波頻率控制字[5]為

偽碼頻率控制字為

式（7）、式（8）中，fb，N，fs，fl，fcode均為已知量，分別為載波中頻調(diào)制頻率，NCO 相位累加器位數(shù)，NCO工作頻率，RDSS 入站信號Lf0的頻率以及擴頻偽碼的頻率。

3 工程實現(xiàn)方案及測試結(jié)果

實際應(yīng)用為高動態(tài)箭載場景，RNSS 采用雙天線合路的方式保證收星情況，接收GPS L1信號及BD 二代系統(tǒng)B1頻點信號，RDSS 采用雙天線輪流發(fā)射的方式發(fā)射入站信號。

發(fā)射硬件平臺采用FPGA+DSP+AD9364 的架構(gòu)，F(xiàn)PGA 主要實現(xiàn)一次變頻、通道跟蹤的功能，DSP 主要實現(xiàn)定位、速度及多普勒頻率的計算，AD9364主要實現(xiàn)二次變頻生成上行RDSS 入站信號。工程實現(xiàn)框圖如圖3所示。

圖3 RDSS動態(tài)補償工程實現(xiàn)原理框圖

圖3 中有源天線接收導(dǎo)航信號L1，B1，之后經(jīng)過綜合射頻電路XN112輸出數(shù)字中頻信號至FPGA，接著FPGA 與DSP 聯(lián)合完成捕獲、跟蹤、電文解調(diào)、定位解算、速度解算、多普勒計算等，然后按照式（7）、式（8）計算出需要調(diào)整的偽距和載波NCO 頻率控制字，再通過FPGA 實現(xiàn)一次正交變頻、AD9364二次變頻以及開關(guān)切換策略等，最終將RDSS 入站信號發(fā)送出去。為了保證補償?shù)恼_性，在地面搭建了測試系統(tǒng)對補償方案進(jìn)行了驗證，測試系統(tǒng)的原理如圖4所示。

圖4 地面測試系統(tǒng)原理框圖

圖4 中，衛(wèi)星導(dǎo)航信號由顯控終端中的數(shù)仿軟件控制L1/B1導(dǎo)航信號模擬器輸出，之后經(jīng)過高動態(tài)RNSS/RDSS 導(dǎo)航信號處理終端進(jìn)行定位、測速、多普勒頻率補償、調(diào)制、變頻生成RDSS 入站信號，接著在小型微波暗室由發(fā)射天線變?yōu)闊o線信號，隨后RDSS 無線信號由同在小型微波暗室的入站接收機天線接收，經(jīng)入站接收機解析處理之后，獲得RDSS 入站信號的多普勒頻偏、功率電文等信息，送入顯示控制終端顯示，實物如圖5所示。

圖5 地面測試系統(tǒng)

試驗時設(shè)置模擬器場景為箭載動態(tài)場景，L1，B1頻點均開啟，在未加入補償策略之前，顯控終端無數(shù)據(jù)輸出，表明RDSS 入站信號未能成功接收，入站失敗。在加入補償策略之后，顯控終端存在數(shù)據(jù)輸出，記錄多通道入站接收機輸出的多普勒頻偏數(shù)據(jù)，結(jié)果如圖6所示。

圖6 多普勒測試結(jié)果圖

圖6 中橫軸為采樣間隔30 s 每次，縱軸為多普勒偏移，由圖中可以看出，多普勒頻移的范圍為幾百赫茲，顯然明顯小于±6 kHz，由此可以證明補償策略的正確性。

之后經(jīng)過實際的飛行驗證，短報文信息能準(zhǔn)確地傳輸下來，根據(jù)理論設(shè)計，應(yīng)收到短報文信息26條，實際收到18條，接收成功率70%，因箭體在下落過程中，存在姿態(tài)失穩(wěn)階段，此時發(fā)射天線不能有效對準(zhǔn)GEO 衛(wèi)星，會導(dǎo)致RDSS 信號沒有被成功接收。經(jīng)過RDSS 短報文發(fā)送的載體速度測試結(jié)果如圖7所示。

圖7 載體飛行速度

圖7 中采樣間隔30每次，Y 向載體速度最大處可達(dá)到3，660 m/s，超過了可允許的入站速度范圍，如果不進(jìn)行補償?shù)脑挘蜁斐蓴?shù)據(jù)的缺失，嚴(yán)重影響對航跡的分析及載體落點的控制等任務(wù)。

4 結(jié)束語

本文針對RDSS 短報文通信信號的入站問題，分析了高動態(tài)條件下的頻率補償問題，經(jīng)過地面測試及實際飛行結(jié)果表明，該多普勒頻率補償方案在高動態(tài)條件下可以成功實現(xiàn)RDSS 信號的入站接收。