一種實(shí)驗(yàn)室用衛(wèi)星信號轉(zhuǎn)發(fā)器的設(shè)計(jì)方案

劉祥水

（國營蕪湖機(jī)械廠，安徽 蕪湖241007）

GPS系統(tǒng)在各個(gè)領(lǐng)域已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，尤其是隨著中國BD3的全球組網(wǎng)的完成，GPS系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域和普及度變得更加廣泛。在軍工領(lǐng)域，各種飛行器尤其是戰(zhàn)斗機(jī)的定位系統(tǒng)也隨之進(jìn)行改裝換代，這就給航空維修領(lǐng)域帶來新的課題，即給裝備有衛(wèi)星信號接收器的導(dǎo)航產(chǎn)品修理保障時(shí)在實(shí)驗(yàn)室由于GPS信號受到阻隔、強(qiáng)度減弱和多路徑效應(yīng)的影響，GPS無法完成定位或者存在較大誤差，不能滿足裝備的修理需求。如何實(shí)現(xiàn)對GPS信號進(jìn)行有效轉(zhuǎn)發(fā)來驗(yàn)證產(chǎn)品的性能，這就需要設(shè)計(jì)出一種能夠?qū)崿F(xiàn)衛(wèi)星信號再生與轉(zhuǎn)發(fā)的設(shè)備。本文基于航空裝備維修領(lǐng)域的現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)出一種具備再生轉(zhuǎn)發(fā)功能的轉(zhuǎn)發(fā)器，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星信號的轉(zhuǎn)發(fā)以滿足修理需求。

1 整體設(shè)計(jì)

由于導(dǎo)航衛(wèi)星采用的頻率為L、S頻段，衛(wèi)星落地信號弱，多數(shù)衛(wèi)星信號的功率在-145 dBm以下，接收終端采用寬波束天線，所以，必須在沒有遮擋的開闊區(qū)域用戶終端才能正常工作。然而在實(shí)驗(yàn)室由于墻壁或者鋼結(jié)構(gòu)廠房的屏蔽作用使得信號極其微弱，接收終端無法有效接收信號。轉(zhuǎn)發(fā)器的功能是將衛(wèi)星信號從室外引到修理車間或?qū)嶒?yàn)室內(nèi)，在室內(nèi)用原裝的衛(wèi)星接收天線接收到衛(wèi)星信號，完成驗(yàn)證、系統(tǒng)調(diào)試等工作。室內(nèi)環(huán)境下使用轉(zhuǎn)發(fā)器進(jìn)行接收機(jī)狀態(tài)檢測的示意圖如圖1所示。

圖1 室內(nèi)衛(wèi)星信號接收轉(zhuǎn)發(fā)示意圖

由于轉(zhuǎn)發(fā)器接收天線存在一定增益，同時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)器自身也要對信號進(jìn)行放大，因而從發(fā)射天線輻射出來的信號幅度較大。若經(jīng)過空間衰減到達(dá)接收機(jī)天線的信號幅度遠(yuǎn)大于接收機(jī)噪底功率，即Pn=-174+101g（20.46×106）=-101 dBm（以BD3為例），則認(rèn)為經(jīng)過非再生式轉(zhuǎn)發(fā)器轉(zhuǎn)發(fā)之后，接收端載噪比有效。

為了使接收端載噪比有效，需要到達(dá)接收機(jī)天線的信號幅度遠(yuǎn)大于接收機(jī)噪底功率，然而由于目前衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)抗干擾處理普遍采用的是基于功率對消的盲抗干擾處理方法，所以會(huì)將轉(zhuǎn)發(fā)信號當(dāng)作干擾抑制掉，致使抗干擾接收機(jī)無法接收到轉(zhuǎn)發(fā)信號。

為了滿足室內(nèi)抗干擾接收機(jī)的需要，可以采用再生轉(zhuǎn)發(fā)器進(jìn)行測試。在使用再生轉(zhuǎn)發(fā)器測試，可以控制到達(dá)接收機(jī)天線的信號幅度小于接收機(jī)噪底功率，從而使抗干擾接收機(jī)不會(huì)啟動(dòng)盲對消處理，進(jìn)而可以穩(wěn)定接收到再生轉(zhuǎn)發(fā)器發(fā)過來的信號。

2 再生轉(zhuǎn)發(fā)器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

衛(wèi)星導(dǎo)航信號再生轉(zhuǎn)發(fā)器通過室外多頻點(diǎn)衛(wèi)星導(dǎo)航接收天線接收衛(wèi)星導(dǎo)航信號，首先，完成BDS-B1、BDS-B3、GPS-L1、GLONASS-L1等多個(gè)頻點(diǎn)接收機(jī)定位功能，實(shí)時(shí)輸出接收衛(wèi)星情況和定位測速授時(shí)結(jié)果；其次，該設(shè)備將解調(diào)后的信號進(jìn)行調(diào)制，完成上述頻點(diǎn)信號的再生，之后將再生后的信號進(jìn)行上變頻及合路，輸出至室內(nèi)衛(wèi)星導(dǎo)航發(fā)射天線，完成衛(wèi)星導(dǎo)航信號再生轉(zhuǎn)發(fā)功能。再生轉(zhuǎn)發(fā)器主要由射頻前端及A/D和D/A處理單元、捕獲單元、跟蹤及信號再生單元、導(dǎo)航信息處理控制單元、時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)及時(shí)鐘單元、數(shù)據(jù)總線接口單元、各接口單元等組成。再生轉(zhuǎn)發(fā)器 的基本組成框圖如圖2所示。

圖2 再生轉(zhuǎn)發(fā)器的基本組成框圖

2.1 射頻前端及A/D和D/A處理單元

射頻前端處理單元包括功分器、下變頻通道、頻綜電路、上變頻通道和合路器。其中下變頻通道又包括前置濾波器、前置放大器和混頻器。射頻部分根據(jù)信號流向又可分為接收和發(fā)送，接收模塊用來完成GPS、GLONASS、BDS衛(wèi)星射頻信號的下變頻處理，輸出模擬中頻信號；發(fā)送模塊則是將信號再生單元產(chǎn)生的數(shù)字信號經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換及上變頻再生為衛(wèi)星信號，通過發(fā)射天線進(jìn)行發(fā)射。

2.2 捕獲單元[1]

為了改善P碼直捕模塊的靈敏度，就需要延長相干積分時(shí)間，在用基于FFT的頻域偽碼相位并行搜索方法實(shí)現(xiàn)直捕模塊時(shí)，這就意味著要實(shí)現(xiàn)更大點(diǎn)數(shù)的FFT，而FFT的點(diǎn)數(shù)越多，其FPGA實(shí)現(xiàn)就越復(fù)雜。相對于FFT計(jì)算，匹配濾波器結(jié)構(gòu)相對簡單，同樣可以達(dá)到較快的搜索速度；對匹配濾波器輸出的部分相關(guān)值進(jìn)行分析，從而完成多普勒頻率的并行搜索。因此，本方案采用匹配濾波器+FFT方法實(shí)現(xiàn)P碼直捕，進(jìn)一步改進(jìn)了直捕模塊的性能。該直捕模塊主要由PRM接口、下變頻、分段匹配濾波器、匹配濾波結(jié)果緩存和FFT計(jì)算、非相干積累、捕獲控制、DSP接口等單元組成。

2.3 跟蹤及信號再生單元[2]

在信號捕獲以后，就進(jìn)入載波和偽碼的跟蹤狀態(tài)。利用捕獲模塊輸出的多普勒頻率預(yù)估值和偽碼相位預(yù)估值來快速設(shè)置載波NCO和碼NCO，使跟蹤通道快速進(jìn)入載波跟蹤和偽碼跟蹤過程。在載波跟蹤環(huán)中，進(jìn)行載波相位積累；在碼跟蹤環(huán)中，進(jìn)行碼相位的積累。在環(huán)路鎖定時(shí)，進(jìn)行數(shù)據(jù)的位同步、幀同步時(shí)鐘提取；利用載波相位累積的結(jié)果和碼相位累積的結(jié)果計(jì)算多普勒頻偏和偽距。信號跟蹤處理電路主要由再生偽碼發(fā)生器、載波跟蹤環(huán)、偽碼相位跟蹤環(huán)等組成。信號再生單元通過跟蹤單元產(chǎn)生的偽碼及載波即可生成再生信號。跟蹤單元和信號再生單元實(shí)現(xiàn)框圖如圖3所示。

圖3 跟蹤通道和信號再生單元實(shí)現(xiàn)框圖

2.4 導(dǎo)航信息處理控制單元

導(dǎo)航信息處理單元利用基帶信號處理單元獲得的測量信號、衛(wèi)星導(dǎo)航電文完成導(dǎo)航解算，實(shí)現(xiàn)對用戶的位置、速度和系統(tǒng)時(shí)間（PVT）的解算，并按規(guī)定的數(shù)據(jù)格式輸出。X載型和X載型用戶設(shè)備是無源導(dǎo)航體制，用戶機(jī)需要利用測量得到的和衛(wèi)星之間的偽距以及接收到的導(dǎo)航電文進(jìn)行自主導(dǎo)航處理。在PVT解算的同時(shí)需要考慮廣域增強(qiáng)信息的處理，包括廣域差分、廣域完好性檢驗(yàn)，用戶接收機(jī)自主完好性監(jiān)測。為了保證導(dǎo)航處理的實(shí)時(shí)性，本方案采用單獨(dú)DSP芯片進(jìn)行處理，包括X載數(shù)據(jù)的接口功能，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 導(dǎo)航處理接口結(jié)構(gòu)示意圖

2.5 時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)及時(shí)鐘單元

時(shí)鐘單元為ADC、DAC和FPGA提供工作時(shí)鐘。考慮到各個(gè)器件時(shí)鐘之間的同步性要求，以射頻模塊提供的62 MHz時(shí)鐘信號為基準(zhǔn)，經(jīng)過時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)芯片發(fā)出各路時(shí)鐘信號，分別輸出給ADC、DAC和FPGA。

2.6 數(shù)據(jù)總線接口單元

導(dǎo)航信息處理控制單元DSP通過EMⅠF接口與FPGA進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。導(dǎo)航信息處理控制單元選用TⅠ的DSP芯片，有2個(gè)外部存儲器接口（EMⅠFA/EMⅠFB）按異步方式訪問外設(shè)。本設(shè)計(jì)方案中，用DSP的EMⅠFA接口與FPGA進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

2.7 各接口單元

除以上各功能處理單元外，還需要以下各路接口：與PRM芯片通信接口，用于產(chǎn)生P碼和進(jìn)行電文格式轉(zhuǎn)換；保密ⅠC接口，ⅠC卡完成電文的解密功能；RTC守時(shí)接口，通過SPⅠ接口與實(shí)時(shí)芯片通信；外部RS232、RS-422等常見總線接口。

3 結(jié)束語

本文介紹了一種為航空維修領(lǐng)域設(shè)計(jì)制造的衛(wèi)星信號轉(zhuǎn)發(fā)器，根據(jù)本方案設(shè)計(jì)出的轉(zhuǎn)發(fā)器具備P碼轉(zhuǎn)發(fā)功能，實(shí)現(xiàn)GPS、GLONASS、BDS碼的轉(zhuǎn)發(fā)；其具備模擬轉(zhuǎn)發(fā)干擾功能，可以模擬不同延遲和干信比的轉(zhuǎn)發(fā)干擾信號。依據(jù)本文設(shè)計(jì)制造的轉(zhuǎn)發(fā)器已應(yīng)用于航空維修領(lǐng)域，為衛(wèi)星信號接收機(jī)的修理提供了必要的環(huán)境。