北斗RDSS短報文通信終端測試系統計量裝置研制

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的子午儀系統和圣卡達系統為源頭，拉開了世界衛星導航系統的歷史帷幕[1]。隨著時間的推移，世界范圍內出現了美國的全球定位系統（GPS）、俄羅斯的格洛納斯（GLONASS）、歐盟的伽利略（GALILEO）和中國的北斗衛星導航系統（BDS）等衛星導航系統。雖然定位方式、衛星軌道高度、導航頻段等改變，使各衛星導航系統的導航性能、定位服務區域得到了優化與升級，但是兩代系統毫無兼容性可繼承，同時RNSS導航系統的研究和發展，只解決了用戶的定位和授時問題，未解決位置數據共享的廣域通信需求，沒給導航與通信集成留有余地[2]。

區別于其他全球衛星導航系統，中國北斗衛星導航系統除了提供RNSS服務外，還提供RDSS（radio determination service of satellite）雙向短報文信息服務，實現了授時、通信和位置報告等功能集成使用[3]。RDSS閉環測試系統是測試RDSS終端的專用系統，用于檢驗RDSS終端的功能指標和性能指標是否滿足規定要求，目前使用通用儀器設備來計量校準。計量校準時采用的通用儀器設備繁多，數據處理復雜，特別是對于部分參數（如系統時延），并不能直接進行計量，由于需要多個校準參數綜合處理獲得，不便于進行系統指標參數維護與內校，影響了測試系統部分檢測參數的有效性。

為了有效解決RDSS閉環測試系統計量與校準，需要對北斗RDSS短報文通信終端測試系統計量方法進行研究。

1 北斗RDSS短報文通信終端測試系統計量方法分析

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（衛星）發射用于詢問的標準時間信號，用戶接收后發射應答信號經S1、S2傳回MCC，MCC測出衛星返回信號時延，結合衛星各時刻位置、相對運動、空間傳輸延誤等，并根據用戶所在點高程計算出用戶坐標，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標準

為有效保障北斗RDSS短報文通信終端測試系統計量具有準確性，需明確相應的標準。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，北斗RDSS短報文通信終端測試系統的計量，可以采用分段計量的方式將傳輸經由的發射端、信道和接收端參數匯總作為系統性能參數。由于接收機在定位過程中起到信號轉發的功能，在此過程中傳輸產生的信號時延并不相同[7]，但必須在一定指標范圍內，否則會對測距精度產生影響。從接收機的角度出發，可以采用接收機基準的方式，以標準接收機[8]性能參數作為標準，校準計量整個測試系統。

1.3 北斗RDSS短報文通信終端測量系統計量方法

傳統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需要使用不同的儀表設備，對于無法直接計量的參數指標，例如時延需要分段計量、間接溯源；第二，采用標準接收機計量的方式，這種方式需要購置一臺經過各計量單位認證且能夠推算功率、頻率的接收終端，其接收環路時延因經過多方計量單位認證，可以作為整系統的標定準則。基于嚴苛的使用需求，一般采用全頻點監測接收機，它具有造價高、體積大的缺點。

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、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，包含發射功率、頻率、雙向零值（時延）等；第四部分為環境適應性要求，如溫度、振動、外殼防護等。其中，對于一般要求、通信功能和環境適應性要求，均具備明確、簡潔、實用的計量方式；而對于通信性能而言，仍有分段計量間接溯源或是傳統標準接收機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計量裝置，并針對通信性能中發射功率、頻率指標，對計量裝置性能進行測試，以證明其具備標準計量裝置能力。

2 北斗RDSS短報文通信終端測試系統計量裝置設計

通過研制設計一種計量裝置，實現對北斗RDSS短報文通信終端測試系統的計量，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計量裝置組成原理

2.1 北斗RDSS短報文通信終端測試系統計量裝置的組成

北斗RDSS短報文通信終端測試系統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，詳細構造由ARM、FPGA、ADC、DAC、10MHz時鐘、電源和外圍電路構成，其結構如圖3所示。

圖3 北斗RDSS短報文通信終端測試系統計量裝置核心主板結構圖

2.2 北斗RDSS短報文通信終端測試系統模塊設計

（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進行配置，備用有Master SPI Configuration模式。

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

（3）ADC采用AD9230，最高采樣率250 MHz，ADC有12位數據，功耗僅為0.434 W，輸入信號帶寬達700 M。DAC采用DAC5681，最高采樣率達1 GHz，數據為16 bit。10 MHz參考時鐘生成采用OF173031-10.00MHz-E晶振，穩定度為±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上報。輸入變頻的中頻信號經上變頻混頻器混頻后輸出射頻信號。同理，自檢射頻信號經下變頻混頻器混頻輸出中頻信號。

（6）功控子模塊實現+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0.1 dB。其中包含溫度傳感器實時監測模塊工作溫度，通過建立信號輸入功率與輸出功率與溫度的映射關系，根據期望衰減值得到精確的衰減控制值，進而提高射頻功率控制模塊的實際衰減穩定度。

（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劃決定，濾波器采用介質濾波器。

3 北斗RDSS短報文通信終端測試系統計量裝置實測數據

如圖5所示，連接計量裝置、信號源、銣鐘進行測試。信號源輸出的功率準確度、頻率準確度、調制信號偽距控制精度等指標均經過計量。

圖5 RDSS計量裝置測試框圖

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

如表1所示，計量裝置在Lf0、Lf1、Lf2、Lf3、Lf4、Lf5頻點，輸入功率-40 dBm～10 dBm范圍內的準確度指標優于0.5 dB，滿足設計要求。

表1 入站功率準確度數據記錄表

（2）多普勒頻移準確度。接收信號源產生的固定多普勒頻偏的信號，模擬高動態接收環境。如表2所示，計量裝置在Lf0、Lf1、Lf2、Lf3、Lf4、Lf5頻點，多普勒頻偏6 000 Hz～-6 000 Hz范圍內的準確度指標優于0.8 Hz，滿足設計要求。

表2 多普勒頻偏準確度數據記錄表

（3）偽距跳變。接收信號源產生的固定偽距的調制信號，設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，偽距精度指標優于0.2 m，滿足設計要求。

表3 偽距跳變數據記錄表

（4）入站捕獲成功率。如表4所示，經多次測試，計量裝置入站捕獲成功率指標優于99.95%，滿足設計要求。

表4 入站捕獲成功率數據記錄表

（5）測量功率穩定度。持續輸入Lf0、Lf1、Lf2、Lf3、Lf4、Lf5信號，每次測試完后調制功率步進5 dB，其測試結果如表5所示。

表5 測量功率穩定度數據記錄表

測試數據曲線如圖6、圖7、圖8所示，計量裝置-32 dBm～-42 dBm輸入功率范圍內，功率波動的標準差小于0.5，滿足設計要求。

圖6 輸入功率-32 dBm時入站功率測量結果

圖7 輸入功率-37 dBm時入站功率測量結果

圖8 輸入功率-42 dBm時入站功率測量結果

4 結論

通過研究一種北斗RDSS短報文通信終端測試系統計量裝置，能夠在功率準確度、多普勒頻偏、偽距跳變、入站捕獲成功率、測量功率穩定度等指標上滿足計量需求，實現了對北斗RDSS短報文通信終端測試系統的計量。在未來研究中，應進一步深化對北斗RDSS短報文通信終端測試系統的發展趨勢分析，針對高精度、高靈敏度、高可靠性的現實需求，創新研制新型計量裝置，為北斗RDSS短報文通信終端的發展奠定良好基礎，實現精確計量，支持北斗系統的持續完善。