北斗卫星导航系统的应用及终端检测技术

2020-11-26康朋飞李小棉

通信电源技术 2020年15期

康朋飞，李秋，李小棉，刘鑫

（西安思源学院，陕西西安 710038）

1 北斗卫星导航技术概述

1.1 北斗卫星导航技术

北斗卫星导航技术是一项完全由中国研究发展的一项重要技术，在经济发展、国家军事和民用应用方面具有重要作用。如今，卫星导航和定位已经广泛应用于军事、智能交通、农业生产、防灾和援助、地理遥感和遥测等工作。北斗导航系统的接收器可以进行位置信息的准确定位，以帮助位置管理系统做出最佳决定，并为军队提供准确的武器放置和攻击技术支持。北斗卫星导航系统的主要组成部分包括地面控制中心、人造轨道卫星（多颗卫星）和用户接收端组成。

1.2 北斗卫星导航技术原理及网络架构

北斗的卫星导航系统提供导航功能，主要是依赖通用无线分组服务和地理信息技术。GPS能够进行导航，主要是因为它具有全球定位功能。北斗卫星的导航系统可有效实现一些功能，如全球定位、地理信息技术进行的信息映射以及规划行驶的路线等。北斗卫星导航系统包含许多复杂组件，其中比较重要的有卫星地面控制中心、轨道卫星以及一些必要的收发信号装置。信号质量分析、实时监视和动态调整以及卫星运行状态监视和控制，可有效确保卫星的运行状态。卫星是按照地面站的指令进行工作的，其各种信息都被传送到地面的控制中心。地面控制中心可以将这些信息发送到一些终端设备，以实现卫星导航。对于北斗导航系统来说，它的信号接收器使用的是GNSS。这种接收器主要由射频接口、信号转换装置以及定位功能实现装置等构成[1]。

2 检测准备要求

在实际测试前，需要进行如下工作。第一，终端需要附件、设备技术要求和使用说明。同时，端子的每个组件外观没有受到损坏，组件和附件必须完整。第二，必须按照“关于发布北斗卫星导航系统演示应用程序的通知”和“选择和测试终端产品的程序”中所述的要求，将终端直接连接到RS232串行数据电缆。第三，RS232串行端口必须支持标准RS232串行端口输出，可以设置支持参数（包括波特率、数据位以及奇偶校验等）、NMEA-0183协议支持以及BD用户设备接口的命令输入和数据输出，支持北斗4.0或2.1用户计算机通信协议所需的命令输入和数据输出。第四，终端已经正确连接到检测平台，且在加载后自动启动。终端自检、信号指示灯、按钮和显示等设备均保持正常[2]。

3 接收应用端功能实现

第一级LNA的主要作用是接收卫星传回的信号并将其进行初步放大，然后可以将信号送入电路系统。来自接收通道的反馈的高频信号先通过电阻耦合器，后通过低噪声放大器和选择电路。RF噪声电平计经过带通滤波衰减PAD进入混频器，并将其转换为211 MHz的中频信号。中频放大器内置在混频器，中频输出信号由第一中频SAW滤波器进行初步转化后传输到主频带。一般情况下，可以使用第一级中频滤波器。它可以达到中间频带抑制相关要求。最大QPSK输入信号为-26 dBm，这对应于无需压缩即可输入大的8PSK信号的要求。最大QPSK输入信号为-15 dBm，输出功率小于16 dBm，并使用中频声表衰减6 dB。最后，使用限制电路限制中频信号。图1为北斗卫星导航接收器的硬件示意图。

图1 北斗导航接收机硬件原理图

射频干扰更常见，因为接收器主要通过射频信号接收信息。因此，对于下变频架构来说，它的作用主要是防止电压RF信号出现问题，如较大的波动。混合电流有很多作用，一方面可以出色地抑制信道中的一些干扰信号，另一方面可以对RF进行有效的增益，以达到接收机的一些特殊要求，如对线性度、噪声的规定[3]。

4 北斗卫星导航系统应用终端检测技术

4.1 准备工作

为了确保应用程序终端的稳定性，必须对其选择进行智能测试。需要做好充分的准备工作，以检测与北斗卫星导航系统兼容的终端。一方面，测试介质必须符合相关技术的要求。例如，在实验室中测试应用终端时，需要确保环境温度和湿度满足要求，且没有电磁等因素的干扰。供电的电源电压应为220 V，频率应为5 Hz，以确保测量设备和参考卫星的数据在稳定范围内，并且可以有效测试应用终端。相关的设备必须由有关部门检查，以确保没有失误。另一方面，评估前必须确保实验设备不能短缺，应用终端的所有附件均必须完整且无损失。比较应用附件的主机及附件，以确保它们的信号完全一致，且没有衰减迹象。此外，通过与说明书进行比较来检查设备的相关规格。图2显示了应用程序终端与检测平台之间的连接图[4]。

4.2 搭建检测平台

图2 应用终端与检测平台连接示意图

一般来说，设备的终端检测平台由两部分组成，即用作导航测试的平台和导航用暗室。导航用的暗室主要包括矩形微波暗室和其他设备。其中，矩形设计是一种通用设计，可以实现设备发送和接收双向信号的功能。使用特殊的暗室平台进行导航，可以创建一个良好的测试环境，且不受外部电磁因素的影响，可以保证测试过程的有效开展。在通过天线接收到卫星导航信号后，可以测量定位设备的无线电信号。先研究一个用于测试导航的特殊平台，这一特殊平台包括导航测试和北斗通信测试两个系统。这两个不同的子系统分别使用自己的信号模拟器。这方面可以单独测试设备终端的性能和功能，前者负责测试RNSS，后者分系统测试RDSS[5]。

4.3 数字频率合成技术

频率源在卫星导航终端中至关重要，是数字集成电路有效性的重要指标。如今，直接数字合成器芯片主要用于测量技术，带有可编程现场门阵列（Field Programmable Gate Array，FPGA）器件，作为任意波形发生器的控制器和数据数据波形存储器。它的内核通常由一个相位累加器和一个相幅值转换模块组成，而相位累加器通常由几个N位加法器和一个累加寄存器组成。频率控制字K中的时钟的积分结果被存储在积分寄存器中，且该积分结果被发送到加法器的输入端。相位幅度转换功能由波形存储器实现。相位累加器选择数据以形成地址，然后访问存储器以获取特定时间的数字波形幅度，后将其转换为频率模拟信号。通用校准仪的三角和正弦波频率分辨率为0.01 Hz，最大频率为5 MHz。低通滤波器设计为在每个周期8个点处再现波形。相位幅值转换模块的采样频率可以达到40 MHz或更高。

4.4 信号的跟踪与捕获

导航系统应用接收端接收信号并处理后，将最终得到的信号与NCO系统的载波进行混合，以生成基于同相和正交的参考信号，最后获得模拟中频信号。这一信号通过一定的转换处理后，被转换为一种数字信号。另外，将AGC添加到A/D输入的接口，以控制输入信号的幅度。它应分布在一系列量化的A/D值上。中频数字输出信号通过数字接收器和通道发送，最终得到目标位置、移动速度等数据，实现了信号的跟踪等。在找寻信号时，需要找到导航卫星的信号。接收机重新生成PRN代码和卫星载波信号，然后进行多普勒频移和代码相位估计概率。它在频域实现了完全的载波分离和消除，在多普勒和时域中提供代码标记。GNSS接收器会自动执行信号追踪。载波去除完成后，可以接收同相和正交信号，并且将这些信号发送到相应的装置。该装置与前导码、实时码和延迟码（由本地码生成器发出）相关，最后得到预积分时间内的离散型I、Q支路上的相关数据，如超前、滞后等的相关值。

4.5 RDSS检测

首先，在测试RDSS性能时，运营商可以将终端直接连接到测试平台，并且针对静态和动态仿真场景以及包括频率点S和L的射频仿真信号配置仿真器用于输出。其次，它使用10束光将定位和通信数据发送到终端，通过测控计算机查找终端接收的信息，并对接收通道的数量进行计数。再次，使用10射线的其中之一将消息发送到终端，并将终端的电文与发送的电文进行比较，根据比较结果统计该通信过程中被认为是成功的概率。最后，使用10个光束的其中之一向终端发送模拟电平信号。终端接收到信号后，操作员可以将传出信息与计算机上的原始信息进行比较，以进行测量和控制，并将信号发送到终端。