一种实验室用卫星信号转发器的设计方案

刘祥水

（国营芜湖机械厂，安徽 芜湖241007）

GPS系统在各个领域已经得到广泛应用，尤其是随着中国BD3的全球组网的完成，GPS系统的应用领域和普及度变得更加广泛。在军工领域，各种飞行器尤其是战斗机的定位系统也随之进行改装换代，这就给航空维修领域带来新的课题，即给装备有卫星信号接收器的导航产品修理保障时在实验室由于GPS信号受到阻隔、强度减弱和多路径效应的影响，GPS无法完成定位或者存在较大误差，不能满足装备的修理需求。如何实现对GPS信号进行有效转发来验证产品的性能，这就需要设计出一种能够实现卫星信号再生与转发的设备。本文基于航空装备维修领域的现状，设计出一种具备再生转发功能的转发器，实现卫星信号的转发以满足修理需求。

1 整体设计

由于导航卫星采用的频率为L、S频段，卫星落地信号弱，多数卫星信号的功率在-145 dBm以下，接收终端采用宽波束天线，所以，必须在没有遮挡的开阔区域用户终端才能正常工作。然而在实验室由于墙壁或者钢结构厂房的屏蔽作用使得信号极其微弱，接收终端无法有效接收信号。转发器的功能是将卫星信号从室外引到修理车间或实验室内，在室内用原装的卫星接收天线接收到卫星信号，完成验证、系统调试等工作。室内环境下使用转发器进行接收机状态检测的示意图如图1所示。

图1 室内卫星信号接收转发示意图

由于转发器接收天线存在一定增益，同时转发器自身也要对信号进行放大，因而从发射天线辐射出来的信号幅度较大。若经过空间衰减到达接收机天线的信号幅度远大于接收机噪底功率，即Pn=-174+101g（20.46×106）=-101 dBm（以BD3为例），则认为经过非再生式转发器转发之后，接收端载噪比有效。

为了使接收端载噪比有效，需要到达接收机天线的信号幅度远大于接收机噪底功率，然而由于目前卫星导航接收机抗干扰处理普遍采用的是基于功率对消的盲抗干扰处理方法，所以会将转发信号当作干扰抑制掉，致使抗干扰接收机无法接收到转发信号。

为了满足室内抗干扰接收机的需要，可以采用再生转发器进行测试。在使用再生转发器测试，可以控制到达接收机天线的信号幅度小于接收机噪底功率，从而使抗干扰接收机不会启动盲对消处理，进而可以稳定接收到再生转发器发过来的信号。

2 再生转发器设计与实现

卫星导航信号再生转发器通过室外多频点卫星导航接收天线接收卫星导航信号，首先，完成BDS-B1、BDS-B3、GPS-L1、GLONASS-L1等多个频点接收机定位功能，实时输出接收卫星情况和定位测速授时结果；其次，该设备将解调后的信号进行调制，完成上述频点信号的再生，之后将再生后的信号进行上变频及合路，输出至室内卫星导航发射天线，完成卫星导航信号再生转发功能。再生转发器主要由射频前端及A/D和D/A处理单元、捕获单元、跟踪及信号再生单元、导航信息处理控制单元、时钟驱动及时钟单元、数据总线接口单元、各接口单元等组成。再生转发器 的基本组成框图如图2所示。

图2 再生转发器的基本组成框图

2.1 射频前端及A/D和D/A处理单元

射频前端处理单元包括功分器、下变频通道、频综电路、上变频通道和合路器。其中下变频通道又包括前置滤波器、前置放大器和混频器。射频部分根据信号流向又可分为接收和发送，接收模块用来完成GPS、GLONASS、BDS卫星射频信号的下变频处理，输出模拟中频信号；发送模块则是将信号再生单元产生的数字信号经过数模转换及上变频再生为卫星信号，通过发射天线进行发射。

2.2 捕获单元[1]

为了改善P码直捕模块的灵敏度，就需要延长相干积分时间，在用基于FFT的频域伪码相位并行搜索方法实现直捕模块时，这就意味着要实现更大点数的FFT，而FFT的点数越多，其FPGA实现就越复杂。相对于FFT计算，匹配滤波器结构相对简单，同样可以达到较快的搜索速度；对匹配滤波器输出的部分相关值进行分析，从而完成多普勒频率的并行搜索。因此，本方案采用匹配滤波器+FFT方法实现P码直捕，进一步改进了直捕模块的性能。该直捕模块主要由PRM接口、下变频、分段匹配滤波器、匹配滤波结果缓存和FFT计算、非相干积累、捕获控制、DSP接口等单元组成。

2.3 跟踪及信号再生单元[2]

在信号捕获以后，就进入载波和伪码的跟踪状态。利用捕获模块输出的多普勒频率预估值和伪码相位预估值来快速设置载波NCO和码NCO，使跟踪通道快速进入载波跟踪和伪码跟踪过程。在载波跟踪环中，进行载波相位积累；在码跟踪环中，进行码相位的积累。在环路锁定时，进行数据的位同步、帧同步时钟提取；利用载波相位累积的结果和码相位累积的结果计算多普勒频偏和伪距。信号跟踪处理电路主要由再生伪码发生器、载波跟踪环、伪码相位跟踪环等组成。信号再生单元通过跟踪单元产生的伪码及载波即可生成再生信号。跟踪单元和信号再生单元实现框图如图3所示。

图3 跟踪通道和信号再生单元实现框图

2.4 导航信息处理控制单元

导航信息处理单元利用基带信号处理单元获得的测量信号、卫星导航电文完成导航解算，实现对用户的位置、速度和系统时间（PVT）的解算，并按规定的数据格式输出。X载型和X载型用户设备是无源导航体制，用户机需要利用测量得到的和卫星之间的伪距以及接收到的导航电文进行自主导航处理。在PVT解算的同时需要考虑广域增强信息的处理，包括广域差分、广域完好性检验，用户接收机自主完好性监测。为了保证导航处理的实时性，本方案采用单独DSP芯片进行处理，包括X载数据的接口功能，其结构如图4所示。

图4 导航处理接口结构示意图

2.5 时钟驱动及时钟单元

时钟单元为ADC、DAC和FPGA提供工作时钟。考虑到各个器件时钟之间的同步性要求，以射频模块提供的62 MHz时钟信号为基准，经过时钟驱动芯片发出各路时钟信号，分别输出给ADC、DAC和FPGA。

2.6 数据总线接口单元

导航信息处理控制单元DSP通过EMⅠF接口与FPGA进行数据通信。导航信息处理控制单元选用TⅠ的DSP芯片，有2个外部存储器接口（EMⅠFA/EMⅠFB）按异步方式访问外设。本设计方案中，用DSP的EMⅠFA接口与FPGA进行数据通信。

2.7 各接口单元

除以上各功能处理单元外，还需要以下各路接口：与PRM芯片通信接口，用于产生P码和进行电文格式转换；保密ⅠC接口，ⅠC卡完成电文的解密功能；RTC守时接口，通过SPⅠ接口与实时芯片通信；外部RS232、RS-422等常见总线接口。

3 结束语

本文介绍了一种为航空维修领域设计制造的卫星信号转发器，根据本方案设计出的转发器具备P码转发功能，实现GPS、GLONASS、BDS码的转发；其具备模拟转发干扰功能，可以模拟不同延迟和干信比的转发干扰信号。依据本文设计制造的转发器已应用于航空维修领域，为卫星信号接收机的修理提供了必要的环境。