《电子技术应用》

水下北斗导航星历及历书无线加注系统设计

2017年电子技术应用第11期
傅 军1,钟 斌2,陈永冰1
(1.海军工程大学 电气工程学院,湖北 武汉430033;2.海军工程大学 训练部,湖北 武汉430033)
摘要: 为提高北斗卫星导航定位模块的首次快速定位能力,设计了水下北斗导航历书与星历无线加注测试系统。对比分析了不同技术途径的优缺点,给出了系统硬件结构设计方案,对系统发射模块中各电路单元的频率和电平进行了分析和规划,系统核心模块功能采用基于FPGA+ARM的架构实现。通过事先人工加注历书和星历,能有效缩短北斗卫星导航定位模块的首次定位时间。
中图分类号: TN962
文献标识码: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.171051
中文引用格式: 傅军,钟斌,陈永冰. 水下北斗导航星历及历书无线加注系统设计[J].电子技术应用,2017,43(11):54-57.
英文引用格式: Fu Jun,Zhong Bin,Chen Yongbing. Design of underwater Beidou navigation ephemeris and almanac wireless injection and detection system[J].Application of Electronic Technique,2017,43(11):54-57.

Design of underwater Beidou navigation ephemeris and almanac wireless injection and detection system

Fu Jun1,Zhong Bin2,Chen Yongbing1
(1.College of Electrical Engineering,Naval University of Engineering,Wuhan 430033,China; 2.Administrative Office of Training,Naval University of Engineering,Wuhan 430033,China)
Abstract: In order to improve the first time of the rapid positioning ability of Beidou satellite navigation module, this paper designs the wireless link system for underwater Beidou navigation almanac and ephemeris injection. Through comparative analysis of the advantages and disadvantages of different approaches, it introduces the structure of system hardware design. Analysis and planning of the frequency and level system of emission of each circuit unit module are given. The core module of the system is implemented based on FPGA+ARM architecture. Through the pre manual filling almanac and ephemeris,it can effectively shorten the first time to position for the Beidou satellite navigation and positioning module.

0 引言

    北斗卫星导航接收设备通常通过接收北斗卫星信号获取导航星历历书后实现定位解算[1-2]。导航星历用于定位计算,历书用于接收设备快速捕获卫星以及预报卫星位置[3-4]。导航星历的有效性一般为4小时,历书的有效期一般为半年。由于水下航行器用来进行位置校正的定位浮标和武器系统中的北斗卫星导航定位模块长时间处于存储状态[5-6],在投入使用后,通常要对导航星历和历书进行更新,方能定位输出。从上电到输出定位结果往往需要数分钟的时间。作战时,若卫星导航民用信号被敌方干扰,北斗卫星导航定位模块只能通过对军用信号进行捕获和跟踪以完成定位[7-8]。这样,完成首次定位所需的时间会更长。对于精确制导武器和水下航行器位置校正来说,首次定位时间的延长,将会影响武器效能的发挥和增加水下航行器的暴露风险。因此,有必要在定位浮标和武器使用之前对其中的北斗卫星导航定位模块进行人工初始化,以缩短定位时间,充分发挥武器效能和降低水下航行器暴露风险。

1 技术途径分析

    对导航定位模块的人工初始化主要有以下技术途径[9-10]

    (1)直接式。水面、陆基以及空基载体,能够具备较好的卫星导航信号接收条件,因此能够随时接收真实导航信号,或者通过转发的方式把载体接收的卫星导航信号实时转发,从而保持导航星历和历书的更新。但是对于水下航行器,在水下航行时无法接收卫星导航信号,因此不能采用直接式的技术途径。

    (2)位置注入式。通过北斗卫星导航定位模块的通信端口,向模块输入从惯性导航系统等得到的载体位置,北斗卫星导航定位模块再由载体位置推算历书,从而实现快速卫星信号捕获。此途径除了需要惯性导航系统等外部辅助信号,还需要北斗卫星导航定位模块支持历书推算,而目前正在使用的北斗卫星导航定位模块大部分不支持历书推算,因此,需要对北斗卫星导航定位模块进行升级,工作量大且不现实。

    (3)无线注入式。模拟产生卫星导航信号,调制需要加注的星历或历书,然后通过无线链路发射给北斗卫星导航定位模块。北斗卫星导航定位模块通过天线接收模拟信号后,解析出此星历或历书,从而完成注入。通过无线链路对初始化参数的加注是一种对现有北斗卫星导航定位模块影响最小的注入方式,不仅不需要对现北斗卫星导航定位模块进行修改,同时还可在使用前从天线开始,对北斗卫星导航定位模块进行全功能检测。

    综上,采用无线注入式的技术途径来实现北斗卫星导航定位模块的初始化。

2 系统设计

    整个系统由接收功能模块、发射信号生成模块、专用发射天线模块三部分组成。系统总体框架如图1所示,接收功能模块使用载体中北斗导航用户机,接收B1和B3频点的导航信号,解析出星历和历书,并实时传输给发射功能模块。发射功能模块接收星历和历书数据,并存储到本地。当接收功能模块进行导航信息接收时,可以通过1PPS接口和授时接口对发射功能模块进行校时。经过校时的发射功能模块,能够实现卫星导航信号的生成。

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    在北斗卫星导航定位模块需要实现定位之前或者进行导航功能测试时,注入模块调用发射功能模块,把存储的星历和历书调制到导航信号,并通过天线发射。北斗卫星导航定位模块从天线接收发射的导航信号,进行捕获、跟踪、位同步、帧同步等一系列处理,解析出星历和历书,获得能够用于初始化的数据,同时对整个导航链路功能完好性进行了测试。

3 发射信号生成模块设计

    发射功能模块能够在B1和B3双频点同时工作,具体的实现功能如图2所示。从图中可以看出,基带数字信号生成模块同时生成B1和B3频点的中频信号,分别输出给不同的DAC以及模拟链路;经过上变频、滤波等一系列处理之后,再实现B1和B3频点的合路输出。此方案的优点在于能够同时输出B1和B3频点的信号,不需要对PLL环路进行配置,可以直接设定固定的频率。

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3.1 中频数字信号生成模块

    中频数字信号生成模块基于FPGA+ARM的方案实现,如图3所示,包含1片FPGA芯片和1片ARM芯片。其中FPGA芯片实现中频数字信号生成,ARM芯片实现中频信号的生成控制、电文获取以及显示控制等功能。

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    中频数字信号生成的原理框图如图4所示,主要分为两个模块,一个为基带信号生成通道,总共有24个,其中B1通道12个,B3通道12个;另一个为上变频模块,包括滤波和中频调制。为了描述简单清晰,图4只给出了其中一个频点的调制原理,另一个频点的原理与此完全相同。

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    基带信号生成通道利用载波、伪码以及需要注入的电文数据位信息生成基带信号。各个通道在完成各自通道的信号生成后,需要进行通道合路,且I/Q支路分别合路,然后输出到上变频模块。并且,B1频点和B3频点信号分开进行基带信号生成,两个频点信号之间,在数字部分不进行合路。

    上变频模块完成基带信号的数据速率变换以及中频调制。I/Q支路信号通过正交调制到中频频率,最后通过DAC以及滤波得到模拟中频信号。图4同时给出了各模块的中间字长。

3.2 DAC模块

    DAC模块的频率为100 MHz,采用普通的DAC芯片即可实现,推荐采用AD9857芯片。

3.3 滤波与混频模块

    本设计采用普通的LC电路实现中频信号的低通滤波。理论上此滤波器需要采用带通滤波器实现,但是因为中频频率较低,且在射频部分还会进行滤波,因此,为了实现简单,采用了低通滤波器实现。混频器功能可以采用混频器芯片实现。

4 天线模块设计

    天线采用能够发射B1和B3信号的线极化天线实现,此类天线产品非常成熟。卫星导航设备通常采用右旋圆极化天线进行信号接收,在此采用线极化天线发射导航信号,会造成接收端3 dB信号的损失,但是在此系统应用时,接收设备和信号发射的注入模块相距非常近,信号在空间链路的衰减较小,因而即使信号的功率损失3 dB,也能完全满足电平规划要求。表2给出的电平规划就是采用线极化天线设计的。因为线极化天线的体积非常小,便于集成实现,所以对注入模块的结构和外观设计带来了非常大的便利。由于在封闭环境内使用,还需要在设计中尽量降低发射信号的泄漏,以免造成对其他设备的干扰。解决途径是通过采用金属天线罩,将发射天线和加注对象接收天线部分整体屏蔽,同时,在满足信号传输的前提下,尽量降低发射功率。

5 发射链路频率规划

    (1)系统数字处理时钟频率。首先,需要确定的是数字链路的工作频率。因为需要产生B1和B3频点的数字中频信号,而B3频点的码率为10.23 MHz,信号的带宽为24 MHz。因此,B3频点的数字中频载波设计应当大于12 MHz。为了能够产生性能较好的大于12 MHz的数字中频载波,需要系统时钟远大于12 MHz。同时,DAC模块也需要与数字中频同样的系统时钟,实现对数字信号的同步采集。结合市场上目前比较成熟的晶振和DAC方案,可选择100 MHz的晶振作为系统的频率基准,同时作为数字部分的系统时钟。

    (2)模拟链路时钟频率。对于模拟链路的时钟频率规划,主要包括B1频点的中频频率以及PLL输出频率和B3频点的中频频率以及PLL输出频率。其中B1频点的中心频率为1 561.098 MHz,带宽为4.092 MHz;B3频点的频率为1 268.52 MHz,信号带宽为24 MHz。根据频率规划的原理,设计如表1所示频率规划。

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6 发射链路电平规划

    整个发射链路的电平规划包括DAC输出电平、低通滤波器损耗、混频器损耗、射频滤波器损耗、合路器损耗、衰减器损耗控制、天线增益、空间链路损耗等8个环节。对于北斗应用系统的接收设备而言,接收的信号电平范围通常为-100 dBm~-133 dBm。因此,根据此电平需求,规划上述8个部分的电平。表2给出了各部分的损耗以及电平的动态范围。从中看出,可以通过衰减器实现40 dB范围的动态调整,完全满足接收天线端口的电平大小和动态范围要求。

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7 结论

    为了解决水下航行器定位浮标、武器系统中北斗卫星导航定位模块长时间存储后首次定位时间长的问题,在分析了不同技术途径优缺点的基础上,本文设计了一种可通过无线链路对北斗卫星导航定位模块事先人工加注历书和星历,同时还能进行导航信号处理链路功能完好性检测的方案。着重阐述了系统设计架构,给出了发射模块的硬件实现和整体频率与电平规划。系统通过无线事先人工加注历书和星历,缩短首次定位时间,对充分发挥武器效能和提高水下航行器生存能力,具有重要的军事应用价值。

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作者信息:

傅  军1,钟  斌2,陈永冰1

(1.海军工程大学 电气工程学院,湖北 武汉430033;2.海军工程大学 训练部,湖北 武汉430033)

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