0 引言

    北斗衛(wèi)星導(dǎo)航接收設(shè)備通常通過(guò)接收北斗衛(wèi)星信號(hào)獲取導(dǎo)航星歷和歷書(shū)后實(shí)現(xiàn)定位解算^[1-2]。導(dǎo)航星歷用于定位計(jì)算，歷書(shū)用于接收設(shè)備快速捕獲衛(wèi)星以及預(yù)報(bào)衛(wèi)星位置^[3-4]。導(dǎo)航星歷的有效性一般為4小時(shí)，歷書(shū)的有效期一般為半年。由于水下航行器用來(lái)進(jìn)行位置校正的定位浮標(biāo)和武器系統(tǒng)中的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位模塊長(zhǎng)時(shí)間處于存儲(chǔ)狀態(tài)^[5-6]，在投入使用后，通常要對(duì)導(dǎo)航星歷和歷書(shū)進(jìn)行更新，方能定位輸出。從上電到輸出定位結(jié)果往往需要數(shù)分鐘的時(shí)間。作戰(zhàn)時(shí)，若衛(wèi)星導(dǎo)航民用信號(hào)被敵方干擾，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位模塊只能通過(guò)對(duì)軍用信號(hào)進(jìn)行捕獲和跟蹤以完成定位^[7-8]。這樣，完成首次定位所需的時(shí)間會(huì)更長(zhǎng)。對(duì)于精確制導(dǎo)武器和水下航行器位置校正來(lái)說(shuō)，首次定位時(shí)間的延長(zhǎng)，將會(huì)影響武器效能的發(fā)揮和增加水下航行器的暴露風(fēng)險(xiǎn)。因此，有必要在定位浮標(biāo)和武器使用之前對(duì)其中的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位模塊進(jìn)行人工初始化,以縮短定位時(shí)間，充分發(fā)揮武器效能和降低水下航行器暴露風(fēng)險(xiǎn)。

1 技術(shù)途徑分析

    對(duì)導(dǎo)航定位模塊的人工初始化主要有以下技術(shù)途徑^[9-10]。

    (1)直接式。水面、陸基以及空基載體，能夠具備較好的衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)接收條件，因此能夠隨時(shí)接收真實(shí)導(dǎo)航信號(hào)，或者通過(guò)轉(zhuǎn)發(fā)的方式把載體接收的衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)，從而保持導(dǎo)航星歷和歷書(shū)的更新。但是對(duì)于水下航行器，在水下航行時(shí)無(wú)法接收衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)，因此不能采用直接式的技術(shù)途徑。

    (2)位置注入式。通過(guò)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位模塊的通信端口，向模塊輸入從慣性導(dǎo)航系統(tǒng)等得到的載體位置，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位模塊再由載體位置推算歷書(shū)，從而實(shí)現(xiàn)快速衛(wèi)星信號(hào)捕獲。此途徑除了需要慣性導(dǎo)航系統(tǒng)等外部輔助信號(hào)，還需要北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位模塊支持歷書(shū)推算，而目前正在使用的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位模塊大部分不支持歷書(shū)推算，因此，需要對(duì)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位模塊進(jìn)行升級(jí)，工作量大且不現(xiàn)實(shí)。

    (3)無(wú)線注入式。模擬產(chǎn)生衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)，調(diào)制需要加注的星歷或歷書(shū)，然后通過(guò)無(wú)線鏈路發(fā)射給北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位模塊。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位模塊通過(guò)天線接收模擬信號(hào)后，解析出此星歷或歷書(shū)，從而完成注入。通過(guò)無(wú)線鏈路對(duì)初始化參數(shù)的加注是一種對(duì)現(xiàn)有北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位模塊影響最小的注入方式，不僅不需要對(duì)現(xiàn)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位模塊進(jìn)行修改，同時(shí)還可在使用前從天線開(kāi)始，對(duì)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位模塊進(jìn)行全功能檢測(cè)。

    綜上，采用無(wú)線注入式的技術(shù)途徑來(lái)實(shí)現(xiàn)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位模塊的初始化。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

    整個(gè)系統(tǒng)由接收功能模塊、發(fā)射信號(hào)生成模塊、專(zhuān)用發(fā)射天線模塊三部分組成。系統(tǒng)總體框架如圖1所示，接收功能模塊使用載體中北斗導(dǎo)航用戶(hù)機(jī)，接收B1和B3頻點(diǎn)的導(dǎo)航信號(hào)，解析出星歷和歷書(shū)，并實(shí)時(shí)傳輸給發(fā)射功能模塊。發(fā)射功能模塊接收星歷和歷書(shū)數(shù)據(jù)，并存儲(chǔ)到本地。當(dāng)接收功能模塊進(jìn)行導(dǎo)航信息接收時(shí)，可以通過(guò)1PPS接口和授時(shí)接口對(duì)發(fā)射功能模塊進(jìn)行校時(shí)。經(jīng)過(guò)校時(shí)的發(fā)射功能模塊，能夠?qū)崿F(xiàn)衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)的生成。

    在北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位模塊需要實(shí)現(xiàn)定位之前或者進(jìn)行導(dǎo)航功能測(cè)試時(shí)，注入模塊調(diào)用發(fā)射功能模塊，把存儲(chǔ)的星歷和歷書(shū)調(diào)制到導(dǎo)航信號(hào)，并通過(guò)天線發(fā)射。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位模塊從天線接收發(fā)射的導(dǎo)航信號(hào)，進(jìn)行捕獲、跟蹤、位同步、幀同步等一系列處理，解析出星歷和歷書(shū)，獲得能夠用于初始化的數(shù)據(jù)，同時(shí)對(duì)整個(gè)導(dǎo)航鏈路功能完好性進(jìn)行了測(cè)試。

3 發(fā)射信號(hào)生成模塊設(shè)計(jì)

    發(fā)射功能模塊能夠在B1和B3雙頻點(diǎn)同時(shí)工作，具體的實(shí)現(xiàn)功能如圖2所示。從圖中可以看出，基帶數(shù)字信號(hào)生成模塊同時(shí)生成B1和B3頻點(diǎn)的中頻信號(hào)，分別輸出給不同的DAC以及模擬鏈路；經(jīng)過(guò)上變頻、濾波等一系列處理之后，再實(shí)現(xiàn)B1和B3頻點(diǎn)的合路輸出。此方案的優(yōu)點(diǎn)在于能夠同時(shí)輸出B1和B3頻點(diǎn)的信號(hào)，不需要對(duì)PLL環(huán)路進(jìn)行配置，可以直接設(shè)定固定的頻率。

3.1 中頻數(shù)字信號(hào)生成模塊

    中頻數(shù)字信號(hào)生成模塊基于FPGA+ARM的方案實(shí)現(xiàn)，如圖3所示，包含1片F(xiàn)PGA芯片和1片ARM芯片。其中FPGA芯片實(shí)現(xiàn)中頻數(shù)字信號(hào)生成，ARM芯片實(shí)現(xiàn)中頻信號(hào)的生成控制、電文獲取以及顯示控制等功能。

    中頻數(shù)字信號(hào)生成的原理框圖如圖4所示，主要分為兩個(gè)模塊，一個(gè)為基帶信號(hào)生成通道，總共有24個(gè)，其中B1通道12個(gè)，B3通道12個(gè)；另一個(gè)為上變頻模塊，包括濾波和中頻調(diào)制。為了描述簡(jiǎn)單清晰，圖4只給出了其中一個(gè)頻點(diǎn)的調(diào)制原理，另一個(gè)頻點(diǎn)的原理與此完全相同。

    基帶信號(hào)生成通道利用載波、偽碼以及需要注入的電文數(shù)據(jù)位信息生成基帶信號(hào)。各個(gè)通道在完成各自通道的信號(hào)生成后，需要進(jìn)行通道合路，且I/Q支路分別合路，然后輸出到上變頻模塊。并且，B1頻點(diǎn)和B3頻點(diǎn)信號(hào)分開(kāi)進(jìn)行基帶信號(hào)生成，兩個(gè)頻點(diǎn)信號(hào)之間，在數(shù)字部分不進(jìn)行合路。

    上變頻模塊完成基帶信號(hào)的數(shù)據(jù)速率變換以及中頻調(diào)制。I/Q支路信號(hào)通過(guò)正交調(diào)制到中頻頻率，最后通過(guò)DAC以及濾波得到模擬中頻信號(hào)。圖4同時(shí)給出了各模塊的中間字長(zhǎng)。

3.2 DAC模塊

    DAC模塊的頻率為100 MHz，采用普通的DAC芯片即可實(shí)現(xiàn)，推薦采用AD9857芯片。

3.3 濾波與混頻模塊

    本設(shè)計(jì)采用普通的LC電路實(shí)現(xiàn)中頻信號(hào)的低通濾波。理論上此濾波器需要采用帶通濾波器實(shí)現(xiàn)，但是因?yàn)橹蓄l頻率較低，且在射頻部分還會(huì)進(jìn)行濾波，因此，為了實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，采用了低通濾波器實(shí)現(xiàn)?；祛l器功能可以采用混頻器芯片實(shí)現(xiàn)。

4 天線模塊設(shè)計(jì)

    天線采用能夠發(fā)射B1和B3信號(hào)的線極化天線實(shí)現(xiàn)，此類(lèi)天線產(chǎn)品非常成熟。衛(wèi)星導(dǎo)航設(shè)備通常采用右旋圓極化天線進(jìn)行信號(hào)接收，在此采用線極化天線發(fā)射導(dǎo)航信號(hào)，會(huì)造成接收端3 dB信號(hào)的損失，但是在此系統(tǒng)應(yīng)用時(shí)，接收設(shè)備和信號(hào)發(fā)射的注入模塊相距非常近，信號(hào)在空間鏈路的衰減較小，因而即使信號(hào)的功率損失3 dB，也能完全滿足電平規(guī)劃要求。表2給出的電平規(guī)劃就是采用線極化天線設(shè)計(jì)的。因?yàn)榫€極化天線的體積非常小，便于集成實(shí)現(xiàn)，所以對(duì)注入模塊的結(jié)構(gòu)和外觀設(shè)計(jì)帶來(lái)了非常大的便利。由于在封閉環(huán)境內(nèi)使用，還需要在設(shè)計(jì)中盡量降低發(fā)射信號(hào)的泄漏，以免造成對(duì)其他設(shè)備的干擾。解決途徑是通過(guò)采用金屬天線罩，將發(fā)射天線和加注對(duì)象接收天線部分整體屏蔽，同時(shí)，在滿足信號(hào)傳輸?shù)那疤嵯?，盡量降低發(fā)射功率。

5 發(fā)射鏈路頻率規(guī)劃

    (1)系統(tǒng)數(shù)字處理時(shí)鐘頻率。首先，需要確定的是數(shù)字鏈路的工作頻率。因?yàn)樾枰a(chǎn)生B1和B3頻點(diǎn)的數(shù)字中頻信號(hào)，而B(niǎo)3頻點(diǎn)的碼率為10.23 MHz，信號(hào)的帶寬為24 MHz。因此，B3頻點(diǎn)的數(shù)字中頻載波設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)大于12 MHz。為了能夠產(chǎn)生性能較好的大于12 MHz的數(shù)字中頻載波，需要系統(tǒng)時(shí)鐘遠(yuǎn)大于12 MHz。同時(shí)，DAC模塊也需要與數(shù)字中頻同樣的系統(tǒng)時(shí)鐘，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)字信號(hào)的同步采集。結(jié)合市場(chǎng)上目前比較成熟的晶振和DAC方案，可選擇100 MHz的晶振作為系統(tǒng)的頻率基準(zhǔn)，同時(shí)作為數(shù)字部分的系統(tǒng)時(shí)鐘。

    (2)模擬鏈路時(shí)鐘頻率。對(duì)于模擬鏈路的時(shí)鐘頻率規(guī)劃，主要包括B1頻點(diǎn)的中頻頻率以及PLL輸出頻率和B3頻點(diǎn)的中頻頻率以及PLL輸出頻率。其中B1頻點(diǎn)的中心頻率為1 561.098 MHz，帶寬為4.092 MHz；B3頻點(diǎn)的頻率為1 268.52 MHz，信號(hào)帶寬為24 MHz。根據(jù)頻率規(guī)劃的原理，設(shè)計(jì)如表1所示頻率規(guī)劃。

6 發(fā)射鏈路電平規(guī)劃

    整個(gè)發(fā)射鏈路的電平規(guī)劃包括DAC輸出電平、低通濾波器損耗、混頻器損耗、射頻濾波器損耗、合路器損耗、衰減器損耗控制、天線增益、空間鏈路損耗等8個(gè)環(huán)節(jié)。對(duì)于北斗應(yīng)用系統(tǒng)的接收設(shè)備而言，接收的信號(hào)電平范圍通常為-100 dBm～-133 dBm。因此，根據(jù)此電平需求，規(guī)劃上述8個(gè)部分的電平。表2給出了各部分的損耗以及電平的動(dòng)態(tài)范圍。從中看出，可以通過(guò)衰減器實(shí)現(xiàn)40 dB范圍的動(dòng)態(tài)調(diào)整，完全滿足接收天線端口的電平大小和動(dòng)態(tài)范圍要求。

7 結(jié)論

    為了解決水下航行器定位浮標(biāo)、武器系統(tǒng)中北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位模塊長(zhǎng)時(shí)間存儲(chǔ)后首次定位時(shí)間長(zhǎng)的問(wèn)題，在分析了不同技術(shù)途徑優(yōu)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上，本文設(shè)計(jì)了一種可通過(guò)無(wú)線鏈路對(duì)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位模塊事先人工加注歷書(shū)和星歷，同時(shí)還能進(jìn)行導(dǎo)航信號(hào)處理鏈路功能完好性檢測(cè)的方案。著重闡述了系統(tǒng)設(shè)計(jì)架構(gòu)，給出了發(fā)射模塊的硬件實(shí)現(xiàn)和整體頻率與電平規(guī)劃。系統(tǒng)通過(guò)無(wú)線事先人工加注歷書(shū)和星歷，縮短首次定位時(shí)間，對(duì)充分發(fā)揮武器效能和提高水下航行器生存能力，具有重要的軍事應(yīng)用價(jià)值。

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作者信息：

傅  軍1，鐘  斌2，陳永冰1

（1．海軍工程大學(xué) 電氣工程學(xué)院，湖北 武漢430033；2.海軍工程大學(xué) 訓(xùn)練部，湖北 武漢430033）