0 引言

    偽衛(wèi)星系統(tǒng)作為一種無線導(dǎo)航發(fā)射設(shè)備，可以用作增強GPS星座，也能構(gòu)成獨立的導(dǎo)航定位系統(tǒng)。與GPS衛(wèi)星裝備的原子鐘不同，偽衛(wèi)星的時鐘通常選擇精度不高的低端時鐘，會產(chǎn)生鐘漂誤差^[1-2]。依據(jù)衛(wèi)星導(dǎo)航定位原理，為保證用戶接收機的定位精度和授時精度，系統(tǒng)中的偽衛(wèi)星必須保持時間同步。

    偽衛(wèi)星時間同步系統(tǒng)采用無線雙向微波時間同步方案，具有組網(wǎng)靈活、可擴展性好、綜合成本低等優(yōu)點。依據(jù)測量終端間傳播路徑相同特性，基于偽距測量模式的無線雙向時間同步系統(tǒng)可以最大限度地消除由路徑不同引起的誤差，實現(xiàn)精確測距與時間同步^[3]。根據(jù)測量終端發(fā)射機與接收機信號閉環(huán)傳輸鏈路，可實現(xiàn)終端間載波頻率同步。

1 系統(tǒng)總體構(gòu)架

    本文設(shè)計的偽衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)時頻同步系統(tǒng)由1個主站偽衛(wèi)星、4個或以上從站偽衛(wèi)星構(gòu)成，各站均采用具有自校準功能的偽衛(wèi)星收發(fā)器陣列結(jié)構(gòu)（Self-Calibrating Pseudolite Array，SCPA），每個收發(fā)器主要由發(fā)射機和接收機兩個部分組成^[2]。采用主從模式的自差收發(fā)器結(jié)構(gòu)，每個收發(fā)器使用一個時鐘源，實現(xiàn)發(fā)射部分和接收部分時間基準統(tǒng)一。通過信號分路與合路設(shè)計，調(diào)節(jié)發(fā)射信號功率，接收機同時接收天線端與同源發(fā)射端的偽衛(wèi)星信號，形成信號閉環(huán)收發(fā)，可減小收發(fā)器系統(tǒng)測量誤差。偽衛(wèi)星系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。

    偽衛(wèi)星系統(tǒng)的收發(fā)器主要包括射頻信號收發(fā)單元和中頻信號處理單元。射頻信號收發(fā)單元主要發(fā)射與接收偽衛(wèi)星頻點的導(dǎo)航信號，并完成中頻信號與射頻信號的轉(zhuǎn)換。射頻上變頻模塊通過對發(fā)射基帶模擬中頻信號與本振混頻生成偽衛(wèi)星射頻信號，通過分路器，一路信號經(jīng)發(fā)射天線播發(fā)，另一路信號經(jīng)功率調(diào)節(jié)器發(fā)送到接收端；射頻接收單元下變頻模塊通過對射頻信號與本振混頻產(chǎn)生接收端模擬中頻信號。

    中頻信號處理單元是以FPGA和DSP作為核心基帶處理芯片，主要由發(fā)射信號基帶處理模塊、D/A數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊、接收信號基帶處理模塊、A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊和時間同步模塊組成。發(fā)射信號基帶處理模塊實現(xiàn)偽衛(wèi)星導(dǎo)航信號的電文編碼與信號調(diào)制，經(jīng)過D/A數(shù)模轉(zhuǎn)換電路產(chǎn)生模擬中頻信號；接收信號基帶處理模塊接收A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換電路輸出的數(shù)字中頻信號，實現(xiàn)信號的捕獲、跟蹤與電文解碼，完成與上位機界面的交互；時間同步模塊主要完成從站與主站鐘差的測量與修正，產(chǎn)生同步的時間信號。

2 系統(tǒng)主要硬件電路設(shè)計

2.1 下變頻電路設(shè)計

    本系統(tǒng)下變頻設(shè)計電路選用潤芯公司生產(chǎn)的一款高度集成的射頻芯片RX3007，片上集成了鏡頻抑制混頻器、帶通濾波器、自動增益控制電路、壓控振蕩器、中頻放大器、模數(shù)變換器等電路；支持GPS L1/BD2 B1信號雙通道同時工作；通道噪聲系數(shù)小于2.5 dB，通道增益110 dB，支持有源和無源天線工作模式；參考時鐘輸入范圍為10 MHz～40 MHz，可通過SPI控制接口配置模擬中頻或數(shù)字中頻輸出。本設(shè)計A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換使用該芯片2 bit模數(shù)轉(zhuǎn)換器，分別對模擬信號進行采樣，采樣時鐘為 16.368 MHz，將頻率為4.092 MHz的模擬中頻信號量化成數(shù)字中頻信號，以SIGN、MAG碼輸出給FPGA基帶芯片。下變頻模塊電路圖如圖2所示。

2.2 D/A數(shù)模轉(zhuǎn)換電路設(shè)計

    數(shù)模轉(zhuǎn)換電路設(shè)計選用Analog Devices公司的AD9744低功耗14 bit數(shù)模轉(zhuǎn)換器，采樣時鐘輸入支持210 MSPS轉(zhuǎn)換速率。輸出端設(shè)計采用單電源直流差分耦合電路，模擬差分輸出經(jīng)AD8041放大器實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)緩沖。FPGA發(fā)射基帶處理模塊輸出包含B1和L1頻點的偽衛(wèi)星數(shù)字中頻信號，經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換器分別生成中頻頻率為11.098 MHz和25.42 MHz的模擬中頻信號。D/A數(shù)模轉(zhuǎn)換電路如圖3所示。

2.3 上變頻電路設(shè)計

    射頻上變頻單元主要包括頻率合成器、混頻器和濾波器。頻率合成器選用Silicon LABS公司的SI41XX系列芯片，通過MCU單片機配置本振頻率為1 550 MHz；混頻器選用Mini-Circuits公司的無源混頻器JMS-11，中頻信號與本振混頻得到頻點為1 561.098 MHz和1 575.42 MHz的偽衛(wèi)星射頻信號，完成頻譜搬移；濾波器選用臺灣嘉碩科技公司的TA1166A聲表面濾波器（SAW），該濾波器中心頻率為1 575.5 MHz，帶寬為30 MHz，插入損耗不超過3.0 dB，經(jīng)濾波后可剔除不必要的信號及雜訊。射頻上變頻模塊電路圖如圖4所示。

3 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

3.1 雙向偽距測量與時間同步技術(shù)設(shè)計

    雙向偽距測量通過主站與從站的收發(fā)器設(shè)備，接收端利用偽碼和載波相位跟蹤結(jié)果，得到偽距測量值，構(gòu)建雙向測距方程，從而實現(xiàn)兩站間的距離測量與時間同步。DSP接收端采用載波相位平滑偽距算法設(shè)計，利用精確的載波相位測量值對粗糙的偽碼測量值進行平滑處理，提高偽距測量值的測量精度^[4]。雙向偽距測量的原理圖如圖5所示。其中，T_i為偽距測量值，t_i為傳輸時間，為發(fā)射時延，為接收時延，Δt為鐘差。

    (1)主站發(fā)射端在本地時間0時刻發(fā)射偽衛(wèi)星射頻信號A，主站與從站接收端跟蹤主站信號A，主站通道1偽距測量值T_A1；

    (2)從站接收端跟蹤信號A且?guī)匠晒螅瑥恼綟PGA時間同步信號處理模塊啟動從站本地時間計數(shù)，得到從站通道1的偽距測量值T_B1；

    (3)從站FPGA發(fā)射端根據(jù)本地時間同步產(chǎn)生從站信號B，得到鐘差Δt，主站與從站接收端跟蹤從站信號B，主站通道2和從站通道2得到各自的偽距測量值T_A2、T_B2；

    (4)從站DSP發(fā)射端將得到的偽距觀測量寫入電文，主站得到同源發(fā)射端與從站的偽距測量結(jié)果，構(gòu)建雙向測距方程，得到主站偽衛(wèi)星和從站偽衛(wèi)星的時鐘差Δt和兩站間的距離時間t_D。

    時間同步技術(shù)主要在從站偽衛(wèi)星收發(fā)器中實現(xiàn)，DSP程序主要完成信號跟蹤環(huán)路設(shè)計，并根據(jù)無線雙向偽距測量結(jié)果，通過時延處理模塊實時解算鐘差。FPGA程序設(shè)計主要通過時鐘計數(shù)與直接數(shù)字式頻率合成器(Direct Digital Synthesizer，DDS)計數(shù)相結(jié)合的方式實現(xiàn)鐘差修正。具體的實現(xiàn)流程圖如圖6所示。

    時間信號同步設(shè)計單元一方面完成本地時間與偽衛(wèi)星發(fā)射信號同步，另一方面根據(jù)時延數(shù)據(jù)修正模塊的結(jié)果調(diào)整本地時間與主站時間同步。FPGA發(fā)射端接收到DSP通過解調(diào)電文獲得的主站時間與啟動狀態(tài)標(biāo)志位后，開始本地時間計數(shù)，并在數(shù)據(jù)第一幀時刻啟動偽碼和數(shù)據(jù)碼生成，通過移位器時延修正，實現(xiàn)本地發(fā)射信號與本地時間同步。

    DSP將主站與從站鐘差測量結(jié)果轉(zhuǎn)換成以毫秒計數(shù)與偽碼碼片計數(shù)的粗時延修正值，F(xiàn)PGA通過時鐘計數(shù)與FIFO移位設(shè)計實現(xiàn)粗時延修正。將小于一個碼片的時延修正值轉(zhuǎn)換為偽碼數(shù)字控制振蕩器(Numerically Controlled Oscillator，NCO)相位的細時延修正值，F(xiàn)PGA通過DDS技術(shù)調(diào)整NCO相位累加器的方式將時延結(jié)果作為補償值修正從站本地時間與本地偽碼和數(shù)據(jù)碼信號。根據(jù)修正后的本地時間，輸出PPS秒脈沖，同時在整數(shù)秒開始時刻產(chǎn)生同步的從站偽衛(wèi)星發(fā)射信號，實現(xiàn)本地時間與主站時間同步。

    鐘差測量的精確度決定了系統(tǒng)的同步精度，對鐘差的修正誤差會增加系統(tǒng)修正誤差，在保證鐘差精度的同時，應(yīng)當(dāng)盡可能地減小系統(tǒng)修正誤差。直接采用時鐘計數(shù)方法對鐘差進行修正，修正的系統(tǒng)誤差為1個時鐘周期，62 MHz系統(tǒng)工作時鐘頻率的修正誤差約為16 ns。本文采用FPGA時鐘計數(shù)與DDS計數(shù)相結(jié)合的方式，可以實現(xiàn)高精度的時延修正，取相位累加器位數(shù)N為32時的時間修正分辨率為：

    由于DSP接收端跟蹤環(huán)路噪聲的影響，輸出的PPS具有一定的抖動性。采用以最小均方誤差為準則的Kalman濾波算法，通過測量秒脈沖的時間間隔，用前一時刻估計值與當(dāng)前時刻測量值來估計得到濾波后PPS秒脈沖，實現(xiàn)對秒信號抖動的處理^[6]。

3.2 載波同步技術(shù)設(shè)計

    由于偽衛(wèi)星的晶體振蕩器存在頻率漂移與準確度偏差等原因，在上下變頻模塊實現(xiàn)頻譜搬移過程中會發(fā)生頻偏，會直接影響用戶接收機利用載波相位測量值定位。接收端信號跟蹤環(huán)路以閉環(huán)反饋的形式實現(xiàn)對接收信號的鎖定，本文在從站偽衛(wèi)星DSP接收端跟蹤通道載波環(huán)中加入發(fā)射端載波閉環(huán)修正環(huán)路，實現(xiàn)主站發(fā)射端載波頻率與從站發(fā)射端載波同步。具體的環(huán)路設(shè)計如圖7所示。

    FPGA混頻模塊將數(shù)字中頻信號s_IF(n)與本地正弦載波信號混頻得到同相支路(I支路)結(jié)果，與本地余弦載波信號混頻得到正交支路(Q支路)結(jié)果，兩路結(jié)果通過相關(guān)積分模塊與本地偽碼相關(guān)累加得到1 ms的積分結(jié)果I_p(n)、Q_p(n)。

    DSP載波環(huán)路整體設(shè)計采用二階鎖頻環(huán)輔助三階鎖相環(huán)結(jié)構(gòu)。鎖頻環(huán)調(diào)整本地復(fù)制的載波頻率與接收信號的載波頻率達到一致，鎖相環(huán)調(diào)整環(huán)路輸出信號的相位，使其與輸入信號的相位保持一致，主要區(qū)別在于鑒別器的不同。本文DSP程序設(shè)計采用的鑒頻方法為符號函數(shù)sign(·)鑒頻，此方法對數(shù)據(jù)比特跳變不敏感且計算量較小，其計算公式如下：

    當(dāng)鎖相環(huán)鎖定信號后，相位差異基本在零值晃動。FPGA的數(shù)控振蕩器根據(jù)本地載波初始頻率控制字與環(huán)路鑒相結(jié)果通過正弦和余弦函數(shù)查詢表得到與輸入載波同步的本地載波信號。

    FPGA載波積分器累加本地復(fù)制的主站與從站載波相位值，通過對載波相位積分結(jié)果作差可以消除本地頻偏，得到與主站相差的載波頻率與相位值，以10 ms的更新速率閉環(huán)修正從站發(fā)射端載波信號，從而實現(xiàn)主站與從站發(fā)射信號載波同步。

    載波同步對比結(jié)果如圖8所示，其中圖8（a）為載波未同步修正下用戶接收機跟蹤主站與從站載波相位作差的結(jié)果；圖8（b）為從站載波同步修正后的載波相位差結(jié)果；圖8（c）為主站與從站同源情況下的載波相位差結(jié)果。

4 測試結(jié)果

    本文設(shè)計的偽衛(wèi)星系統(tǒng)采用SCPA結(jié)構(gòu)，通過雙向測距與時間同步技術(shù)實現(xiàn)偽衛(wèi)星自組織網(wǎng)絡(luò)時間同步，通過接收端與從站發(fā)射端載波閉環(huán)修正實現(xiàn)主站載波頻率與從站載波頻率同步。通過系統(tǒng)測試，載波同步結(jié)果如圖8所示，載波同步修正后的結(jié)果與同源情況下的結(jié)果相近，誤差小于0.1 Hz。圖9為主站與從站偽衛(wèi)星雙向測距零時延與50 m距離測試結(jié)果，零時延測試結(jié)果均方根誤差為5.64 cm；無線測試條件下50 m測距結(jié)果均方根誤差為9.26 cm。偽衛(wèi)星主站與從站的時間同步結(jié)果圖10所示（通道2為主站秒脈沖，通道3為從站秒脈沖），時間同步精度優(yōu)于2 ns，可達到系統(tǒng)設(shè)計要求。

5 結(jié)束語

    為解決偽衛(wèi)星自組織網(wǎng)絡(luò)時頻同步問題，本文設(shè)計了一種基于SCPA結(jié)構(gòu)的偽衛(wèi)星時頻同步系統(tǒng)。在集成DSP+FPGA與上下變頻硬件平臺上完成設(shè)計。該系統(tǒng)偽衛(wèi)星星間載波頻率同步優(yōu)于0.1 Hz，時間同步精度優(yōu)于2 ns，結(jié)合載波相位定位終端，可實現(xiàn)厘米級定位精度。該系統(tǒng)可應(yīng)用于區(qū)域內(nèi)導(dǎo)航與授時、地下定位、室內(nèi)定位等。

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作者信息:

紀元法1，2，梁  濤1，2，孫希延1，2，嚴素清1，2，盧偉軍1，2

（1.桂林電子科技大學(xué) 信息與通信學(xué)院，廣西 桂林541004；2.廣西精密導(dǎo)航技術(shù)與應(yīng)用重點實驗室，廣西 桂林541004）