北斗定向設備檢測儀的設計與實現

杜 丹，李建雷，楊萬君

(1.陸軍北京軍代局駐石家莊地區(qū)軍代室，河北 石家莊 050081；2.衛(wèi)星導航系統與裝備技術國家重點實驗室，河北 石家莊 050081)

北斗定向設備檢測儀的設計與實現

杜 丹1，李建雷2，楊萬君1

(1.陸軍北京軍代局駐石家莊地區(qū)軍代室，河北 石家莊 050081；2.衛(wèi)星導航系統與裝備技術國家重點實驗室，河北 石家莊 050081)

針對北斗定向設備的產品線測試和外場檢測需求，設計并實現了一種體積小、成本低的便攜式北斗定向設備檢測儀，采用高精度數字延遲控制技術，實現了雙路定向信號模擬及對齊。為提高測試效率，采用自動化測試評估技術，實現了北斗設備定向精度的一鍵式測試。試驗結果表明，該檢測儀偽距控制精度優(yōu)于0.05m，雙路定向信號對齊精度優(yōu)于1 ns，定向角度自動化測試精度優(yōu)于0.01°，可以應用于北斗定向設備的生產線測試和外場檢測。

檢測儀；數字延遲濾波器；直接數字式頻率合成器；定向

0 引言

隨著北斗系統建設的不斷推進，北斗設備的應用越來越廣泛，大量的軍用民用平臺上都加裝了北斗設備，并且數量還在不斷增加。北斗設備的爆炸式增長對其測試保障能力提出了更高的要求，如何快速、高效、便捷地完成從產品線到加裝現場乃至北斗設備整個生命周期內的不間斷測試保障，使其持續(xù)發(fā)揮效力，成為亟待解決的問題。

當前已有或者在研的衛(wèi)星導航信號模擬器[1-2]，大多可設置測試場景。為了模擬測試場景，需要建立衛(wèi)星軌道、用戶軌跡和信號傳輸模型，占用大量的計算資源；進行場景數據傳輸時，又需要占用很大的數據傳輸帶寬，模擬器一般采用總線式架構[3]。基于該類模擬器搭建的北斗設備測試系統[4]普遍體積大、成本高，不利于推廣使用，無法完成多層次測試保障任務。

針對低成本、小型化的北斗測試設備需求，本文提出了測試場景預存的高精度衛(wèi)星導航信號產生方案，測試場景不再實時產生，而是選取若干典型場景預先存儲在本地板卡，通過讀取場景文件方式來產生衛(wèi)星導航模擬信號。這種方式大大減少了仿真計算量和設備間數據傳輸量，基于該方法構建的檢測設備體積小、成本低，能夠滿足大多數北斗設備的測試需求。

文基于數仿場景本地存儲和自動化測試評估思想，針對北斗定位定向設備的產品線和外場測試需求，研制了北斗定向設備檢測儀，實現了雙路高精度定向信號模擬和精準對齊以及北斗定位定向設備的一鍵式測試評估，可用于北斗定位定向設備全生命周期內的測試保障。

1 設備組成及工作原理

北斗定向設備檢測儀主要由測試控制評估模塊以及主從信號產生模塊組成，如圖1所示。

圖1 北斗定向設備檢測儀組成框圖

信號模擬所需的衛(wèi)星軌道、用戶軌跡、電離層對流層等建模，偽距、載波相位觀測量計算以及導航電文組幀等均在高性能計算機上完成，并保存為測試場景文件，經由測試控制評估模塊預先下載到信號產生模塊中。主、從信號產生模塊通過讀取存儲的場景文件，模擬生成定向設備基準天線和從天線接收到的北斗衛(wèi)星導航信號。北斗定向設備接收到雙天線模擬信號后，自動完成定位定向解算，并將解算結果上報至測試控制評估模塊，經與仿真設定值進行比對，給出評估結果。這種測試場景離線生成方法節(jié)省了大量的計算資源和數據接口帶寬，大大減輕了測試控制評估模塊的工作量和設備間接口復雜度，顯著降低了設備成本，減小了設備體積。

1.1 測試控制與評估模塊

測試控制評估模塊完成測試過程中的設備控制調度以及測試數據的解析和誤差評估，是整個檢測儀的控制中心。

為便于產品線測試和外場檢測使用，提高測試效率，減少人為干預，采用自動化測試評估技術，將測試過程中的測試設備控制、測試數據采集及誤差統計等單步操作按軟件語言“繪制”成測試控制評估模塊可識別的“測試流程圖”，操作者點選某項測試任務，測試控制與評估模塊就可以按照“測試流程圖”自動執(zhí)行測試，直至最終給出評估結果。

1.2 信號產生模塊

主、從信號產生模塊軟硬件完全相同，僅IP地址不同和場景文件不同。主信號產生模塊存儲基準天線的場景文件，產生基準天線射頻模擬信號；從信號產生模塊存儲從天線的場景文件，產生從天線射頻模擬信號。信號產生模塊由接口管理、場景存儲、時頻以及信號產生通道組成，如圖2所示。

圖2 信號產生模塊原理

信號產生模塊設計關鍵是高精度延遲的實現以及主從模塊射頻信號對齊。高精度延遲是衛(wèi)星導航信號模擬器的核心技術之一，本文基于數字信號處理理論，采用多級累加器和數字延遲濾波器技術實現延遲的精確控制。采用粗同步和鏈路延遲精細調整相結合的方法，通過系統時間同步實現粗同步，基于高精度數字延遲技術進行鏈路延遲精確補償，從而實現主從模塊射頻信號的精確對齊。

2 關鍵技術

2.1 高精度數字延遲控制技術

采用多級累加器和數字延遲濾波器組實現導航信號的高精度數字延遲控制，如圖3所示。

圖3 高精度數字延遲控制技術原理

由圖3看出，若把數字域導航信號看作樣點序列，基帶處理時鐘看作采樣時鐘，則多級累加器實時輸出相位就表示當前時刻采樣時鐘在模擬域導航信號中的采樣位置。根據實時相位獲取數字延遲濾波器組的子濾波器，并對碼元序列進行延遲濾波，則得到該采樣位置的樣點值，將樣點序列送入DA轉變?yōu)槟M信號，并經上變頻可產生高精度衛(wèi)星導航模擬信號。

這種數字延遲控制技術響應速度快、精度高，當信號延遲發(fā)生微小變化時，可以立刻反映在射頻輸出信號上，不僅可以實現偽碼相位的精確控制，產生高精度衛(wèi)星導航模擬信號，還可以準確控制設備零值，對鏈路延遲進行精確補償，從而保證系統的通道一致性。

高精度數字延遲控制技術的關鍵是多級累加器設計和數字延遲濾波器設計。數字延遲濾波器理論和設計已有成熟論述，可以采用抽取內插技術進行設計[5]，也可以對濾波器沖擊響應函數直接采樣量化實現[6]。多級累加器設計目前缺少數學模型方面的描述，這里從積分、級數、數字化角度進行闡述，為多級累加器數字設計提供參考。

設ρ′、ρ″、ρ?分別是測試場景中偽距延遲的一、二、三階觀測量，t0為時間初值，則t時刻偽距延遲可表示為：

不失一般性，令t0=0，且將上式用級數表示為：

對應數字化框圖如圖4所示。三級累加器頻率控制字分別為ρ?Δt3Δt2Δt1、ρ″Δt2Δt1和ρ′Δt1，更新率分別為Δt3、Δt2、Δt1。可見，各級累加器可以采用不同的更新率實現，與3級累加器皆采用同一種更新率[7-8]相比，可以降低功耗，減少累加器字長，降低資源消耗量，在小型化和低功耗衛(wèi)星導航信號模擬器設計中具有重要的意義。

圖4 多級DDS實現框圖

2.2 雙路定向模擬信號對齊技術

采用系統時間粗同步和鏈路延遲精確補償相結合的方式實現雙路定向模擬信號精確對齊。

系統時間同步指測試控制與評估模塊、主從信號產生模塊之間時間同步。首先進行主從信號產生模塊時頻同步。信號產生模塊可以使用自身10 MHz和1 PPS時頻信號，也可以外接時頻信號，當有外時頻信號輸入時，自動同步外時頻上。連接主從信號產生模塊的時頻輸入輸出，如圖1所示，可以實現兩模塊時頻同步。時頻同步完成后，進行主從信號產生模塊、測試控制評估模塊三者之間的仿真時間同步。信號產生模塊的狀態(tài)幀在1 PPS上升沿上報至測試控制評估模塊，狀態(tài)幀中包含了信號產生模塊工作狀態(tài)信息和模塊計時信息，測試控制評估模塊從測試場景文件中讀取起始仿真時刻信息，在接收到狀態(tài)幀時，立即向主從信號產生模塊下發(fā)起始仿真時刻信息，完成系統時間同步初始化。主從信號產生模塊以起始仿真時刻為起點開始計時，在每秒上升沿將狀態(tài)信息上報，測試控制評估模塊解析狀態(tài)信息，監(jiān)測主從信號產生模塊時間同步情況。系統時間同步過程如圖5所示。

圖5 系統時間同步

通過系統模塊時間同步，可以實現系統的粗同步，經過粗同步后，雙路射頻模擬信號對齊精度可以達到數十ns。粗同步誤差是由于模擬鏈路有差異導致的，對鏈路延遲進行標定后，基于高精度數字延遲控制技術，在數字基帶對同步誤差進行精確補償，定向信號對齊誤差可減小到1 ns以內。

2.3 定向精度自動化測試評估技術

采用可編輯腳本化測試模板[9]和基于狀態(tài)機的全面化異常處理機制實現定向精度自動化測試評估。

測試控制評估模塊按照測試模板中的測試步驟和測試參數完成測試設備控制、測試過程顯示、測試數據采集以及測試結果評估。全面分析測試過程中出現的多種可預測異常和不可預測異常，實現基于狀態(tài)機的異常處理機制，確保測試評估流程的健壯性。

定向精度自動化測試評估方法如下：按測試模板自動執(zhí)行系統時間同步和鏈路補償，生成精確對齊的雙頻雙路定向射頻模擬信號，控制待測北斗定向設備工作于雙頻定向模式，將北斗定向設備上報的定向信息與仿真信息設定值進行比較，計算定向角度誤差。角度誤差計算方法如下：

3 試驗驗證

3.1 偽距延遲控制精度測試

偽距延遲控制精度測試方法[10]如圖6所示。以1PPS上升沿為參考，使用高速示波器分別測試基準天線信號和從天線信號的過零點延遲。

(a) 試連接 (b) 向零值過零點圖6 偽距控制精度測試

以0.05 m(合0.167 ns)為步進量設置偽距延遲變化，每步進一次，進行一次過零點偽距延遲統計。共步進10次，獲取11組測量數據。偽距精度按下式進行計算：

Δρn-1=ρn-ρn-1-0.05，

式中，n=2，……，11。

主、從信號產生模塊B1、B3頻點原始測量值曲線和偽距控制精度曲線如圖7所示。

圖7 偽距延遲控制精度

由圖7可見，主信號產生器B3頻點偽距控制精度優(yōu)于0.04 m，B1頻點優(yōu)于0.03 m；從信號產生器B3頻點偽距精度優(yōu)于0.03 m，B1頻點優(yōu)于0.02 m。主從信號產生模塊B1、B3頻點偽距控制精度均優(yōu)于0.05 m。

3.2 射頻信號對齊精度分析

根據圖7(a)、圖7(b)，分別計算主從信號產生模塊B1、B3頻點射頻信號之間的對齊誤差，如圖8所示。

圖8 雙路射頻信號對齊誤差

由圖8可見，經過精同步后，兩板卡B1、B3頻點射頻信號之間的時延差不超過1 ns。實際上，只要鏈路零值能夠準確標定，則進行鏈路延遲精細補償后誤差可減小到與偽距延遲誤差相當，即0.05 m(0.167 ns)以內。多次試驗表明，B1、B3頻點射頻信號對齊誤差能夠控制在1 ns內。

3.3 定向角度自動化測試精度

使用商用北斗定位定向儀對該檢測儀進行了測試驗證，測試連接如圖9所示。

圖9 定向精度自動化測試驗證

該定位定向儀采用雙頻定向方式。控制檢測儀產生雙路雙頻北斗B1、B3衛(wèi)星導航模擬信號，分別注入到定位定向儀基準天線端和從天線端，等待定位定向儀定向后，收取定向數據，并對定向結果進行評估。

共設置2 m基線180°、2 m基線90°、3 m基線180°和3 m基線90°四種場景。其自動化測試結果分別如圖10所示。

圖10 4種場景定向結果

自動化角度誤差評估曲線分別如圖11所示。

圖11 4種場景的定向誤差

由圖可見，4種場景情況下，待北斗定位定向儀定向結果收斂后，定向角度誤差均在0.01°內。北斗定位定向儀定向結果連續(xù)無中斷，誤差曲線平穩(wěn)，定向結果具有較高的精度，這表明該檢測儀具有較好的定向仿真精度和定向測試精度。

4 結束語

由試驗驗證結果可知，這種便攜式、低成本北斗定向設備檢測儀具有較高的偽距控制精度和射頻信號對齊精度，能夠精確實現雙頻雙路定向信號仿真和定向角度的自動化測試評估。設備研制所采取的場景預存式衛(wèi)星導航信號模擬思想以及所實現的高精度數字偽距控制技術、自動化測試評估技術等可以應用于同類檢測設備的研制。隨著我國衛(wèi)星導航事業(yè)的不斷推進，對北斗設備的測試需求必然會持續(xù)增長，該類檢測儀擁有廣闊的市場空間。

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DesignandImplementationofTestingEquipmentforBeidouOrientator

DU Dan1,LI Jian-lei2,YANG Wan-jun1

(1.MilitaryRepresentativeOfficeinShijiazhuangRegion,PLAArmyBeijingMilitaryRepresentativeBureau,ShijiazhuangHebei050081,China； 2．StateKeyLaboratoryofSatelliteNavigationSystemandEquipmentTechnology,ShijiazhuangHebei050081,China)

To meet the requirements of product line testing and outfield testing for Beidou orientator,a kind of small low cost portable testing equipment for Beidou orientator is designed and implemented in this paper.The equipment applies some high precision digital delay control techniques,realizes double path oriented signal simulations and RF synchronization.Auto testing and assessment techniques are adopted to improve testing effectiveness,and one key testing of the Beidou equipment orienting precision is realized.The experimental results show that this equipment’s pseudo-range accuracy is better than 0.05 m,the double path oriented signal synchronization accuracy is better than 1 ns,the orienting angle auto test accuracy is better than 0.01 degree,and therefore,the equipment can be applied in product line testing and outfield testing for Beidou orientator.

testing equipment;digital delay filter;Direct Digital Synthesizer (DDS);orientation

10.3969/j.issn.1003-3106.2017.12.10

杜丹，李建雷，楊萬君.北斗定向設備檢測儀的設計與實現[J].無線電工程,2017,47(12):43-48.[DU Dan,LI Jianlei,YANG Wanjun.Design and Implementation of Testing Equipment for Beidou Orientator[J].Radio Engineering,2017,47(12):43-48.]

TP391.4

A

1003-3106(2017)12-0043-06

2017-06-12

國家高技術研究發(fā)展計劃(“863”計劃)基金資助項目(2015AA124001)。

杜丹女，(1987—)，碩士，工程師。主要研究方向：通信和圖像處理技術。

李建雷男，(1981—)，高級工程師。主要研究方向：衛(wèi)星導航信號模擬。