一種面向電力終端的北斗定位模塊研究

聞志國 陳 影 龐振江 杜 君 賈 強

（1.國網信通集團北京智芯微電子科技有限公司，北京 100192；2.國網內蒙古東部電力有限公司，內蒙古呼和浩特 010020）

1引言

自2009年5月國家電網公司提出“堅強智能電網”至今已過去8年多，期間隨著各種先進技術的不斷涌現，更加快了“堅強智能電網”的發展。目前已形成了完整的堅強智能電網戰略規劃體系，開展了智能電網工程項目試驗及領先的試驗研究體系，實現了大多關鍵技術和設備的創新突破。而作為中國自主的北斗衛星導航系統及相關技術同樣是新時代“堅強智能電網”需求中不可或缺的一部分。國務院辦公廳關于印發國家衛星導航產業中長期發展規劃的通知（國辦發〔2013〕97號）提出，要加強與推進北斗衛星系統在能源（電力）、通信、金融、公安等重要領域的應用。電力行業作為國家的重要能源與支柱型產業，義不容辭的加快開展北斗系統在電力行業的具體應用研究。

當前，智能電網建設在自動化時間同步、遠程數據采集、設備人員資產位置管理等方面仍存在諸多問題，例如盲區采集單一、授時保障偏低、設備無法完全安全定位與跟蹤等，已成為我國智能電網信息化建設的瓶頸之一，迫切需要引入具有國產化的精準定位、精確授時和無障礙通信功能的高品質衛星導航系統作為支撐。北斗衛星導航系統作為我國自主研發的衛星導航系統，具有快速定位、短報文通信和精密授時三大功能，在電力行業的應用方向如用電信息采集、系統授時、電網資源位置信息獲取、現場踏勘、輸變環節巡檢、電網故障搶修、電網運行監視、防災減災、統一車輛管理等。通過在電力環境中實現北斗技術的應用，加速國產北斗技術的實用化落地。

2 北斗衛星導航系統

北斗衛星導航系統（以下簡稱北斗系統）是中國著眼于國家安全和經濟社會發展需要，自主建設、獨立運行的衛星導航系統，是為全球用戶提供全天候、全天時、高精度的定位、導航和授時服務的國家重要空間基礎設施，而現階段應用最廣的就是北斗二代衛星導航系統。

北斗二代衛星導航系統由空間段、地面段和用戶段三部分組成，其定位是通過四星定位原理來實現接收機位置的確定。在某一固定時間，地球上某一點可以觀測到至少四顆衛星，如圖1所示。通過測算衛星發射信號與接收機接收到信號的時間差，再根據電磁波的傳播速度計算得到衛星與北斗接收機之間的距離，然后通過距離公式就可以聯立方程組確定接收機的位置信息，再與地圖進行對應后得到用戶位置和高程信息［1］。定位導航衛星通過采用偽隨機擴頻序列調制信號，使用高速擴頻碼提高衛星與接收機之間距離的計算準確度［2］。

在一些特殊的應用場景下，為了提高衛星定位導航的精度一般采用差分定位方法，通過建立地面基準站進行實時接收信號，然后與自身的已知位置信息進行對比，得到當時當刻的修正值，然后將這個修正值對外發布，一定范圍內的接收機可以根據此修正值來完成自身接收信號的修正，消除絕大多數的誤差信息，最終得到一個比較準確的位置信息［3］，利用差分定位技術，定位精度可提高到厘米級。當然，北斗定位性能除了與自身系統的空間段、地面站有關外，還與北斗系統用戶端的終端模塊息息相關。

3 電力終端北斗定位導航模塊設計

北斗定位導航模塊主體就是北斗信號接收機，其任務是能夠捕獲到一定衛星高度截止角所選擇的待測衛星的信號，并跟蹤這些衛星的運行，獲得必要的導航和定位信息及觀測量，對所接收的北斗信號進行變換、放大和處理，解析出北斗衛星所發的導航電文，實時計算出測站的三維位置、速度和時間。電力終端北斗定位導航模塊（以下簡稱電力終端北斗模塊），主要服務于電力行業，適用于電力行業的應用場景，滿足電力行業的應用需求。

本研究的電力終端北斗模塊按功能可劃分為模擬接收、數字處理、管理與外設接口三個部分，其框圖如圖2所示。

3.1 模擬接收

此部分為北斗接收機的模擬電路部分，主要由射頻器件構成，如天線、低噪聲放大器、下變頻器、頻率合成器、帶通濾波器以及模數轉換器等，如圖3所示。主要工作過程：把天線收到的微弱射頻信號進行低噪放大使信號功率滿足后級數字信號處理的要求，同時降低接收鏈路的噪聲系數，然后經過濾波處理，選出所需頻率，濾除鏡像頻率、帶外雜散及噪聲；然后再對射頻信號進行下變頻搬移；最后通過模數轉換器生成數字信號并送入數字處理電路。

設計中，本部分電路由所選北斗芯片的模擬前端和外擴的射頻前端構成，共同完成空中北斗信號的接收、處理并形成數字信號。

3.2 數字信號處理

北斗衛星導航系統接收機的數字信號處理包括三部分：捕獲，跟蹤和位置、速度、時間（Position Velocity Time，PVT）解算。

本研究的基帶信號處理部分采用數字通道的架構，其基本結構如圖4所示，包含信號捕獲、環路跟蹤及導航信息提取。

接收機進行PVT解算的首要步驟是信號捕獲，信號捕獲是一個利用PNR碼的相關特性，進行二維搜索的過程。捕獲算法大致可分為基于時域相關的方法和基于頻域快速傅里葉變換（Fast Fourier Transform，FFT）的方法兩大類［4，5］。捕獲目的是獲得空間中可見衛星的多普勒頻偏和碼相位的粗略估計值，實質就是將接收信號與本地信號副本進行相關運算，然后通過檢測相關輸出中峰值是否超過先前設定的閾值判斷是否捕獲成功，若超過閾值則成功捕獲到衛星信號，與此同時就得到衛星的相關信息。相反若沒有超過閾值則進行下一顆衛星的捕獲，直到搜索完所有的衛星。擴頻碼相關性能則是從根本上決定捕獲過程的關鍵因素。

環路跟蹤的主要目的是進一步細化碼相位和頻率的粗捕獲值，以使用戶粗略的得知接收信號多普勒頻偏和碼相位達到進入信號跟蹤狀態，同時隨著時間的變化對信號的這些屬性保持跟蹤，跟蹤的精度將直接影響到后面偽距的計算以及用戶定位的精度［6］。環路跟蹤包含兩部分內容：碼跟蹤和載波頻率/相位跟蹤。碼跟蹤環路通常采用延遲鎖定環（Delay Lock Loop，DLL）的結構來實現；載波頻率/相位環路跟蹤則通過跟蹤信號的相位或者跟蹤頻率來實現，保持載波相位的同步。

當信號被正確跟蹤后，PRN碼和載波從接收信號中被剝去，僅留下導航數據，從中可以提取出衛星星歷信息［7］。這一過程涉及到的算法主要有導航數據的比特位同步以及數據幀同步算法［8］。

接收機最終的任務是計算出用戶的位置、速度及標準時間信息。用戶的位置通過偽距以及從星歷數據中得到的衛星位置信息來計算得到。

本設計中數字信號處理部分選擇了一款國產的SOC北斗芯片AT6558來完成，此芯片集成了片上射頻前端和數字基帶處理器，支持BDS/GPS/GLONASS多系統聯合定位和單系統獨立定位，支持A-GNSS、QZSS和SBAS，同時芯片具有高接收靈敏度，功耗電流小（20mA），40管腳QFN封裝，尺寸5mm×5mm×0.8mm，接口豐富等特征，為模塊的低功耗、小型化設計奠定了基礎。

3.3 管理與外設接口

本部分除了承擔導航信息解算外，主要是北斗接收機的管理功能，包括主備用電源管理、時鐘管理、模式管理、控制管理等。電源和工作模式管理可以很好的降低功耗，同時保障接收機性能的穩定，時鐘管理可以提高定位精度和授時精度。另外本研究是面向電力行業而設計，而電力行業的發、輸、變、配、用五個應用場景設備種類多外設接口復雜，因此在研究中充分考慮到這一點，預留了多種外設接口，如SPI、UART、I2C、GPIO，可根據實際情況靈活選用。

UART包含兩個獨立的全雙工UART模塊，實現數據在串行和并行之間的轉換，波特率最大支持256000bps，并且具有自動波特率檢測功能。每個UART具有獨立的發送FIFO和接收FIFO，深度均為32字節。

SPI包含一個SPI主設備接口和一個SPI從設備接口。SPI主設備接口，用于連接SPI接口的器件，比如MEMS傳感器、FLASH等。SPI從設備接口可作為與外部應用處理器的數據接口，外部應用處理器通過SPI接口獲取芯片的定位信息。相比UART而言，SPI的數據傳輸速度有顯著的提升。

I2C接口為主設備接口，可進行標準傳輸（100Kbps）和快速傳輸（400Kbps）。支持7bit地址或者10bit地址模式。接收和發送均含有4字節深度FIFO，并且可配置為DMA工作模式。

4 靈敏度提升和低功耗設計

4.1 高靈敏度設計

在復雜的無線環境下，北斗信號明顯偏弱，信噪比較低，而電力行業發、輸、變、配、用五個環節的應用環境又各不相同，比如輸、配電很多覆蓋到山林、溝壑中，比如用采的大多設備都在室內等，這些環境因素會導致北斗信號強度變的更弱，要想北斗接收機正確解調出有用的衛星信號，實現準確定位，就必須提高北斗模塊的接收能力，而接收靈敏度是最為關鍵的指標。

本設計通過外圍電路的補充設計來提高北斗模塊的接收靈敏度。首先通過降低接收端信號噪聲系數、提高接收鏈路的增益來提高模塊的靈敏度，然后通過濾波器技術對帶外干擾信號進行抑制來提高模塊的抗干擾性和接收機的選擇性。同理，增益G=10×log10g

式中：F1——接收鏈路第一級LNA的噪聲；g1——第一級增益。

式（1）中，單位非dB，而換算成dB為 NF=10×

按照接收靈敏度理論公式“接收靈敏度=-174+NF+10lgB+10lgSNR（NF噪聲系數、B信號帶寬、SNR解調信噪比）”，接收機靈敏度與接收鏈路的噪聲系數N、信號帶寬B、解調信噪比SNR等有關，其NF越小，B越窄，SNR越低，接收靈敏度越高。本模塊的接收信號頻點為BD2 B1-1561.098MHz，信號帶寬采用BD2 B1-1.092MHz都已確定；解調信噪比SNR由所選的北斗芯片基帶電路決定，也已固定，因此能夠改變的就是接收機的鏈路噪聲系數NF，只能調整接收機鏈路整體噪聲系數NF來優化接收機的接收靈敏度。

在接收機鏈路預算中，噪聲級聯計算如式（1）：，故系統級聯的噪聲系數計算如式（2）：

式中：所有單位為dB。

由此得出接收靈敏度的推導如式（3）：

從以上推導公式分析得出，在信號帶寬B和解調信噪比SNR固定的情況下，通過改變接收鏈路中各級的噪聲系數和增益可提高北斗接收機的接收靈敏度，即NF越小接收靈敏度越高，接收機鏈路增益越大接收靈敏度越高，尤其是鏈路的第一級器件影響最為關鍵。

由此理論支撐，設計中，在接收鏈路的射頻前端增加了第一級低噪聲放大器LNA，因為LNA是小信號放大器，且自身噪聲系數很低，符合以上分析的需求。綜合考量后最終選擇了MAXIM的一款LNA MAX2659，該款芯片工作在衛星導航頻段，放大增益20.5dB，噪聲系數為0.8dB，詳細性能曲線如圖5所示，該芯片極低的噪聲系數作為北斗接收機的第一級放大器，從根本上改善了整個鏈路的NF，適中的20.5dB放大增益既不會引起電路的自激還能最大限度的提高了接收鏈路信號的放大倍數，以此提高了接收機的接收靈敏度。

為了提高接收機的抗干擾能力和帶外雜散的抑制能力，在第一級放大器LNA之后增加了一款EPCOS的SAW濾波器，其型號是B39162B，這款濾波器具有優良的頻率溫度性、高純凈頻譜和低相位噪聲，選擇性好，插入損耗相對較低（0.9dB），帶外抑制也較好，能夠有效過濾掉天線接收的帶外雜散，且尺寸小。性能曲線如圖6所示。

另外，增加濾波器有利于改善射頻鏈路的阻抗匹配，再通過∏匹配網絡和離散的高頻阻容器件聯合優化鏈路的阻抗匹配，通過前級阻抗匹配仿真和后期板卡電路調試后，通過安捷倫的矢量網絡分析儀實測，本設計的北斗模塊的阻抗駐波比為1.45，Smith圓圖和駐波比曲線圖如圖7所示，其值用在天線接口還是比較理想的。

通過增加北斗接收鏈路第一級低噪聲放大和帶外濾波，根據推導公式，進行北斗接收機總體鏈路預算后，接收鏈路的總增益增加了19.6dB，鏈路噪聲系數可以鎖定在（0.8～1）dB范圍，天線口阻抗駐波比1.45。從分析的數據看出，通過以上三種技術手段很明顯的提高了原有接收鏈路的接收靈敏度，為推廣此模塊在電力終端應用奠定了一定的基礎。

4.2 低功耗設計

功耗是一個終端商用模塊非常關鍵的技術指標，如果功耗過高，會大幅增加電網負荷及線損，同時又會降低電力終端整機待機時間，大大降低了產品使用性能。要想進行后期產業化推廣，就必須把控模塊的低功耗設計。在模塊方案設計中，采用了一些技術手段來有效降低功耗，同時縮小了模塊的整體尺寸。

1）多種工作模式，如正常工作模式、休眠（standby）模式、睡眠（sleep）模式、power down模式，優化各種工作模式下的工作電流；

2）數字化實現射頻控制、校正，將射頻電路必需的校正控制電路搬遷到數字域進行處理，能夠減少射頻、模擬模塊，從而大大降低射頻系統的復雜性和功耗；

3）通過復用射頻和模擬功能模塊，選用集成度高的SOC芯片，以減小模塊數量；

4）芯片內置低功耗時鐘管理，客戶可根據工作需要靈活選擇工作主頻，給客戶更多的低功耗設計選擇；

5）在選擇器件時，優先選取低功耗小封裝的器件，如阻容器件的0402封裝。

根據上述諸多手段，北斗模塊的實際功耗電流見表1。模塊實際設計的尺寸為16.0mm×12.2mm×2.3mm，如圖8所示。

表1 實驗室實測數據

5 北斗模塊實物及測試

5.1 模塊實物

基于以上的原理分析和各功能模塊的設計，本研究已經試產了10塊電力終端北斗定位導航模塊，其實物如圖9所示，實際尺寸比一元硬幣還小一些，并采用SMT封裝，方便焊接到任何電力終端的主板上，包括手持終端、車載終端等小型電力終端中。北斗測試底板實物如圖10所示，本著測試方便的原則，此板卡留有SMA射頻天線接口，金針測試夾具，通信串口，電源開關和撥碼開關等設計。

5.2 實際測試

為了驗證本設計的電力終端北斗模塊的定位性能，做了兩部分實驗，分別為實驗室測試和外場測試。

在杭州創新大廈實驗室，選用國產GNSS模擬源HWA-GNSS-8000作為北斗信號源，選用第三方衛星導航模塊數據處理軟件V1.0.0.6進行數據解析和結果顯示。實際測試平臺如圖11所示，5V供電，北斗模塊通過測試夾具連接到測試底板上，底板通過SMA、射頻電纜、功分器連接到北斗模擬源上，底板通過串口連接到PC機及衛星導航模塊數據處理軟件V1.0.0.6上。測試時通過解析軟件分析出北斗信號的導航數據信息。

北斗模塊單模實測數據解析截屏如圖12所示，圖中被測地所處的經度為E 119°59.9997’，緯度為N 29°59.9998’，此點正處于杭州經緯度（E 120°，N 30°）范圍內，被測模塊單北斗模式下可捕獲11顆北

斗衛星，SNR 40dB，以中心值取平均的定位精度是0.64m。本次實驗共計測試了7塊北斗模塊，實測數據參見表1。

外場測試北斗與GPS雙模定位，地點在北京中關村科技園樓頂，被測模塊接收北斗GPS衛星信號，選用衛星導航模塊數據處理軟件V1.0.0.6進行數據解析和結果顯示，測試平臺與圖11類似，把圖11中與SMA相連的模擬信號源及雙工器去掉，然后接上北斗天線即可進行外場測試。外場測試某一北斗模塊的測試數據如圖13所示。

圖13中，左邊第一欄為基本信息欄，顯示所解析出的時間、海拔、經緯度、衛星數等信息；第二欄為每次解析點的位置變化，即北斗/GPS雙模定位精度；第三欄是本次測試接收到的衛星數，紅色球代表北斗星，共捕捉到8顆，綠色球代表GPS星，共捕捉到9顆。實測數據統計見表2。

從表2不難看出，本次面向電力終端設計的北斗模塊具有良好的定位功能，而小型化和低功耗設計符合國家電網節能環保的行業要求，接收靈敏度明顯優于其他行業通用定位模塊的性能。

表2 外場實測數據

6 結束語

目前北斗相關技術在電力行業中的應用尚屬技術儲備階段，暫無大規模實際應用，相關的行業標準也待制定和完善。本次研究面對電力行業終端引入北斗技術，也是一種“北斗+智能電網”的技術融合與提升，既有利于電網安全穩定運行，又促進了北斗產業化發展，在生產和管理方面都有廣闊的應用前景。

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