基于北斗系統(tǒng)的高可靠箭載無(wú)線定位裝置

陳 偉,婁 莎,趙衛(wèi)軍,劉文怡,白 嘉

(1.北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京 100076； 2.北京航天石化技術(shù)裝備工程有限公司，北京 100076； 3.中北大學(xué) 儀器與電子學(xué)院，太原 030051)

0 引言

受益于衛(wèi)星導(dǎo)航定位產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展以及衛(wèi)星導(dǎo)航定位芯片的性能提升，火箭殘骸回收技術(shù)出現(xiàn)了一種新方法。通過(guò)在待回收艙體安裝一臺(tái)具有導(dǎo)航電文解算和北斗短報(bào)文發(fā)送功能的無(wú)線定位裝置，將殘骸在下降過(guò)程中以及落地后的定位數(shù)據(jù)持續(xù)發(fā)送給地面殘骸搜尋人員，大幅加快了搜尋的進(jìn)程和可靠性，降低了回收成本。經(jīng)飛行試驗(yàn)驗(yàn)證，該無(wú)線定位裝置水平定位精度優(yōu)于5 m，實(shí)現(xiàn)了殘骸回收“下車即見(jiàn)”的預(yù)定目標(biāo)。

1 總體設(shè)計(jì)

無(wú)線定位系統(tǒng)通過(guò)安裝于艙壁的導(dǎo)航天線和定位裝置內(nèi)部的定位芯片實(shí)時(shí)獲取火箭殘骸的經(jīng)緯高數(shù)據(jù)，利用北斗衛(wèi)星短報(bào)文通信業(yè)務(wù)將其發(fā)送給地面搜尋人員手持終端。無(wú)線定位裝置流程控制、資源調(diào)度和內(nèi)部模塊間的電路接口通過(guò)低功耗、高性能的ARM Cortex架構(gòu)微控制器完成。無(wú)線定位裝置采用外部設(shè)備供電和內(nèi)置鋰電池供電兩種模式。

1.1 方案設(shè)計(jì)

1.1.1 定位數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸方式

隨著北斗系統(tǒng)應(yīng)用的推廣和普及，利用導(dǎo)航定位芯片獲取設(shè)備自身定位信息已成為業(yè)內(nèi)的首選方案，而定位數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸方式則有GSM、GPRS、無(wú)線數(shù)傳電臺(tái)、北斗短報(bào)文通信等多種方式。鑒于GSM、GPRS對(duì)無(wú)人區(qū)和少人地區(qū)信號(hào)網(wǎng)絡(luò)覆蓋較差，通信質(zhì)量難以保證；無(wú)線數(shù)傳電臺(tái)方式則需要額外增加箭上設(shè)備，且通信距離通常只有數(shù)十公里，作用距離受限；經(jīng)過(guò)綜合評(píng)估，本方案選擇北斗短報(bào)文通信方式進(jìn)行定位數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸。

北斗系統(tǒng)衛(wèi)星無(wú)線測(cè)定業(yè)務(wù)(BDS RDSS,beidou system radio determination satellite service)短報(bào)文通信是我國(guó)北斗衛(wèi)星系統(tǒng)特有的一項(xiàng)功能，該功能允許用戶與用戶之間進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)傳輸[1]。北斗短報(bào)文通信優(yōu)點(diǎn)突出，目前已覆蓋中國(guó)及周邊地區(qū)，數(shù)據(jù)誤碼率<10-5，通信時(shí)延約為0.5 s，而且北斗終端一戶一密，保密性高。短報(bào)文通信用戶通過(guò)申領(lǐng)北斗用戶卡，獲取唯一的終端機(jī)ID號(hào)，并根據(jù)用戶卡等級(jí)享受不同的通信頻率和單次通信容量。其中，軍用級(jí)用戶卡單次短報(bào)文最多可傳輸120個(gè)漢字(或1 920 bit有限數(shù)據(jù))，通信頻率最高為1秒/次；民用級(jí)用戶卡單次傳輸容量為60個(gè)漢字，通信頻率為60秒/次[2]。由于軍用級(jí)用戶卡申請(qǐng)較難且必要性不大，本方案采用了民用級(jí)用戶卡。

1.1.2 技術(shù)實(shí)現(xiàn)途徑

通過(guò)需求分析，整個(gè)無(wú)線定位系統(tǒng)的功能可進(jìn)一步細(xì)化為三步：1)箭載裝置實(shí)時(shí)獲取自身定位信息及精確時(shí)間；2)基于BDS RDSS短報(bào)文服務(wù)功能，箭載裝置將定位信息和時(shí)間的發(fā)送給BDS；3)北斗手持終端接收BDS發(fā)送的短報(bào)文。無(wú)線定位系統(tǒng)業(yè)務(wù)流程及架構(gòu)如圖1所示[3-4]。

圖1 無(wú)線定位系統(tǒng)業(yè)務(wù)流程及架構(gòu)

從圖1可知，無(wú)線定位裝置的總體技術(shù)實(shí)現(xiàn)途徑如下：衛(wèi)星導(dǎo)航定位芯片通過(guò)火箭艙外的接收天線獲取GNSS導(dǎo)航信號(hào)，獲取殘骸當(dāng)前的經(jīng)緯度、高程和精確時(shí)間信息；微控制器(MCU)接收定位導(dǎo)航芯片上的定位和時(shí)間信息并輸出給北斗短報(bào)文發(fā)送模塊，然后短報(bào)文發(fā)送模塊通過(guò)火箭艙外的發(fā)射天線將信息發(fā)送給BDS；北斗手持終端接收BDS發(fā)送的短報(bào)文，獲取殘骸的精確定位和時(shí)間信息。

1.2 可靠性設(shè)計(jì)

1.2.1 導(dǎo)航定位芯片選擇

為了確保導(dǎo)航定位解算功能不受制于美國(guó)國(guó)家航天政策[5]，本設(shè)備選用基于北斗系統(tǒng)應(yīng)用的BDM910型模塊。該模塊由國(guó)內(nèi)廠商北斗星通研制，可以同時(shí)支持北斗RDSS和RNSS功能。模塊內(nèi)部集成了RDSS射頻收發(fā)芯片、10 W輸出功率的功放模塊、北斗專用RDSS基帶電路和BD2 B1/GPS L1導(dǎo)航定位芯片，尺寸為58.3 mm×54 mm×12 mm，具有集成度高、體積小、功耗低、對(duì)外接口簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。BDM910型模塊依托北斗系統(tǒng)即可完成定位解算和短報(bào)文發(fā)送功能，從而完全擺脫了對(duì)美國(guó)GPS和美國(guó)航天政策的依賴。

1.2.2 無(wú)線鏈路裕度設(shè)計(jì)

在無(wú)線定位系統(tǒng)通信鏈路中，BDS手持終端接收北斗衛(wèi)星短報(bào)文的無(wú)線鏈路、北斗衛(wèi)星與地面控制中心站之間的無(wú)線通信鏈路依托于北斗系統(tǒng)成熟服務(wù)。此外，無(wú)線定位系統(tǒng)還涉及2條無(wú)線通信鏈路，即定位裝置導(dǎo)航芯片接收衛(wèi)星導(dǎo)航電文的鏈路，以及短報(bào)文發(fā)送定位信息至北斗衛(wèi)星的鏈路，下文對(duì)這2條無(wú)線鏈路進(jìn)行裕度設(shè)計(jì)，分別如表1和表2所示。

1.2.2.1 導(dǎo)航信號(hào)接收鏈路裕度(見(jiàn)表1)

表1 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)接收鏈路裕度計(jì)算

1.2.2.2 短報(bào)文上行鏈路裕度(見(jiàn)表2)

表2 短報(bào)文上行鏈路裕度計(jì)算

計(jì)算結(jié)果表明，衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)下行鏈路裕度不小于1.8 dB，短報(bào)文上行鏈路裕度不小于0.9 dB。無(wú)線通信鏈路存在鏈路裕度。

1.2.3 冗余設(shè)計(jì)

箭載微帶天線是無(wú)線定位裝置與北斗衛(wèi)星通信的關(guān)鍵設(shè)備，并且在無(wú)線通信過(guò)程中，隨著殘骸的快速運(yùn)動(dòng)，天線與北斗衛(wèi)星通信的仰角、極化損耗以及天線指向方向的增益都在一直變化，因此務(wù)必引起重視。本方案采用的箭載微帶天線是寬波束天線，單天線方向性圖接近半球，在標(biāo)準(zhǔn)球坐標(biāo)中θ=30°和60°切面對(duì)應(yīng)的方向性圖增益見(jiàn)圖2。從圖2可見(jiàn)，該天線的波束寬度和性能指標(biāo)優(yōu)于同類天線，但是為了嚴(yán)格避免殘骸姿態(tài)滾轉(zhuǎn)而出現(xiàn)微帶天線干涉區(qū)或盲區(qū)對(duì)準(zhǔn)北斗衛(wèi)星的情況，在設(shè)計(jì)中采用沿艙體橫截面中均勻布設(shè)4個(gè)相同天線的方案，見(jiàn)圖3。

圖2 箭載微帶天線方向性圖(單天線)

圖3 組陣天線分布圖

另外，考慮到導(dǎo)航信號(hào)定位芯片和北斗短報(bào)文發(fā)送模塊也是箭載無(wú)線定位裝置的核心裝置，單故障點(diǎn)導(dǎo)致系統(tǒng)失效的環(huán)節(jié)較多。為提高設(shè)備的工作可靠性，系統(tǒng)在無(wú)線定位裝置中采取兩個(gè)BDM910型雙模模塊冗余設(shè)計(jì)的方案(后文簡(jiǎn)稱模塊A、模塊B)。考慮到北斗系統(tǒng)規(guī)定了每個(gè)短報(bào)文發(fā)送模塊必須間隔60 s才能發(fā)送下一次定位數(shù)據(jù)，系統(tǒng)約定兩個(gè)短報(bào)文發(fā)送模塊之間的發(fā)送時(shí)間間隔35 s(含5 s為時(shí)間間隔裕度)，將整個(gè)無(wú)線定位系統(tǒng)的定位頻率從“次/60秒”提升為“次/35秒”。同理，為提高地面接收設(shè)備的可靠性，對(duì)地面接收設(shè)備也采取了冗余設(shè)計(jì)(地面接收模塊1、2)，并制定了收發(fā)模塊切換策略，最大限度降低了單個(gè)模塊失效對(duì)無(wú)線定位系統(tǒng)造成的影響。

在4個(gè)箭載組陣天線中，兩個(gè)周向間隔180°天線的合成方向性圖接近完整的球形，因此對(duì)于采用冗余設(shè)計(jì)的天線和短報(bào)文發(fā)送模塊，采用了天線1與天線3組陣，并與短報(bào)文發(fā)送模塊A配合使用；天線2與天線4組陣，并與短報(bào)文發(fā)送模塊B配合使用的方案。

1.2.4 環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)

由于北斗衛(wèi)星和火箭殘骸之間的相對(duì)位移，會(huì)造成導(dǎo)航定位芯片實(shí)際接收到的信號(hào)載波頻率并不是導(dǎo)航衛(wèi)星發(fā)射頻率f0(1 561.098 MHz)，而是f0加上一個(gè)多普勒頻移fd。北斗二號(hào)衛(wèi)星按照軌道不同有地球靜止軌道(GEO)、傾斜地球同步軌道(IGSO)、中高度圓軌道(MEO)三種，其中MEO衛(wèi)星造成的多普勒效應(yīng)最大，其最大多普勒速率Vdm約為928 m/s，由衛(wèi)星在軌運(yùn)動(dòng)造成的最大多普勒頻移為fdm=f0×Vdm/c(光速)=4.83 kHz。同理，經(jīng)計(jì)算可知速度為1 Ma的物體，造成的多普勒頻移約為1.7 kHz，考慮到殘骸的運(yùn)動(dòng)速度及裕度系數(shù)，需要選擇多普勒頻移范圍能適應(yīng)±10 kHz的導(dǎo)航芯片。此外，為適應(yīng)飛行環(huán)境，對(duì)無(wú)線定位裝置開(kāi)展了沖擊、振動(dòng)等力學(xué)試驗(yàn)和高溫、老練等熱學(xué)試驗(yàn)。

2 硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

無(wú)線定位裝置內(nèi)部硬件結(jié)構(gòu)如圖4所示，主要包括導(dǎo)航定位芯片、北斗短報(bào)文發(fā)送模塊、微控制器、RS422數(shù)據(jù)接口電路、鋰電池及電源管理模塊等。

圖4 無(wú)線定位裝置硬件電路結(jié)構(gòu)

2.1 北斗雙模模塊外圍電路設(shè)計(jì)

BDM910模塊是一款支持北斗RDSS/RNSS功能的雙模模塊，具有集成度高、功耗低、接口簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。BDM910模塊共有3個(gè)高頻接口，連接器型號(hào)為MCX-KYD11，分別用于BD2 B1/GPS L1接收、RDSS接收和RDSS發(fā)射；1個(gè)低頻接口，連接器型號(hào)為DF9_25S_1 V；以及一個(gè)北斗卡接口，用于放置用戶卡。BDM910模塊采用線性穩(wěn)壓電源供電，供電電壓為5 V和12 V(用于RDSS射頻發(fā)射功能)。模塊與MCU之間采用串口通信，其中RDSS和RNSS功能各使用1路。即BDM910模塊解算出的定位信息通過(guò)串口發(fā)送端TX1傳送到微控制器串口接收端；微控制器將符合短報(bào)文幀格式的定位信息通過(guò)串口發(fā)送端XXX發(fā)送給模塊RDSS接收端。此外，模塊還為MCU提供1路精準(zhǔn)的秒脈沖信號(hào)(1PPS)。BDM910模塊外圍電路設(shè)計(jì)如圖5所示。

圖5 BDM910模塊外圍電路設(shè)計(jì)

2.2 微控制器電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)選擇意法半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的STM32F030CC芯片作為微控制器，這是一款以ARM CortexTM-M0為內(nèi)核的32位單片機(jī)，具有功耗低、外設(shè)豐富、實(shí)時(shí)控制等優(yōu)點(diǎn)。該芯片集成有256KB FLASH和32KB SRAM，集成6個(gè)USART串口(異步通信時(shí)兼容UART)，工作頻率最高48 MHz，工作電壓3.3 V。STM32F030CC通過(guò)USART串口接收BDM910模塊解算的定位信息(圖5 BDM910模塊串口1)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，將符合北斗短報(bào)文幀格式的定位信息通過(guò)USART串口傳給BDM910模塊(圖5 BDM910模塊串口0)。

此外，STM32F030CC 還通過(guò)監(jiān)測(cè)外部供電電壓，實(shí)施無(wú)線定位裝置內(nèi)部鋰電池供電電路的通斷控制；按照系統(tǒng)規(guī)定的流程步驟，控制SRAM、RDSS功能模塊嚴(yán)格按照預(yù)定邏輯和時(shí)間間隔工作。

2.3 供電模塊設(shè)計(jì)

為了兼顧地面系統(tǒng)測(cè)試和飛行試驗(yàn)兩種工況，定位裝置在地面系統(tǒng)測(cè)試時(shí)使用外部設(shè)備提供的15 V電壓供電，并同時(shí)為裝置內(nèi)置的鋰電池充電；在飛行試驗(yàn)中，當(dāng)外部設(shè)備提供的15 V電壓消失后，定位裝置立即切換為內(nèi)置鋰電池供電模式，直至設(shè)備落地?fù)p毀或鋰電池耗盡關(guān)機(jī)。

3 軟件流程設(shè)計(jì)

無(wú)線定位系統(tǒng)軟件流程設(shè)計(jì)見(jiàn)圖6。

圖6 無(wú)線定位裝置軟件流程

系統(tǒng)啟動(dòng)測(cè)試時(shí)，無(wú)線定位裝置由外部設(shè)備提供15 V供電電壓。無(wú)線定位裝置進(jìn)行狀態(tài)初始化，計(jì)時(shí)器清0。主控制器(MCU)接收依次詢問(wèn)兩個(gè)定位芯片解算的定位信息，將其寫入緩存器，該步驟循環(huán)進(jìn)行，直到計(jì)數(shù)器35 s計(jì)時(shí)時(shí)間到。MCU將緩存器中的定位數(shù)據(jù)寫入外部存儲(chǔ)器，切換箭上RDSS發(fā)射模塊和地面接收模塊。判斷外部設(shè)備15 V供電是否消失，如果外部供電消失，表明殘骸已正常分離，啟動(dòng)鋰電池供電，將緩存器中的定位數(shù)據(jù)通過(guò)短報(bào)文模塊發(fā)給北斗系統(tǒng)，將計(jì)時(shí)器清0，重新進(jìn)入下一輪循環(huán)；如果外部持續(xù)供電，表明殘骸未分離，為避免短報(bào)文模塊瞬時(shí)大功率發(fā)射干擾其它射頻設(shè)備，按照規(guī)定步驟，流程跳轉(zhuǎn)直計(jì)時(shí)器清0，進(jìn)入下一輪循環(huán)。重復(fù)上述循環(huán)，直至無(wú)線定位裝置內(nèi)部鋰電池耗盡關(guān)機(jī)。

4 仿真試驗(yàn)及飛行試驗(yàn)

4.1 仿真試驗(yàn)驗(yàn)證情況

為了驗(yàn)證產(chǎn)品工作性能，在露天環(huán)境下搭載實(shí)物平臺(tái)開(kāi)展地面靜態(tài)仿真試驗(yàn)[6-8]。試驗(yàn)結(jié)果表明，該狀態(tài)下，無(wú)線定位裝置RNSS功能成功定位概率≥95%，北斗手持終端接收定位信息的通信成功率≥70%，通信成功率與試驗(yàn)開(kāi)展的時(shí)間有關(guān)，但在各種工況下，至少有一個(gè)RDSS模塊通信效果≥90%，實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定、可靠通信的預(yù)期目標(biāo)。

為考核無(wú)線定位裝置在殘骸姿態(tài)變化情況下的工作情況，在靜態(tài)仿真試驗(yàn)基礎(chǔ)上，對(duì)定位裝置收發(fā)天線進(jìn)行平移、轉(zhuǎn)動(dòng)操作，統(tǒng)計(jì)北斗系統(tǒng)RNSS定位情況和RDSS模塊通信成功率，與靜態(tài)仿真試驗(yàn)結(jié)果相當(dāng)。

4.2 飛行試驗(yàn)

順利通過(guò)地面試驗(yàn)后，無(wú)線定位裝置參加了某飛行試驗(yàn)考核。飛行試驗(yàn)中，地面搜尋人員在北斗手持終端上準(zhǔn)實(shí)時(shí)地獲取了殘骸的定位數(shù)據(jù)，部分定位數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。

表3 某飛行試驗(yàn)部分定位數(shù)據(jù)

表3中，“XX…X”為定位數(shù)據(jù)中沒(méi)有變化的部分。從表3可知無(wú)線定位裝置經(jīng)度精度結(jié)果≤0.000 02°，轉(zhuǎn)換為距離誤差≤(Δθ/180°)×3.14×6 400×103=2.23 m；同理，緯度精度結(jié)果≤0.000 001°，轉(zhuǎn)換為距離誤差≤0.1 m；高度誤差≤0.8 m。地面搜尋人員按照定位結(jié)果進(jìn)行實(shí)物搜索時(shí)，實(shí)物位置與手持終端接收到的定位結(jié)果綜合誤差≤5米，實(shí)現(xiàn)了“下車即見(jiàn)”的預(yù)期目標(biāo)。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了一種基于北斗系統(tǒng)RNSS和RDSS業(yè)務(wù)的高可靠、高精度、低成本的箭載無(wú)線定位裝置。該裝置通過(guò)北斗系統(tǒng)衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)實(shí)時(shí)解算安裝點(diǎn)位的經(jīng)緯高，并利用北斗系統(tǒng)RDSS業(yè)務(wù)短報(bào)文通信功能準(zhǔn)實(shí)時(shí)發(fā)送給地面手持終端，為地面搜尋人員提供高精度的定位信息。經(jīng)飛行試驗(yàn)考核，本裝置綜合性能優(yōu)良、可靠性高，具有廣闊的應(yīng)用前景。