北斗定位在船舶導航通信系統的應用

張 寧，韓 冰，張 赟

（1.海裝駐上海地區第八軍事代表室，上海 200011；2.山東省海洋儀器儀表科技中心，山東 青島 266061；3.山東省科學院海洋儀器儀表研究所，山東 青島 266061）

引言

船舶導航、定位功能是保證安全行駛的重要基礎，尤其是在海上極端惡劣的環境，對艦載導航系統提出了更高的要求。一般的艦載導航系統除了常規的定位功能外，還需對相關事項進行緊急報警、對實時障礙物進行測距、對船只進行漏水監測等。目前，船舶定位功能基本依靠GPS 實現，但是美國從未完全開放GPS 的服務功能[1]。由我國自主研發的北斗定位系統，除了提供常規的定位功能外，還能夠實現實時通信，目前已經應用于各個行業領域。

1 北斗定位導航概述

“北斗一號”衛星于2003 年由長征三號甲火箭順利發射至衛星軌道，標志著我國可依靠自主研發的衛星實現導航、通信和定位功能，如今，北斗一號衛星已經在我國各個行業領域中發揮著重要的作用。北斗導航系統的定位和通信功能是依靠三球交匯定位原理實現的，其定位示意如圖1 所示。

圖1 北斗導航定位原理示意圖

北斗導航定位系統依靠兩臺位置精確已知的發射機發射電磁波，并經一定延時后回波反饋至接收機，從而判斷出探測目標的具體位置。

1.1 北斗一號定位流程

北斗一號定位系統采用信號集中處理模式，無論是定位還通信均可由地面控制中心集中完成。北斗一號系統的定位流程如下：

1）由地面控制中心將一定頻率的電磁波信號發射至與地球同步的導航衛星，并通過廣播的形式傳輸至所在覆蓋范圍內的用戶。

2）當地面的移動終端設備接收到回波信號的同時，再次向與地球同步的導航衛星發射入站電磁波信號，同步導航衛星再次把接收到的信息傳輸至覆蓋范圍之內的用戶，

3）地面控制中心根據兩次所接收到的信號計算回時差，進而得出相應的距離，在計算回時差時需對電離層、設備層和對流層進行修正。

4）在覆蓋范圍之內的用戶接收到信息后得出所探測目標的地理位置信息。

總的來講，基于北斗導航系統的定位流程與GPS 不同，北斗導航定位系統需要用戶提出定位申請后，才能夠開始定位，即需要雙向的報文通信，不適用快速移動的用戶[2]。

1.2 北斗一號通信流程

北斗一號導航系統具有特有的短報文通信能力，其通信流程如下：

1）用戶將需要通信的內容和接收用戶的ID 加密后，發送至地面控制中心。

2）地面控制中心接收到通信的請求及相關內容后，將需要通信的內容發送至廣播電文中，并以北斗導航衛星為中心介質發送至接收者。

3）接收者接收到通信的內容后，將信息解密后即完成了本次通信任務。

實際上，基于北斗系統進行通信也具有一定的延時，而且每次最多只能傳輸120 個字符[3]。

北斗導航定位系統主要應用于船舶通信系統中的通信模塊和低噪聲放大器的設計中。本文重點對上述兩項應用說明。

2 北斗導航定位船舶通信模塊中的應用

北斗導航定位通信單元如圖2 所示。北斗導航通信模塊接收到定位或通信的申請后，申請數據射頻芯片在變頻基帶的作用下將其頻率截變為1 615.8 MHz，并將截變后的信號經過功率放大后發射至北斗導航衛星，從而實現北斗電文信號的發射任務[4]。

圖2 北斗導航通信模塊

與傳統導航通信模塊不同，北斗定位功能主要應用于導航通信模塊的基帶芯片電路、電源電路、射頻芯片外圍電路和功放芯片的電路設計中。在實際設計中，由于北斗定位導航系統需要對高頻信號進行處理。因此，為了解決由于電路設計不合理所導致的高頻信號傳輸過程造成的干擾，將高頻信號的傳輸通道設計為直線，并且將數字電壓信號和模擬電壓信號實現隔離，保證PCB 板中各個模塊功能均是相互獨立，有效地避免了各線路之間的互擾。

北斗導航通信模塊的PCB 采用四層電路板的結構設計。其中，第一層和第四層為信號線布置；第二層為電源線布置；第三層為接地線布置。通過試驗測試可知：所設計的北斗通信模塊在天氣晴朗時平均10～20 s 即可完成相應的定位和通信申請，而在相對惡劣或極端的陰雨天，定位和通信功能實現的耗時較長，平均為60 s。

3 北斗導航定位在低噪聲放大器的應用設計

由于北斗導航系統所發射的信號達到地球表面后已經衰減的非常明顯，并且空間內還存在許多雜波。為保證信號傳輸不失真，在船舶通信導航系統中需要引入低噪聲放大器的設計，提高北斗信號的信噪比后，再傳輸至射頻芯片對信息進行處理。

簡單地說，北斗低噪聲放大器的主要功能是將北斗衛星發射的信號進行過濾并增強處理，保證其進入射頻信號處理模塊后具有較好的完整性和可靠性[5]。

北斗低噪聲放大器的結構如圖3 所示。北斗衛星發射的信號通過兩級放大、級間匹配、阻抗匹配和濾波后，得到完整、可靠的待射頻芯片處理信號。

圖3 北斗低噪聲放大器結構示意圖

一般情況下，加上空間、大氣衰減后北斗衛星發射的信號到達地面的平均功率為-117 dbm，信號的中心頻率處于S 波段，具體為2 491.75 MHz，信號頻率帶寬為8.16 MHz。為保證信號不失真且可靠，要求所設計的低噪聲放大器的相關參數如表1 所示。

表1 低噪聲放大器的目標參數及實測值

4 結語

北斗導航衛星不僅具有基礎的導航定位功能，能夠與地面實時通訊，而且具備緊急報警處理能力。本文重點研究了北斗定位在船舶導航通信中的應用，不僅可解除GPS 功能不全對船舶導航通信的制約，而且還能進一步保證船舶的安全運行，重點完成了北斗定位在船舶導航通信模塊和低噪聲放大器中的設計應用，測試結果如下：

1）所設計的北斗通信模塊在天氣晴朗時平均10～20 s 即可完成相應的定位和通信申請，而在相對惡劣活極端的陰雨天，定位和通信功能實現的耗時較長，平均為60 s。

2）所設計的低噪聲放大器增益可達31.809 dB，噪聲系數為0.9 dB，滿足船舶通信的要求。