基于RDSS 和RNSS 的北斗定位裝置設計*

劉宏藝 ，李 晨* ，龐俊奇 ，郝現偉

(1.中北大學電子測試技術國家重點實驗室，山西 太原 030051；2.北京宇航系統工程研究所，北京 100000)

我國北斗衛星無線電定位系統(Radio Determination Satellite System，RDSS)的短報文通訊功能極具特色，不依賴于地面站設備，具有安全、可靠、全域覆蓋的特點，能將通訊覆蓋到地廣人稀，移動信號覆蓋不完善的地區，非常適合我國地理地貌特征的通訊需求[1－3]。在全區域的國防工程、交通運輸、海洋觀測、抗震救災、核電工程等諸多領域得到深入應用[4－6]。衛星無線電導航業務(Radio Navigation Satellite System，RNSS)與其他定位系統沒有較大區別，屬于交會測量的范疇，用戶接收機接收衛星的導航信號，在數字基帶部分完成對毎顆衛星的偽距測量，同時從衛星導航信號中解調出衛星星歷，并獲得其他各種誤差改正量，最后自主獲得接收機位置[7]。

定位裝置由北斗二號衛星導航系統進行定位以及通信。相較于北斗一號衛星導航系統，北斗二號衛星導航系統增加了無源定位，不再采用北斗一號所使用的主動式雙向測距的定位方式，改用與GPS 相同的單向測距三維導航，使得通信和定位更加準確、安全[8－9]。

1 方案設計

本文設計的新型定位裝置基于北斗二號進行深度開發，主控單元采用STM32F030 低功耗單片機對定位信息進行接收、提取、編幀、發送；北斗模塊選用高性能RDSS 射頻收發芯片GNS1531 模塊；RNSS定位模塊選用定位速度、精度、穩定性都比較優異的UM4B0 定位模塊；電源模塊特地選用充電模塊SC8803 進行鋰電池充電管理，其中電源模塊由電池充電模塊和鋰電池組成，負責給整個設備供電；RNSS 模塊和北斗模塊負責定位以及短報文的發送，主控單元負責對數據的處理以及控制整個定位裝置的供電、斷電。總體方案設計如圖1 所示。

圖1 定位裝置總體方案設計圖

本方案中，定位裝置內含A、B 兩組北斗模塊，每個模塊都可以獨立完成RNSS 定位和RDSS 短報文通訊。為了增加捕獲衛星信號的機會，特別設計兩個天線互為冗余，指向不同的方向。詳細的功能描述如下:

由于定位裝置上有兩套獨立的RNSS，所以定位裝置可以獨立地獲取位置信息，并組合成發送數據包。為了降低每個環節發生故障時數據丟失的概率，A、B 北斗模塊和地面接收裝置1、2 采用交互發送的方式，即A－1、B－1、A－2、B－2 四條數據鏈路，其中A、B 各自發送的周期為每次30 s，但A、B 發送間隔設置為約20 s，如此循環。這種模式下，即使有任何一個RDSS 模塊或地面接收裝置發生故障，都會確保有數據發回。地面接收裝置收到定位裝置位置數據，通過分析和比對，可以檢測定位裝置工作是否正常。此測試可以覆蓋到天線、定位裝置、地面接收裝置的檢測。定位裝置帶著天線安裝在飛行體上，隨著飛行體運動，同時將每次定位后的變化的位置信息，通過北斗模塊發送到北斗衛星，經由北斗衛星轉發至地面接收裝置，另一方面通過422 總線傳遞定位裝置狀態監測數據。為了盡量避免單點失效，地面布置了兩臺接收裝置，接收裝置收到數據后通過串口上傳給計算機，保存、顯示、分析處理。

2 硬件設計

2.1 主控模塊

主控單元選用STM32F030 低功耗單片機。該單片機擁有多路串口，滿足總體方案所需，主要負責對于定位信息的接收、提取、編幀、發送。該單片機擁有6 路UART，滿足設計方案所需要的4 路UART，將RNSS 的定位信息進行提取、編幀，隨后通過RDSS 發送至北斗衛星，地面接收設備再將接收到的位置信息傳送至PC 端處理、顯示。

2.2 北斗RDSS 模塊

北斗模塊采用的RDSS 模塊為GNS1531，該模塊支持北斗RDSS 的屏蔽罩結構，模塊內部集成了LNA，實現對RDSS 衛星信號進行濾波，低噪聲放大、高性能RDSS 射頻收發芯片、輸出功率低到5 W 的功放模塊，無需外加PA 即可進行衛星通信；北斗專用RDSS 基帶電路，RDSS 基帶芯片集成了10 個獨立的數字接收機通道和1 個發射通道，完成北斗RDSS 基帶信號的接收和發射基帶信號的生成等功能。可完整實現RDSS 定位、通信功能。只需要5 V 供電，靜態功耗≤0.56 W，發射瞬間功耗≤17.5 W。IC＿VCC、IC＿SD、IC＿SCLK、IC＿SRSTN、VPP、GND 五個引腳與SIM 卡連接，其中IC＿SD、IC＿SCLK 為SIM 卡的數據引腳和時鐘引腳，IC＿VCC、VPP、GND 是北斗模塊向SIM 卡供電引腳，IC＿SRSTN 為復位引腳，RFIN 為RDSS 射頻接收信號輸入端口，RFOUT 為RDSS 射頻發射信號輸出端口。GNS1531 北斗模塊應用簡單方便，集成度高、體積小、功耗低、可靠性高，可以廣泛地應用于各類北斗RDSS 導航終端，包括北斗RDSS 車載型、手持型、數傳型終端設備[10]。

定位裝置采用了A、B 兩組北斗/GPS 單點定位和北斗短報文模塊，北斗/GPS 定位模塊用于在飛行到落地的過程中各以1 Hz 的頻率確定飛行體位置，并將信息發送給主控制器。主控制器將兩路信息融合后，通過A、B 兩個短報文RDSS 模塊發送出去。RDSS 模塊周圍電路如圖2 所示。

圖2 GNS1531 周圍電路

2.3 RNSS 模塊

飛行過程中的定位精度、定位速度以及定位穩定性極其重要，RDSS 模塊雖然具有一定的定位功能，但是RNSS 模塊的定位速度、精度、穩定性等方面優于RDSS 模塊，特此選擇UM4B0 定位模塊。UM4B0 是和芯星通自主研發的全系統多頻高精度RTK 定位定向模塊，輕小型的單面表貼封裝，極大增加了RTK 技術產品的使用范圍，可應用于GIS 信息采集、無人機、輕型機器人、智能駕駛等領域。UM4B0 集成了板載MEMS 芯片和U-Fusion 組合導航算法，有效解決因衛星信號失鎖導致的定位結果中斷等情況，在樓群、隧道、高架橋和樹蔭等復雜環境下可提供連續的高質量的定位結果[11]。

UM4B0 采用新一代全系統全頻點高精度SoC 芯片—NebulasII，支持432 個超級通道，其強大的處理能力以及內嵌的JamShield 多頻點抗干擾技術，可同時跟蹤BDS、GPS、GLONASS、Galileo 等全系統多頻衛星信號并進行多頻點抗干擾處理，完成增強的多模多頻RTK 引擎解算，顯著改善城市街區和樹蔭等復雜環境下的RTK 初始化速度、測量精度和可靠性。

2.4 供電模塊

為了保證飛行過程中定位裝置一直保持在工作狀態，特在定位裝置內部設有鋰電池，可以保證定位裝置工作4 h 以上。定位裝置還可以通過外部24 V電源進行供電來工作。此外定位裝置自帶鋰電池，可通過外部24 V 供電口進行充電，當外部24 V 供電斷開時，定位裝置轉換為內部鋰電池供電，設備繼續工作直到落地或電池耗盡。為了在地面測試狀態下保護鋰電池，定位裝置外接一路鋰電池斷電指令信號，通過該信號可以控制鋰電池與設備內部其他電路斷開。

保持電池使用壽命及其一次充電后的使用時長是保證本定位裝置正常工作必不可少的一項指標，特此選用充電模塊SC8803 進行鋰電池充電管理，SC8803 還是一個同步降壓充電器控制器。當輸入電壓高于電池電壓的時候，可有效管理充電。在充電模式下，SC8803支持微電流充電、恒流充電、恒壓充電自動管理功能，SC8803 的輸入和輸出電壓范圍非常寬。

SC8803 的雙向輸出是通過控制DIR 引腳實現的。在放電模式下，SC8803 可以從電池輸出升壓到VBUS。支持輸入限流、輸出限流、動態輸出穩壓、內部限流、超溫保護，保證不同異常情況下的安全。SC8803 可以通過PWM 信號動態調節放電電壓、以及輸入和輸出的電流限制。其內部集成了10 V、2 A 的門極驅動。可調頻率范圍從200 kHz 到600 kHz。SC8803 引腳如圖3 所示。

圖3 SC8803 引腳圖

2.5 通信終端

通用型北斗二代短報文、北斗GPS 定位通信終端是自主開發，專門為數據傳輸而研制的機型，采用收發天線、模塊、核心主板一體化設計，集成了RDSS、RNSS 天線、射頻收發電路、功放電路、基帶電路等，集成度高、功耗低，配有專用的固定支架，安裝使用極為方便[12]。性能指標如表1 所示。

表1 通信、定位頻點與功能

3 軟件設計

3.1 定位裝置工作流程

每個短報文模塊的最小發送周期是30 s，為了確保每個短報文發送間隔大于15 s，在主控制器的協調下，每個模塊增加10 s 時間，可以實現整機每隔20 s 發送一次報文，增加設備落地毀損前發出短報文的機會和次數。

定位算法:定位裝置的RNSS 部分采用兩個物理獨立的模塊分別進行定位，互為冗余，提高了物理故障下位置信息的可靠獲取能力。每個模塊定位方式采用BD 和GPS 混合計算模式，提高定位可靠性和精確度。

信標機上電后通過內部的RNSS 獲取當前的位置信息，并通過STM32F030 低功耗單片機對收到的定位信息進行提取、編幀，然后通過RDSS 以短報文的形式發送至地面接收設備，地面接收設備再將接收到的位置信息傳送至PC 端，由上位機進行處理并顯示所在位置的經緯高度等信息。具體流程如圖4 所示。

圖4 信標工作流程

3.2 測試結果分析

對信標機進行不間斷連續測試，并對收到的數據進行解析。

選取其中一包數據:

解析上面數據得到以下結果:

東經:112.446 182 73；北緯30.013 415 10；海拔:896.883；系統供電:斷開；定位狀態:已定位。

4 結論

本文設計的定位裝置以RNSS 和RDSS 為核心，能夠精確獲取飛行過程中的位置信息，在高樓、隧道、高架橋以及樹蔭等復雜環境下可提供連續的高質量的定位結果，并且將定位信息通過RDSS 發送出去。采用了雙短報文模塊，增加了冗余和發送頻率，采用雙天線背向設計，盡最大效果獲取北斗導航衛星信號，提高通訊可靠性。采用低功耗STM32 單片機做主控制器，提高了產品集成度，降低了功耗和體積，提高了可靠性。通過長時間不間斷的測試，該信標機通信成功率≥95%，能夠很好地應用到實際中。