一種多通道導(dǎo)航收發(fā)終端的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

張金濤

1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所；2.衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)與裝備技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

多通道導(dǎo)航收發(fā)終端是中國(guó)區(qū)域?qū)Ш蕉ㄎ幌到y(tǒng)的核心設(shè)備。進(jìn)行了多通道導(dǎo)航收發(fā)基帶總體設(shè)計(jì)，詳細(xì)描述了收發(fā)基帶單元的硬件設(shè)計(jì)，分析了系統(tǒng)業(yè)務(wù)模式、發(fā)射信號(hào)處理流程與接收信號(hào)處理流程。多通道導(dǎo)航收發(fā)終端實(shí)現(xiàn)了12路上行信號(hào)發(fā)射和12路下行信號(hào)接收，能夠滿足工程使用需求。

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)能夠?yàn)榈乇砗徒乜臻g的廣大用戶提供全天時(shí)、全天候、高精度的導(dǎo)航、定位和授時(shí)服務(wù)，是拓展人類活動(dòng)和促進(jìn)社會(huì)發(fā)展的重要基礎(chǔ)設(shè)施。當(dāng)前，各主要航天大國(guó)均在積極發(fā)展衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，主要包括美國(guó)的GPS（Global Positioning System）、俄羅斯的GLONASS、歐洲的Galileo、中國(guó)的BDS（Bei Dou System，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)）等[1,2]。

中國(guó)區(qū)域?qū)Ш蕉ㄎ幌到y(tǒng)（Chinese Area Positioning system，簡(jiǎn)稱CAPS）是我國(guó)一種具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新型衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，具有定位、測(cè)速和授時(shí)等功能[3]。多通道導(dǎo)航收發(fā)終端是區(qū)域?qū)Ш蕉ㄎ幌到y(tǒng)的核心設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)發(fā)式導(dǎo)航信號(hào)的上行發(fā)射、導(dǎo)航電文播發(fā)及對(duì)相關(guān)參數(shù)的改正，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航信號(hào)的下行接收，實(shí)現(xiàn)偽距測(cè)量，時(shí)延測(cè)量修正，設(shè)備零值校準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)換頻、換碼的導(dǎo)航需求。

1 總體設(shè)計(jì)

多通道導(dǎo)航收發(fā)終端能同時(shí)產(chǎn)生12路不同頻點(diǎn)、不同帶寬L頻段（950MHz～1450MHz）的射頻信號(hào)，能同時(shí)完成12路L頻段（950MHz～1450MHz）不同頻點(diǎn)、不同帶寬的接收信號(hào)處理。該多通道導(dǎo)航收發(fā)終端設(shè)備結(jié)構(gòu)形式為一臺(tái)4U通用機(jī)箱[4,5]，由6塊收發(fā)基帶單元、1塊主控單元、1塊放大濾波合路單元、1塊時(shí)頻單元以及供電單元與本地監(jiān)控等部分組成，設(shè)備組成框圖如圖1所示。每塊收發(fā)基帶單元融合了2路上注信號(hào)發(fā)射和2路下行信號(hào)接收的功能。一方面，完成各頻點(diǎn)信號(hào)的產(chǎn)生以及導(dǎo)航電文的加載注入；另一方面完成各頻點(diǎn)信號(hào)接收處理，觀測(cè)量信息的獲取，電文信息的解調(diào)。主控單元完成控制指令和電文信息的下發(fā)，實(shí)現(xiàn)狀態(tài)信息的上報(bào)。放大濾波合路單元完成各頻點(diǎn)信號(hào)放大濾波合路處理。時(shí)頻單位完成1PPS、10MHz信號(hào)的分路處理，提供給收發(fā)基帶單元。供電單元為機(jī)箱內(nèi)各個(gè)板卡供電。本地監(jiān)控監(jiān)控整個(gè)機(jī)箱所有設(shè)備的工作狀態(tài)，控制相關(guān)參數(shù)設(shè)置，匯總處理觀測(cè)信息并輸出顯示。

圖1 導(dǎo)航收發(fā)終端組成框圖Fig.1 Block diagram of navigation transceiver terminal

2 收發(fā)基帶單元硬件設(shè)計(jì)

收發(fā)基帶單元是多通道導(dǎo)航收發(fā)終端設(shè)備的核心組成部分，主要是采用AD和FPGA、ZYNQ以及DSP架構(gòu)的信號(hào)收發(fā)處理器，包含RapidIO接口、串口、高速串行口和LVTTL互聯(lián)等數(shù)據(jù)交互等。模塊硬件原理框圖如圖2所示。AD采用AD9361芯片，該芯片是一款高性能、高集成度的射頻捷變收發(fā)器，集成12位DAC和ADC的RF 2×2收發(fā)器，可支持頻段70MHz～6.0GHz。FPGA采 用Xilinx公 司XC7K410T與XC7A100T，為 核心處理芯片，完成信號(hào)產(chǎn)生和信號(hào)接收各種處理。DSP采用TI公司的TMS320C6000系列，該芯片是一款高性能定點(diǎn)DSP，工作頻率能夠達(dá)到1.2GHz，具備千兆以太網(wǎng)接口，主要用于高速數(shù)據(jù)處理和信息交換。收發(fā)基帶單元通過(guò)實(shí)現(xiàn)FPGA通過(guò)JESD204B對(duì)AD進(jìn)行頻點(diǎn)配置，以及基帶信號(hào)輸出給AD、同時(shí)能夠與系統(tǒng)中其他模塊進(jìn)行RadpidIO互聯(lián)以及本板的ZYNQ、DSP數(shù)據(jù)交互等。

圖2 收發(fā)基帶單元硬件原理圖Fig.2 Schematic diagram of transceiver baseband unit hardware

子卡結(jié)構(gòu)選用符合VITA57.1標(biāo)準(zhǔn)的FMC結(jié)構(gòu)，尺寸為69mm×76.5mm，F(xiàn)MC連接器為400PIN，信號(hào)排列為40×10，子卡連接器型號(hào)為ASP-134487-；XMC連接器為114PIN，信號(hào)排列為19×6，并且對(duì)比管腳信號(hào)定義FMC子卡不兼容XMC的子卡。板內(nèi)時(shí)鐘為測(cè)試使用，實(shí)際使用SMA輸入的時(shí)鐘。確保AD的時(shí)鐘同源。以太網(wǎng)作為SOC控制、管理以及網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸主要通道，由背板與其他模塊或系統(tǒng)進(jìn)行互連。以太網(wǎng)信號(hào)經(jīng)網(wǎng)絡(luò)變壓器，通過(guò)PHY芯片進(jìn)行轉(zhuǎn)換成RGMII網(wǎng)絡(luò)，后與SOC連接。

3 業(yè)務(wù)模式與信號(hào)處理設(shè)計(jì)

在系統(tǒng)業(yè)務(wù)模式下，多通道導(dǎo)航收發(fā)終端接收運(yùn)行管理分系統(tǒng)任務(wù)調(diào)度，自動(dòng)根據(jù)任務(wù)信息調(diào)度系統(tǒng)資源完成任務(wù)，主要包含：上行發(fā)射任務(wù)、下行接收任務(wù)，如圖3所示。多通道導(dǎo)航收發(fā)終端設(shè)備檢查運(yùn)行管理分系統(tǒng)下發(fā)控制命令的有效性，并且根據(jù)下發(fā)的指令進(jìn)行頻點(diǎn)、衛(wèi)星號(hào)、通道號(hào)等的設(shè)置，進(jìn)行信號(hào)發(fā)射與接收處理。

圖3 系統(tǒng)業(yè)務(wù)模式圖Fig.3 System business model diagram

在業(yè)務(wù)模式下設(shè)計(jì)了監(jiān)視流程和控制流程對(duì)各鏈路業(yè)務(wù)的執(zhí)行進(jìn)行監(jiān)控。執(zhí)行監(jiān)視業(yè)務(wù)時(shí)，收集各鏈路設(shè)備工況信息和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，判斷故障信息和數(shù)據(jù)的合理性，并根據(jù)判斷結(jié)果進(jìn)行不同級(jí)別的告警提示，同時(shí)，可以提煉出頂層工況信息與業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至上級(jí)運(yùn)行管理分系統(tǒng)；執(zhí)行控制業(yè)務(wù)時(shí)，能夠執(zhí)行本地監(jiān)控或上級(jí)運(yùn)行管理分系統(tǒng)下發(fā)的監(jiān)控命令，對(duì)命令的有效性、合理性進(jìn)行判斷，并根據(jù)目標(biāo)地址發(fā)送至對(duì)應(yīng)設(shè)備，并將收到的執(zhí)行結(jié)果進(jìn)行顯示和上報(bào)上級(jí)運(yùn)行管理分系統(tǒng)。

3.1 發(fā)射信號(hào)處理

發(fā)射信號(hào)處理工作是通過(guò)基于DSP+FPGA的收發(fā)基帶單元實(shí)現(xiàn)的。收發(fā)基帶單元中的DSP模塊對(duì)本地監(jiān)控發(fā)來(lái)的控制命令和參數(shù)進(jìn)行解析，產(chǎn)生信號(hào)生成的控制參數(shù)，對(duì)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行組幀處理、CRC校驗(yàn)以及狀態(tài)上報(bào)；FPGA模塊實(shí)現(xiàn)偽碼生成、信道編碼、頻率補(bǔ)償、擴(kuò)頻調(diào)制等功能[6]。數(shù)字化的調(diào)制數(shù)據(jù)傳輸給高速D/A進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，輸出發(fā)射信號(hào)。

3.2 接收信號(hào)處理

接收信號(hào)處理也是通過(guò)基于DSP+FPGA的收發(fā)基帶單元實(shí)現(xiàn)的。收發(fā)基帶單元首先對(duì)輸入的接收信號(hào)進(jìn)行A/D采樣，然后通過(guò)DSP和FPGA模塊共同完成接收處理，完成信號(hào)捕獲、跟蹤、信息解調(diào)、信道解碼、測(cè)距、時(shí)延標(biāo)定等功能，并把測(cè)距值和解調(diào)信息上報(bào)本地監(jiān)控。具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程，DSP模塊對(duì)監(jiān)控發(fā)來(lái)的控制命令和參數(shù)進(jìn)行解析，產(chǎn)生信號(hào)生成的控制參數(shù)，上報(bào)工作狀態(tài)，同時(shí)配合FPGA實(shí)現(xiàn)接收處理邏輯控制、碼和載波相位鑒相器、同步環(huán)路濾波、載噪比估計(jì)等功能。FPGA模塊主要實(shí)現(xiàn)偽碼生成、碼和載波NCO、積分清零單元、幀同步、電文解調(diào)、信道譯碼、偽距提取等功能[7]。

4 系統(tǒng)應(yīng)用

多通道導(dǎo)航收發(fā)終端設(shè)備已經(jīng)應(yīng)用于中國(guó)區(qū)域?qū)Ш蕉ㄎ幌到y(tǒng)，與信道設(shè)備、天線設(shè)備等一起運(yùn)行。如圖4所示，每套天線系統(tǒng)對(duì)應(yīng)2套多通道導(dǎo)航收發(fā)終端設(shè)備，分別與C發(fā)射信道、C接收信道、Ku發(fā)射信道、Ku接收信道一起完成對(duì)C頻段和Ku頻段各12個(gè)頻點(diǎn)信號(hào)發(fā)射與接收。

圖4 導(dǎo)航收發(fā)終端應(yīng)用圖Fig.4 Navigation transceiver terminal application diagram

多通道導(dǎo)航收發(fā)終端接收來(lái)自運(yùn)行管理分系統(tǒng)的導(dǎo)航電文信息，按照約定的周期和格式進(jìn)行電文編輯，生成導(dǎo)航電文，在指定的時(shí)間將導(dǎo)航電文送出進(jìn)行偽碼擴(kuò)頻和調(diào)制，最后由收發(fā)基帶將信號(hào)提供給發(fā)射信道變頻放大，經(jīng)過(guò)大口徑天線發(fā)射出去。經(jīng)過(guò)GEO衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器轉(zhuǎn)發(fā)后的導(dǎo)航信號(hào)，通過(guò)大口徑天線接收，經(jīng)過(guò)信道設(shè)備低噪聲放大與變頻后，送給多通道導(dǎo)航收發(fā)終端。多通道導(dǎo)航收發(fā)終端對(duì)接收的導(dǎo)航信號(hào)，進(jìn)行信號(hào)捕獲、跟蹤、解擴(kuò)、解調(diào)、譯碼等處理后，產(chǎn)生測(cè)距信息以及導(dǎo)航電文等提供給運(yùn)行管理分系統(tǒng)。

如圖5所示為2021年1月21日，使用亞洲3s衛(wèi)星的Ku轉(zhuǎn)發(fā)器的自大環(huán)偽距值。存在類正弦變化趨勢(shì)，偽距均值約為254.99ms，振幅約為2.68ms。如圖6所示為大環(huán)偽距雙差值，24h內(nèi)最大雙差值約為0.030ns，最小雙差值約為-0.035ns，一方面說(shuō)明GEO衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)加速度小；另一方面也說(shuō)明導(dǎo)航收發(fā)終端偽碼測(cè)量精度高。

圖5 自大環(huán)偽距值圖Fig.5 Pseudodistance value diagram of major ring

圖6 自大環(huán)偽距雙差圖Fig.6 Pseudodistance bidifference diagram of major ring

…………

5 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了一種多通道導(dǎo)航收發(fā)終端的實(shí)現(xiàn)方案，該終端能夠?qū)崿F(xiàn)12個(gè)頻點(diǎn)的轉(zhuǎn)發(fā)式導(dǎo)航信號(hào)的高準(zhǔn)確度發(fā)射，完成12個(gè)頻點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)式導(dǎo)航信號(hào)的高精度接收處理。多通道導(dǎo)航收發(fā)終端已經(jīng)應(yīng)用于中國(guó)區(qū)域?qū)Ш蕉ㄎ幌到y(tǒng)，有力保障系統(tǒng)各項(xiàng)業(yè)務(wù)的正常運(yùn)行，滿足了轉(zhuǎn)發(fā)式導(dǎo)航系統(tǒng)的需求。

引用

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