許志民

(中電科航空電子有限公司，成都611731)

在衛(wèi)星導航接收機研制及衛(wèi)星導航應用領域，衛(wèi)星導航信號源都不可或缺。衛(wèi)星導航信號源根據(jù)信號產生的來源可分為自主式信號源和轉發(fā)式信號源，根據(jù)轉發(fā)頻率可分為同頻轉發(fā)和變頻轉發(fā)，根據(jù)對衛(wèi)星信號的處理方式不同可分為直接轉發(fā)和信號處理后的轉發(fā)。本設備屬于后一類，即為可變頻的轉發(fā)式導航信號源。

該技術來源于機載導航應用。由于機體和機翼阻擋等原因，原機載衛(wèi)星接收機因不能收到外部真實衛(wèi)星信號而無法定位，需要外部設備來接收真實衛(wèi)星信號并生成模擬導航信號，使原接收機可正常定位。

該方案采用了“接收機+發(fā)射機”的設計原理，可生成多種體制的衛(wèi)星導航信號[1]，包括BDS(Bei-Dou Navigation Satellite System)、GPS(Global Positioning System)、GLONASS(Global Navigation Satellite System)，其應用目標既可作通用信號源，也可在特殊場景下作信號轉發(fā)使用。

1 基本功能和原理

1.1 基本功能要求

(1)射頻信號接收

接收多體制的衛(wèi)星導航信號，包括目前全球主要的導航信號頻段[2]:

GPS L1/L2 頻點(1 575.42/1 227.6 MHz);

GLONASS L1頻段(1 598～1 607 MHz);

BDS B1/B3 頻段(1 561.098/1 268.52 MHz)。

(2)信號處理和控制

實現(xiàn)信號處理和參數(shù)控制等。完成對接收真實衛(wèi)星信號A/D轉換、解擴、解調等和抗干擾處理，然后作定位解算、頻率偏移控制，最后進行擴頻、調制和D/A轉換發(fā)送信號發(fā)射模塊。通過顯控終端或外部接口實現(xiàn)對頻率和功率參數(shù)的控制。

(3)射頻信號發(fā)射

根據(jù)不同要求發(fā)射不同頻率和功率的導航信號。設備對不同頻率的中頻信號進行調制、混頻等上變頻處理，生成所需要的衛(wèi)星導航信號。發(fā)射功率和頻率通過外部接口由顯控終端實現(xiàn)可調節(jié)。

1.2 衛(wèi)星導航工作原理

衛(wèi)星導航定位是通過終端接收機接收、處理和解算衛(wèi)星導航信號完成終端定位的。以GPS為例，導航信號包括載波、擴頻碼(C/A碼和P碼)和導航電文，其中導航電文又稱數(shù)據(jù)碼或D碼，是用戶用來定位和導航的數(shù)據(jù)基礎，主要包括衛(wèi)星星歷、時鐘校準、電離層時延校準、工作狀態(tài)和C/A碼轉換到捕獲P碼等信息，其結構如圖1所示。

衛(wèi)星將這些信息以二進制碼調制后向終端發(fā)送，基本單位是包含1 500 b的一個主幀，碼速率為50 b/s。一個主幀含5個子幀，其中第1～3子幀各有10個字碼，每個字碼為30 b;第4～5子幀各有25個頁面，37 500 b。

各個導航系統(tǒng)的調制方式不同，GPS和BDS都采用碼分多址(CDMA)調制原理，終端根據(jù)不同的擴頻碼標示衛(wèi)星;而GLONASS采用頻分多址(FDMA)調制方式，根據(jù)不同頻率標示衛(wèi)星。

以GPS L1為例，采用如下公式調制信號:

關于導航信號具體內容可參見《GPS系統(tǒng)原理和應用》或“北斗”導航原理等資料[3]，本文不再贅述。

衛(wèi)星導航接收機即通過對收到的導航電文數(shù)據(jù)解算并實現(xiàn)定位，通常采用成熟的三球定位原理進行位置坐標解算，使用多普勒頻移法進行速度測量。

1.3 信號轉發(fā)的一般原理

一般情況下，要實現(xiàn)衛(wèi)星信號的轉發(fā)和放大，通常采用接收、濾波和放大的原理設計，其原理如圖2所示。

圖1 GPS導航電文格式Fig.1 The format of GPS code

圖2 一般導航信號轉發(fā)原理圖Fig.2 Schematic diagram of signal retransmission

圖2 所示方案的轉發(fā)原理比較簡單，特點是僅能信號放大和同頻轉發(fā)，無法實現(xiàn)對轉發(fā)器本身的定位、頻移和抗干擾等功能。

1.4 基于“接收機+發(fā)射機”的轉發(fā)原理

為了某些特殊用途和實現(xiàn)更多功能，還有一種采用“接收機+發(fā)射機”的設計[5]，其原理如3圖所示。

圖3采用“接收機+發(fā)射機”的轉發(fā)技術，其原理首先對收到的衛(wèi)星信號下變頻、A/D、解擴解調和抗干擾，生成中頻信號并解算，即為接收機[4];數(shù)字信號處理后，頻偏處理再功放、D/A、上變頻，最后通過天線以原來頻率或變化的頻率向外部的機載接收機天線輻射載波，即為發(fā)射機功能。該技術有一個重要功能，就是發(fā)射頻率可設置，這是一種創(chuàng)新性設計，在工程中有重要用途，后文將進行介紹。

圖3 基于“接收機+發(fā)射機”的信號轉發(fā)設計圖Fig.3 Signal retransmission design based on“a receiver+a transmitter”

2 詳細設計

根據(jù)“接收機+發(fā)射機”的原理，設備主要組成單元包括接收天線、接收信道、信號處理、發(fā)射信道、發(fā)射天線、顯控終端和電源模塊等。下面重點介紹收發(fā)天線、收發(fā)信機和電源模塊等關鍵模塊的詳細設計。

2.1 接收天線設計

接收天線位于飛機背部，用于接收真實信號。為了抗干擾，衛(wèi)星接收天線設計為多個天線陣的調零天線，接收衛(wèi)星右旋圓極化信號，并將其放大送給主機處理。因天線陣距離主機較遠，采用有源設計，即將LNA模塊與多天線陣集成。

天線包括天線陣、低噪聲放大器(LNA)等模塊，其原理圖見圖4。不同導航信號經過低噪聲放大器放大后，在合成器合成為一路輸出，這樣可以減少電纜數(shù)量。

圖4 天線陣及LNA設計圖Fig.4 Schematic diagram of antenna and LNA

其中，天線陣是調零天線的重要組成，因此后文關鍵技術中將對天線陣設計進行詳細描述。

2.2 信號處理單元

該單元主要完成中頻信號數(shù)字化采樣、抗干擾處理、信號解調、解擴處理、同步信號提取等功能，實現(xiàn)多系統(tǒng)導航信號的融合，將剝離噪聲的衛(wèi)星信號進行反調制、數(shù)字域合成、數(shù)模轉換處理。信號處理采用直接中頻采樣和全數(shù)字化信號處理方案實現(xiàn);數(shù)據(jù)處理采用高速數(shù)字信號處理(DSP)來完成信號的捕獲、跟蹤及定位、測速等算法[5]。

該單元主要由 AD、DA、FPGA、DSP等組成，還包括1553B、RS232串行接口芯片等硬件電路和數(shù)據(jù)處理軟件，RS232用于調試，1553B用于與飛機控制系統(tǒng)通信，其原理框圖如圖5所示。

圖5 信號處理單元設計圖Fig.5 Schematic diagram of signal processing

2.3 射頻通道設計

射頻通道包含一個接收通道和一個發(fā)射通道，將收到的射頻信號變?yōu)橹蓄l數(shù)字信號，將經過信號處理的中頻信號再變?yōu)樯漕l信號，經過發(fā)射天線發(fā)射出去，其設計原理如圖6所示。

圖6 射頻通道設計圖Fig.6 Schematic diagram of RF channel

在下行的接收通道中，從天線接收的導航射頻信號經過放大后功分成兩路，一路進入B3射頻濾波器，另一路進入GNSS射頻濾波器。經過濾波器后的信號通過混頻、中頻濾波及放大后得到中頻信號，該中頻信號經過A/D轉換器成數(shù)字信號。其前端是帶通濾波器，可使有用信號通過并抑制鏡像頻率和放大器中產生的諧波分量，另外也能改善通道的寄生響應，防止噪聲進入混頻器。而上行的發(fā)射通道中，幅值調整器可單獨調整各頻段和各路信號的發(fā)射電平。

另外，由于設備對頻率源的精度要求較高，信道單元還提供統(tǒng)一的基準頻率源供各模塊使用。

2.4 發(fā)射天線設計

由于轉發(fā)的信號電平不高，不需要放大器，因此發(fā)射天線為無源天線，發(fā)射天線涵蓋了GPS L1/L2、GLONASS L1、BDS B1/B3頻點的信號，要求具有寬頻帶。因此可采用貼片天線，并使用層疊結構，由兩層貼片和一個接地板組成。上層貼片輻射BDS頻段，下層貼片既充當上層輻射貼片接地板，同時輻射其他頻段。上層貼片與中層貼片及中層貼片與接地板之間為兩層基板，這種設計具有復用度高、結構小、功能可靠的特點。

2.5 電源模塊設計

由于在機艙使用，機載電源的特性復雜，所以在設計時應充分考慮，后文將詳細說明。

3 關鍵技術分析

3.1 頻率偏移設計

為了避免衛(wèi)星導航接收機的多徑問題，在信號轉發(fā)時使用了頻率偏移技術，可以保證目標衛(wèi)星導航接收機可正常收星和定位，而其他普通接收機不能接收轉發(fā)信號。因此，這是一種針對某些特殊場景情況下使用的關鍵技術。

使用該技術為一種創(chuàng)新性設計。對目標衛(wèi)星接收機來說，當加入一定的頻率偏移后，可以不改動原接收機的硬件設計，僅對其軟件部分做相應的修改或參數(shù)設置，即可以只接收具有頻偏的轉發(fā)信號，而屏蔽掉可能存在的真實衛(wèi)星信號影響。經計算，當偏移值設置為N×50 kHz(N=0，±1，±2，…)時，可屏蔽真實衛(wèi)星信號對目標接收機的影響。

當目標接收機不需要轉發(fā)信號時，通過外部接口下發(fā)參數(shù)控制命令，可以使其恢復正常的收星頻率，從而接收真實衛(wèi)星信號，同時不會對目前衛(wèi)星導航接收機定位造成干擾，并具有定位連續(xù)性。

3.2 鏈路增益設計

信號在整個轉發(fā)通道中，信號功率被不斷放大、衰減和再放大，信號的增益不斷變化，需要考慮鏈路增益分配。鏈路增益設計如表1所示。

表1 鏈路增益分配Table1 The gain configuration of link

接收天線陣包括了LNA模塊，因此增益較高。

3.3 關于調零天線設計

抗干擾設計主要采用了調零天線和抗干擾算法。關于抗干擾算法可參見相關資料，此處不再贅述，僅描述調零天線的設計。

每種頻段采用多個微帶貼片，用矩形貼片方式，將貼片放在一塊大的基板上按陣列形式排列，但微帶貼片天線存在表面波，導致天陣之間的互耦。

為減少互耦，每一微帶天線陣的基板都是單獨的。由于需要接收3種導航系統(tǒng)的信號，其頻率差別大。對于微帶天線來說，接收帶寬較窄，根據(jù)頻率特性采用了兩種微帶天線，分別接收1.5 GHz和1.2 GHz頻段。天線陣數(shù)目較多，多種天線并排放將增加天線尺寸，因此BDS B1/B3微帶天線和GPS微帶天線采用疊層的方式設計，上層接收1.5 GHz頻段，中間層接收1.2 GHz頻段。這種設計解決了互耦和尺寸等問題。

4 主要技術特征

4.1 衛(wèi)星信號的接收和發(fā)射設計

設備對接收的衛(wèi)星信號進行抗干擾處理后完成解調、解擴、捕獲和跟蹤等處理，得到沒有噪聲的數(shù)字信號，進行調制、加入頻移、數(shù)字域信號合成處理，送到DA模塊產生中頻模擬信號，經過上變頻后輻射。衛(wèi)星導航信號的接收、轉發(fā)和頻偏原理如圖7所示。

圖7 信號“接收機+發(fā)射機”的轉發(fā)原理Fig.7 Schematic diagram of“RX+TX”

4.2 機載電源設計

由于機載電子設備多，共用一個電源，電磁環(huán)境很復雜，電源特性較差，如具有浪涌、尖峰多、50 ms瞬時斷電等特點，因此需采用特殊設計。

設備有模擬電路、數(shù)字電路，必須解決數(shù)模電路的電磁干擾，因此采用了3塊28.5 V轉5 V的 DC/DC模塊，各路輸出地分別連接到模擬地，而模擬地與飛機地隔離，電源輸出電流分若干并行線輸出，可降低每根線上通過的電流，其原理如圖8所示。

圖8 機載電源設計圖Fig.8 Schematic diagram of power supply

設計時選用帶抗浪涌電壓的電源濾波器來滿足其電壓浪涌、尖峰的要求。電源濾波器前端有一個110 V的TVS管和電子開關，TVS管可將所有高于110 V的電壓穩(wěn)定到110 V左右，而電子開關將110 V的電壓再下拉到30 V左右，使過壓浪涌和尖峰不會對后端的電源模塊和電路造成損害;當外加電源跌落到18 V以下之后，電源濾波器后端采用24 000 μF的大容量固體鉭電容在欠壓或者斷電情況下為設備提供50 ms的供電，這樣讓設備不間斷地工作，完全滿足要求。

直流供電經過濾波后，經過欠壓檢測電路進入DC/DC。過欠壓檢測電路檢測到輸入直流電壓超過電源模塊正常范圍時，DC/DC可實現(xiàn)本機直流供電與機載其他設備的隔離，實現(xiàn)保護功能。

5 試驗情況

對本次工程樣機進行了地面試驗和飛行試驗。在試驗時，將信號源主機安裝于電子艙，接收天線裝于飛機背部，發(fā)射天線裝于機翼下側，而目標導航接收機安裝于機翼下側的某載體上，無法正常接收真實衛(wèi)星信號，但可接收轉發(fā)式導航信號源輻射的模擬信號。

為了避免部分真實信號可能形成的多徑干擾，因此試驗時使用了頻率偏移設置并進行了對比。設備經過多次空中試飛試驗，主要數(shù)據(jù)記錄如表2所示。

表2 飛行試驗記錄表Table2 The records of flight test

上述試驗數(shù)據(jù)表明，通過對真實衛(wèi)星導航信號的收發(fā)使機載目標接收機可接收由轉發(fā)式信號源發(fā)出的模擬信號，而機載目標接收機在水平、轉彎、側飛和翻滾等飛行狀態(tài)下可有效定位和導航。

6 結束語

本文提出了一種轉發(fā)式衛(wèi)星導航信號源的總體設計方法，描述了關鍵設計技術和試驗情況。分析和試驗證明，與一般的轉發(fā)器相比，該方案具備多體制、多頻段、抗干擾、可定位和發(fā)射頻率可設置等特點，具有創(chuàng)新性和實用性?；谠摷夹g研制的轉發(fā)式衛(wèi)星導航信號源在科研生產中有許多特殊用途[6]，包括航空航天的衛(wèi)星信號轉發(fā)、地面導航系統(tǒng)設計、空管領域和衛(wèi)星導航接收機的研制等。但是，該技術實用性和創(chuàng)新性方面還需要進一步通過不同的系統(tǒng)應用進行拓展，特別是頻率偏移設置技術在實踐方面是否存在問題需要進一步通過相關試驗來驗證和分析。

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