談北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)用終端檢測(cè)技術(shù)

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摘要：北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)時(shí)鐘同步精度決定了導(dǎo)航定位精準(zhǔn)度以及設(shè)備運(yùn)行的效率。介紹了北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)用終端衛(wèi)星鐘差校正與測(cè)量方法；分析了應(yīng)用于終端的數(shù)字頻率合成技術(shù)和多周期同步測(cè)量技術(shù)；通過(guò)軟件校準(zhǔn)體系的建立，確保了測(cè)試的統(tǒng)一性和標(biāo)準(zhǔn)性，盡可能地提高終端檢測(cè)性能和精準(zhǔn)度，降低檢測(cè)的復(fù)雜度。

關(guān)鍵詞：北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)；衛(wèi)星鐘差；同步對(duì)時(shí)；終端檢測(cè)

1概述

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)是我國(guó)自主研發(fā)的戰(zhàn)略性技術(shù)，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展及國(guó)家軍事、民用應(yīng)用中具有特殊地位。目前衛(wèi)星導(dǎo)航定位在軍事、智能交通、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、防災(zāi)救災(zāi)、地理遙感遙測(cè)等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。北斗導(dǎo)航接收機(jī)能夠獲取精準(zhǔn)位置信息，有助于位置管理系統(tǒng)最優(yōu)化決策，為軍隊(duì)在武器精確目標(biāo)定位打擊等方面提供技術(shù)支持。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)主要由地面總控中心、人造在軌衛(wèi)星（多顆）、用戶接收系統(tǒng)等構(gòu)成。地面總控中心對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行總體控制，監(jiān)測(cè)衛(wèi)星的工作狀態(tài)，分析導(dǎo)航信號(hào)的通信服務(wù)質(zhì)量，對(duì)在軌衛(wèi)星姿態(tài)進(jìn)行調(diào)整、控制、管理、實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)運(yùn)行維護(hù)等，確保在軌衛(wèi)星工作運(yùn)行正常。由于衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用廣泛，因此終端測(cè)量及檢測(cè)技術(shù)尤為重要，尤其是時(shí)鐘的準(zhǔn)確性。因此結(jié)合通用測(cè)量檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)終端設(shè)備進(jìn)行測(cè)控，是極為關(guān)鍵的和必要的[1]。

2北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)用終端檢測(cè)技術(shù)

2.1衛(wèi)星鐘差校正與測(cè)量

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)采用星載鐘源為原子鐘，原子鐘雖然比較精確，但是也存在誤差而影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性，因此為確保導(dǎo)航的精準(zhǔn)度，確保時(shí)鐘的精度，應(yīng)用過(guò)程中接收機(jī)需要對(duì)衛(wèi)星所發(fā)射的導(dǎo)航電文中的時(shí)鐘校正參數(shù)進(jìn)行修正，公式如下：本地鐘差的測(cè)量過(guò)程由于存在一定的噪聲（測(cè)量、相位）等，同時(shí)存在漂移頻偏、對(duì)星觀測(cè)等滯后干擾誤差。影響測(cè)量的精度。再者由于觀測(cè)過(guò)程對(duì)衛(wèi)星信號(hào)載波、偽碼相位等獲取本地鐘差，另外，時(shí)標(biāo)和頻標(biāo)的恢復(fù)利用按照DDS校正實(shí)現(xiàn)，再通濾波方式實(shí)現(xiàn)本地鐘差信號(hào)的平滑和預(yù)測(cè)，再利用高速計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算和處理，最終獲得符合客戶要求的定位精度[2]。針對(duì)更高精度的衛(wèi)星導(dǎo)航及定位服務(wù)，需要采用時(shí)間對(duì)比技術(shù)進(jìn)一步提高時(shí)間的分辨率，利用更加穩(wěn)定的時(shí)鐘源，通過(guò)低相噪倍頻技術(shù)、分頻、鑒相技術(shù)、連續(xù)鑒相技術(shù)以及時(shí)間擴(kuò)展技術(shù)等信號(hào)進(jìn)行高精度解析計(jì)算來(lái)處理。通過(guò)鐘差提取時(shí)域和頻域合成、1PPS合成器、數(shù)控時(shí)頻合成器、綜合鑒相器、數(shù)模轉(zhuǎn)換、LPF及波形整形器等電路模塊對(duì)定時(shí)進(jìn)行有效處理。同時(shí)利用算法軟件可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)對(duì)觀察測(cè)量、在軌衛(wèi)星運(yùn)行姿態(tài)、本地坐標(biāo)、差分信息等數(shù)據(jù)和信息進(jìn)行分析、計(jì)算、存儲(chǔ)、傳輸?shù)忍幚?，從而獲得一組鐘差數(shù)據(jù)；再根據(jù)設(shè)定的數(shù)據(jù)處理模式實(shí)現(xiàn)時(shí)頻合成，獲得頻率和1PPS合成控制字，用來(lái)驅(qū)動(dòng)數(shù)控頻率合成器和1PPS合成器，實(shí)現(xiàn)時(shí)頻標(biāo)的合成和傳輸。對(duì)時(shí)狀態(tài)測(cè)量方法的應(yīng)用層為基于軟件時(shí)標(biāo)算法，時(shí)狀態(tài)測(cè)量方法多用于時(shí)間同步的應(yīng)用需求，可利用原有協(xié)議進(jìn)行改進(jìn)實(shí)現(xiàn)。測(cè)量鐘差主要是對(duì)報(bào)文發(fā)送與接收時(shí)標(biāo)路徑的延遲進(jìn)行計(jì)算，有利于進(jìn)一步降低延遲測(cè)量誤差。其測(cè)量主要工作原理在于衛(wèi)星導(dǎo)航接收端裝置自動(dòng)產(chǎn)生一條記錄信號(hào)發(fā)出時(shí)間（即報(bào)文發(fā)出時(shí)接收機(jī)接收時(shí)間）的SOE報(bào)文，接收機(jī)檢測(cè)到SOE報(bào)文時(shí)再自動(dòng)生成一條包含監(jiān)控到報(bào)文時(shí)間的COS報(bào)文。如果時(shí)間跳變區(qū)間較大，衛(wèi)星接收終端收到B碼（報(bào)文對(duì)時(shí)），時(shí)間是無(wú)法進(jìn)行調(diào)整的。只有接收機(jī)監(jiān)控后臺(tái)接收SOE報(bào)文與COS報(bào)文生成時(shí)間存在差異變化時(shí)，系統(tǒng)才能完成對(duì)時(shí)功能。系統(tǒng)軟件利用算法獲取對(duì)時(shí)誤差后，及時(shí)的再顯示界面顯示出誤差數(shù)據(jù)，同時(shí)自動(dòng)發(fā)出告警信號(hào)。測(cè)控裝置接收時(shí)鐘管理服務(wù)器SNTP時(shí)間測(cè)量并傳輸“對(duì)時(shí)信號(hào)狀態(tài)”“時(shí)間跳變幀測(cè)狀態(tài)”“對(duì)時(shí)服務(wù)狀態(tài)”到時(shí)鐘管理服務(wù)器[3]。

2.2數(shù)字頻率合成技術(shù)

頻率源作為數(shù)字集成電路重要性能指標(biāo)，在衛(wèi)星導(dǎo)航終端比較關(guān)鍵，目前在測(cè)量技術(shù)中多采用直接數(shù)字合成器芯片，應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（FPGA，F(xiàn)ieldProgrammableGateAr-ray）器件，作為任意波形發(fā)生器的控制器和數(shù)據(jù)波形存儲(chǔ)器。其核心一般由相位累加器和相位幅值轉(zhuǎn)換模塊構(gòu)成，相位累加器通常由多個(gè)N位加法器以及累加寄存器組成。時(shí)鐘脈沖對(duì)頻率控制字K累加結(jié)果存儲(chǔ)到累加寄存器同時(shí)累加結(jié)果送入加法器輸入端。相位幅值轉(zhuǎn)換功能通過(guò)波形存儲(chǔ)器得以實(shí)現(xiàn)，相位累加器取樣數(shù)據(jù)形成地址，來(lái)訪問(wèn)存儲(chǔ)器從而獲得給定時(shí)間點(diǎn)的數(shù)字波形幅值。再轉(zhuǎn)換成頻率模擬信號(hào)。在通用校準(zhǔn)儀中，三角波、正弦波頻率分辨率O.O1Hz，最高頻率5MHz，設(shè)計(jì)的低通濾波器則為每周期8個(gè)點(diǎn)可復(fù)現(xiàn)出波形。則相位幅值轉(zhuǎn)換模塊取樣率可達(dá)到40MHz及以上。如圖1所示的數(shù)字合成器測(cè)量圖。

2.3多周期同步測(cè)量技術(shù)

目前頻率測(cè)量多采用直接測(cè)頻法、周期測(cè)量法以及組合法。而組合測(cè)頻法通常在高頻段用直接測(cè)頻法；低頻時(shí)采用測(cè)周法直接測(cè)信號(hào)周期，然后換算成頻率。實(shí)際衛(wèi)星導(dǎo)航終端測(cè)量應(yīng)用中多采用多周期同步測(cè)量法。測(cè)量時(shí)先設(shè)定閘門時(shí)間，設(shè)置被測(cè)信號(hào)同閘門同步，利用鎖相環(huán)技術(shù)提高計(jì)數(shù)時(shí)鐘的頻率，從而減小誤差影響。通過(guò)FPGA設(shè)計(jì)數(shù)字電路部分，有利于減小干擾。多周期同步測(cè)量技術(shù)主要包括量程切換電路、比較器、頻率測(cè)量單元、DSP控制器等構(gòu)成[4]。多周期同步測(cè)量通過(guò)修正預(yù)定時(shí)間閘門獲取精準(zhǔn)的時(shí)間閘門，然后用精確門控制一個(gè)計(jì)數(shù)器對(duì)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘信號(hào)（頻標(biāo)）計(jì)數(shù)以獲得實(shí)際閘門時(shí)間。如圖2所示多周期同步頻率測(cè)量原理圖。圖2中，被測(cè)信號(hào)和預(yù)置閘門控制精確閘門開啟/關(guān)閉時(shí)間，兩個(gè)計(jì)數(shù)器在精確閘門控制下分別對(duì)被測(cè)信號(hào)和頻標(biāo)計(jì)數(shù)。開后，被測(cè)信號(hào)處于上升沿時(shí)段，精確閘門打開，計(jì)數(shù)器1和計(jì)數(shù)器2開始計(jì)數(shù)。再被測(cè)信號(hào)下一個(gè)上升沿時(shí)，精確門關(guān)閉，計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)。

3校準(zhǔn)軟件

為了有效提高終端測(cè)量效率，需要建立校準(zhǔn)程序，對(duì)測(cè)試函數(shù)進(jìn)行統(tǒng)一，滿足測(cè)試的質(zhì)量需求。通過(guò)面向?qū)ο蟮某绦蜷_發(fā)手段，結(jié)合測(cè)試軟件的可靠性、匹配性、穩(wěn)定性等特點(diǎn)，在校準(zhǔn)程序中設(shè)計(jì)補(bǔ)償校準(zhǔn)，從而減少誤差，保證測(cè)試結(jié)果的可靠性和精準(zhǔn)性。如圖3所示的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)終端測(cè)量校準(zhǔn)軟件系統(tǒng)圖。衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)終端測(cè)量校準(zhǔn)軟件系統(tǒng)采用基于數(shù)據(jù)庫(kù)和ODBC技術(shù)軟件框架，主要由校準(zhǔn)流程庫(kù)、誤差數(shù)據(jù)庫(kù)、主調(diào)程序、儀器驅(qū)動(dòng)庫(kù)、DSP監(jiān)控和測(cè)控函數(shù)、通用校準(zhǔn)電路、校準(zhǔn)界面庫(kù)等構(gòu)成。校準(zhǔn)流程庫(kù)涵蓋了校準(zhǔn)參數(shù)、校準(zhǔn)函數(shù)、程控指令、校準(zhǔn)結(jié)果合格判據(jù)等部分，主調(diào)程序讀取各數(shù)據(jù)庫(kù)中的有關(guān)測(cè)試數(shù)據(jù)、函數(shù)等，對(duì)不同字段進(jìn)行分析，同時(shí)下達(dá)測(cè)控指令到DSP底層控制程序，DSP控制硬件電路實(shí)現(xiàn)具體測(cè)量校準(zhǔn)操作，并把校準(zhǔn)結(jié)果數(shù)據(jù)反饋到主調(diào)程序后進(jìn)行相應(yīng)處理，并可以執(zhí)行存儲(chǔ)、顯示、打印等功能。

4結(jié)語(yǔ)

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是比較精密的系統(tǒng)，滿足了政治、經(jīng)濟(jì)、軍事等多領(lǐng)域的應(yīng)用需求。為保證系統(tǒng)內(nèi)各關(guān)鍵部件及設(shè)備運(yùn)行安全，需要對(duì)終端等進(jìn)行測(cè)量和校準(zhǔn)，尤其是時(shí)鐘、頻率等關(guān)鍵指標(biāo)的測(cè)控，涉及到定位的精準(zhǔn)度。隨著通信技術(shù)及自動(dòng)測(cè)控技術(shù)的不斷應(yīng)用，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)將應(yīng)用更加廣泛，為用戶提供更加便利的服務(wù)。

參考文獻(xiàn)：

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[4]韓旭,祖先鋒,蔡迎波.基于可靠性指標(biāo)的測(cè)試系統(tǒng)校準(zhǔn)周期優(yōu)化[J].航空動(dòng)力學(xué)報(bào)2010,25(7):1640-1645.

作者：林汝景 單位：廣州海格通信集團(tuán)股份有限公司