一种多通道导航收发终端的设计与应用
时间：2023-01-31 18:30:05 来源：天一资源网 本文已影响 人 
张金涛
1.中国电子科技集团公司第五十四研究所；
2.卫星导航系统与装备技术国家重点实验室
多通道导航收发终端是中国区域导航定位系统的核心设备。进行了多通道导航收发基带总体设计，详细描述了收发基带单元的硬件设计，分析了系统业务模式、发射信号处理流程与接收信号处理流程。多通道导航收发终端实现了12路上行信号发射和12路下行信号接收，能够满足工程使用需求。
卫星导航系统能够为地表和近地空间的广大用户提供全天时、全天候、高精度的导航、定位和授时服务，是拓展人类活动和促进社会发展的重要基础设施。当前，各主要航天大国均在积极发展卫星导航系统，主要包括美国的GPS（Global Positioning System）、俄罗斯的GLONASS、欧洲的Galileo、中国的BDS（Bei Dou System，北斗卫星导航定位系统）等[1,2]。
中国区域导航定位系统（Chinese Area Positioning system，简称CAPS）是我国一种具有自主知识产权的新型卫星导航系统，具有定位、测速和授时等功能[3]。多通道导航收发终端是区域导航定位系统的核心设备，实现了转发式导航信号的上行发射、导航电文播发及对相关参数的改正，实现导航信号的下行接收，实现伪距测量，时延测量修正，设备零值校准，实现换频、换码的导航需求。
多通道导航收发终端能同时产生12路不同频点、不同带宽L频段（950MHz～1450MHz）的射频信号，能同时完成12路L频段（950MHz～1450MHz）不同频点、不同带宽的接收信号处理。该多通道导航收发终端设备结构形式为一台4U通用机箱[4,5]，由6块收发基带单元、1块主控单元、1块放大滤波合路单元、1块时频单元以及供电单元与本地监控等部分组成，设备组成框图如图1所示。每块收发基带单元融合了2路上注信号发射和2路下行信号接收的功能。一方面，完成各频点信号的产生以及导航电文的加载注入；
另一方面完成各频点信号接收处理，观测量信息的获取，电文信息的解调。主控单元完成控制指令和电文信息的下发，实现状态信息的上报。放大滤波合路单元完成各频点信号放大滤波合路处理。时频单位完成1PPS、10MHz信号的分路处理，提供给收发基带单元。供电单元为机箱内各个板卡供电。本地监控监控整个机箱所有设备的工作状态，控制相关参数设置，汇总处理观测信息并输出显示。
图1 导航收发终端组成框图Fig.1 Block diagram of navigation transceiver terminal
收发基带单元是多通道导航收发终端设备的核心组成部分，主要是采用AD和FPGA、ZYNQ以及DSP架构的信号收发处理器，包含RapidIO接口、串口、高速串行口和LVTTL互联等数据交互等。模块硬件原理框图如图2所示。AD采用AD9361芯片，该芯片是一款高性能、高集成度的射频捷变收发器，集成12位DAC和ADC的RF 2×2收发器，可支持频段70MHz～6.0GHz。FPGA采 用Xilinx公 司XC7K410T与XC7A100T，为 核心处理芯片，完成信号产生和信号接收各种处理。DSP采用TI公司的TMS320C6000系列，该芯片是一款高性能定点DSP，工作频率能够达到1.2GHz，具备千兆以太网接口，主要用于高速数据处理和信息交换。收发基带单元通过实现FPGA通过JESD204B对AD进行频点配置，以及基带信号输出给AD、同时能够与系统中其他模块进行RadpidIO互联以及本板的ZYNQ、DSP数据交互等。
图2 收发基带单元硬件原理图Fig.2 Schematic diagram of transceiver baseband unit hardware
子卡结构选用符合VITA57.1标准的FMC结构，尺寸为69mm×76.5mm，FMC连接器为400PIN，信号排列为40×10，子卡连接器型号为ASP-134487-；
XMC连接器为114PIN，信号排列为19×6，并且对比管脚信号定义FMC子卡不兼容XMC的子卡。板内时钟为测试使用，实际使用SMA输入的时钟。确保AD的时钟同源。以太网作为SOC控制、管理以及网络数据传输主要通道，由背板与其他模块或系统进行互连。以太网信号经网络变压器，通过PHY芯片进行转换成RGMII网络，后与SOC连接。
在系统业务模式下，多通道导航收发终端接收运行管理分系统任务调度，自动根据任务信息调度系统资源完成任务，主要包含：上行发射任务、下行接收任务，如图3所示。多通道导航收发终端设备检查运行管理分系统下发控制命令的有效性，并且根据下发的指令进行频点、卫星号、通道号等的设置，进行信号发射与接收处理。
图3 系统业务模式图Fig.3 System business model diagram
在业务模式下设计了监视流程和控制流程对各链路业务的执行进行监控。执行监视业务时，收集各链路设备工况信息和业务数据，判断故障信息和数据的合理性，并根据判断结果进行不同级别的告警提示，同时，可以提炼出顶层工况信息与业务数据转发至上级运行管理分系统；
执行控制业务时，能够执行本地监控或上级运行管理分系统下发的监控命令，对命令的有效性、合理性进行判断，并根据目标地址发送至对应设备，并将收到的执行结果进行显示和上报上级运行管理分系统。
3.1 发射信号处理
发射信号处理工作是通过基于DSP+FPGA的收发基带单元实现的。收发基带单元中的DSP模块对本地监控发来的控制命令和参数进行解析，产生信号生成的控制参数，对数据信息进行组帧处理、CRC校验以及状态上报；
FPGA模块实现伪码生成、信道编码、频率补偿、扩频调制等功能[6]。数字化的调制数据传输给高速D/A进行数模转换，输出发射信号。
3.2 接收信号处理
接收信号处理也是通过基于DSP+FPGA的收发基带单元实现的。收发基带单元首先对输入的接收信号进行A/D采样，然后通过DSP和FPGA模块共同完成接收处理，完成信号捕获、跟踪、信息解调、信道解码、测距、时延标定等功能，并把测距值和解调信息上报本地监控。具体实现过程，DSP模块对监控发来的控制命令和参数进行解析，产生信号生成的控制参数，上报工作状态，同时配合FPGA实现接收处理逻辑控制、码和载波相位鉴相器、同步环路滤波、载噪比估计等功能。FPGA模块主要实现伪码生成、码和载波NCO、积分清零单元、帧同步、电文解调、信道译码、伪距提取等功能[7]。
多通道导航收发终端设备已经应用于中国区域导航定位系统，与信道设备、天线设备等一起运行。如图4所示，每套天线系统对应2套多通道导航收发终端设备，分别与C发射信道、C接收信道、Ku发射信道、Ku接收信道一起完成对C频段和Ku频段各12个频点信号发射与接收。
图4 导航收发终端应用图Fig.4 Navigation transceiver terminal application diagram
多通道导航收发终端接收来自运行管理分系统的导航电文信息，按照约定的周期和格式进行电文编辑，生成导航电文，在指定的时间将导航电文送出进行伪码扩频和调制，最后由收发基带将信号提供给发射信道变频放大，经过大口径天线发射出去。经过GEO卫星转发器转发后的导航信号，通过大口径天线接收，经过信道设备低噪声放大与变频后，送给多通道导航收发终端。多通道导航收发终端对接收的导航信号，进行信号捕获、跟踪、解扩、解调、译码等处理后，产生测距信息以及导航电文等提供给运行管理分系统。
如图5所示为2021年1月21日，使用亚洲3s卫星的Ku转发器的自大环伪距值。存在类正弦变化趋势，伪距均值约为254.99ms，振幅约为2.68ms。如图6所示为大环伪距双差值，24h内最大双差值约为0.030ns，最小双差值约为-0.035ns，一方面说明GEO卫星运动加速度小；
另一方面也说明导航收发终端伪码测量精度高。
图5 自大环伪距值图Fig.5 Pseudodistance value diagram of major ring
图6 自大环伪距双差图Fig.6 Pseudodistance bidifference diagram of major ring
…………
本文介绍了一种多通道导航收发终端的实现方案，该终端能够实现12个频点的转发式导航信号的高准确度发射，完成12个频点转发式导航信号的高精度接收处理。多通道导航收发终端已经应用于中国区域导航定位系统，有力保障系统各项业务的正常运行，满足了转发式导航系统的需求。
引用
[1]卢鋆,张弓,陈谷仓,等.卫星导航系统发展现状及前景展望[J].航天器工程,2020,29(4):1-10.
[2]熊超,刘宗毅,卢传芳,等.国外卫星导航系统发展现状与趋势[J].导航定位学报,2021,9(3):13-19.
[3]艾国祥,施浒立,吴海涛,等.基于通信卫星的定位系统原理[J].中国科学G辑:物理学,力学,天文学,2008,38(12):1615-1633.
[4]罗立成.ka星间链路信号模拟器设计与实现[J].河北省科学院学报,2018,35(3):40-47.
[5]韩双林,封欣,闫庆霞,等.基于软件无线电技术的站间模拟源的设计和实现[J].河北省科学院学报,2019,36(2):15-19.
[6]KAPLAN E D,CHRISTOPHER J H.GPS原理与应用[M].寇艳红,沈军,译.北京:电子工业出版社,2007.
[7]谢刚.GPS原理与接收机设计[M].北京:电子工业出版社,2009.
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