唐 斌，柳 奇，張益青，舒 展，李 騰

（1.北京環(huán)球信息應用開發(fā)中心，北京100094；2.中國電子科技集團第54研究所，河北 石家莊050081）

0 引 言

北斗衛(wèi)星無線電測定業(yè)務（RDSS）用戶機是北斗衛(wèi)星導航試驗系統(tǒng)的應用終端，可為用戶提供導航、定位、短報文通信和授時服務。自2003年北斗RDSS服務開通以來，RDSS用戶機在通信、航海、交通、氣象、火警、災害預報、公共安全等各個領域取得廣泛應用。為對北斗RDSS用戶機的研制使用提供可靠保障，需要采用衛(wèi)星導航信號模擬源，仿真導航信號環(huán)境，建立自動化的測試系統(tǒng)，對用戶機進行功能檢查和性能試驗［1]。目前已經(jīng)初步建立了以生產(chǎn)廠家為基礎的用戶設備出廠檢測和售后服務體系。檢測和服務體系的核心即各類不同的北斗RDSS用戶機測試系統(tǒng)。為保證全國各家測試系統(tǒng)在長期運行過程中測量結(jié)果的準確和統(tǒng)一，按照測試設備計量校準與核查要求［2]，需要對測試系統(tǒng)指標進行監(jiān)測和定期標校。

國內(nèi)外由于GPS的廣泛應用，導航信號的模擬、仿真研究大部分集中于GPS測試技術(shù)研究上。北斗衛(wèi)星導航試驗系統(tǒng)原理與GPS不同，用戶機接收系統(tǒng)出站信號后，需要發(fā)射入站信號，才能獲取RDSS服務［3]。因此，北斗RDSS用戶機測試系統(tǒng)由RDSS出站信號發(fā)射終端、用戶機入站信號監(jiān)測接收機，以及其他相關(guān)控制與評估軟件組成［4]。北斗RDSS用戶機測試系統(tǒng)指標的校準主要實現(xiàn)發(fā)射終端、監(jiān)測接收機的相關(guān)功率、頻率、時延等指標的校準。校準方法可以借鑒一些同樣具有發(fā)射信號評估的移動手機的測試儀校準方法［5]。具體實現(xiàn)是基于一臺改進的、各項指標可控的RDSS用戶機進行，該用戶機稱之為校準設備，將測試系統(tǒng)的相關(guān)指標引出，實現(xiàn)至標準儀器的溯源。著重研究測試系統(tǒng)監(jiān)測接收機對用戶機入站信號測量指標、測試系統(tǒng)對用戶機時延測量指標的校準，以及測試系統(tǒng)出站信號指標的監(jiān)測方法。

1 北斗衛(wèi)星導航試驗系統(tǒng)與RDSS出入站信號

北斗衛(wèi)星導航試驗系統(tǒng)由兩顆地球同步衛(wèi)星、一個地面中心和若干標校站組成。地面中心是全系統(tǒng)的控制中心；兩顆同步衛(wèi)星構(gòu)成地面中心與用戶之間的無線電鏈路，共同完成RDSS無線電測定業(yè)務。標校站為確定衛(wèi)星軌道位置、傳播延遲校正提供標準參量。地面中心通過兩顆地球同步衛(wèi)星上的C／S轉(zhuǎn)發(fā)器向用戶發(fā)出“誰要定位”的詢問信號；需要RDSS服務的用戶接收到任意一顆衛(wèi)星的出站詢問信號后，即可響應詢問，發(fā)出入站申請，通過兩顆衛(wèi)星L／C轉(zhuǎn)發(fā)器轉(zhuǎn)發(fā)應答信號，即可測定地面中心分別經(jīng)2顆衛(wèi)星到用戶的距離。由于同步衛(wèi)星位置可以從測軌獲得，可導出用戶到每顆衛(wèi)星的距離。利用存儲在地面中心數(shù)據(jù)庫中的地形數(shù)字高程計算出用戶所在位置。北斗衛(wèi)星導航試驗系統(tǒng)與GPS系統(tǒng)不同，它通過兩個衛(wèi)星發(fā)送四個波束的動態(tài)信號，而且是雙向測距的。

2 測試系統(tǒng)監(jiān)測接收機測量指標校準方案

北斗RDSS用戶機發(fā)射的入站信號為短突發(fā)擴頻信號，根據(jù)測試儀器工作原理和現(xiàn)有標準測試儀器實際情況，很難準確測量出用戶設備發(fā)射功率。因此，要對測試系統(tǒng)監(jiān)測接收機測量指標進行校準，需要通過校準設備產(chǎn)生標準可控的入站信號。

2.1 標準入站信號的產(chǎn)生

為了評估測試系統(tǒng)接收機的測量的準確性，需要產(chǎn)生標準、可控的入站信號，并且該信號的頻率與功率可以通過通用測試儀器進行標定。為了滿足標準通用的儀器測量的需要，對校準設備天線進行了改進，選用了收發(fā)獨立的標準天線，如圖1所示，并且設計了連接標準頻率與功率測量儀器的接口。通過對校準設備基帶的發(fā)射部分進行改進，使得設備在不接收出站信號的情況下，可以發(fā)射可控的連續(xù)單載波信號。

圖1 收發(fā)獨立的標準天線

2.2 監(jiān)測接收機測量指標校準

測試系統(tǒng)監(jiān)測接收機測量校準設備入站信號功率已經(jīng)考慮了測試系統(tǒng)天線接收增益和空間損耗等因素，測量值即為轉(zhuǎn)臺上校準設備發(fā)射天線口面的信號功率。因此，入站信號測量值的校準就是要測定校準設備發(fā)射天線口面的信號功率和頻率。具體方案如圖2所示。

圖2 入站信號測量校準方案

校準設備通過設置發(fā)射2s以上的單載波，設到達校準設備發(fā)射天線口面的信號功率為P，發(fā)射天線增益為PT，發(fā)射天線至功放的電纜損耗為PL1，功放耦合口至標準儀器的電纜損耗為PL2，標準儀器測量值為P0，則校準設備天線口面的信號功率P為

式中，PT、PL1、PL2可以事先精確測定。入站信號頻率監(jiān)測使用圖2中相同連接，同樣由標準測試儀器測定。校準設備天線口面的信號功率、頻率值與測試系統(tǒng)監(jiān)測接收機測量值進行比對，實現(xiàn)對測試系統(tǒng)監(jiān)測接收機測量指標的歸屬。

3 測試系統(tǒng)用戶機時延測量指標方案

校準設備時延可以精確設定，以校準測試系統(tǒng)對用戶機設備時延測試精度，實現(xiàn)測試系統(tǒng)對用戶機時延測量指標的校準。

為了實現(xiàn)校準設備設定絕對時延功能，在校準設備發(fā)射時標前增加一個可調(diào)延時器，采用高速時鐘控制，實現(xiàn)對其大范圍，小步進的調(diào)整。設定時延調(diào)整的功能是通過基帶信號處理來完成的。在設計中，采用計數(shù)器進行延遲。如圖3所示，假定接收32PPS時標的時刻為t0，t1，t2，設備時延需要在當前基礎上延遲T，則可將每個32PPS時標順延T即可。獲得延遲的精度越高，則延遲越準確。為了提高延遲精度，一般采用100MHz或200 MHz的時鐘來驅(qū)動該計數(shù)器［6]。這樣做的缺點一是工作頻率高，計數(shù)器功耗大；二是即便工作頻率如此之高，計數(shù)器的步進分辨率僅為10ns或5 ns，不能夠做到以任意步長精度進行延遲調(diào)整。

在校準設備基帶信號處理算法中，采用了數(shù)控振蕩器（NCO）作為延遲單元，其累加器的精度為32bit，工作時鐘頻率為50MHz.NCO溢出的整數(shù)時刻作為T的時標，溢出時刻對應的NCO相位字尾數(shù)部分送到發(fā)射模塊，作為另一個發(fā)射NCO的初始相位字?？商峁┑睦碚撗舆t精度為20／2＾32 ns，遠高于1ns的調(diào)整精度。由于延遲單元的工作時鐘頻率降低至50MHz，使得整個模塊的功耗也隨之降低。

圖3 校準設備時延設定

4 測試系統(tǒng)出站信號監(jiān)測方案

4.1 測試系統(tǒng)出站信號監(jiān)測原理

測試系統(tǒng)出站信號監(jiān)測包括信號中信息檢測、信號功率檢測和雙通道時差設定檢測等，要求功率測試精度優(yōu)于1dB，時差檢測精度優(yōu)于2ns.測試系統(tǒng)可以通過自校完成功率有線條件下的標定，但實際測試信號一般在無線條件下測試，由于各種原因可能會使接收天線收到的信號功率出現(xiàn)變化。對測試系統(tǒng)發(fā)射的出站信號進行實時監(jiān)測，在監(jiān)測出站信息正確性同時完成出站信號實時功率監(jiān)測，要實現(xiàn)高精度測定就需要根據(jù)測量的原理對測試方法進行論證，根據(jù)理論計算，影響測量精度的主要因素是接收信號的信噪比，在高信噪比情況下測量得到的數(shù)據(jù)穩(wěn)定性和準確性高。

4.2 校準設備用于出站信號監(jiān)測的設計方案

校準設備用于出站信號監(jiān)測的具體設計方案是利用校準設備對測試系統(tǒng)6個波束出站信號進行監(jiān)測，需要并行處理，并提高信號處理的速率。這就需要對校準設備硬件電路部分如相關(guān)器、解調(diào)器等采取并行處理的方法，對嵌入式的軟件部分采用提高CPU時鐘頻率的方法。

硬件設計采用并行處理的方式，優(yōu)點在于不必提高工作時鐘，時鐘越高對于印制板布線的要求越高，對于信號完整性的要求越高［7]，而采用并行處理的方式主要是提高了硬件的容量，鑒于當前的器件水平，大容量高集成度的器件應用越來越廣泛，采用大容量的器件就可以滿足六通道的硬件要求。

信號處理中采用了偽碼快速捕獲與精密跟蹤技術(shù)。偽碼快速捕獲與精密跟蹤技術(shù)采用多假設并行匹配濾波法。該方法的實質(zhì)就是使用一組并行結(jié)構(gòu)的匹配濾波器對偽碼相位進行并行搜索，從而在一次積分時間內(nèi)，完成對多個相位的偽碼的相關(guān)積累，大大提高偽碼的捕獲速度。由于本方法提高捕獲速度不是靠減少每次相關(guān)積累的積分時間，而是靠分段并行搜索來實現(xiàn)的，所以相關(guān)積累時間可以很長，如取整個PN碼周期，這樣就能有效避免PN碼部分相關(guān)所帶來的自身噪聲對相關(guān)判決的影響。這種捕獲方法除了捕獲速度快外，同時具有捕獲靈敏度高、信噪比要求低的特點。

4.3 提高出站信號功率指示精度

若直接進行理想的載噪比估計，則需要的軟硬件開銷較大。在校準設備設計中，采用了兩級估計的方法。第一級，為近似估計，采用簡明算法，估計（S＋N）／N 的值，而非S／N .這樣，可以采用I／Q信號作為近似的S＋N估計。對于N的估計，為了保證估計的準確性，采用了專門的N生成通道，產(chǎn)生了一路非相干N信號作為所有通道N估計的標準信號。第二級，對第一級獲得的近似估計進行修正，修正曲線事先由MATLAB仿真獲得。這樣，通過兩級估計，就得到了理想的載噪比估計，估計的精度優(yōu)于0.5dB.圖4為MATLAB仿真圖，可制成表格存入接收機內(nèi)部存儲器單元。實際存儲的輸入信噪比范圍可從0dB向上，此信噪比對應接收機前端的輸入信號功率為－132dBm，可以適應大部分情況下的信號功率變化范圍。

圖4 信噪比估計仿真

4.4 測試系統(tǒng)雙通道時差測量波束監(jiān)測方案

對測試系統(tǒng)用戶機雙通道時差測量波束的監(jiān)測，通過校準設備解調(diào)出站信號后，外接計數(shù)器進行。校準設備中每個接收通道都包含1個精跟功能模塊，除了本地偽碼生成器以外，這些精跟功能模塊的硬件結(jié)構(gòu)是完全相同的。如圖5所示，校準設備通過精跟模塊獲得兩個波束的幀時標送計數(shù)器。要獲得某一時刻一個波束的完整延時信息必須已知分幀號、符號計數(shù)值、偽碼相位值，時標信號由各個偽碼精跟功能模塊提取，由維特比模塊得到分幀號等信息。

通過計數(shù)器多次測量，計數(shù)器記取時標信號之間的時間差。取其均值并扣除測試系統(tǒng)和校準設備系統(tǒng)通道時延等系統(tǒng)差后，從而對測試系統(tǒng)用于用戶機雙通道時差測量的兩個波束時間差進行監(jiān)測。

圖5 測試系統(tǒng)雙通道時差測量波束監(jiān)測

5 結(jié) 論

北斗RDSS用戶設備測試系統(tǒng)通過校準設備實現(xiàn)功率、頻率、時延指標向標準測試儀器的溯源，有利于提高測試系統(tǒng)的測量精度；利用校準設備對測試系統(tǒng)的定期標校，可實現(xiàn)各測試系統(tǒng)測試結(jié)果的統(tǒng)一。測試系統(tǒng)指標的溯源方法將成為建立北斗RDSS用戶設備檢測體系的重要技術(shù)支撐，有助于進一步提高北斗RDSS用戶設備檢測的科學性。

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