張 寧，韓 冰，張 赟

（1.海裝駐上海地區(qū)第八軍事代表室，上海 200011；2.山東省海洋儀器儀表科技中心，山東 青島 266061；3.山東省科學院海洋儀器儀表研究所，山東 青島 266061）

引言

船舶導航、定位功能是保證安全行駛的重要基礎(chǔ)，尤其是在海上極端惡劣的環(huán)境，對艦載導航系統(tǒng)提出了更高的要求。一般的艦載導航系統(tǒng)除了常規(guī)的定位功能外，還需對相關(guān)事項進行緊急報警、對實時障礙物進行測距、對船只進行漏水監(jiān)測等。目前，船舶定位功能基本依靠GPS 實現(xiàn)，但是美國從未完全開放GPS 的服務(wù)功能[1]。由我國自主研發(fā)的北斗定位系統(tǒng)，除了提供常規(guī)的定位功能外，還能夠?qū)崿F(xiàn)實時通信，目前已經(jīng)應(yīng)用于各個行業(yè)領(lǐng)域。

1 北斗定位導航概述

“北斗一號”衛(wèi)星于2003 年由長征三號甲火箭順利發(fā)射至衛(wèi)星軌道，標志著我國可依靠自主研發(fā)的衛(wèi)星實現(xiàn)導航、通信和定位功能，如今，北斗一號衛(wèi)星已經(jīng)在我國各個行業(yè)領(lǐng)域中發(fā)揮著重要的作用。北斗導航系統(tǒng)的定位和通信功能是依靠三球交匯定位原理實現(xiàn)的，其定位示意如圖1 所示。

圖1 北斗導航定位原理示意圖

北斗導航定位系統(tǒng)依靠兩臺位置精確已知的發(fā)射機發(fā)射電磁波，并經(jīng)一定延時后回波反饋至接收機，從而判斷出探測目標的具體位置。

1.1 北斗一號定位流程

北斗一號定位系統(tǒng)采用信號集中處理模式，無論是定位還通信均可由地面控制中心集中完成。北斗一號系統(tǒng)的定位流程如下：

1）由地面控制中心將一定頻率的電磁波信號發(fā)射至與地球同步的導航衛(wèi)星，并通過廣播的形式傳輸至所在覆蓋范圍內(nèi)的用戶。

2）當?shù)孛娴囊苿咏K端設(shè)備接收到回波信號的同時，再次向與地球同步的導航衛(wèi)星發(fā)射入站電磁波信號，同步導航衛(wèi)星再次把接收到的信息傳輸至覆蓋范圍之內(nèi)的用戶，

3）地面控制中心根據(jù)兩次所接收到的信號計算回時差，進而得出相應(yīng)的距離，在計算回時差時需對電離層、設(shè)備層和對流層進行修正。

4）在覆蓋范圍之內(nèi)的用戶接收到信息后得出所探測目標的地理位置信息。

總的來講，基于北斗導航系統(tǒng)的定位流程與GPS 不同，北斗導航定位系統(tǒng)需要用戶提出定位申請后，才能夠開始定位，即需要雙向的報文通信，不適用快速移動的用戶[2]。

1.2 北斗一號通信流程

北斗一號導航系統(tǒng)具有特有的短報文通信能力，其通信流程如下：

1）用戶將需要通信的內(nèi)容和接收用戶的ID 加密后，發(fā)送至地面控制中心。

2）地面控制中心接收到通信的請求及相關(guān)內(nèi)容后，將需要通信的內(nèi)容發(fā)送至廣播電文中，并以北斗導航衛(wèi)星為中心介質(zhì)發(fā)送至接收者。

3）接收者接收到通信的內(nèi)容后，將信息解密后即完成了本次通信任務(wù)。

實際上，基于北斗系統(tǒng)進行通信也具有一定的延時，而且每次最多只能傳輸120 個字符[3]。

北斗導航定位系統(tǒng)主要應(yīng)用于船舶通信系統(tǒng)中的通信模塊和低噪聲放大器的設(shè)計中。本文重點對上述兩項應(yīng)用說明。

2 北斗導航定位船舶通信模塊中的應(yīng)用

北斗導航定位通信單元如圖2 所示。北斗導航通信模塊接收到定位或通信的申請后，申請數(shù)據(jù)射頻芯片在變頻基帶的作用下將其頻率截變?yōu)? 615.8 MHz，并將截變后的信號經(jīng)過功率放大后發(fā)射至北斗導航衛(wèi)星，從而實現(xiàn)北斗電文信號的發(fā)射任務(wù)[4]。

圖2 北斗導航通信模塊

與傳統(tǒng)導航通信模塊不同，北斗定位功能主要應(yīng)用于導航通信模塊的基帶芯片電路、電源電路、射頻芯片外圍電路和功放芯片的電路設(shè)計中。在實際設(shè)計中，由于北斗定位導航系統(tǒng)需要對高頻信號進行處理。因此，為了解決由于電路設(shè)計不合理所導致的高頻信號傳輸過程造成的干擾，將高頻信號的傳輸通道設(shè)計為直線，并且將數(shù)字電壓信號和模擬電壓信號實現(xiàn)隔離，保證PCB 板中各個模塊功能均是相互獨立，有效地避免了各線路之間的互擾。

北斗導航通信模塊的PCB 采用四層電路板的結(jié)構(gòu)設(shè)計。其中，第一層和第四層為信號線布置；第二層為電源線布置；第三層為接地線布置。通過試驗測試可知：所設(shè)計的北斗通信模塊在天氣晴朗時平均10～20 s 即可完成相應(yīng)的定位和通信申請，而在相對惡劣或極端的陰雨天，定位和通信功能實現(xiàn)的耗時較長，平均為60 s。

3 北斗導航定位在低噪聲放大器的應(yīng)用設(shè)計

由于北斗導航系統(tǒng)所發(fā)射的信號達到地球表面后已經(jīng)衰減的非常明顯，并且空間內(nèi)還存在許多雜波。為保證信號傳輸不失真，在船舶通信導航系統(tǒng)中需要引入低噪聲放大器的設(shè)計，提高北斗信號的信噪比后，再傳輸至射頻芯片對信息進行處理。

簡單地說，北斗低噪聲放大器的主要功能是將北斗衛(wèi)星發(fā)射的信號進行過濾并增強處理，保證其進入射頻信號處理模塊后具有較好的完整性和可靠性[5]。

北斗低噪聲放大器的結(jié)構(gòu)如圖3 所示。北斗衛(wèi)星發(fā)射的信號通過兩級放大、級間匹配、阻抗匹配和濾波后，得到完整、可靠的待射頻芯片處理信號。

圖3 北斗低噪聲放大器結(jié)構(gòu)示意圖

一般情況下，加上空間、大氣衰減后北斗衛(wèi)星發(fā)射的信號到達地面的平均功率為-117 dbm，信號的中心頻率處于S 波段，具體為2 491.75 MHz，信號頻率帶寬為8.16 MHz。為保證信號不失真且可靠，要求所設(shè)計的低噪聲放大器的相關(guān)參數(shù)如表1 所示。

表1 低噪聲放大器的目標參數(shù)及實測值

4 結(jié)語

北斗導航衛(wèi)星不僅具有基礎(chǔ)的導航定位功能，能夠與地面實時通訊，而且具備緊急報警處理能力。本文重點研究了北斗定位在船舶導航通信中的應(yīng)用，不僅可解除GPS 功能不全對船舶導航通信的制約，而且還能進一步保證船舶的安全運行，重點完成了北斗定位在船舶導航通信模塊和低噪聲放大器中的設(shè)計應(yīng)用，測試結(jié)果如下：

1）所設(shè)計的北斗通信模塊在天氣晴朗時平均10～20 s 即可完成相應(yīng)的定位和通信申請，而在相對惡劣活極端的陰雨天，定位和通信功能實現(xiàn)的耗時較長，平均為60 s。

2）所設(shè)計的低噪聲放大器增益可達31.809 dB，噪聲系數(shù)為0.9 dB，滿足船舶通信的要求。