劉宏藝 ，李 晨* ，龐俊奇 ，郝現(xiàn)偉

(1.中北大學電子測試技術(shù)國家重點實驗室，山西 太原 030051；2.北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京 100000)

我國北斗衛(wèi)星無線電定位系統(tǒng)(Radio Determination Satellite System，RDSS)的短報文通訊功能極具特色，不依賴于地面站設(shè)備，具有安全、可靠、全域覆蓋的特點，能將通訊覆蓋到地廣人稀，移動信號覆蓋不完善的地區(qū)，非常適合我國地理地貌特征的通訊需求[1－3]。在全區(qū)域的國防工程、交通運輸、海洋觀測、抗震救災、核電工程等諸多領(lǐng)域得到深入應用[4－6]。衛(wèi)星無線電導航業(yè)務(Radio Navigation Satellite System，RNSS)與其他定位系統(tǒng)沒有較大區(qū)別，屬于交會測量的范疇，用戶接收機接收衛(wèi)星的導航信號，在數(shù)字基帶部分完成對毎顆衛(wèi)星的偽距測量，同時從衛(wèi)星導航信號中解調(diào)出衛(wèi)星星歷，并獲得其他各種誤差改正量，最后自主獲得接收機位置[7]。

定位裝置由北斗二號衛(wèi)星導航系統(tǒng)進行定位以及通信。相較于北斗一號衛(wèi)星導航系統(tǒng)，北斗二號衛(wèi)星導航系統(tǒng)增加了無源定位，不再采用北斗一號所使用的主動式雙向測距的定位方式，改用與GPS 相同的單向測距三維導航，使得通信和定位更加準確、安全[8－9]。

1 方案設(shè)計

本文設(shè)計的新型定位裝置基于北斗二號進行深度開發(fā)，主控單元采用STM32F030 低功耗單片機對定位信息進行接收、提取、編幀、發(fā)送；北斗模塊選用高性能RDSS 射頻收發(fā)芯片GNS1531 模塊；RNSS定位模塊選用定位速度、精度、穩(wěn)定性都比較優(yōu)異的UM4B0 定位模塊；電源模塊特地選用充電模塊SC8803 進行鋰電池充電管理，其中電源模塊由電池充電模塊和鋰電池組成，負責給整個設(shè)備供電；RNSS 模塊和北斗模塊負責定位以及短報文的發(fā)送，主控單元負責對數(shù)據(jù)的處理以及控制整個定位裝置的供電、斷電?？傮w方案設(shè)計如圖1 所示。

圖1 定位裝置總體方案設(shè)計圖

本方案中，定位裝置內(nèi)含A、B 兩組北斗模塊，每個模塊都可以獨立完成RNSS 定位和RDSS 短報文通訊。為了增加捕獲衛(wèi)星信號的機會，特別設(shè)計兩個天線互為冗余，指向不同的方向。詳細的功能描述如下:

由于定位裝置上有兩套獨立的RNSS，所以定位裝置可以獨立地獲取位置信息，并組合成發(fā)送數(shù)據(jù)包。為了降低每個環(huán)節(jié)發(fā)生故障時數(shù)據(jù)丟失的概率，A、B 北斗模塊和地面接收裝置1、2 采用交互發(fā)送的方式，即A－1、B－1、A－2、B－2 四條數(shù)據(jù)鏈路，其中A、B 各自發(fā)送的周期為每次30 s，但A、B 發(fā)送間隔設(shè)置為約20 s，如此循環(huán)。這種模式下，即使有任何一個RDSS 模塊或地面接收裝置發(fā)生故障，都會確保有數(shù)據(jù)發(fā)回。地面接收裝置收到定位裝置位置數(shù)據(jù)，通過分析和比對，可以檢測定位裝置工作是否正常。此測試可以覆蓋到天線、定位裝置、地面接收裝置的檢測。定位裝置帶著天線安裝在飛行體上，隨著飛行體運動，同時將每次定位后的變化的位置信息，通過北斗模塊發(fā)送到北斗衛(wèi)星，經(jīng)由北斗衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)至地面接收裝置，另一方面通過422 總線傳遞定位裝置狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)。為了盡量避免單點失效，地面布置了兩臺接收裝置，接收裝置收到數(shù)據(jù)后通過串口上傳給計算機，保存、顯示、分析處理。

2 硬件設(shè)計

2.1 主控模塊

主控單元選用STM32F030 低功耗單片機。該單片機擁有多路串口，滿足總體方案所需，主要負責對于定位信息的接收、提取、編幀、發(fā)送。該單片機擁有6 路UART，滿足設(shè)計方案所需要的4 路UART，將RNSS 的定位信息進行提取、編幀，隨后通過RDSS 發(fā)送至北斗衛(wèi)星，地面接收設(shè)備再將接收到的位置信息傳送至PC 端處理、顯示。

2.2 北斗RDSS 模塊

北斗模塊采用的RDSS 模塊為GNS1531，該模塊支持北斗RDSS 的屏蔽罩結(jié)構(gòu)，模塊內(nèi)部集成了LNA，實現(xiàn)對RDSS 衛(wèi)星信號進行濾波，低噪聲放大、高性能RDSS 射頻收發(fā)芯片、輸出功率低到5 W 的功放模塊，無需外加PA 即可進行衛(wèi)星通信；北斗專用RDSS 基帶電路，RDSS 基帶芯片集成了10 個獨立的數(shù)字接收機通道和1 個發(fā)射通道，完成北斗RDSS 基帶信號的接收和發(fā)射基帶信號的生成等功能?？赏暾麑崿F(xiàn)RDSS 定位、通信功能。只需要5 V 供電，靜態(tài)功耗≤0.56 W，發(fā)射瞬間功耗≤17.5 W。IC＿VCC、IC＿SD、IC＿SCLK、IC＿SRSTN、VPP、GND 五個引腳與SIM 卡連接，其中IC＿SD、IC＿SCLK 為SIM 卡的數(shù)據(jù)引腳和時鐘引腳，IC＿VCC、VPP、GND 是北斗模塊向SIM 卡供電引腳，IC＿SRSTN 為復位引腳，RFIN 為RDSS 射頻接收信號輸入端口，RFOUT 為RDSS 射頻發(fā)射信號輸出端口。GNS1531 北斗模塊應用簡單方便，集成度高、體積小、功耗低、可靠性高，可以廣泛地應用于各類北斗RDSS 導航終端，包括北斗RDSS 車載型、手持型、數(shù)傳型終端設(shè)備[10]。

定位裝置采用了A、B 兩組北斗/GPS 單點定位和北斗短報文模塊，北斗/GPS 定位模塊用于在飛行到落地的過程中各以1 Hz 的頻率確定飛行體位置，并將信息發(fā)送給主控制器。主控制器將兩路信息融合后，通過A、B 兩個短報文RDSS 模塊發(fā)送出去。RDSS 模塊周圍電路如圖2 所示。

圖2 GNS1531 周圍電路

2.3 RNSS 模塊

飛行過程中的定位精度、定位速度以及定位穩(wěn)定性極其重要，RDSS 模塊雖然具有一定的定位功能，但是RNSS 模塊的定位速度、精度、穩(wěn)定性等方面優(yōu)于RDSS 模塊，特此選擇UM4B0 定位模塊。UM4B0 是和芯星通自主研發(fā)的全系統(tǒng)多頻高精度RTK 定位定向模塊，輕小型的單面表貼封裝，極大增加了RTK 技術(shù)產(chǎn)品的使用范圍，可應用于GIS 信息采集、無人機、輕型機器人、智能駕駛等領(lǐng)域。UM4B0 集成了板載MEMS 芯片和U-Fusion 組合導航算法，有效解決因衛(wèi)星信號失鎖導致的定位結(jié)果中斷等情況，在樓群、隧道、高架橋和樹蔭等復雜環(huán)境下可提供連續(xù)的高質(zhì)量的定位結(jié)果[11]。

UM4B0 采用新一代全系統(tǒng)全頻點高精度SoC 芯片—NebulasII，支持432 個超級通道，其強大的處理能力以及內(nèi)嵌的JamShield 多頻點抗干擾技術(shù)，可同時跟蹤BDS、GPS、GLONASS、Galileo 等全系統(tǒng)多頻衛(wèi)星信號并進行多頻點抗干擾處理，完成增強的多模多頻RTK 引擎解算，顯著改善城市街區(qū)和樹蔭等復雜環(huán)境下的RTK 初始化速度、測量精度和可靠性。

2.4 供電模塊

為了保證飛行過程中定位裝置一直保持在工作狀態(tài)，特在定位裝置內(nèi)部設(shè)有鋰電池，可以保證定位裝置工作4 h 以上。定位裝置還可以通過外部24 V電源進行供電來工作。此外定位裝置自帶鋰電池，可通過外部24 V 供電口進行充電，當外部24 V 供電斷開時，定位裝置轉(zhuǎn)換為內(nèi)部鋰電池供電，設(shè)備繼續(xù)工作直到落地或電池耗盡。為了在地面測試狀態(tài)下保護鋰電池，定位裝置外接一路鋰電池斷電指令信號，通過該信號可以控制鋰電池與設(shè)備內(nèi)部其他電路斷開。

保持電池使用壽命及其一次充電后的使用時長是保證本定位裝置正常工作必不可少的一項指標，特此選用充電模塊SC8803 進行鋰電池充電管理，SC8803 還是一個同步降壓充電器控制器。當輸入電壓高于電池電壓的時候，可有效管理充電。在充電模式下，SC8803支持微電流充電、恒流充電、恒壓充電自動管理功能，SC8803 的輸入和輸出電壓范圍非常寬。

SC8803 的雙向輸出是通過控制DIR 引腳實現(xiàn)的。在放電模式下，SC8803 可以從電池輸出升壓到VBUS。支持輸入限流、輸出限流、動態(tài)輸出穩(wěn)壓、內(nèi)部限流、超溫保護，保證不同異常情況下的安全。SC8803 可以通過PWM 信號動態(tài)調(diào)節(jié)放電電壓、以及輸入和輸出的電流限制。其內(nèi)部集成了10 V、2 A 的門極驅(qū)動?？烧{(diào)頻率范圍從200 kHz 到600 kHz。SC8803 引腳如圖3 所示。

圖3 SC8803 引腳圖

2.5 通信終端

通用型北斗二代短報文、北斗GPS 定位通信終端是自主開發(fā)，專門為數(shù)據(jù)傳輸而研制的機型，采用收發(fā)天線、模塊、核心主板一體化設(shè)計，集成了RDSS、RNSS 天線、射頻收發(fā)電路、功放電路、基帶電路等，集成度高、功耗低，配有專用的固定支架，安裝使用極為方便[12]。性能指標如表1 所示。

表1 通信、定位頻點與功能

3 軟件設(shè)計

3.1 定位裝置工作流程

每個短報文模塊的最小發(fā)送周期是30 s，為了確保每個短報文發(fā)送間隔大于15 s，在主控制器的協(xié)調(diào)下，每個模塊增加10 s 時間，可以實現(xiàn)整機每隔20 s 發(fā)送一次報文，增加設(shè)備落地毀損前發(fā)出短報文的機會和次數(shù)。

定位算法:定位裝置的RNSS 部分采用兩個物理獨立的模塊分別進行定位，互為冗余，提高了物理故障下位置信息的可靠獲取能力。每個模塊定位方式采用BD 和GPS 混合計算模式，提高定位可靠性和精確度。

信標機上電后通過內(nèi)部的RNSS 獲取當前的位置信息，并通過STM32F030 低功耗單片機對收到的定位信息進行提取、編幀，然后通過RDSS 以短報文的形式發(fā)送至地面接收設(shè)備，地面接收設(shè)備再將接收到的位置信息傳送至PC 端，由上位機進行處理并顯示所在位置的經(jīng)緯高度等信息。具體流程如圖4 所示。

圖4 信標工作流程

3.2 測試結(jié)果分析

對信標機進行不間斷連續(xù)測試，并對收到的數(shù)據(jù)進行解析。

選取其中一包數(shù)據(jù):

解析上面數(shù)據(jù)得到以下結(jié)果:

東經(jīng):112.446 182 73；北緯30.013 415 10；海拔:896.883；系統(tǒng)供電:斷開；定位狀態(tài):已定位。

4 結(jié)論

本文設(shè)計的定位裝置以RNSS 和RDSS 為核心，能夠精確獲取飛行過程中的位置信息，在高樓、隧道、高架橋以及樹蔭等復雜環(huán)境下可提供連續(xù)的高質(zhì)量的定位結(jié)果，并且將定位信息通過RDSS 發(fā)送出去。采用了雙短報文模塊，增加了冗余和發(fā)送頻率，采用雙天線背向設(shè)計，盡最大效果獲取北斗導航衛(wèi)星信號，提高通訊可靠性。采用低功耗STM32 單片機做主控制器，提高了產(chǎn)品集成度，降低了功耗和體積，提高了可靠性。通過長時間不間斷的測試，該信標機通信成功率≥95%，能夠很好地應用到實際中。