劉祥水

（國營蕪湖機械廠，安徽 蕪湖241007）

GPS系統(tǒng)在各個領(lǐng)域已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，尤其是隨著中國BD3的全球組網(wǎng)的完成，GPS系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域和普及度變得更加廣泛。在軍工領(lǐng)域，各種飛行器尤其是戰(zhàn)斗機的定位系統(tǒng)也隨之進行改裝換代，這就給航空維修領(lǐng)域帶來新的課題，即給裝備有衛(wèi)星信號接收器的導(dǎo)航產(chǎn)品修理保障時在實驗室由于GPS信號受到阻隔、強度減弱和多路徑效應(yīng)的影響，GPS無法完成定位或者存在較大誤差，不能滿足裝備的修理需求。如何實現(xiàn)對GPS信號進行有效轉(zhuǎn)發(fā)來驗證產(chǎn)品的性能，這就需要設(shè)計出一種能夠?qū)崿F(xiàn)衛(wèi)星信號再生與轉(zhuǎn)發(fā)的設(shè)備。本文基于航空裝備維修領(lǐng)域的現(xiàn)狀，設(shè)計出一種具備再生轉(zhuǎn)發(fā)功能的轉(zhuǎn)發(fā)器，實現(xiàn)衛(wèi)星信號的轉(zhuǎn)發(fā)以滿足修理需求。

1 整體設(shè)計

由于導(dǎo)航衛(wèi)星采用的頻率為L、S頻段，衛(wèi)星落地信號弱，多數(shù)衛(wèi)星信號的功率在-145 dBm以下，接收終端采用寬波束天線，所以，必須在沒有遮擋的開闊區(qū)域用戶終端才能正常工作。然而在實驗室由于墻壁或者鋼結(jié)構(gòu)廠房的屏蔽作用使得信號極其微弱，接收終端無法有效接收信號。轉(zhuǎn)發(fā)器的功能是將衛(wèi)星信號從室外引到修理車間或?qū)嶒炇覂?nèi)，在室內(nèi)用原裝的衛(wèi)星接收天線接收到衛(wèi)星信號，完成驗證、系統(tǒng)調(diào)試等工作。室內(nèi)環(huán)境下使用轉(zhuǎn)發(fā)器進行接收機狀態(tài)檢測的示意圖如圖1所示。

圖1 室內(nèi)衛(wèi)星信號接收轉(zhuǎn)發(fā)示意圖

由于轉(zhuǎn)發(fā)器接收天線存在一定增益，同時轉(zhuǎn)發(fā)器自身也要對信號進行放大，因而從發(fā)射天線輻射出來的信號幅度較大。若經(jīng)過空間衰減到達接收機天線的信號幅度遠(yuǎn)大于接收機噪底功率，即Pn=-174+101g（20.46×106）=-101 dBm（以BD3為例），則認(rèn)為經(jīng)過非再生式轉(zhuǎn)發(fā)器轉(zhuǎn)發(fā)之后，接收端載噪比有效。

為了使接收端載噪比有效，需要到達接收機天線的信號幅度遠(yuǎn)大于接收機噪底功率，然而由于目前衛(wèi)星導(dǎo)航接收機抗干擾處理普遍采用的是基于功率對消的盲抗干擾處理方法，所以會將轉(zhuǎn)發(fā)信號當(dāng)作干擾抑制掉，致使抗干擾接收機無法接收到轉(zhuǎn)發(fā)信號。

為了滿足室內(nèi)抗干擾接收機的需要，可以采用再生轉(zhuǎn)發(fā)器進行測試。在使用再生轉(zhuǎn)發(fā)器測試，可以控制到達接收機天線的信號幅度小于接收機噪底功率，從而使抗干擾接收機不會啟動盲對消處理，進而可以穩(wěn)定接收到再生轉(zhuǎn)發(fā)器發(fā)過來的信號。

2 再生轉(zhuǎn)發(fā)器設(shè)計與實現(xiàn)

衛(wèi)星導(dǎo)航信號再生轉(zhuǎn)發(fā)器通過室外多頻點衛(wèi)星導(dǎo)航接收天線接收衛(wèi)星導(dǎo)航信號，首先，完成BDS-B1、BDS-B3、GPS-L1、GLONASS-L1等多個頻點接收機定位功能，實時輸出接收衛(wèi)星情況和定位測速授時結(jié)果；其次，該設(shè)備將解調(diào)后的信號進行調(diào)制，完成上述頻點信號的再生，之后將再生后的信號進行上變頻及合路，輸出至室內(nèi)衛(wèi)星導(dǎo)航發(fā)射天線，完成衛(wèi)星導(dǎo)航信號再生轉(zhuǎn)發(fā)功能。再生轉(zhuǎn)發(fā)器主要由射頻前端及A/D和D/A處理單元、捕獲單元、跟蹤及信號再生單元、導(dǎo)航信息處理控制單元、時鐘驅(qū)動及時鐘單元、數(shù)據(jù)總線接口單元、各接口單元等組成。再生轉(zhuǎn)發(fā)器 的基本組成框圖如圖2所示。

圖2 再生轉(zhuǎn)發(fā)器的基本組成框圖

2.1 射頻前端及A/D和D/A處理單元

射頻前端處理單元包括功分器、下變頻通道、頻綜電路、上變頻通道和合路器。其中下變頻通道又包括前置濾波器、前置放大器和混頻器。射頻部分根據(jù)信號流向又可分為接收和發(fā)送，接收模塊用來完成GPS、GLONASS、BDS衛(wèi)星射頻信號的下變頻處理，輸出模擬中頻信號；發(fā)送模塊則是將信號再生單元產(chǎn)生的數(shù)字信號經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換及上變頻再生為衛(wèi)星信號，通過發(fā)射天線進行發(fā)射。

2.2 捕獲單元[1]

為了改善P碼直捕模塊的靈敏度，就需要延長相干積分時間，在用基于FFT的頻域偽碼相位并行搜索方法實現(xiàn)直捕模塊時，這就意味著要實現(xiàn)更大點數(shù)的FFT，而FFT的點數(shù)越多，其FPGA實現(xiàn)就越復(fù)雜。相對于FFT計算，匹配濾波器結(jié)構(gòu)相對簡單，同樣可以達到較快的搜索速度；對匹配濾波器輸出的部分相關(guān)值進行分析，從而完成多普勒頻率的并行搜索。因此，本方案采用匹配濾波器+FFT方法實現(xiàn)P碼直捕，進一步改進了直捕模塊的性能。該直捕模塊主要由PRM接口、下變頻、分段匹配濾波器、匹配濾波結(jié)果緩存和FFT計算、非相干積累、捕獲控制、DSP接口等單元組成。

2.3 跟蹤及信號再生單元[2]

在信號捕獲以后，就進入載波和偽碼的跟蹤狀態(tài)。利用捕獲模塊輸出的多普勒頻率預(yù)估值和偽碼相位預(yù)估值來快速設(shè)置載波NCO和碼NCO，使跟蹤通道快速進入載波跟蹤和偽碼跟蹤過程。在載波跟蹤環(huán)中，進行載波相位積累；在碼跟蹤環(huán)中，進行碼相位的積累。在環(huán)路鎖定時，進行數(shù)據(jù)的位同步、幀同步時鐘提取；利用載波相位累積的結(jié)果和碼相位累積的結(jié)果計算多普勒頻偏和偽距。信號跟蹤處理電路主要由再生偽碼發(fā)生器、載波跟蹤環(huán)、偽碼相位跟蹤環(huán)等組成。信號再生單元通過跟蹤單元產(chǎn)生的偽碼及載波即可生成再生信號。跟蹤單元和信號再生單元實現(xiàn)框圖如圖3所示。

圖3 跟蹤通道和信號再生單元實現(xiàn)框圖

2.4 導(dǎo)航信息處理控制單元

導(dǎo)航信息處理單元利用基帶信號處理單元獲得的測量信號、衛(wèi)星導(dǎo)航電文完成導(dǎo)航解算，實現(xiàn)對用戶的位置、速度和系統(tǒng)時間（PVT）的解算，并按規(guī)定的數(shù)據(jù)格式輸出。X載型和X載型用戶設(shè)備是無源導(dǎo)航體制，用戶機需要利用測量得到的和衛(wèi)星之間的偽距以及接收到的導(dǎo)航電文進行自主導(dǎo)航處理。在PVT解算的同時需要考慮廣域增強信息的處理，包括廣域差分、廣域完好性檢驗，用戶接收機自主完好性監(jiān)測。為了保證導(dǎo)航處理的實時性，本方案采用單獨DSP芯片進行處理，包括X載數(shù)據(jù)的接口功能，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 導(dǎo)航處理接口結(jié)構(gòu)示意圖

2.5 時鐘驅(qū)動及時鐘單元

時鐘單元為ADC、DAC和FPGA提供工作時鐘?？紤]到各個器件時鐘之間的同步性要求，以射頻模塊提供的62 MHz時鐘信號為基準(zhǔn)，經(jīng)過時鐘驅(qū)動芯片發(fā)出各路時鐘信號，分別輸出給ADC、DAC和FPGA。

2.6 數(shù)據(jù)總線接口單元

導(dǎo)航信息處理控制單元DSP通過EMⅠF接口與FPGA進行數(shù)據(jù)通信。導(dǎo)航信息處理控制單元選用TⅠ的DSP芯片，有2個外部存儲器接口（EMⅠFA/EMⅠFB）按異步方式訪問外設(shè)。本設(shè)計方案中，用DSP的EMⅠFA接口與FPGA進行數(shù)據(jù)通信。

2.7 各接口單元

除以上各功能處理單元外，還需要以下各路接口：與PRM芯片通信接口，用于產(chǎn)生P碼和進行電文格式轉(zhuǎn)換；保密ⅠC接口，ⅠC卡完成電文的解密功能；RTC守時接口，通過SPⅠ接口與實時芯片通信；外部RS232、RS-422等常見總線接口。

3 結(jié)束語

本文介紹了一種為航空維修領(lǐng)域設(shè)計制造的衛(wèi)星信號轉(zhuǎn)發(fā)器，根據(jù)本方案設(shè)計出的轉(zhuǎn)發(fā)器具備P碼轉(zhuǎn)發(fā)功能，實現(xiàn)GPS、GLONASS、BDS碼的轉(zhuǎn)發(fā)；其具備模擬轉(zhuǎn)發(fā)干擾功能，可以模擬不同延遲和干信比的轉(zhuǎn)發(fā)干擾信號。依據(jù)本文設(shè)計制造的轉(zhuǎn)發(fā)器已應(yīng)用于航空維修領(lǐng)域，為衛(wèi)星信號接收機的修理提供了必要的環(huán)境。