0 引言

    北斗衛星導航接收設備通常通過接收北斗衛星信號獲取導航星歷和歷書后實現定位解算^[1-2]。導航星歷用于定位計算，歷書用于接收設備快速捕獲衛星以及預報衛星位置^[3-4]。導航星歷的有效性一般為4小時，歷書的有效期一般為半年。由于水下航行器用來進行位置校正的定位浮標和武器系統中的北斗衛星導航定位模塊長時間處于存儲狀態^[5-6]，在投入使用后，通常要對導航星歷和歷書進行更新，方能定位輸出。從上電到輸出定位結果往往需要數分鐘的時間。作戰時，若衛星導航民用信號被敵方干擾，北斗衛星導航定位模塊只能通過對軍用信號進行捕獲和跟蹤以完成定位^[7-8]。這樣，完成首次定位所需的時間會更長。對于精確制導武器和水下航行器位置校正來說，首次定位時間的延長，將會影響武器效能的發揮和增加水下航行器的暴露風險。因此，有必要在定位浮標和武器使用之前對其中的北斗衛星導航定位模塊進行人工初始化,以縮短定位時間，充分發揮武器效能和降低水下航行器暴露風險。

1 技術途徑分析

    對導航定位模塊的人工初始化主要有以下技術途徑^[9-10]。

    (1)直接式。水面、陸基以及空基載體，能夠具備較好的衛星導航信號接收條件，因此能夠隨時接收真實導航信號，或者通過轉發的方式把載體接收的衛星導航信號實時轉發，從而保持導航星歷和歷書的更新。但是對于水下航行器，在水下航行時無法接收衛星導航信號，因此不能采用直接式的技術途徑。

    (2)位置注入式。通過北斗衛星導航定位模塊的通信端口，向模塊輸入從慣性導航系統等得到的載體位置，北斗衛星導航定位模塊再由載體位置推算歷書，從而實現快速衛星信號捕獲。此途徑除了需要慣性導航系統等外部輔助信號，還需要北斗衛星導航定位模塊支持歷書推算，而目前正在使用的北斗衛星導航定位模塊大部分不支持歷書推算，因此，需要對北斗衛星導航定位模塊進行升級，工作量大且不現實。

    (3)無線注入式。模擬產生衛星導航信號，調制需要加注的星歷或歷書，然后通過無線鏈路發射給北斗衛星導航定位模塊。北斗衛星導航定位模塊通過天線接收模擬信號后，解析出此星歷或歷書，從而完成注入。通過無線鏈路對初始化參數的加注是一種對現有北斗衛星導航定位模塊影響最小的注入方式，不僅不需要對現北斗衛星導航定位模塊進行修改，同時還可在使用前從天線開始，對北斗衛星導航定位模塊進行全功能檢測。

    綜上，采用無線注入式的技術途徑來實現北斗衛星導航定位模塊的初始化。

2 系統設計

    整個系統由接收功能模塊、發射信號生成模塊、專用發射天線模塊三部分組成。系統總體框架如圖1所示，接收功能模塊使用載體中北斗導航用戶機，接收B1和B3頻點的導航信號，解析出星歷和歷書，并實時傳輸給發射功能模塊。發射功能模塊接收星歷和歷書數據，并存儲到本地。當接收功能模塊進行導航信息接收時，可以通過1PPS接口和授時接口對發射功能模塊進行校時。經過校時的發射功能模塊，能夠實現衛星導航信號的生成。

    在北斗衛星導航定位模塊需要實現定位之前或者進行導航功能測試時，注入模塊調用發射功能模塊，把存儲的星歷和歷書調制到導航信號，并通過天線發射。北斗衛星導航定位模塊從天線接收發射的導航信號，進行捕獲、跟蹤、位同步、幀同步等一系列處理，解析出星歷和歷書，獲得能夠用于初始化的數據，同時對整個導航鏈路功能完好性進行了測試。

3 發射信號生成模塊設計

    發射功能模塊能夠在B1和B3雙頻點同時工作，具體的實現功能如圖2所示。從圖中可以看出，基帶數字信號生成模塊同時生成B1和B3頻點的中頻信號，分別輸出給不同的DAC以及模擬鏈路；經過上變頻、濾波等一系列處理之后，再實現B1和B3頻點的合路輸出。此方案的優點在于能夠同時輸出B1和B3頻點的信號，不需要對PLL環路進行配置，可以直接設定固定的頻率。

3.1 中頻數字信號生成模塊

    中頻數字信號生成模塊基于FPGA+ARM的方案實現，如圖3所示，包含1片FPGA芯片和1片ARM芯片。其中FPGA芯片實現中頻數字信號生成，ARM芯片實現中頻信號的生成控制、電文獲取以及顯示控制等功能。

    中頻數字信號生成的原理框圖如圖4所示，主要分為兩個模塊，一個為基帶信號生成通道，總共有24個，其中B1通道12個，B3通道12個；另一個為上變頻模塊，包括濾波和中頻調制。為了描述簡單清晰，圖4只給出了其中一個頻點的調制原理，另一個頻點的原理與此完全相同。

    基帶信號生成通道利用載波、偽碼以及需要注入的電文數據位信息生成基帶信號。各個通道在完成各自通道的信號生成后，需要進行通道合路，且I/Q支路分別合路，然后輸出到上變頻模塊。并且，B1頻點和B3頻點信號分開進行基帶信號生成，兩個頻點信號之間，在數字部分不進行合路。

    上變頻模塊完成基帶信號的數據速率變換以及中頻調制。I/Q支路信號通過正交調制到中頻頻率，最后通過DAC以及濾波得到模擬中頻信號。圖4同時給出了各模塊的中間字長。

3.2 DAC模塊

    DAC模塊的頻率為100 MHz，采用普通的DAC芯片即可實現，推薦采用AD9857芯片。

3.3 濾波與混頻模塊

    本設計采用普通的LC電路實現中頻信號的低通濾波。理論上此濾波器需要采用帶通濾波器實現，但是因為中頻頻率較低，且在射頻部分還會進行濾波，因此，為了實現簡單，采用了低通濾波器實現?；祛l器功能可以采用混頻器芯片實現。

4 天線模塊設計

    天線采用能夠發射B1和B3信號的線極化天線實現，此類天線產品非常成熟。衛星導航設備通常采用右旋圓極化天線進行信號接收，在此采用線極化天線發射導航信號，會造成接收端3 dB信號的損失，但是在此系統應用時，接收設備和信號發射的注入模塊相距非常近，信號在空間鏈路的衰減較小，因而即使信號的功率損失3 dB，也能完全滿足電平規劃要求。表2給出的電平規劃就是采用線極化天線設計的。因為線極化天線的體積非常小，便于集成實現，所以對注入模塊的結構和外觀設計帶來了非常大的便利。由于在封閉環境內使用，還需要在設計中盡量降低發射信號的泄漏，以免造成對其他設備的干擾。解決途徑是通過采用金屬天線罩，將發射天線和加注對象接收天線部分整體屏蔽，同時，在滿足信號傳輸的前提下，盡量降低發射功率。

5 發射鏈路頻率規劃

    (1)系統數字處理時鐘頻率。首先，需要確定的是數字鏈路的工作頻率。因為需要產生B1和B3頻點的數字中頻信號，而B3頻點的碼率為10.23 MHz，信號的帶寬為24 MHz。因此，B3頻點的數字中頻載波設計應當大于12 MHz。為了能夠產生性能較好的大于12 MHz的數字中頻載波，需要系統時鐘遠大于12 MHz。同時，DAC模塊也需要與數字中頻同樣的系統時鐘，實現對數字信號的同步采集。結合市場上目前比較成熟的晶振和DAC方案，可選擇100 MHz的晶振作為系統的頻率基準，同時作為數字部分的系統時鐘。

    (2)模擬鏈路時鐘頻率。對于模擬鏈路的時鐘頻率規劃，主要包括B1頻點的中頻頻率以及PLL輸出頻率和B3頻點的中頻頻率以及PLL輸出頻率。其中B1頻點的中心頻率為1 561.098 MHz，帶寬為4.092 MHz；B3頻點的頻率為1 268.52 MHz，信號帶寬為24 MHz。根據頻率規劃的原理，設計如表1所示頻率規劃。

6 發射鏈路電平規劃

    整個發射鏈路的電平規劃包括DAC輸出電平、低通濾波器損耗、混頻器損耗、射頻濾波器損耗、合路器損耗、衰減器損耗控制、天線增益、空間鏈路損耗等8個環節。對于北斗應用系統的接收設備而言，接收的信號電平范圍通常為-100 dBm～-133 dBm。因此，根據此電平需求，規劃上述8個部分的電平。表2給出了各部分的損耗以及電平的動態范圍。從中看出，可以通過衰減器實現40 dB范圍的動態調整，完全滿足接收天線端口的電平大小和動態范圍要求。

7 結論

    為了解決水下航行器定位浮標、武器系統中北斗衛星導航定位模塊長時間存儲后首次定位時間長的問題，在分析了不同技術途徑優缺點的基礎上，本文設計了一種可通過無線鏈路對北斗衛星導航定位模塊事先人工加注歷書和星歷，同時還能進行導航信號處理鏈路功能完好性檢測的方案。著重闡述了系統設計架構，給出了發射模塊的硬件實現和整體頻率與電平規劃。系統通過無線事先人工加注歷書和星歷，縮短首次定位時間，對充分發揮武器效能和提高水下航行器生存能力，具有重要的軍事應用價值。

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作者信息：

傅  軍1，鐘  斌2，陳永冰1

（1．海軍工程大學 電氣工程學院，湖北 武漢430033；2.海軍工程大學 訓練部，湖北 武漢430033）