0 引言

    北斗衛(wèi)星導航接收設備通常通過接收北斗衛(wèi)星信號獲取導航星歷和歷書后實現(xiàn)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(wèi)星以及預報衛(wèi)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(tǒng)中的北斗衛(wèi)星導航定位模塊長時間處于存儲狀態(tài)^[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(shù)分鐘的時間,。作戰(zhàn)時，若衛(wèi)星導航民用信號被敵方干擾,，北斗衛(wèi)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(fā)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(wèi)星導航定位模塊進行人工初始化,以縮短定位時間，充分發(fā)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(wèi)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(fā)的方式把載體接收的衛(wèi)星導航信號實時轉發(fā),，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(wèi)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(wèi)星導航定位模塊的通信端口,，向模塊輸入從慣性導航系統(tǒng)等得到的載體位置,，北斗衛(wèi)星導航定位模塊再由載體位置推算歷書，從而實現(xiàn)快速衛(wèi)星信號捕獲,。此途徑除了需要慣性導航系統(tǒng)等外部輔助信號,，還需要北斗衛(wèi)星導航定位模塊支持歷書推算，而目前正在使用的北斗衛(wèi)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(wèi)星導航定位模塊進行升級，工作量大且不現(xiàn)實,。

    (3)無線注入式,。模擬產生衛(wèi)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(fā)射給北斗衛(wèi)星導航定位模塊,。北斗衛(wèi)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(shù)的加注是一種對現(xiàn)有北斗衛(wèi)星導航定位模塊影響最小的注入方式，不僅不需要對現(xiàn)北斗衛(wèi)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(wèi)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(xiàn)北斗衛(wèi)星導航定位模塊的初始化,。

2 系統(tǒng)設計

    整個系統(tǒng)由接收功能模塊、發(fā)射信號生成模塊,、專用發(fā)射天線模塊三部分組成,。系統(tǒng)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(fā)射功能模塊,。發(fā)射功能模塊接收星歷和歷書數(shù)據(jù),，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(fā)射功能模塊進行校時,。經過校時的發(fā)射功能模塊,，能夠實現(xiàn)衛(wèi)星導航信號的生成。

    在北斗衛(wèi)星導航定位模塊需要實現(xiàn)定位之前或者進行導航功能測試時,，注入模塊調用發(fā)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(fā)射,。北斗衛(wèi)星導航定位模塊從天線接收發(fā)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(shù)據(jù)，同時對整個導航鏈路功能完好性進行了測試,。

3 發(fā)射信號生成模塊設計

    發(fā)射功能模塊能夠在B1和B3雙頻點同時工作,，具體的實現(xiàn)功能如圖2所示。從圖中可以看出,，基帶數(shù)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(xiàn)B1和B3頻點的合路輸出。此方案的優(yōu)點在于能夠同時輸出B1和B3頻點的信號,，不需要對PLL環(huán)路進行配置,，可以直接設定固定的頻率。

3.1 中頻數(shù)字信號生成模塊

    中頻數(shù)字信號生成模塊基于FPGA+ARM的方案實現(xiàn),，如圖3所示,，包含1片F(xiàn)PGA芯片和1片ARM芯片。其中FPGA芯片實現(xiàn)中頻數(shù)字信號生成,，ARM芯片實現(xiàn)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(shù)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(shù)據(jù)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(shù)字部分不進行合路,。

    上變頻模塊完成基帶信號的數(shù)據(jù)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(xiàn),，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(xiàn)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(xiàn),，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(xiàn)簡單，采用了低通濾波器實現(xiàn),?；祛l器功能可以采用混頻器芯片實現(xiàn)。

4 天線模塊設計

    天線采用能夠發(fā)射B1和B3信號的線極化天線實現(xiàn),，此類天線產品非常成熟,。衛(wèi)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(fā)射導航信號,，會造成接收端3 dB信號的損失,，但是在此系統(tǒng)應用時，接收設備和信號發(fā)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(guī)劃要求。表2給出的電平規(guī)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(xiàn)，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(huán)境內使用,，還需要在設計中盡量降低發(fā)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(fā)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?shù)那疤嵯?，盡量降低發(fā)射功率,。

5 發(fā)射鏈路頻率規(guī)劃

    (1)系統(tǒng)數(shù)字處理時鐘頻率,。首先，需要確定的是數(shù)字鏈路的工作頻率,。因為需要產生B1和B3頻點的數(shù)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(shù)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(shù)字中頻載波,，需要系統(tǒng)時鐘遠大于12 MHz,。同時，DAC模塊也需要與數(shù)字中頻同樣的系統(tǒng)時鐘,，實現(xiàn)對數(shù)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(tǒng)的頻率基準,，同時作為數(shù)字部分的系統(tǒng)時鐘,。

    (2)模擬鏈路時鐘頻率。對于模擬鏈路的時鐘頻率規(guī)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(jù)頻率規(guī)劃的原理,，設計如表1所示頻率規(guī)劃,。

6 發(fā)射鏈路電平規(guī)劃

    整個發(fā)射鏈路的電平規(guī)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(huán)節(jié)。對于北斗應用系統(tǒng)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(jù)此電平需求,，規(guī)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(tài)范圍。從中看出,，可以通過衰減器實現(xiàn)40 dB范圍的動態(tài)調整,，完全滿足接收天線端口的電平大小和動態(tài)范圍要求。

7 結論

    為了解決水下航行器定位浮標,、武器系統(tǒng)中北斗衛(wèi)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(yōu)缺點的基礎上，本文設計了一種可通過無線鏈路對北斗衛(wèi)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(tǒng)設計架構，給出了發(fā)射模塊的硬件實現(xiàn)和整體頻率與電平規(guī)劃,。系統(tǒng)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(fā)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）