談北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)用終端檢測技術(shù)

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摘要：北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)時鐘同步精度決定了導(dǎo)航定位精準(zhǔn)度以及設(shè)備運行的效率。介紹了北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)用終端衛(wèi)星鐘差校正與測量方法；分析了應(yīng)用于終端的數(shù)字頻率合成技術(shù)和多周期同步測量技術(shù)；通過軟件校準(zhǔn)體系的建立，確保了測試的統(tǒng)一性和標(biāo)準(zhǔn)性，盡可能地提高終端檢測性能和精準(zhǔn)度，降低檢測的復(fù)雜度。

關(guān)鍵詞：北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)；衛(wèi)星鐘差；同步對時；終端檢測

1概述

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)是我國自主研發(fā)的戰(zhàn)略性技術(shù)，在國民經(jīng)濟發(fā)展及國家軍事、民用應(yīng)用中具有特殊地位。目前衛(wèi)星導(dǎo)航定位在軍事、智能交通、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、環(huán)境監(jiān)測、防災(zāi)救災(zāi)、地理遙感遙測等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。北斗導(dǎo)航接收機能夠獲取精準(zhǔn)位置信息，有助于位置管理系統(tǒng)最優(yōu)化決策，為軍隊在武器精確目標(biāo)定位打擊等方面提供技術(shù)支持。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)主要由地面總控中心、人造在軌衛(wèi)星（多顆）、用戶接收系統(tǒng)等構(gòu)成。地面總控中心對衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)進行總體控制，監(jiān)測衛(wèi)星的工作狀態(tài)，分析導(dǎo)航信號的通信服務(wù)質(zhì)量，對在軌衛(wèi)星姿態(tài)進行調(diào)整、控制、管理、實時動態(tài)運行維護等，確保在軌衛(wèi)星工作運行正常。由于衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用廣泛，因此終端測量及檢測技術(shù)尤為重要，尤其是時鐘的準(zhǔn)確性。因此結(jié)合通用測量檢測標(biāo)準(zhǔn)，對衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)終端設(shè)備進行測控，是極為關(guān)鍵的和必要的[1]。

2北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)用終端檢測技術(shù)

2.1衛(wèi)星鐘差校正與測量

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)采用星載鐘源為原子鐘，原子鐘雖然比較精確，但是也存在誤差而影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性，因此為確保導(dǎo)航的精準(zhǔn)度，確保時鐘的精度，應(yīng)用過程中接收機需要對衛(wèi)星所發(fā)射的導(dǎo)航電文中的時鐘校正參數(shù)進行修正，公式如下：本地鐘差的測量過程由于存在一定的噪聲（測量、相位）等，同時存在漂移頻偏、對星觀測等滯后干擾誤差。影響測量的精度。再者由于觀測過程對衛(wèi)星信號載波、偽碼相位等獲取本地鐘差，另外，時標(biāo)和頻標(biāo)的恢復(fù)利用按照DDS校正實現(xiàn)，再通濾波方式實現(xiàn)本地鐘差信號的平滑和預(yù)測，再利用高速計算機系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)計算和處理，最終獲得符合客戶要求的定位精度[2]。針對更高精度的衛(wèi)星導(dǎo)航及定位服務(wù)，需要采用時間對比技術(shù)進一步提高時間的分辨率，利用更加穩(wěn)定的時鐘源，通過低相噪倍頻技術(shù)、分頻、鑒相技術(shù)、連續(xù)鑒相技術(shù)以及時間擴展技術(shù)等信號進行高精度解析計算來處理。通過鐘差提取時域和頻域合成、1PPS合成器、數(shù)控時頻合成器、綜合鑒相器、數(shù)模轉(zhuǎn)換、LPF及波形整形器等電路模塊對定時進行有效處理。同時利用算法軟件可以實現(xiàn)系統(tǒng)對觀察測量、在軌衛(wèi)星運行姿態(tài)、本地坐標(biāo)、差分信息等數(shù)據(jù)和信息進行分析、計算、存儲、傳輸?shù)忍幚?，從而獲得一組鐘差數(shù)據(jù)；再根據(jù)設(shè)定的數(shù)據(jù)處理模式實現(xiàn)時頻合成，獲得頻率和1PPS合成控制字，用來驅(qū)動數(shù)控頻率合成器和1PPS合成器，實現(xiàn)時頻標(biāo)的合成和傳輸。對時狀態(tài)測量方法的應(yīng)用層為基于軟件時標(biāo)算法，時狀態(tài)測量方法多用于時間同步的應(yīng)用需求，可利用原有協(xié)議進行改進實現(xiàn)。測量鐘差主要是對報文發(fā)送與接收時標(biāo)路徑的延遲進行計算，有利于進一步降低延遲測量誤差。其測量主要工作原理在于衛(wèi)星導(dǎo)航接收端裝置自動產(chǎn)生一條記錄信號發(fā)出時間（即報文發(fā)出時接收機接收時間）的SOE報文，接收機檢測到SOE報文時再自動生成一條包含監(jiān)控到報文時間的COS報文。如果時間跳變區(qū)間較大，衛(wèi)星接收終端收到B碼（報文對時），時間是無法進行調(diào)整的。只有接收機監(jiān)控后臺接收SOE報文與COS報文生成時間存在差異變化時，系統(tǒng)才能完成對時功能。系統(tǒng)軟件利用算法獲取對時誤差后，及時的再顯示界面顯示出誤差數(shù)據(jù)，同時自動發(fā)出告警信號。測控裝置接收時鐘管理服務(wù)器SNTP時間測量并傳輸“對時信號狀態(tài)”“時間跳變幀測狀態(tài)”“對時服務(wù)狀態(tài)”到時鐘管理服務(wù)器[3]。

2.2數(shù)字頻率合成技術(shù)

頻率源作為數(shù)字集成電路重要性能指標(biāo)，在衛(wèi)星導(dǎo)航終端比較關(guān)鍵，目前在測量技術(shù)中多采用直接數(shù)字合成器芯片，應(yīng)用現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA，F(xiàn)ieldProgrammableGateAr-ray）器件，作為任意波形發(fā)生器的控制器和數(shù)據(jù)波形存儲器。其核心一般由相位累加器和相位幅值轉(zhuǎn)換模塊構(gòu)成，相位累加器通常由多個N位加法器以及累加寄存器組成。時鐘脈沖對頻率控制字K累加結(jié)果存儲到累加寄存器同時累加結(jié)果送入加法器輸入端。相位幅值轉(zhuǎn)換功能通過波形存儲器得以實現(xiàn)，相位累加器取樣數(shù)據(jù)形成地址，來訪問存儲器從而獲得給定時間點的數(shù)字波形幅值。再轉(zhuǎn)換成頻率模擬信號。在通用校準(zhǔn)儀中，三角波、正弦波頻率分辨率O.O1Hz，最高頻率5MHz，設(shè)計的低通濾波器則為每周期8個點可復(fù)現(xiàn)出波形。則相位幅值轉(zhuǎn)換模塊取樣率可達到40MHz及以上。如圖1所示的數(shù)字合成器測量圖。

2.3多周期同步測量技術(shù)

目前頻率測量多采用直接測頻法、周期測量法以及組合法。而組合測頻法通常在高頻段用直接測頻法；低頻時采用測周法直接測信號周期，然后換算成頻率。實際衛(wèi)星導(dǎo)航終端測量應(yīng)用中多采用多周期同步測量法。測量時先設(shè)定閘門時間，設(shè)置被測信號同閘門同步，利用鎖相環(huán)技術(shù)提高計數(shù)時鐘的頻率，從而減小誤差影響。通過FPGA設(shè)計數(shù)字電路部分，有利于減小干擾。多周期同步測量技術(shù)主要包括量程切換電路、比較器、頻率測量單元、DSP控制器等構(gòu)成[4]。多周期同步測量通過修正預(yù)定時間閘門獲取精準(zhǔn)的時間閘門，然后用精確門控制一個計數(shù)器對標(biāo)準(zhǔn)時鐘信號（頻標(biāo)）計數(shù)以獲得實際閘門時間。如圖2所示多周期同步頻率測量原理圖。圖2中，被測信號和預(yù)置閘門控制精確閘門開啟/關(guān)閉時間，兩個計數(shù)器在精確閘門控制下分別對被測信號和頻標(biāo)計數(shù)。開后，被測信號處于上升沿時段，精確閘門打開，計數(shù)器1和計數(shù)器2開始計數(shù)。再被測信號下一個上升沿時，精確門關(guān)閉，計數(shù)器停止計數(shù)。

3校準(zhǔn)軟件

為了有效提高終端測量效率，需要建立校準(zhǔn)程序，對測試函數(shù)進行統(tǒng)一，滿足測試的質(zhì)量需求。通過面向?qū)ο蟮某绦蜷_發(fā)手段，結(jié)合測試軟件的可靠性、匹配性、穩(wěn)定性等特點，在校準(zhǔn)程序中設(shè)計補償校準(zhǔn)，從而減少誤差，保證測試結(jié)果的可靠性和精準(zhǔn)性。如圖3所示的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)終端測量校準(zhǔn)軟件系統(tǒng)圖。衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)終端測量校準(zhǔn)軟件系統(tǒng)采用基于數(shù)據(jù)庫和ODBC技術(shù)軟件框架，主要由校準(zhǔn)流程庫、誤差數(shù)據(jù)庫、主調(diào)程序、儀器驅(qū)動庫、DSP監(jiān)控和測控函數(shù)、通用校準(zhǔn)電路、校準(zhǔn)界面庫等構(gòu)成。校準(zhǔn)流程庫涵蓋了校準(zhǔn)參數(shù)、校準(zhǔn)函數(shù)、程控指令、校準(zhǔn)結(jié)果合格判據(jù)等部分，主調(diào)程序讀取各數(shù)據(jù)庫中的有關(guān)測試數(shù)據(jù)、函數(shù)等，對不同字段進行分析，同時下達測控指令到DSP底層控制程序，DSP控制硬件電路實現(xiàn)具體測量校準(zhǔn)操作，并把校準(zhǔn)結(jié)果數(shù)據(jù)反饋到主調(diào)程序后進行相應(yīng)處理，并可以執(zhí)行存儲、顯示、打印等功能。

4結(jié)語

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是比較精密的系統(tǒng)，滿足了政治、經(jīng)濟、軍事等多領(lǐng)域的應(yīng)用需求。為保證系統(tǒng)內(nèi)各關(guān)鍵部件及設(shè)備運行安全，需要對終端等進行測量和校準(zhǔn)，尤其是時鐘、頻率等關(guān)鍵指標(biāo)的測控，涉及到定位的精準(zhǔn)度。隨著通信技術(shù)及自動測控技術(shù)的不斷應(yīng)用，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)將應(yīng)用更加廣泛，為用戶提供更加便利的服務(wù)。

參考文獻：

[1]胡乃斌.自動測試設(shè)備通用校準(zhǔn)技術(shù)研究[D].黑龍江：哈爾濱工業(yè)大學(xué),2007.

[2]白雅慶,陳棟.衛(wèi)星導(dǎo)航精度因子的計算及選星方法[J].導(dǎo)航,2006,42(3):88-94.

[3]宋月超等.移動終端定位導(dǎo)航系統(tǒng)性能對比分析[J].計量與測試技術(shù),2016,43（10）：60-62.

[4]韓旭,祖先鋒,蔡迎波.基于可靠性指標(biāo)的測試系統(tǒng)校準(zhǔn)周期優(yōu)化[J].航空動力學(xué)報2010,25(7):1640-1645.

作者：林汝景 單位：廣州海格通信集團股份有限公司