水下北斗导航星历及历书无线加注系统设计水下北斗导航星历及历书无线加注系统设计
为提高北斗卫星导航定位模块的首次快速定位能力,设计了水下北斗导航历书与星历无线加注测试系统。对比
分析了不同技术途径的优缺点,给出了系统硬件结构设计方案,对系统发射模块中各电路单元的频率和电平进
行了分析和规划,系统核心模块功能采用基于FPGA+ARM的架构实现。通过事先人工加注历书和星历,能有效
缩短北斗卫星导航定位模块的首次定位时间。
0 引言引言
北斗卫星导航接收设备通常通过接收北斗卫星信号获取导航星历和历书后实现定位解算
[1-2]
。导航星历用于定位计算,历书
用于接收设备快速捕获卫星以及预报卫星位置
[3-4]
。导航星历的有效性一般为4小时,历书的有效期一般为半年。由于水下航
行器用来进行位置校正的定位浮标和武器系统中的北斗卫星导航定位模块长时间处于存储状态
[5-6]
,在投入使用后,通常要对
导航星历和历书进行更新,方能定位输出。从上电到输出定位结果往往需要数分钟的时间。作战时,若卫星导航民用信号被敌
方干扰,北斗卫星导航定位模块只能通过对军用信号进行捕获和跟踪以完成定位
[7-8]
。这样,完成首次定位所需的时间会更
长。对于精确制导武器和水下航行器位置校正来说,首次定位时间的延长,将会影响武器效能的发挥和增加水下航行器的暴露
风险。因此,有必要在定位浮标和武器使用之前对其中的北斗卫星导航定位模块进行人工初始化,以缩短定位时间,充分发挥
武器效能和降低水下航行器暴露风险。
1 技术途径分析技术途径分析
对导航定位模块的人工初始化主要有以下技术途径
[9-10]
。
(1)直接式。水面、陆基以及空基载体,能够具备较好的卫星导航信号接收条件,因此能够随时接收真实导航信号,或者通
过转发的方式把载体接收的卫星导航信号实时转发,从而保持导航星历和历书的更新。但是对于水下航行器,在水下航行时无
法接收卫星导航信号,因此不能采用直接式的技术途径。
(2)位置注入式。通过北斗卫星导航定位模块的通信端口,向模块输入从惯性导航系统等得到的载体位置,北斗卫星导航定
位模块再由载体位置推算历书,从而实现快速卫星信号捕获。此途径除了需要惯性导航系统等外部辅助信号,还需要北斗卫星
导航定位模块支持历书推算,而目前正在使用的北斗卫星导航定位模块大部分不支持历书推算,因此,需要对北斗卫星导航定
位模块进行升级,工作量大且不现实。
(3)无线注入式。模拟产生卫星导航信号,调制需要加注的星历或历书,然后通过无线链路发射给北斗卫星导航定位模块。
北斗卫星导航定位模块通过天线接收模拟信号后,解析出此星历或历书,从而完成注入。通过无线链路对初始化参数的加注是
一种对现有北斗卫星导航定位模块影响最小的注入方式,不仅不需要对现北斗卫星导航定位模块进行修改,同时还可在使用前
从天线开始,对北斗卫星导航定位模块进行全功能检测。
综上,采用无线注入式的技术途径来实现北斗卫星导航定位模块的初始化。
2 系统设计系统设计
整个系统由接收功能模块、发射信号生成模块、专用发射天线模块三部分组成。系统总体框架如图1所示,接收功能模块使
用载体中北斗导航用户机,接收B1和B3频点的导航信号,解析出星历和历书,并实时传输给发射功能模块。发射功能模块接
收星历和历书数据,并存储到本地。当接收功能模块进行导航信息接收时,可以通过1PPS接口和授时接口对发射功能模块进
行校时。经过校时的发射功能模块,能够实现卫星导航信号的生成。
在北斗卫星导航定位模块需要实现定位之前或者进行导航功能测试时,注入模块调用发射功能模块,把存储的星历和历书
调制到导航信号,并通过天线发射。北斗卫星导航定位模块从天线接收发射的导航信号,进行捕获、跟踪、位同步、帧同步等
一系列处理,解析出星历和历书,获得能够用于初始化的数据,同时对整个导航链路功能完好性进行了测试。
3 发射信号生成模块设计发射信号生成模块设计
发射功能模块能够在B1和B3双频点同时工作,具体的实现功能如图2所示。从图中可以看出,基带数字信号生成模块同时
生成B1和B3频点的中频信号,分别输出给不同的DAC以及模拟链路;经过上变频、滤波等一系列处理之后,再实现B1和B3
频点的合路输出。此方案的优点在于能够同时输出B1和B3频点的信号,不需要对PLL环路进行配置,可以直接设定固定的频
率。