談北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)應用終端檢測技術
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摘要：北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)時鐘同步精度決定了導航定位精準度以及設備運行的效率。介紹了北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)應用終端衛(wèi)星鐘差校正與測量方法；分析了應用于終端的數字頻率合成技術和多周期同步測量技術；通過軟件校準體系的建立，確保了測試的統(tǒng)一性和標準性，盡可能地提高終端檢測性能和精準度，降低檢測的復雜度。
關鍵詞：北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)；衛(wèi)星鐘差；同步對時；終端檢測
1概述
北斗衛(wèi)星導航技術是我國自主研發(fā)的戰(zhàn)略性技術，在國民經濟發(fā)展及國家軍事、民用應用中具有特殊地位。目前衛(wèi)星導航定位在軍事、智能交通、農業(yè)生產、環(huán)境監(jiān)測、防災救災、地理遙感遙測等領域廣泛應用。北斗導航接收機能夠獲取精準位置信息，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定位打擊等方面提供技術支持。北斗衛(wèi)星導航系統(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)等構成。地面總控中心對衛(wèi)星導航系統(tǒng)進行總體控制，監(jiān)測衛(wèi)星的工作狀態(tài)，分析導航信號的通信服務質量，對在軌衛(wèi)星姿態(tài)進行調整、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)星導航應用廣泛，因此終端測量及檢測技術尤為重要，尤其是時鐘的準確性。因此結合通用測量檢測標準，對衛(wèi)星導航系統(tǒng)終端設備進行測控，是極為關鍵的和必要的[1]。
2北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)應用終端檢測技術
2.1衛(wèi)星鐘差校正與測量
北斗衛(wèi)星導航系統(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，因此為確保導航的精準度，確保時鐘的精度，應用過程中接收機需要對衛(wèi)星所發(fā)射的導航電文中的時鐘校正參數進行修正，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，時標和頻標的恢復利用按照DDS校正實現，再通濾波方式實現本地鐘差信號的平滑和預測，再利用高速計算機系統(tǒng)進行數據計算和處理，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)星導航及定位服務，需要采用時間對比技術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、分頻、鑒相技術、連續(xù)鑒相技術以及時間擴展技術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、數控時頻合成器、綜合鑒相器、數模轉換、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系統(tǒng)對觀察測量、在軌衛(wèi)星運行姿態(tài)、本地坐標、差分信息等數據和信息進行分析、計算、存儲、傳輸等處理，從而獲得一組鐘差數據；再根據設定的數據處理模式實現時頻合成，獲得頻率和1PPS合成控制字，用來驅動數控頻率合成器和1PPS合成器，實現時頻標的合成和傳輸。對時狀態(tài)測量方法的應用層為基于軟件時標算法，時狀態(tài)測量方法多用于時間同步的應用需求，可利用原有協議進行改進實現。測量鐘差主要是對報文發(fā)送與接收時標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)星導航接收端裝置自動產生一條記錄信號發(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據，同時自動發(fā)出告警信號。測控裝置接收時鐘管理服務器SNTP時間測量并傳輸“對時信號狀態(tài)”“時間跳變幀測狀態(tài)”“對時服務狀態(tài)”到時鐘管理服務器[3]。
2.2數字頻率合成技術
頻率源作為數字集成電路重要性能指標，在衛(wèi)星導航終端比較關鍵，目前在測量技術中多采用直接數字合成器芯片，應用現場可編程門陣列（FPGA，FieldProgrammableGateAr-ray）器件，作為任意波形發(fā)生器的控制器和數據波形存儲器。其核心一般由相位累加器和相位幅值轉換模塊構成，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累加結果存儲到累加寄存器同時累加結果送入加法器輸入端。相位幅值轉換功能通過波形存儲器得以實現，相位累加器取樣數據形成地址，來訪問存儲器從而獲得給定時間點的數字波形幅值。再轉換成頻率模擬信號。在通用校準儀中，三角波、正弦波頻率分辨率O.O1Hz，最高頻率5MHz，設計的低通濾波器則為每周期8個點可復現出波形。則相位幅值轉換模塊取樣率可達到40MHz及以上。如圖1所示的數字合成器測量圖。
2.3多周期同步測量技術
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)星導航終端測量應用中多采用多周期同步測量法。測量時先設定閘門時間，設置被測信號同閘門同步，利用鎖相環(huán)技術提高計數時鐘的頻率，從而減小誤差影響。通過FPGA設計數字電路部分，有利于減小干擾。多周期同步測量技術主要包括量程切換電路、比較器、頻率測量單元、DSP控制器等構成[4]。多周期同步測量通過修正預定時間閘門獲取精準的時間閘門，然后用精確門控制一個計數器對標準時鐘信號（頻標）計數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，被測信號和預置閘門控制精確閘門開啟/關閉時間，兩個計數器在精確閘門控制下分別對被測信號和頻標計數。開后，被測信號處于上升沿時段，精確閘門打開，計數器1和計數器2開始計數。再被測信號下一個上升沿時，精確門關閉，計數器停止計數。
3校準軟件
為了有效提高終端測量效率，需要建立校準程序，對測試函數進行統(tǒng)一，滿足測試的質量需求。通過面向對象的程序開發(fā)手段，結合測試軟件的可靠性、匹配性、穩(wěn)定性等特點，在校準程序中設計補償校準，從而減少誤差，保證測試結果的可靠性和精準性。如圖3所示的衛(wèi)星導航系統(tǒng)終端測量校準軟件系統(tǒng)圖。衛(wèi)星導航系統(tǒng)終端測量校準軟件系統(tǒng)采用基于數據庫和ODBC技術軟件框架，主要由校準流程庫、誤差數據庫、主調程序、儀器驅動庫、DSP監(jiān)控和測控函數、通用校準電路、校準界面庫等構成。校準流程庫涵蓋了校準參數、校準函數、程控指令、校準結果合格判據等部分，主調程序讀取各數據庫中的有關測試數據、函數等，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控制硬件電路實現具體測量校準操作，并把校準結果數據反饋到主調程序后進行相應處理，并可以執(zhí)行存儲、顯示、打印等功能。
4結語
衛(wèi)星導航系統(tǒng)是比較精密的系統(tǒng)，滿足了政治、經濟、軍事等多領域的應用需求。為保證系統(tǒng)內各關鍵部件及設備運行安全，需要對終端等進行測量和校準，尤其是時鐘、頻率等關鍵指標的測控，涉及到定位的精準度。隨著通信技術及自動測控技術的不斷應用，北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)將應用更加廣泛，為用戶提供更加便利的服務。
參考文獻：
[1]胡乃斌.自動測試設備通用校準技術研究[D].黑龍江：哈爾濱工業(yè)大學,2007.
[2]白雅慶,陳棟.衛(wèi)星導航精度因子的計算及選星方法[J].導航,2006,42(3):88-94.
[3]宋月超等.移動終端定位導航系統(tǒng)性能對比分析[J].計量與測試技術,2016,43（10）：60-62.
[4]韓旭,祖先鋒,蔡迎波.基于可靠性指標的測試系統(tǒng)校準周期優(yōu)化[J].航空動力學報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
