北斗定向设备检测仪的设计与实现
北斗定向设备检测仪的设计与实现 杜丹 李建雷 杨万君 陆军北京军代局驻石家庄地区军代室 卫星导航系统与装备技术国家重点实验室 摘 要： 针对北斗定向设备的产品线测试和外场检测需求, 设计并实现了一种体积小、成本低的便携式北斗定向设备检测仪, 采用高精度数字延迟控制技术, 实现了双路定向信号模拟及对齐。为提高测试效率, 采用自动化测试评估技术, 实现了北斗设备定向精度的一键式测试。试验结果表明, 该检测仪伪距控制精度优于 0.05m, 双路定向信号对齐精度优于 1ns, 定向角度自动化测试精度优于0.01°, 可以应用于北斗定向设备的生产线测试和外场检测。关键词： 检测仪; 数字延迟滤波器; 直接数字式频率合成器; 定向; 作者简介：杜丹 女, (1987) , 硕士, 工程师。主要研究方向:通信和图像处理技术。作者简介：李建雷 男, (1981) , 高级工程师。主要研究方向:卫星导航信号模拟。收稿日期：2017-06-12基金：国家高技术研究发展计划 (“863”计划) 基金资助项目 (2015AA124001) Design and Implementation of Testing Equipment for Beidou OrientatorDU Dan LI Jian-lei YANG Wan-jun Military Representative Officein Shijiazhuang Region, PLA Army Beijing Military Representative Bureau; State Key Laboratory of Satellite Navigation System and Equipment Technology; Abstract： To meet the requirements of product line testing and outfield testing for Beidou orientator, a kind of small low cost portable testing equipment for Beidou orientator is designed and implemented in this paper.The equipment applies some high precision digital delay control techniques, realizes double path oriented signal simulations and RF synchronization. Auto testing and assessment techniques are adopted to improve testing effectiveness, and one key testing of the Beidou equipment orienting precision is realized.The experimental results show that this equipment 's pseudo-range accuracy is better than 0. 05 m, the double path oriented signal synchronization accuracy is better than 1 ns, the orienting angle auto test accuracy is better than 0. 01 degree, and therefore, the equipment can be applied in product line testing and outfield testing for Beidou orientator.Keyword： testing equipment; digital delay filter; Direct Digital Synthesizer (DDS) ; orientation; Received： 2017-06-12引用格式:杜丹, 李建雷, 杨万君.北斗定向设备检测仪的设计与实现J.无线电工程, 2017, 47 (12) :43-48.DU Dan, LIJianlei, YANG Wanjun.Design and Implementation of Testing Equipment for Beidou OrientatorJ.Radio Engineering, 2017, 47 (12) :43-48.0 引言随着北斗系统建设的不断推进, 北斗设备的应用越来越广泛, 大量的军用民用平台上都加装了北斗设备, 并且数量还在不断增加。北斗设备的爆炸式增长对其测试保障能力提出了更高的要求, 如何快速、高效、便捷地完成从产品线到加装现场乃至北斗设备整个生命周期内的不间断测试保障, 使其持续发挥效力, 成为亟待解决的问题。当前已有或者在研的卫星导航信号模拟器1-2, 大多可设置测试场景。为了模拟测试场景, 需要建立卫星轨道、用户轨迹和信号传输模型, 占用大量的计算资源;进行场景数据传输时, 又需要占用很大的数据传输带宽, 模拟器一般采用总线式架构3。基于该类模拟器搭建的北斗设备测试系统4普遍体积大、成本高, 不利于推广使用, 无法完成多层次测试保障任务。针对低成本、小型化的北斗测试设备需求, 本文提出了测试场景预存的高精度卫星导航信号产生方案, 测试场景不再实时产生, 而是选取若干典型场景预先存储在本地板卡, 通过读取场景文件方式来产生卫星导航模拟信号。这种方式大大减少了仿真计算量和设备间数据传输量, 基于该方法构建的检测设备体积小、成本低, 能够满足大多数北斗设备的测试需求。文基于数仿场景本地存储和自动化测试评估思想, 针对北斗定位定向设备的产品线和外场测试需求, 研制了北斗定向设备检测仪, 实现了双路高精度定向信号模拟和精准对齐以及北斗定位定向设备的一键式测试评估, 可用于北斗定位定向设备全生命周期内的测试保障。1 设备组成及工作原理北斗定向设备检测仪主要由测试控制评估模块以及主从信号产生模块组成, 如图 1 所示。图 1 北斗定向设备检测仪组成框图 下载原图信号模拟所需的卫星轨道、用户轨迹、电离层对流层等建模, 伪距、载波相位观测量计算以及导航电文组帧等均在高性能计算机上完成, 并保存为测试场景文件, 经由测试控制评估模块预先下载到信号产生模块中。主、从信号产生模块通过读取存储的场景文件, 模拟生成定向设备基准天线和从天线接收到的北斗卫星导航信号。北斗定向设备接收到双天线模拟信号后, 自动完成定位定向解算, 并将解算结果上报至测试控制评估模块, 经与仿真设定值进行比对, 给出评估结果。这种测试场景离线生成方法节省了大量的计算资源和数据接口带宽, 大大减轻了测试控制评估模块的工作量和设备间接口复杂度, 显著降低了设备成本, 减小了设备体积。1.1 测试控制与评估模块测试控制评估模块完成测试过程中的设备控制调度以及测试数据的解析和误差评估, 是整个检测仪的控制中心。为便于产品线测试和外场检测使用, 提高测试效率, 减少人为干预, 采用自动化测试评估技术, 将测试过程中的测试设备控制、测试数据采集及误差统计等单步操作按软件语言“绘制”成测试控制评估模块可识别的“测试流程图”, 操作者点选某项测试任务, 测试控制与评估模块就可以按照“测试流程图”自动执行测试, 直至最终给出评估结果。1.2 信号产生模块主、从信号产生模块软硬件完全相同, 仅 IP 地址不同和场景文件不同。主信号产生模块存储基准天线的场景文件, 产生基准天线射频模拟信号;从信号产生模块存储从天线的场景文件, 产生从天线射频模拟信号。信号产生模块由接口管理、场景存储、时频以及信号产生通道组成, 如图 2 所示。图 2 信号产生模块原理 下载原图信号产生模块设计关键是高精度延迟的实现以及主从模块射频信号对齐。高精度延迟是卫星导航信号模拟器的核心技术之一, 本文基于数字信号处理理论, 采用多级累加器和数字延迟滤波器技术实现延迟的精确控制。采用粗同步和链路延迟精细调整相结合的方法, 通过系统时间同步实现粗同步, 基于高精度数字延迟技术进行链路延迟精确补偿, 从而实现主从模块射频信号的精确对齐。2 关键技术2.1 高精度数字延迟控制技术采用多级累加器和数字延迟滤波器组实现导航信号的高精度数字延迟控制, 如图 3 所示。图 3 高精度数字延迟控制技术原理 下载原图由图 3 看出, 若把数字域导航信号看作样点序列, 基带处理时钟看作采样时钟, 则多级累加器实时输出相位就表示当前时刻采样时钟在模拟域导航信号中的采样位置。根据实时相位获取数字延迟滤波器组的子滤波器, 并对码元序列进行延迟滤波, 则得到该采样位置的样点值, 将样点序列送入 DA 转变为模拟信号, 并经上变频可产生高精度卫星导航模拟信号。这种数字延迟控制技术响应速度快、精度高, 当信号延迟发生微小变化时, 可以立刻反映在射频输出信号上, 不仅可以实现伪码相位的精确控制, 产生高精度卫星导航模拟信号, 还可以准确控制设备零值, 对链路延迟进行精确补偿, 从而保证系统的通道一致性。高精度数字延迟控制技术的关键是多级累加器设计和数字延迟滤波器设计。数字延迟滤波器理论和设计已有成熟论述, 可以采用抽取内插技术进行设计5, 也可以对滤波器冲击响应函数直接采样量化实现6。多级累加器设计目前缺少数学模型方面的描述, 这里从积分、级数、数字化角度进行阐述, 为多级累加器数字设计提供参考。设 '、 分别是测试场景中伪距延迟的一、二、三阶观测量, t 0为时间初值, 则 t 时刻伪距延迟可表示为:不失一般性, 令 t0=0, 且将上式用级数表示为:对应数字化框图如图 4 所示。三级累加器频率控制字分别为、t 2t 1和 't 1, 更新率分别为t 3、t 2、t 1。可见, 各级累加器可以采用不同的更新率实现, 与 3 级累加器皆采用同一种更新率7-8相比, 可以降低功耗, 减少累加器字长, 降低资源消耗量, 在小型化和低功耗卫星导航信号模拟器设计中具有重要的意义。图 4 多级 DDS 实现框图 下载原图2.2 双路定向模拟信号对齐技术采用系统时间粗同步和链路延迟精确补偿相结合的方式实现双路定向模拟信号精确对齐。系统时间同步指测试控制与评估模块、主从信号产生模块之间时间同步。首先进行主从信号产生模块时频同步。信号产生模块可以使用自身 10 MHz 和 1 PPS时频信号, 也可以外接时频信号, 当有外时频信号输入时, 自动同步外时频上。连接主从信号产生模块的时频输入输出, 如图 1 所示, 可以实现两模块时频同步。时频同步完成后, 进行主从信号产生模块、测试控制评估模块三者之间的仿真时间同步。信号产生模块的状态帧在 1 PPS 上升沿上报至测试控制评估模块, 状态帧中包含了信号产生模块工作状态信息和模块计时信息, 测试控制评估模块从测试场景文件中读取起始仿真时刻信息, 在接收到状态帧时, 立即向主从信号产生模块下发起始仿真时刻信息, 完成系统时间同步初始化。主从信号产生模块以起始仿真时刻为起点开始计时, 在每秒上升沿将状态信息上报, 测试控制评估模块解析状态信息, 监测主从信号产生模块时间同步情况。系统时间同步过程如图 5 所示。图 5 系统时间同步 下载原图通过系统模块时间同步, 可以实现系统的粗同步, 经过粗同步后, 双路射频模拟信号对齐精度可以达到数十 ns。粗同步误差是由于模拟链路有差异导致的, 对链路延迟进行标定后, 基于高精度数字延迟控制技术, 在数字基带对同步误差进行精确补偿, 定向信号对齐误差可减小到 1
