谈北斗卫星导航系统应用终端检测技术

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摘要：北斗卫星导航系统时钟同步精度决定了导航定位精准度以及设备运行的效率。介绍了北斗卫星导航系统应用终端卫星钟差校正与测量方法；分析了应用于终端的数字频率合成技术和多周期同步测量技术；通过软件校准体系的建立，确保了测试的统一性和标准性，尽可能地提高终端检测性能和精准度，降低检测的复杂度。

关键词：北斗卫星导航系统；卫星钟差；同步对时；终端检测

1概述

北斗卫星导航技术是我国自主研发的战略性技术，在国民经济发展及国家军事、民用应用中具有特殊地位。目前卫星导航定位在军事、智能交通、农业生产、环境监测、防灾救灾、地理遥感遥测等领域广泛应用。北斗导航接收机能够获取精准位置信息，有助于位置管理系统最优化决策，为军队在武器精确目标定位打击等方面提供技术支持。北斗卫星导航系统主要由地面总控中心、人造在轨卫星（多颗）、用户接收系统等构成。地面总控中心对卫星导航系统进行总体控制，监测卫星的工作状态，分析导航信号的通信服务质量，对在轨卫星姿态进行调整、控制、管理、实时动态运行维护等，确保在轨卫星工作运行正常。由于卫星导航应用广泛，因此终端测量及检测技术尤为重要，尤其是时钟的准确性。因此结合通用测量检测标准，对卫星导航系统终端设备进行测控，是极为关键的和必要的[1]。

2北斗卫星导航系统应用终端检测技术

2.1卫星钟差校正与测量

北斗卫星导航系统采用星载钟源为原子钟，原子钟虽然比较精确，但是也存在误差而影响系统的稳定性，因此为确保导航的精准度，确保时钟的精度，应用过程中接收机需要对卫星所发射的导航电文中的时钟校正参数进行修正，公式如下：本地钟差的测量过程由于存在一定的噪声（测量、相位）等，同时存在漂移频偏、对星观测等滞后干扰误差。影响测量的精度。再者由于观测过程对卫星信号载波、伪码相位等获取本地钟差，另外，时标和频标的恢复利用按照DDS校正实现，再通滤波方式实现本地钟差信号的平滑和预测，再利用高速计算机系统进行数据计算和处理，最终获得符合客户要求的定位精度[2]。针对更高精度的卫星导航及定位服务，需要采用时间对比技术进一步提高时间的分辨率，利用更加稳定的时钟源，通过低相噪倍频技术、分频、鉴相技术、连续鉴相技术以及时间扩展技术等信号进行高精度解析计算来处理。通过钟差提取时域和频域合成、1PPS合成器、数控时频合成器、综合鉴相器、数模转换、LPF及波形整形器等电路模块对定时进行有效处理。同时利用算法软件可以实现系统对观察测量、在轨卫星运行姿态、本地坐标、差分信息等数据和信息进行分析、计算、存储、传输等处理，从而获得一组钟差数据；再根据设定的数据处理模式实现时频合成，获得频率和1PPS合成控制字，用来驱动数控频率合成器和1PPS合成器，实现时频标的合成和传输。对时状态测量方法的应用层为基于软件时标算法，时状态测量方法多用于时间同步的应用需求，可利用原有协议进行改进实现。测量钟差主要是对报文发送与接收时标路径的延迟进行计算，有利于进一步降低延迟测量误差。其测量主要工作原理在于卫星导航接收端装置自动产生一条记录信号发出时间（即报文发出时接收机接收时间）的SOE报文，接收机检测到SOE报文时再自动生成一条包含监控到报文时间的COS报文。如果时间跳变区间较大，卫星接收终端收到B码（报文对时），时间是无法进行调整的。只有接收机监控后台接收SOE报文与COS报文生成时间存在差异变化时，系统才能完成对时功能。系统软件利用算法获取对时误差后，及时的再显示界面显示出误差数据，同时自动发出告警信号。测控装置接收时钟管理服务器SNTP时间测量并传输“对时信号状态”“时间跳变帧测状态”“对时服务状态”到时钟管理服务器[3]。

2.2数字频率合成技术

频率源作为数字集成电路重要性能指标，在卫星导航终端比较关键，目前在测量技术中多采用直接数字合成器芯片，应用现场可编程门阵列（FPGA，FieldProgrammableGateAr-ray）器件，作为任意波形发生器的控制器和数据波形存储器。其核心一般由相位累加器和相位幅值转换模块构成，相位累加器通常由多个N位加法器以及累加寄存器组成。时钟脉冲对频率控制字K累加结果存储到累加寄存器同时累加结果送入加法器输入端。相位幅值转换功能通过波形存储器得以实现，相位累加器取样数据形成地址，来访问存储器从而获得给定时间点的数字波形幅值。再转换成频率模拟信号。在通用校准仪中，三角波、正弦波频率分辨率O.O1Hz，最高频率5MHz，设计的低通滤波器则为每周期8个点可复现出波形。则相位幅值转换模块取样率可达到40MHz及以上。如图1所示的数字合成器测量图。

2.3多周期同步测量技术

目前频率测量多采用直接测频法、周期测量法以及组合法。而组合测频法通常在高频段用直接测频法；低频时采用测周法直接测信号周期，然后换算成频率。实际卫星导航终端测量应用中多采用多周期同步测量法。测量时先设定闸门时间，设置被测信号同闸门同步，利用锁相环技术提高计数时钟的频率，从而减小误差影响。通过FPGA设计数字电路部分，有利于减小干扰。多周期同步测量技术主要包括量程切换电路、比较器、频率测量单元、DSP控制器等构成[4]。多周期同步测量通过修正预定时间闸门获取精准的时间闸门，然后用精确门控制一个计数器对标准时钟信号（频标）计数以获得实际闸门时间。如图2所示多周期同步频率测量原理图。图2中，被测信号和预置闸门控制精确闸门开启/关闭时间，两个计数器在精确闸门控制下分别对被测信号和频标计数。开后，被测信号处于上升沿时段，精确闸门打开，计数器1和计数器2开始计数。再被测信号下一个上升沿时，精确门关闭，计数器停止计数。

3校准软件

为了有效提高终端测量效率，需要建立校准程序，对测试函数进行统一，满足测试的质量需求。通过面向对象的程序开发手段，结合测试软件的可靠性、匹配性、稳定性等特点，在校准程序中设计补偿校准，从而减少误差，保证测试结果的可靠性和精准性。如图3所示的卫星导航系统终端测量校准软件系统图。卫星导航系统终端测量校准软件系统采用基于数据库和ODBC技术软件框架，主要由校准流程库、误差数据库、主调程序、仪器驱动库、DSP监控和测控函数、通用校准电路、校准界面库等构成。校准流程库涵盖了校准参数、校准函数、程控指令、校准结果合格判据等部分，主调程序读取各数据库中的有关测试数据、函数等，对不同字段进行分析，同时下达测控指令到DSP底层控制程序，DSP控制硬件电路实现具体测量校准操作，并把校准结果数据反馈到主调程序后进行相应处理，并可以执行存储、显示、打印等功能。

4结语

卫星导航系统是比较精密的系统，满足了政治、经济、军事等多领域的应用需求。为保证系统内各关键部件及设备运行安全，需要对终端等进行测量和校准，尤其是时钟、频率等关键指标的测控，涉及到定位的精准度。随着通信技术及自动测控技术的不断应用，北斗卫星导航系统将应用更加广泛，为用户提供更加便利的服务。

参考文献：

[1]胡乃斌.自动测试设备通用校准技术研究[D].黑龙江：哈尔滨工业大学,2007.

[2]白雅庆,陈栋.卫星导航精度因子的计算及选星方法[J].导航,2006,42(3):88-94.

[3]宋月超等.移动终端定位导航系统性能对比分析[J].计量与测试技术,2016,43（10）：60-62.

[4]韩旭,祖先锋,蔡迎波.基于可靠性指标的测试系统校准周期优化[J].航空动力学报2010,25(7):1640-1645.

作者：林汝景 单位：广州海格通信集团股份有限公司