為提高北斗導(dǎo)航定位設(shè)備的獨(dú)立自主性能和通用性能，開(kāi)展基于國(guó)產(chǎn)化北斗專用芯片的應(yīng)用研究和整機(jī)方案的設(shè)計(jì)與研制，通過(guò)國(guó)產(chǎn)化北斗專用芯片遴選、核心功能組件設(shè)計(jì)、整機(jī)匹配設(shè)計(jì)以及接口協(xié)議的統(tǒng)一，研制了基于國(guó)產(chǎn)化北斗專用芯片的樣機(jī)。經(jīng)與定型設(shè)備對(duì)比，應(yīng)用國(guó)產(chǎn)化北斗專用芯片的樣機(jī)在全部滿足功能性能要求的基礎(chǔ)上，軍碼水平定位精度最大提升87．5%，高程定位精度提升74．1%，1 PPS 精度提升28．3%，抗干擾能力最大提升6 dB，作戰(zhàn)應(yīng)用關(guān)鍵指標(biāo)提升明顯; 設(shè)備安全性、自主性等大幅提升，提高了戰(zhàn)場(chǎng)生存能力; 核心功能組件可廣泛應(yīng)用于當(dāng)前北斗二號(hào)設(shè)備，通用性能提升明顯。

引言北斗導(dǎo)航定位設(shè)備目前已廣泛應(yīng)用于陸軍武器平臺(tái)，為指揮員及時(shí)調(diào)整兵力部署、實(shí)施精確指揮奠定了基礎(chǔ)。但目前北斗導(dǎo)航定位設(shè)備部分部件采用國(guó)外進(jìn)口模塊或電路，自主性和安全性得不到有效保障; 設(shè)備由多部門開(kāi)發(fā)研制，內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜多樣，通用性距離使用要求還存在一定差距。因此開(kāi)展北斗導(dǎo)航定位設(shè)備的國(guó)產(chǎn)化設(shè)計(jì)，提高安全自主能力和通用能力，已變得迫在眉睫。

隨著北斗二號(hào)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的不斷升級(jí)和能力的不斷增強(qiáng)，國(guó)內(nèi)相關(guān)部門組織招標(biāo)研制了系列化國(guó)產(chǎn)芯片和模塊，且經(jīng)比測(cè)性能穩(wěn)定，成熟度高，具備了推廣應(yīng)用的基礎(chǔ)。前期相關(guān)部門組織開(kāi)發(fā)了基于國(guó)產(chǎn)化北斗專用芯片的OEM 板，將北斗接收機(jī)的主要部件做成大規(guī)模集成電路，集成在一塊電路板上，具有北斗信號(hào)接收、信號(hào)處理、信號(hào)輸出號(hào)和定位等功能。文獻(xiàn)［1－8］對(duì)OEM板進(jìn)行了分析，具備性能穩(wěn)定、輕巧靈便等優(yōu)點(diǎn)，可利用其輸出的位置、時(shí)間等數(shù)據(jù)信息與計(jì)算機(jī)、通信等技術(shù)相結(jié)合，提升導(dǎo)航定位設(shè)備的自主能力，但OEM 板目前僅限于特定設(shè)備和一定范圍內(nèi)應(yīng)用，尚未得到大規(guī)模推廣，且北斗設(shè)備的通用性能并未得到有效提升。

本文通過(guò)開(kāi)展基于國(guó)產(chǎn)化北斗專用芯片的應(yīng)用研究以及核心功能組件開(kāi)發(fā)，設(shè)計(jì)鏈路匹配與接口標(biāo)準(zhǔn)，提升北斗設(shè)備的安全性和自主性，有效減少北斗設(shè)備類型，提高其通用性能; 通過(guò)開(kāi)展基于國(guó)產(chǎn)化北斗專用芯片的樣機(jī)功能和性能測(cè)試，以及與某設(shè)備的對(duì)比，驗(yàn)證國(guó)產(chǎn)化北斗專用芯片應(yīng)用后的整機(jī)指標(biāo)滿足程度。

1 國(guó)產(chǎn)化北斗芯片核心功能組件設(shè)計(jì)某北斗設(shè)備具備ＲNSS B3、B1 頻點(diǎn)定位、ＲDSS定位及通信、GPS 定位、GLONASS 定位及上述組合定位功能，在當(dāng)前應(yīng)用中具有一定的普適性。以該北斗機(jī)為研究對(duì)象，開(kāi)展國(guó)產(chǎn)化北斗專用芯片的應(yīng)用設(shè)計(jì)。1．1 國(guó)產(chǎn)化北斗專用芯片選型研究1．1．1 基帶芯片選型結(jié)合國(guó)內(nèi)北斗基帶芯片的比測(cè)情況以及芯片本身功能，基帶芯片選用內(nèi)部集成SDＲAM，F(xiàn)lash，ＲTC的芯片，以減小與之匹配的外電路設(shè)計(jì)和尺寸，降低電路板層要求和電路設(shè)計(jì)難度，因此選用國(guó)內(nèi)某基帶芯片1。

1．1．2 射頻芯片選型

為滿足復(fù)雜戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下定位導(dǎo)航和態(tài)勢(shì)感知需求，北斗設(shè)備應(yīng)具備ＲNSS 和ＲDSS 射頻通道，以實(shí)現(xiàn)ＲDSS 收發(fā)，ＲNSS 的B3，B1，GPS，GLONASS 收發(fā)、高靈敏度、高精度和抗干擾能力等要求。

( 1) ＲDSS 射頻芯片選型ＲDSS 射頻芯片選擇需重點(diǎn)關(guān)注接收靈敏度、發(fā)射功率和發(fā)射相差等指標(biāo)，且具備抗干擾能力，綜合對(duì)比國(guó)內(nèi)ＲDSS 射頻芯片，選用國(guó)內(nèi)某具備接收窄帶抗干擾能力的通用射頻芯片1。( 2) ＲNSS 射頻芯片選型ＲNSS 共有BD B3，BD B1，GPS L1，Glonass 四個(gè)頻點(diǎn)，考慮到BD B3 頻點(diǎn)的重要性和工作穩(wěn)定性，B3 頻點(diǎn)射頻芯片獨(dú)立選擇，具備抗干擾能力; 因BDB1，GPS L1，Glonass 頻點(diǎn)相對(duì)靠近，選用單片雙通道ＲNSS 射頻芯片實(shí)現(xiàn)，未考慮抗干擾能力。1．2 核心功能組件設(shè)計(jì)將選中的基帶芯片和射頻芯片通過(guò)集成設(shè)計(jì)，形成核心功能組件，其原理框圖如圖1 所示，主要分為中頻電路部分、射頻電路部分、電源部分以及外部接口部分。射頻電路部分具備信號(hào)接收和發(fā)射功能: 接收BD B3，BD B1，GPS L1，GLONASS F1 頻點(diǎn)以及S 頻點(diǎn)射頻信號(hào)，處理后將4 路信號(hào)傳至中頻部分，提供中頻工作時(shí)鐘; 完成L 頻點(diǎn)信號(hào)的發(fā)射。

圖1 核心功能組件原理

中頻電路部分接收到射頻電路的信號(hào)后，完成數(shù)據(jù)處理，并將處理結(jié)果輸出到對(duì)外數(shù)據(jù)接口; 提供ＲDSS 發(fā)射信號(hào)以及頻率、功率等控制信號(hào)。電源電路提供工作電源，包括射頻饋電5 V、模擬電3．0，1．2 V 和數(shù)字電1．2，1．8 V。

2 整機(jī)設(shè)計(jì)2．1 整機(jī)設(shè)計(jì)原理將國(guó)產(chǎn)化北斗芯片的核心功能組件嵌入某型北斗機(jī)中，其原理如圖2 所示。

圖2 整機(jī)原理

2．2 接口標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)對(duì)外接口含ＲS232 串口1 /加注口、ＲS232 串口2 /CAN 總線以及電源接口，接口定義如表1所示［9－17］。

表1 對(duì)外接口定義

ＲS232 串口1/加注口用于加注密鑰、核心功能組件升級(jí)，以及與車載計(jì)算機(jī)/顯控終端進(jìn)行數(shù)據(jù)交互;ＲS232 串口2/CAN 總線用于與車載計(jì)算機(jī)/顯控終端進(jìn)行數(shù)據(jù)交互; 電源接口為該型北斗機(jī)提供電能。

2．3 整機(jī)鏈路設(shè)計(jì)某型北斗用戶機(jī)存在收發(fā)2 條鏈路，具有4 頻點(diǎn)接收和1 頻點(diǎn)發(fā)射功能。接收鏈路分配如圖3所示。2．3．1 S 頻點(diǎn)鏈路分析基帶芯片S 通道采用有效位12 位高精度ADC，最大輸入1 Vp－p， 50 Ω 阻抗匹配，最大功率約為4 dBm。第n 位高精度ADC 采樣精度計(jì)算公式為［18］:

式中，P 為功率; U 為電壓; Ｒ 為電阻。由式( 1) 可知，基帶芯片信號(hào)采樣的動(dòng)態(tài)范圍為－68～4 dBm。整機(jī)S 鏈路設(shè)計(jì)時(shí)，天線組件鏈路增益如圖3所示，S 頻點(diǎn)帶內(nèi)功率約為－105 dBm，若S 通道增益為Gs1，則

－68 dBm≤－105 dBm+35．3 dB+ Gs1≤4 dBm，

點(diǎn)射頻芯片一般模式下增益范圍為50 ～ 85 dB，

50 dB≤Gs1≤73．7 dB。

ＲDSS 射頻芯片使用AGC 模式實(shí)現(xiàn)抗窄帶干擾，S 抗窄帶干擾干信比不低于55 dB，抗窄帶干擾時(shí)S 頻點(diǎn)帶內(nèi)功率約為－124．6 dBm，若S 通道所需增益為Gs2，則－68 dBm≤－124．6 dBm+55 dB + Gs2≤4 dBm，

S 頻點(diǎn)抗窄帶干擾增益范圍為22 ～ 83 dB，因此22 dB≤Gs2≤73．6 dB。

圖3 接收鏈路分配

2．3．2 B3 頻點(diǎn)鏈路分析整機(jī)B3 頻點(diǎn)鏈路設(shè)計(jì)與S 頻點(diǎn)鏈路設(shè)計(jì)相似，核心功能組件B3 頻點(diǎn)鏈路增益如圖3 所示，B3頻點(diǎn)帶內(nèi)功率約為－101 dBm，若B3 通道所需增益為GB1，則－68 dBm≤－101 dBm+26．2 dB+ GB1≤4 dBm，B3 頻點(diǎn)射頻芯片一般模式下增益范圍為50～100 dB，因此50 dB≤GB1≤78．8 dB。B3 頻點(diǎn)射頻芯片在抗窄帶干擾中使用自動(dòng)增益控制( AGC) 模式。要滿足B3 抗窄帶干擾干信比不低于60 dB 要求，抗干擾條件下B3 頻點(diǎn)帶內(nèi)功率約為－130 dBm，若B3 通道所需增益為GB2，則－68 dBm≤－130 dBm+60 dB + GB 2≤4 dBm，抗干擾模式下增益范圍也為50 ～ 100 dB，因此50 dB≤GB2≤74 dB。2．3．3 B1 /L1 頻點(diǎn)和F1 頻點(diǎn)鏈路分析整機(jī)B1 /L1 頻點(diǎn)鏈路設(shè)計(jì)與上相同，B1 /L1 頻點(diǎn)帶內(nèi)功率約為－ 110 dBm，若B1 /L1 通道增益為GB1/L1，則有－62 dBm≤－110 dBm+26．8 dB+ GB1/L1≤4 dBm，B1 /L1 頻點(diǎn)射頻芯片一般模式下增益范圍56～96 dB，因此56 dB≤GB1/L1≤87．2 dB。2．3．4 L 頻點(diǎn)發(fā)射鏈路分析發(fā)射鏈路采用射頻調(diào)制技術(shù)實(shí)現(xiàn)，主要節(jié)點(diǎn)包括調(diào)制器、放大器、傳輸電纜和功放等，鏈路電平分配如圖4 所示。

L 發(fā)射鏈路設(shè)計(jì)中，核心功能組件射頻出口后級(jí)增益約為40．2 ～ 46．2 dB，整機(jī)發(fā)射功率指標(biāo)要求為6～16 dBW( 36 ～ 46 dBm) ，核心功能組件L 發(fā)射功率可配置的范圍為－2 ～ 8 dBm，因此通過(guò)配置核心功能組件L 發(fā)射功率為－1 dBm，發(fā)射功率范圍為39．2～45．2 dBm，可以滿足整機(jī)發(fā)射功率的要求。

3 測(cè)試分析3．1 測(cè)試原理基于核心功能組件的某型北斗機(jī)功能性能測(cè)試在北京星地恒通信息科技有限公司暗室環(huán)境中進(jìn)行，測(cè)試設(shè)備和測(cè)試環(huán)境已通過(guò)相關(guān)單位認(rèn)證。樣機(jī)測(cè)試原理如圖5 所示，根據(jù)該型北斗機(jī)制造與驗(yàn)收規(guī)范涉及的基本功能、定位功能、通信功能、指揮功能、北斗S /B3 /B1 頻段接收性能、GPS 接收性能、GLONASS 接收性能、北斗L 頻段發(fā)射性能、1PPS 電氣性能和組合定位性能等，測(cè)試項(xiàng)目共計(jì)95 項(xiàng)。

圖5 用戶機(jī)暗室測(cè)試原理

3．2 測(cè)試結(jié)果分析① 基本功能: 包括精密測(cè)距碼捕獲、導(dǎo)航電文轉(zhuǎn)換及解密、用戶密鑰有效時(shí)間顯示和注入、精密測(cè)距碼時(shí)效參數(shù)有效期顯示和注入、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換功能、“位置報(bào)告1”和“位置報(bào)告2”功能以及重要數(shù)據(jù)自毀功能等16 項(xiàng)功能與已定型北斗機(jī)相同，B3 頻點(diǎn)抗窄帶干擾提升6 dB; S 頻點(diǎn)抗窄帶干擾能力提升2 dB，如表2 所示。

表2 基本功能測(cè)試對(duì)比

② 定位功能( 含BD B3、BD B1 頻點(diǎn)ＲNSS 定位、ＲDSS 定位、GPS 定位、GLONASS 定位以及上述GNSS 系統(tǒng)組合定位功能) 、通信功能、指揮功能與已定型北斗機(jī)性能相同。③ 北斗S 頻段接收性能: 在首次捕獲時(shí)間、失鎖重捕時(shí)間和兩通道時(shí)差測(cè)量誤差方面明顯優(yōu)于定型設(shè)備指標(biāo)，其余能力與定型設(shè)備相當(dāng)。首捕時(shí)間指揮機(jī)提升13．3%，用戶機(jī)提升23．5%; 失鎖重捕時(shí)間提升37．5%，兩通道時(shí)差測(cè)量誤差提升40%，如表3所示。

表3 S 頻點(diǎn)接收指標(biāo)測(cè)試對(duì)比

④ 北斗B3 頻點(diǎn)接收指標(biāo): 跟蹤通道數(shù)較原來(lái)定型北斗機(jī)增加4 個(gè); 90°時(shí)捕獲靈敏度提升2 dB，跟蹤靈敏度提升3 dB; B3 頻點(diǎn)水平定位精度和高程定位精度分別提升87．5%和74．1%; 測(cè)速精度提升21．4%; 接收信號(hào)功率范圍內(nèi)水平精度和高程精度分別提升86．2%和75．6%; 首次定位時(shí)間溫啟動(dòng)提升14．3%，熱啟動(dòng)提升25%; 失鎖重捕時(shí)間提升15%，如表4 所示。其余能力與定型設(shè)備相同。

表4 B3 頻點(diǎn)接收指標(biāo)測(cè)試對(duì)比

⑤ 北斗B1 頻點(diǎn)接收指標(biāo): 跟蹤通道數(shù)、90°時(shí)捕獲靈敏度和跟蹤靈敏度提升情況同B3 頻點(diǎn); B1頻點(diǎn)水平定位精度和高程定位精度分別提升76．8%和74．7%; 測(cè)速精度提升11．8%; 接收信號(hào)功率范圍內(nèi)水平精度和高程精度分別提升83．8%和75．3%; 首次定位時(shí)間溫啟動(dòng)提升14．1%，熱啟動(dòng)提升20%，如表5 所示。其余能力與已定型設(shè)備相同。

表5 B1 頻點(diǎn)接收指標(biāo)測(cè)試對(duì)比

⑥ GPS 和GLONASS 接收指標(biāo): 除跟蹤通道數(shù)增加4 個(gè)外，均在冷啟動(dòng)和熱啟動(dòng)方面有效提升，其中GPS 冷啟動(dòng)和熱啟動(dòng)分別提升10．9%和30%，GLONASS 冷啟動(dòng)和熱啟動(dòng)分別提升6．7%和15．4%;GPS 和GLONASS 重捕性能均提升23．5%，如表6所示。

表6 GPS 和GLONASS 接收指標(biāo)測(cè)試對(duì)比

⑦ 1PPS 精度: 1 PPS 精度提升28．3%。⑧ 組合定位精度: BD B3，GPS，GLONASS 組合定位水平精度和高程定位精度分別提升71．7%和79．6%; BD B1，GPS，GLONASS 組合定位水平精度和高程定位精度分別提升68．5% 和70．6%，如表7所示。

表7 組合定位指標(biāo)測(cè)試對(duì)比

測(cè)試結(jié)果表明，基于國(guó)產(chǎn)化北斗專用芯片的某型北斗機(jī)功能和性能指標(biāo)均滿足與之對(duì)應(yīng)的定型北斗機(jī)指標(biāo)要求，共有30 項(xiàng)功能得到提升，其余65 項(xiàng)功能與定型北斗機(jī)相當(dāng); 尤其是在定位精度、1 PPS精度以及抗干擾功能等事關(guān)裝備作戰(zhàn)性能的關(guān)鍵指標(biāo)上提升明顯。

4 結(jié)束語(yǔ)在選用國(guó)產(chǎn)化北斗專用基帶芯片、ＲDSS 射頻芯片、ＲNSS B3 射頻芯片及ＲNSS B1 /L1 /GLONASS接收芯片的基礎(chǔ)上，通過(guò)核心功能組件設(shè)計(jì)、規(guī)范接口標(biāo)準(zhǔn)和鏈路分析計(jì)算，研制基于核心功能組件的測(cè)試樣機(jī)，測(cè)試結(jié)果表明:① 應(yīng)用國(guó)產(chǎn)化北斗專用芯片的樣機(jī)滿足與之對(duì)應(yīng)的已定型北斗機(jī)所有指標(biāo)要求，95 項(xiàng)測(cè)試指標(biāo)中，30 項(xiàng)功能提升明顯，其他指標(biāo)與已定型設(shè)備能力相當(dāng)。② 與實(shí)際作戰(zhàn)應(yīng)用聯(lián)系緊密的定位精度、授時(shí)精度和抗干擾等關(guān)鍵指標(biāo)中，B3 頻點(diǎn)定位精度最大可提升87．5%，B1 頻點(diǎn)定位精度最大可提升76．8%，組合定位精度最大可提升79．6%; 1 PPS 精度提升28．3%; B3 頻點(diǎn)抗窄帶干擾提高6 dB，S 頻點(diǎn)抗窄帶能力提升2 dB，性能提升顯著。③ 應(yīng)用國(guó)產(chǎn)化北斗專用芯片的功能模塊安全自主能力和可靠性大大提高，推廣應(yīng)用前景廣闊。