北斗RDSS用户机测试系统指标监测校准方案设计①

唐 斌，柳 奇，张益青，舒 展，李 腾

（1.北京环球信息应用开发中心，北京100094；2.中国电子科技集团第54研究所，河北 石家庄050081）

0 引 言

北斗卫星无线电测定业务（RDSS）用户机是北斗卫星导航试验系统的应用终端，可为用户提供导航、定位、短报文通信和授时服务。自2003年北斗RDSS服务开通以来，RDSS用户机在通信、航海、交通、气象、火警、灾害预报、公共安全等各个领域取得广泛应用。为对北斗RDSS用户机的研制使用提供可靠保障，需要采用卫星导航信号模拟源，仿真导航信号环境，建立自动化的测试系统，对用户机进行功能检查和性能试验［1]。目前已经初步建立了以生产厂家为基础的用户设备出厂检测和售后服务体系。检测和服务体系的核心即各类不同的北斗RDSS用户机测试系统。为保证全国各家测试系统在长期运行过程中测量结果的准确和统一，按照测试设备计量校准与核查要求［2]，需要对测试系统指标进行监测和定期标校。

国内外由于GPS的广泛应用，导航信号的模拟、仿真研究大部分集中于GPS测试技术研究上。北斗卫星导航试验系统原理与GPS不同，用户机接收系统出站信号后，需要发射入站信号，才能获取RDSS服务［3]。因此，北斗RDSS用户机测试系统由RDSS出站信号发射终端、用户机入站信号监测接收机，以及其他相关控制与评估软件组成［4]。北斗RDSS用户机测试系统指标的校准主要实现发射终端、监测接收机的相关功率、频率、时延等指标的校准。校准方法可以借鉴一些同样具有发射信号评估的移动手机的测试仪校准方法［5]。具体实现是基于一台改进的、各项指标可控的RDSS用户机进行，该用户机称之为校准设备，将测试系统的相关指标引出，实现至标准仪器的溯源。着重研究测试系统监测接收机对用户机入站信号测量指标、测试系统对用户机时延测量指标的校准，以及测试系统出站信号指标的监测方法。

1 北斗卫星导航试验系统与RDSS出入站信号

北斗卫星导航试验系统由两颗地球同步卫星、一个地面中心和若干标校站组成。地面中心是全系统的控制中心；两颗同步卫星构成地面中心与用户之间的无线电链路，共同完成RDSS无线电测定业务。标校站为确定卫星轨道位置、传播延迟校正提供标准参量。地面中心通过两颗地球同步卫星上的C／S转发器向用户发出“谁要定位”的询问信号；需要RDSS服务的用户接收到任意一颗卫星的出站询问信号后，即可响应询问，发出入站申请，通过两颗卫星L／C转发器转发应答信号，即可测定地面中心分别经2颗卫星到用户的距离。由于同步卫星位置可以从测轨获得，可导出用户到每颗卫星的距离。利用存储在地面中心数据库中的地形数字高程计算出用户所在位置。北斗卫星导航试验系统与GPS系统不同，它通过两个卫星发送四个波束的动态信号，而且是双向测距的。

2 测试系统监测接收机测量指标校准方案

北斗RDSS用户机发射的入站信号为短突发扩频信号，根据测试仪器工作原理和现有标准测试仪器实际情况，很难准确测量出用户设备发射功率。因此，要对测试系统监测接收机测量指标进行校准，需要通过校准设备产生标准可控的入站信号。

2.1 标准入站信号的产生

为了评估测试系统接收机的测量的准确性，需要产生标准、可控的入站信号，并且该信号的频率与功率可以通过通用测试仪器进行标定。为了满足标准通用的仪器测量的需要，对校准设备天线进行了改进，选用了收发独立的标准天线，如图1所示，并且设计了连接标准频率与功率测量仪器的接口。通过对校准设备基带的发射部分进行改进，使得设备在不接收出站信号的情况下，可以发射可控的连续单载波信号。

图1 收发独立的标准天线

2.2 监测接收机测量指标校准

测试系统监测接收机测量校准设备入站信号功率已经考虑了测试系统天线接收增益和空间损耗等因素，测量值即为转台上校准设备发射天线口面的信号功率。因此，入站信号测量值的校准就是要测定校准设备发射天线口面的信号功率和频率。具体方案如图2所示。

图2 入站信号测量校准方案

校准设备通过设置发射2s以上的单载波，设到达校准设备发射天线口面的信号功率为P，发射天线增益为PT，发射天线至功放的电缆损耗为PL1，功放耦合口至标准仪器的电缆损耗为PL2，标准仪器测量值为P0，则校准设备天线口面的信号功率P为

式中，PT、PL1、PL2可以事先精确测定。入站信号频率监测使用图2中相同连接，同样由标准测试仪器测定。校准设备天线口面的信号功率、频率值与测试系统监测接收机测量值进行比对，实现对测试系统监测接收机测量指标的归属。

3 测试系统用户机时延测量指标方案

校准设备时延可以精确设定，以校准测试系统对用户机设备时延测试精度，实现测试系统对用户机时延测量指标的校准。

为了实现校准设备设定绝对时延功能，在校准设备发射时标前增加一个可调延时器，采用高速时钟控制，实现对其大范围，小步进的调整。设定时延调整的功能是通过基带信号处理来完成的。在设计中，采用计数器进行延迟。如图3所示，假定接收32PPS时标的时刻为t0，t1，t2，设备时延需要在当前基础上延迟T，则可将每个32PPS时标顺延T即可。获得延迟的精度越高，则延迟越准确。为了提高延迟精度，一般采用100MHz或200 MHz的时钟来驱动该计数器［6]。这样做的缺点一是工作频率高，计数器功耗大；二是即便工作频率如此之高，计数器的步进分辨率仅为10ns或5 ns，不能够做到以任意步长精度进行延迟调整。

在校准设备基带信号处理算法中，采用了数控振荡器（NCO）作为延迟单元，其累加器的精度为32bit，工作时钟频率为50MHz.NCO溢出的整数时刻作为T的时标，溢出时刻对应的NCO相位字尾数部分送到发射模块，作为另一个发射NCO的初始相位字。可提供的理论延迟精度为20／2＾32 ns，远高于1ns的调整精度。由于延迟单元的工作时钟频率降低至50MHz，使得整个模块的功耗也随之降低。

图3 校准设备时延设定

4 测试系统出站信号监测方案

4.1 测试系统出站信号监测原理

测试系统出站信号监测包括信号中信息检测、信号功率检测和双通道时差设定检测等，要求功率测试精度优于1dB，时差检测精度优于2ns.测试系统可以通过自校完成功率有线条件下的标定，但实际测试信号一般在无线条件下测试，由于各种原因可能会使接收天线收到的信号功率出现变化。对测试系统发射的出站信号进行实时监测，在监测出站信息正确性同时完成出站信号实时功率监测，要实现高精度测定就需要根据测量的原理对测试方法进行论证，根据理论计算，影响测量精度的主要因素是接收信号的信噪比，在高信噪比情况下测量得到的数据稳定性和准确性高。

4.2 校准设备用于出站信号监测的设计方案

校准设备用于出站信号监测的具体设计方案是利用校准设备对测试系统6个波束出站信号进行监测，需要并行处理，并提高信号处理的速率。这就需要对校准设备硬件电路部分如相关器、解调器等采取并行处理的方法，对嵌入式的软件部分采用提高CPU时钟频率的方法。

硬件设计采用并行处理的方式，优点在于不必提高工作时钟，时钟越高对于印制板布线的要求越高，对于信号完整性的要求越高［7]，而采用并行处理的方式主要是提高了硬件的容量，鉴于当前的器件水平，大容量高集成度的器件应用越来越广泛，采用大容量的器件就可以满足六通道的硬件要求。

信号处理中采用了伪码快速捕获与精密跟踪技术。伪码快速捕获与精密跟踪技术采用多假设并行匹配滤波法。该方法的实质就是使用一组并行结构的匹配滤波器对伪码相位进行并行搜索，从而在一次积分时间内，完成对多个相位的伪码的相关积累，大大提高伪码的捕获速度。由于本方法提高捕获速度不是靠减少每次相关积累的积分时间，而是靠分段并行搜索来实现的，所以相关积累时间可以很长，如取整个PN码周期，这样就能有效避免PN码部分相关所带来的自身噪声对相关判决的影响。这种捕获方法除了捕获速度快外，同时具有捕获灵敏度高、信噪比要求低的特点。

4.3 提高出站信号功率指示精度

若直接进行理想的载噪比估计，则需要的软硬件开销较大。在校准设备设计中，采用了两级估计的方法。第一级，为近似估计，采用简明算法，估计（S＋N）／N 的值，而非S／N .这样，可以采用I／Q信号作为近似的S＋N估计。对于N的估计，为了保证估计的准确性，采用了专门的N生成通道，产生了一路非相干N信号作为所有通道N估计的标准信号。第二级，对第一级获得的近似估计进行修正，修正曲线事先由MATLAB仿真获得。这样，通过两级估计，就得到了理想的载噪比估计，估计的精度优于0.5dB.图4为MATLAB仿真图，可制成表格存入接收机内部存储器单元。实际存储的输入信噪比范围可从0dB向上，此信噪比对应接收机前端的输入信号功率为－132dBm，可以适应大部分情况下的信号功率变化范围。

图4 信噪比估计仿真

4.4 测试系统双通道时差测量波束监测方案

对测试系统用户机双通道时差测量波束的监测，通过校准设备解调出站信号后，外接计数器进行。校准设备中每个接收通道都包含1个精跟功能模块，除了本地伪码生成器以外，这些精跟功能模块的硬件结构是完全相同的。如图5所示，校准设备通过精跟模块获得两个波束的帧时标送计数器。要获得某一时刻一个波束的完整延时信息必须已知分帧号、符号计数值、伪码相位值，时标信号由各个伪码精跟功能模块提取，由维特比模块得到分帧号等信息。

通过计数器多次测量，计数器记取时标信号之间的时间差。取其均值并扣除测试系统和校准设备系统通道时延等系统差后，从而对测试系统用于用户机双通道时差测量的两个波束时间差进行监测。

图5 测试系统双通道时差测量波束监测

5 结 论

北斗RDSS用户设备测试系统通过校准设备实现功率、频率、时延指标向标准测试仪器的溯源，有利于提高测试系统的测量精度；利用校准设备对测试系统的定期标校，可实现各测试系统测试结果的统一。测试系统指标的溯源方法将成为建立北斗RDSS用户设备检测体系的重要技术支撑，有助于进一步提高北斗RDSS用户设备检测的科学性。

［1]张桂华，孙彩英.“北斗一号”导航定位动态信号的模拟实现［J].系统仿真学报，2005，17（11）：1731－2733.

［2]CNAS－CL01，检测和校准实验室认可准则［S].中国合格评定国家认可委员会，2006（6）：21－23.

［3]谭述森.卫星导航定位工程［M].北京：国防工业出版社，2010.

［4]张桂华，陈锡春.北斗用户设备测试系统的设计与实现［J].电子测量与仪器学报，2009，23（1）：16－21.

［5]刘晓辉，王兆永.关于第三代移动通信测试仪的校准［J].计量技术，2008（10）：53－56.

［6]陈劲松，李学军.基于可编程器件的任意进制计数器的设计方法［J].电子设计工程，2009，17（11）：12－14.

［7]何 勇.基于FPGA的UART设计与实现［J].现代电子技术，2010（11）：154－156.