卫星导航信号转发器的设计

陕西凌云电器集团有限公司 李海平 张二剑

卫星导航信号转发器的设计

陕西凌云电器集团有限公司 李海平 张二剑

本文提出一种卫星导航信号转发器的设计方法，重点描述了各级电路的实现方法,该设计具有很高的实用性，可满足卫星导航终端设备的测试需求

转发器；射频；天线

1.引言

卫星导航是重要的空间基础设施，为人类带来巨大的社会和经济效益。为满足我国经济和国防建设的需要，我国研制组建了第二代北斗卫星导航系统，是我国正在实施的自制研发，完全独立运行的全球卫星导航系统，并与GPS,GLONASS,GALOLEO一起成为全球四大卫星导航系统。

卫星导航系统的迅速发展，促使大量的终端设备投入市场，为保障性能需在投入市场前进行详细测试，而目前市面上兼容北斗信号的模拟器价格过于高昂，无法满足终端设备的批量生产需求，本文提出一种北斗卫星信号转发器的设计方法，可部分替代精密模拟器，为北斗导航系统的广泛应用做好准备。

2.系统组成和工作原理

卫星导航信号转发器主要是由室外GNSS接收天线、低损耗射频电缆、室内GNSS发射天线、转发器主机四部分组成。原理框图见图1：

图1 转发器原理框图

射频信号经接收天线放大滤波后，送往转发器主机完成信号接扩和解调，实现导航信号的定位功能检查，同时将码流和电文信息并重新调制和上变频得到射频信号，通过转发器主机的射频端口送往发射天线

3.主要功能和技术指标

主要具备两大功能,一是卫星信号增强转发,二是自身定位检查。转发器接收BD2-B3/GPS的导航信号,解调出码流和电文信息并重新调制和上变频得到射频信号,完成信号转发功能,输出信号电平可根据实际需求调整。

主要技术指标:转发通道>32；转发定位精度：水平〈10m,高程〈10m；输入信号：-133dBm～-100dBm(BD2-B3/GPS)；输出信号：-70dBm～-10dBm (BD2-B3/GPS )；数据接口为RS232串口（115.2Kbps）

4.设计方案

卫星信号转发器在实际使用时，通常将接收天线架设在实验楼顶上，转发器主机，GNSS发射天线和被测设备放在实验室内，两者通过30米射频电缆链接，因空中的卫星导航信号极为微弱，为避免信号的继续恶化，接收天线需采用低噪声的有源天线设计，射频电缆需采用低损耗设计，信号控制器对信号进行接收再转发，提高发射信号频谱质量。

4.1 接收天线的设计

接收天线为卫星信号转发器的射频前段，其性能决定系统的优劣，为降低设计难度和成本，采用深圳华颖的有源接收天线HYBGLRC08RT，内部由天线，带通滤波器，低噪声放大器等组成。

技术指标为：频率范围GPS L1/GLONASS G1/BEIDOU2 B3；Galileo；

天线轴比≤3dB；天线波束方位角：0º～360°；俯仰角：5º～90°；

电压驻波比≤2；天线单元增益（Gain of Antenna）≥5dB；

相位中心误差（Phase Center Error）≤2mm；

低噪放增益 (LNA Gain)：44dB±1.5dB；低噪放增益噪声系数≤2dB；

低噪放电压5VDC～10VDC

4.2 低损耗电缆

低损耗电缆采用MICAL公司的BO7系列射频电缆，坚韧耐用，损耗为0.25dB/m （2GHz）。

4.3 转发器主机

转发器主机为系统设计的难点和核心，负责将接收的信号进行滤波放大后，进行下变频送ADC进行模数转换后解调，译码，再将译码后的数据进行调制，上变频，生成高质量的卫星导航信号，再通过发射天线发射出去，并为接收天线提供电源，电源模块产生主机所需的各种电压，电路框图如图2所示：

图2 转发器主机原理框图

4.3.1 馈电盒设计

馈电盒采用mini-circuits公司的ZFBT-4.R2G-FT，为接收天线提供电源和射频通路。

4.3.2 射频模块设计

射频模块包括接收和发射两部分，原理框图见图3：

图3 射频模块原理框图

接收通道将射频信号滤波放大后进行下变频生成中频信号后送往基带模块，发射通道将基带模块的发射中频信号进行变频发大再滤波后经高隔离GP2S功分器后分成两路，一路为GPS信号，一路为B3信号，GPS信号经滤波放大后输出，B3信号经滤波放大后输出，同时射频模块采用10MHz温补晶振作为基准，采用频率合成器产生两路本振信号和一路124MHz时钟信号，电路之间通过穿心电容链接。

射频模块中的射频滤波器选用GPS和北斗信号专用的体声波滤波器，体积小，品质因数高，温度特型好，性能超过类似声表面滤波器，而且可通过标准电路技术生产，极具价格竞争力。中频滤波器选用LC滤波器，不可选体声波滤波器，因其中频衰减大。

为避免信号之间相互干扰，在结构上采取双层腔体设计，接收通道，发射通道放在腔体的正面,同时将腔体的正面分成四个小腔,接收通道，发射通道的变频放大电路，GPS信号和B3信号各占一腔，放置在腔体的背面，10MHz温补晶振和本振信号和124MHz时钟放在正面。

4.3.3 基带模块设计

基带模块负责信号处理，对射频模块的接收中频信号进行中频放大和高速采样，然后经数字下变频致零中频，再经低通滤波，并对采样数据进行解扩和解调处理，获得数据流；同时将解码的信号重新进行扩频处理，并数模转换后生成数字中频信号送往射频模块，基带模块以射频模块的124MHz时钟信号作为时钟信号。

4.3.4 衰减器

衰减器选用上海华湘公司的GKTS2-1-60-2.5-A1型可调衰减器，范围0dB～60dB，步长10dB，GPS信号和B3信号各用一路衰减器。

4.3.5 合成器

合成器将两路信号GPS信号和B3信号分别放大滤波后再进行功率合成，这部分电路采用分腔设计，电路需反复优化，确保噪声电平足够小，放大器采用低噪声高线性的放大器TQP3M9037，噪声0.4dB，增益20dB，合成器采用mini-circuits公司的高隔离GP2S功分器，电路框图见图4。

图4 合成器原理框图

4.结论

本文介绍了一种北斗卫星信号转发器的设计方法，并在实验室中开始使用，可满足卫星导航终端设备的调试和筛选要求，随着我国北斗二代卫星定位系统的不断成熟，将具有较强的实用性和广泛的应用前景。

[1]陈邦嫒.射频通信电路[M].北京:国防工业出版社,2008.

[2]谢刚.GPS原理与接收机设计.北京:电子工业出版社,2009.

李海平（1976—），女，陕西宝鸡人，工程师，陕西凌云电器集团有限公司计量仪表处计量师，主要从事无线电仪表计量及设计工作。