基于北斗系统的高可靠箭载无线定位装置

陈 伟,娄 莎,赵卫军,刘文怡,白 嘉

(1.北京宇航系统工程研究所，北京 100076； 2.北京航天石化技术装备工程有限公司，北京 100076； 3.中北大学 仪器与电子学院，太原 030051)

0 引言

受益于卫星导航定位产业的蓬勃发展以及卫星导航定位芯片的性能提升，火箭残骸回收技术出现了一种新方法。通过在待回收舱体安装一台具有导航电文解算和北斗短报文发送功能的无线定位装置，将残骸在下降过程中以及落地后的定位数据持续发送给地面残骸搜寻人员，大幅加快了搜寻的进程和可靠性，降低了回收成本。经飞行试验验证，该无线定位装置水平定位精度优于5 m，实现了残骸回收“下车即见”的预定目标。

1 总体设计

无线定位系统通过安装于舱壁的导航天线和定位装置内部的定位芯片实时获取火箭残骸的经纬高数据，利用北斗卫星短报文通信业务将其发送给地面搜寻人员手持终端。无线定位装置流程控制、资源调度和内部模块间的电路接口通过低功耗、高性能的ARM Cortex架构微控制器完成。无线定位装置采用外部设备供电和内置锂电池供电两种模式。

1.1 方案设计

1.1.1 定位数据无线传输方式

随着北斗系统应用的推广和普及，利用导航定位芯片获取设备自身定位信息已成为业内的首选方案，而定位数据的无线传输方式则有GSM、GPRS、无线数传电台、北斗短报文通信等多种方式。鉴于GSM、GPRS对无人区和少人地区信号网络覆盖较差，通信质量难以保证；无线数传电台方式则需要额外增加箭上设备，且通信距离通常只有数十公里，作用距离受限；经过综合评估，本方案选择北斗短报文通信方式进行定位数据无线传输。

北斗系统卫星无线测定业务(BDS RDSS,beidou system radio determination satellite service)短报文通信是我国北斗卫星系统特有的一项功能，该功能允许用户与用户之间进行双向数据传输[1]。北斗短报文通信优点突出，目前已覆盖中国及周边地区，数据误码率<10-5，通信时延约为0.5 s，而且北斗终端一户一密，保密性高。短报文通信用户通过申领北斗用户卡，获取唯一的终端机ID号，并根据用户卡等级享受不同的通信频率和单次通信容量。其中，军用级用户卡单次短报文最多可传输120个汉字(或1 920 bit有限数据)，通信频率最高为1秒/次；民用级用户卡单次传输容量为60个汉字，通信频率为60秒/次[2]。由于军用级用户卡申请较难且必要性不大，本方案采用了民用级用户卡。

1.1.2 技术实现途径

通过需求分析，整个无线定位系统的功能可进一步细化为三步：1)箭载装置实时获取自身定位信息及精确时间；2)基于BDS RDSS短报文服务功能，箭载装置将定位信息和时间的发送给BDS；3)北斗手持终端接收BDS发送的短报文。无线定位系统业务流程及架构如图1所示[3-4]。

图1 无线定位系统业务流程及架构

从图1可知，无线定位装置的总体技术实现途径如下：卫星导航定位芯片通过火箭舱外的接收天线获取GNSS导航信号，获取残骸当前的经纬度、高程和精确时间信息；微控制器(MCU)接收定位导航芯片上的定位和时间信息并输出给北斗短报文发送模块，然后短报文发送模块通过火箭舱外的发射天线将信息发送给BDS；北斗手持终端接收BDS发送的短报文，获取残骸的精确定位和时间信息。

1.2 可靠性设计

1.2.1 导航定位芯片选择

为了确保导航定位解算功能不受制于美国国家航天政策[5]，本设备选用基于北斗系统应用的BDM910型模块。该模块由国内厂商北斗星通研制，可以同时支持北斗RDSS和RNSS功能。模块内部集成了RDSS射频收发芯片、10 W输出功率的功放模块、北斗专用RDSS基带电路和BD2 B1/GPS L1导航定位芯片，尺寸为58.3 mm×54 mm×12 mm，具有集成度高、体积小、功耗低、对外接口简单等优点。BDM910型模块依托北斗系统即可完成定位解算和短报文发送功能，从而完全摆脱了对美国GPS和美国航天政策的依赖。

1.2.2 无线链路裕度设计

在无线定位系统通信链路中，BDS手持终端接收北斗卫星短报文的无线链路、北斗卫星与地面控制中心站之间的无线通信链路依托于北斗系统成熟服务。此外，无线定位系统还涉及2条无线通信链路，即定位装置导航芯片接收卫星导航电文的链路，以及短报文发送定位信息至北斗卫星的链路，下文对这2条无线链路进行裕度设计，分别如表1和表2所示。

1.2.2.1 导航信号接收链路裕度(见表1)

表1 北斗卫星导航信号接收链路裕度计算

1.2.2.2 短报文上行链路裕度(见表2)

表2 短报文上行链路裕度计算

计算结果表明，卫星导航信号下行链路裕度不小于1.8 dB，短报文上行链路裕度不小于0.9 dB。无线通信链路存在链路裕度。

1.2.3 冗余设计

箭载微带天线是无线定位装置与北斗卫星通信的关键设备，并且在无线通信过程中，随着残骸的快速运动，天线与北斗卫星通信的仰角、极化损耗以及天线指向方向的增益都在一直变化，因此务必引起重视。本方案采用的箭载微带天线是宽波束天线，单天线方向性图接近半球，在标准球坐标中θ=30°和60°切面对应的方向性图增益见图2。从图2可见，该天线的波束宽度和性能指标优于同类天线，但是为了严格避免残骸姿态滚转而出现微带天线干涉区或盲区对准北斗卫星的情况，在设计中采用沿舱体横截面中均匀布设4个相同天线的方案，见图3。

图2 箭载微带天线方向性图(单天线)

图3 组阵天线分布图

另外，考虑到导航信号定位芯片和北斗短报文发送模块也是箭载无线定位装置的核心装置，单故障点导致系统失效的环节较多。为提高设备的工作可靠性，系统在无线定位装置中采取两个BDM910型双模模块冗余设计的方案(后文简称模块A、模块B)。考虑到北斗系统规定了每个短报文发送模块必须间隔60 s才能发送下一次定位数据，系统约定两个短报文发送模块之间的发送时间间隔35 s(含5 s为时间间隔裕度)，将整个无线定位系统的定位频率从“次/60秒”提升为“次/35秒”。同理，为提高地面接收设备的可靠性，对地面接收设备也采取了冗余设计(地面接收模块1、2)，并制定了收发模块切换策略，最大限度降低了单个模块失效对无线定位系统造成的影响。

在4个箭载组阵天线中，两个周向间隔180°天线的合成方向性图接近完整的球形，因此对于采用冗余设计的天线和短报文发送模块，采用了天线1与天线3组阵，并与短报文发送模块A配合使用；天线2与天线4组阵，并与短报文发送模块B配合使用的方案。

1.2.4 环境适应性设计

由于北斗卫星和火箭残骸之间的相对位移，会造成导航定位芯片实际接收到的信号载波频率并不是导航卫星发射频率f0(1 561.098 MHz)，而是f0加上一个多普勒频移fd。北斗二号卫星按照轨道不同有地球静止轨道(GEO)、倾斜地球同步轨道(IGSO)、中高度圆轨道(MEO)三种，其中MEO卫星造成的多普勒效应最大，其最大多普勒速率Vdm约为928 m/s，由卫星在轨运动造成的最大多普勒频移为fdm=f0×Vdm/c(光速)=4.83 kHz。同理，经计算可知速度为1 Ma的物体，造成的多普勒频移约为1.7 kHz，考虑到残骸的运动速度及裕度系数，需要选择多普勒频移范围能适应±10 kHz的导航芯片。此外，为适应飞行环境，对无线定位装置开展了冲击、振动等力学试验和高温、老练等热学试验。

2 硬件设计与实现

无线定位装置内部硬件结构如图4所示，主要包括导航定位芯片、北斗短报文发送模块、微控制器、RS422数据接口电路、锂电池及电源管理模块等。

图4 无线定位装置硬件电路结构

2.1 北斗双模模块外围电路设计

BDM910模块是一款支持北斗RDSS/RNSS功能的双模模块，具有集成度高、功耗低、接口简单等优点。BDM910模块共有3个高频接口，连接器型号为MCX-KYD11，分别用于BD2 B1/GPS L1接收、RDSS接收和RDSS发射；1个低频接口，连接器型号为DF9_25S_1 V；以及一个北斗卡接口，用于放置用户卡。BDM910模块采用线性稳压电源供电，供电电压为5 V和12 V(用于RDSS射频发射功能)。模块与MCU之间采用串口通信，其中RDSS和RNSS功能各使用1路。即BDM910模块解算出的定位信息通过串口发送端TX1传送到微控制器串口接收端；微控制器将符合短报文帧格式的定位信息通过串口发送端XXX发送给模块RDSS接收端。此外，模块还为MCU提供1路精准的秒脉冲信号(1PPS)。BDM910模块外围电路设计如图5所示。

图5 BDM910模块外围电路设计

2.2 微控制器电路设计

本设计选择意法半导体公司生产的STM32F030CC芯片作为微控制器，这是一款以ARM CortexTM-M0为内核的32位单片机，具有功耗低、外设丰富、实时控制等优点。该芯片集成有256KB FLASH和32KB SRAM，集成6个USART串口(异步通信时兼容UART)，工作频率最高48 MHz，工作电压3.3 V。STM32F030CC通过USART串口接收BDM910模块解算的定位信息(图5 BDM910模块串口1)，对数据进行处理，将符合北斗短报文帧格式的定位信息通过USART串口传给BDM910模块(图5 BDM910模块串口0)。

此外，STM32F030CC 还通过监测外部供电电压，实施无线定位装置内部锂电池供电电路的通断控制；按照系统规定的流程步骤，控制SRAM、RDSS功能模块严格按照预定逻辑和时间间隔工作。

2.3 供电模块设计

为了兼顾地面系统测试和飞行试验两种工况，定位装置在地面系统测试时使用外部设备提供的15 V电压供电，并同时为装置内置的锂电池充电；在飞行试验中，当外部设备提供的15 V电压消失后，定位装置立即切换为内置锂电池供电模式，直至设备落地损毁或锂电池耗尽关机。

3 软件流程设计

无线定位系统软件流程设计见图6。

图6 无线定位装置软件流程

系统启动测试时，无线定位装置由外部设备提供15 V供电电压。无线定位装置进行状态初始化，计时器清0。主控制器(MCU)接收依次询问两个定位芯片解算的定位信息，将其写入缓存器，该步骤循环进行，直到计数器35 s计时时间到。MCU将缓存器中的定位数据写入外部存储器，切换箭上RDSS发射模块和地面接收模块。判断外部设备15 V供电是否消失，如果外部供电消失，表明残骸已正常分离，启动锂电池供电，将缓存器中的定位数据通过短报文模块发给北斗系统，将计时器清0，重新进入下一轮循环；如果外部持续供电，表明残骸未分离，为避免短报文模块瞬时大功率发射干扰其它射频设备，按照规定步骤，流程跳转直计时器清0，进入下一轮循环。重复上述循环，直至无线定位装置内部锂电池耗尽关机。

4 仿真试验及飞行试验

4.1 仿真试验验证情况

为了验证产品工作性能，在露天环境下搭载实物平台开展地面静态仿真试验[6-8]。试验结果表明，该状态下，无线定位装置RNSS功能成功定位概率≥95%，北斗手持终端接收定位信息的通信成功率≥70%，通信成功率与试验开展的时间有关，但在各种工况下，至少有一个RDSS模块通信效果≥90%，实现了稳定、可靠通信的预期目标。

为考核无线定位装置在残骸姿态变化情况下的工作情况，在静态仿真试验基础上，对定位装置收发天线进行平移、转动操作，统计北斗系统RNSS定位情况和RDSS模块通信成功率，与静态仿真试验结果相当。

4.2 飞行试验

顺利通过地面试验后，无线定位装置参加了某飞行试验考核。飞行试验中，地面搜寻人员在北斗手持终端上准实时地获取了残骸的定位数据，部分定位数据见表3。

表3 某飞行试验部分定位数据

表3中，“XX…X”为定位数据中没有变化的部分。从表3可知无线定位装置经度精度结果≤0.000 02°，转换为距离误差≤(Δθ/180°)×3.14×6 400×103=2.23 m；同理，纬度精度结果≤0.000 001°，转换为距离误差≤0.1 m；高度误差≤0.8 m。地面搜寻人员按照定位结果进行实物搜索时，实物位置与手持终端接收到的定位结果综合误差≤5米，实现了“下车即见”的预期目标。

5 结束语

本文介绍了一种基于北斗系统RNSS和RDSS业务的高可靠、高精度、低成本的箭载无线定位装置。该装置通过北斗系统卫星导航信号实时解算安装点位的经纬高，并利用北斗系统RDSS业务短报文通信功能准实时发送给地面手持终端，为地面搜寻人员提供高精度的定位信息。经飞行试验考核，本装置综合性能优良、可靠性高，具有广阔的应用前景。