一种面向电力终端的北斗定位模块研究

闻志国 陈 影 庞振江 杜 君 贾 强

（1.国网信通集团北京智芯微电子科技有限公司，北京 100192；2.国网内蒙古东部电力有限公司，内蒙古呼和浩特 010020）

1引言

自2009年5月国家电网公司提出“坚强智能电网”至今已过去8年多，期间随着各种先进技术的不断涌现，更加快了“坚强智能电网”的发展。目前已形成了完整的坚强智能电网战略规划体系，开展了智能电网工程项目试验及领先的试验研究体系，实现了大多关键技术和设备的创新突破。而作为中国自主的北斗卫星导航系统及相关技术同样是新时代“坚强智能电网”需求中不可或缺的一部分。国务院办公厅关于印发国家卫星导航产业中长期发展规划的通知（国办发〔2013〕97号）提出，要加强与推进北斗卫星系统在能源（电力）、通信、金融、公安等重要领域的应用。电力行业作为国家的重要能源与支柱型产业，义不容辞的加快开展北斗系统在电力行业的具体应用研究。

当前，智能电网建设在自动化时间同步、远程数据采集、设备人员资产位置管理等方面仍存在诸多问题，例如盲区采集单一、授时保障偏低、设备无法完全安全定位与跟踪等，已成为我国智能电网信息化建设的瓶颈之一，迫切需要引入具有国产化的精准定位、精确授时和无障碍通信功能的高品质卫星导航系统作为支撑。北斗卫星导航系统作为我国自主研发的卫星导航系统，具有快速定位、短报文通信和精密授时三大功能，在电力行业的应用方向如用电信息采集、系统授时、电网资源位置信息获取、现场踏勘、输变环节巡检、电网故障抢修、电网运行监视、防灾减灾、统一车辆管理等。通过在电力环境中实现北斗技术的应用，加速国产北斗技术的实用化落地。

2 北斗卫星导航系统

北斗卫星导航系统（以下简称北斗系统）是中国着眼于国家安全和经济社会发展需要，自主建设、独立运行的卫星导航系统，是为全球用户提供全天候、全天时、高精度的定位、导航和授时服务的国家重要空间基础设施，而现阶段应用最广的就是北斗二代卫星导航系统。

北斗二代卫星导航系统由空间段、地面段和用户段三部分组成，其定位是通过四星定位原理来实现接收机位置的确定。在某一固定时间，地球上某一点可以观测到至少四颗卫星，如图1所示。通过测算卫星发射信号与接收机接收到信号的时间差，再根据电磁波的传播速度计算得到卫星与北斗接收机之间的距离，然后通过距离公式就可以联立方程组确定接收机的位置信息，再与地图进行对应后得到用户位置和高程信息［1］。定位导航卫星通过采用伪随机扩频序列调制信号，使用高速扩频码提高卫星与接收机之间距离的计算准确度［2］。

在一些特殊的应用场景下，为了提高卫星定位导航的精度一般采用差分定位方法，通过建立地面基准站进行实时接收信号，然后与自身的已知位置信息进行对比，得到当时当刻的修正值，然后将这个修正值对外发布，一定范围内的接收机可以根据此修正值来完成自身接收信号的修正，消除绝大多数的误差信息，最终得到一个比较准确的位置信息［3］，利用差分定位技术，定位精度可提高到厘米级。当然，北斗定位性能除了与自身系统的空间段、地面站有关外，还与北斗系统用户端的终端模块息息相关。

3 电力终端北斗定位导航模块设计

北斗定位导航模块主体就是北斗信号接收机，其任务是能够捕获到一定卫星高度截止角所选择的待测卫星的信号，并跟踪这些卫星的运行，获得必要的导航和定位信息及观测量，对所接收的北斗信号进行变换、放大和处理，解析出北斗卫星所发的导航电文，实时计算出测站的三维位置、速度和时间。电力终端北斗定位导航模块（以下简称电力终端北斗模块），主要服务于电力行业，适用于电力行业的应用场景，满足电力行业的应用需求。

本研究的电力终端北斗模块按功能可划分为模拟接收、数字处理、管理与外设接口三个部分，其框图如图2所示。

3.1 模拟接收

此部分为北斗接收机的模拟电路部分，主要由射频器件构成，如天线、低噪声放大器、下变频器、频率合成器、带通滤波器以及模数转换器等，如图3所示。主要工作过程：把天线收到的微弱射频信号进行低噪放大使信号功率满足后级数字信号处理的要求，同时降低接收链路的噪声系数，然后经过滤波处理，选出所需频率，滤除镜像频率、带外杂散及噪声；然后再对射频信号进行下变频搬移；最后通过模数转换器生成数字信号并送入数字处理电路。

设计中，本部分电路由所选北斗芯片的模拟前端和外扩的射频前端构成，共同完成空中北斗信号的接收、处理并形成数字信号。

3.2 数字信号处理

北斗卫星导航系统接收机的数字信号处理包括三部分：捕获，跟踪和位置、速度、时间（Position Velocity Time，PVT）解算。

本研究的基带信号处理部分采用数字通道的架构，其基本结构如图4所示，包含信号捕获、环路跟踪及导航信息提取。

接收机进行PVT解算的首要步骤是信号捕获，信号捕获是一个利用PNR码的相关特性，进行二维搜索的过程。捕获算法大致可分为基于时域相关的方法和基于频域快速傅里叶变换（Fast Fourier Transform，FFT）的方法两大类［4，5］。捕获目的是获得空间中可见卫星的多普勒频偏和码相位的粗略估计值，实质就是将接收信号与本地信号副本进行相关运算，然后通过检测相关输出中峰值是否超过先前设定的阈值判断是否捕获成功，若超过阈值则成功捕获到卫星信号，与此同时就得到卫星的相关信息。相反若没有超过阈值则进行下一颗卫星的捕获，直到搜索完所有的卫星。扩频码相关性能则是从根本上决定捕获过程的关键因素。

环路跟踪的主要目的是进一步细化码相位和频率的粗捕获值，以使用户粗略的得知接收信号多普勒频偏和码相位达到进入信号跟踪状态，同时随着时间的变化对信号的这些属性保持跟踪，跟踪的精度将直接影响到后面伪距的计算以及用户定位的精度［6］。环路跟踪包含两部分内容：码跟踪和载波频率/相位跟踪。码跟踪环路通常采用延迟锁定环（Delay Lock Loop，DLL）的结构来实现；载波频率/相位环路跟踪则通过跟踪信号的相位或者跟踪频率来实现，保持载波相位的同步。

当信号被正确跟踪后，PRN码和载波从接收信号中被剥去，仅留下导航数据，从中可以提取出卫星星历信息［7］。这一过程涉及到的算法主要有导航数据的比特位同步以及数据帧同步算法［8］。

接收机最终的任务是计算出用户的位置、速度及标准时间信息。用户的位置通过伪距以及从星历数据中得到的卫星位置信息来计算得到。

本设计中数字信号处理部分选择了一款国产的SOC北斗芯片AT6558来完成，此芯片集成了片上射频前端和数字基带处理器，支持BDS/GPS/GLONASS多系统联合定位和单系统独立定位，支持A-GNSS、QZSS和SBAS，同时芯片具有高接收灵敏度，功耗电流小（20mA），40管脚QFN封装，尺寸5mm×5mm×0.8mm，接口丰富等特征，为模块的低功耗、小型化设计奠定了基础。

3.3 管理与外设接口

本部分除了承担导航信息解算外，主要是北斗接收机的管理功能，包括主备用电源管理、时钟管理、模式管理、控制管理等。电源和工作模式管理可以很好的降低功耗，同时保障接收机性能的稳定，时钟管理可以提高定位精度和授时精度。另外本研究是面向电力行业而设计，而电力行业的发、输、变、配、用五个应用场景设备种类多外设接口复杂，因此在研究中充分考虑到这一点，预留了多种外设接口，如SPI、UART、I2C、GPIO，可根据实际情况灵活选用。

UART包含两个独立的全双工UART模块，实现数据在串行和并行之间的转换，波特率最大支持256000bps，并且具有自动波特率检测功能。每个UART具有独立的发送FIFO和接收FIFO，深度均为32字节。

SPI包含一个SPI主设备接口和一个SPI从设备接口。SPI主设备接口，用于连接SPI接口的器件，比如MEMS传感器、FLASH等。SPI从设备接口可作为与外部应用处理器的数据接口，外部应用处理器通过SPI接口获取芯片的定位信息。相比UART而言，SPI的数据传输速度有显著的提升。

I2C接口为主设备接口，可进行标准传输（100Kbps）和快速传输（400Kbps）。支持7bit地址或者10bit地址模式。接收和发送均含有4字节深度FIFO，并且可配置为DMA工作模式。

4 灵敏度提升和低功耗设计

4.1 高灵敏度设计

在复杂的无线环境下，北斗信号明显偏弱，信噪比较低，而电力行业发、输、变、配、用五个环节的应用环境又各不相同，比如输、配电很多覆盖到山林、沟壑中，比如用采的大多设备都在室内等，这些环境因素会导致北斗信号强度变的更弱，要想北斗接收机正确解调出有用的卫星信号，实现准确定位，就必须提高北斗模块的接收能力，而接收灵敏度是最为关键的指标。

本设计通过外围电路的补充设计来提高北斗模块的接收灵敏度。首先通过降低接收端信号噪声系数、提高接收链路的增益来提高模块的灵敏度，然后通过滤波器技术对带外干扰信号进行抑制来提高模块的抗干扰性和接收机的选择性。同理，增益G=10×log10g

式中：F1——接收链路第一级LNA的噪声；g1——第一级增益。

式（1）中，单位非dB，而换算成dB为 NF=10×

按照接收灵敏度理论公式“接收灵敏度=-174+NF+10lgB+10lgSNR（NF噪声系数、B信号带宽、SNR解调信噪比）”，接收机灵敏度与接收链路的噪声系数N、信号带宽B、解调信噪比SNR等有关，其NF越小，B越窄，SNR越低，接收灵敏度越高。本模块的接收信号频点为BD2 B1-1561.098MHz，信号带宽采用BD2 B1-1.092MHz都已确定；解调信噪比SNR由所选的北斗芯片基带电路决定，也已固定，因此能够改变的就是接收机的链路噪声系数NF，只能调整接收机链路整体噪声系数NF来优化接收机的接收灵敏度。

在接收机链路预算中，噪声级联计算如式（1）：，故系统级联的噪声系数计算如式（2）：

式中：所有单位为dB。

由此得出接收灵敏度的推导如式（3）：

从以上推导公式分析得出，在信号带宽B和解调信噪比SNR固定的情况下，通过改变接收链路中各级的噪声系数和增益可提高北斗接收机的接收灵敏度，即NF越小接收灵敏度越高，接收机链路增益越大接收灵敏度越高，尤其是链路的第一级器件影响最为关键。

由此理论支撑，设计中，在接收链路的射频前端增加了第一级低噪声放大器LNA，因为LNA是小信号放大器，且自身噪声系数很低，符合以上分析的需求。综合考量后最终选择了MAXIM的一款LNA MAX2659，该款芯片工作在卫星导航频段，放大增益20.5dB，噪声系数为0.8dB，详细性能曲线如图5所示，该芯片极低的噪声系数作为北斗接收机的第一级放大器，从根本上改善了整个链路的NF，适中的20.5dB放大增益既不会引起电路的自激还能最大限度的提高了接收链路信号的放大倍数，以此提高了接收机的接收灵敏度。

为了提高接收机的抗干扰能力和带外杂散的抑制能力，在第一级放大器LNA之后增加了一款EPCOS的SAW滤波器，其型号是B39162B，这款滤波器具有优良的频率温度性、高纯净频谱和低相位噪声，选择性好，插入损耗相对较低（0.9dB），带外抑制也较好，能够有效过滤掉天线接收的带外杂散，且尺寸小。性能曲线如图6所示。

另外，增加滤波器有利于改善射频链路的阻抗匹配，再通过∏匹配网络和离散的高频阻容器件联合优化链路的阻抗匹配，通过前级阻抗匹配仿真和后期板卡电路调试后，通过安捷伦的矢量网络分析仪实测，本设计的北斗模块的阻抗驻波比为1.45，Smith圆图和驻波比曲线图如图7所示，其值用在天线接口还是比较理想的。

通过增加北斗接收链路第一级低噪声放大和带外滤波，根据推导公式，进行北斗接收机总体链路预算后，接收链路的总增益增加了19.6dB，链路噪声系数可以锁定在（0.8～1）dB范围，天线口阻抗驻波比1.45。从分析的数据看出，通过以上三种技术手段很明显的提高了原有接收链路的接收灵敏度，为推广此模块在电力终端应用奠定了一定的基础。

4.2 低功耗设计

功耗是一个终端商用模块非常关键的技术指标，如果功耗过高，会大幅增加电网负荷及线损，同时又会降低电力终端整机待机时间，大大降低了产品使用性能。要想进行后期产业化推广，就必须把控模块的低功耗设计。在模块方案设计中，采用了一些技术手段来有效降低功耗，同时缩小了模块的整体尺寸。

1）多种工作模式，如正常工作模式、休眠（standby）模式、睡眠（sleep）模式、power down模式，优化各种工作模式下的工作电流；

2）数字化实现射频控制、校正，将射频电路必需的校正控制电路搬迁到数字域进行处理，能够减少射频、模拟模块，从而大大降低射频系统的复杂性和功耗；

3）通过复用射频和模拟功能模块，选用集成度高的SOC芯片，以减小模块数量；

4）芯片内置低功耗时钟管理，客户可根据工作需要灵活选择工作主频，给客户更多的低功耗设计选择；

5）在选择器件时，优先选取低功耗小封装的器件，如阻容器件的0402封装。

根据上述诸多手段，北斗模块的实际功耗电流见表1。模块实际设计的尺寸为16.0mm×12.2mm×2.3mm，如图8所示。

表1 实验室实测数据

5 北斗模块实物及测试

5.1 模块实物

基于以上的原理分析和各功能模块的设计，本研究已经试产了10块电力终端北斗定位导航模块，其实物如图9所示，实际尺寸比一元硬币还小一些，并采用SMT封装，方便焊接到任何电力终端的主板上，包括手持终端、车载终端等小型电力终端中。北斗测试底板实物如图10所示，本着测试方便的原则，此板卡留有SMA射频天线接口，金针测试夹具，通信串口，电源开关和拨码开关等设计。

5.2 实际测试

为了验证本设计的电力终端北斗模块的定位性能，做了两部分实验，分别为实验室测试和外场测试。

在杭州创新大厦实验室，选用国产GNSS模拟源HWA-GNSS-8000作为北斗信号源，选用第三方卫星导航模块数据处理软件V1.0.0.6进行数据解析和结果显示。实际测试平台如图11所示，5V供电，北斗模块通过测试夹具连接到测试底板上，底板通过SMA、射频电缆、功分器连接到北斗模拟源上，底板通过串口连接到PC机及卫星导航模块数据处理软件V1.0.0.6上。测试时通过解析软件分析出北斗信号的导航数据信息。

北斗模块单模实测数据解析截屏如图12所示，图中被测地所处的经度为E 119°59.9997’，纬度为N 29°59.9998’，此点正处于杭州经纬度（E 120°，N 30°）范围内，被测模块单北斗模式下可捕获11颗北

斗卫星，SNR 40dB，以中心值取平均的定位精度是0.64m。本次实验共计测试了7块北斗模块，实测数据参见表1。

外场测试北斗与GPS双模定位，地点在北京中关村科技园楼顶，被测模块接收北斗GPS卫星信号，选用卫星导航模块数据处理软件V1.0.0.6进行数据解析和结果显示，测试平台与图11类似，把图11中与SMA相连的模拟信号源及双工器去掉，然后接上北斗天线即可进行外场测试。外场测试某一北斗模块的测试数据如图13所示。

图13中，左边第一栏为基本信息栏，显示所解析出的时间、海拔、经纬度、卫星数等信息；第二栏为每次解析点的位置变化，即北斗/GPS双模定位精度；第三栏是本次测试接收到的卫星数，红色球代表北斗星，共捕捉到8颗，绿色球代表GPS星，共捕捉到9颗。实测数据统计见表2。

从表2不难看出，本次面向电力终端设计的北斗模块具有良好的定位功能，而小型化和低功耗设计符合国家电网节能环保的行业要求，接收灵敏度明显优于其他行业通用定位模块的性能。

表2 外场实测数据

6 结束语

目前北斗相关技术在电力行业中的应用尚属技术储备阶段，暂无大规模实际应用，相关的行业标准也待制定和完善。本次研究面对电力行业终端引入北斗技术，也是一种“北斗+智能电网”的技术融合与提升，既有利于电网安全稳定运行，又促进了北斗产业化发展，在生产和管理方面都有广阔的应用前景。

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