关于伪卫星网络时频同步系统的设计与实现.doc
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1、关于伪卫星网络时频同步系统的设计与实现0 引言伪卫星系统作为一种无线导航发射设备,可以用作增强GPS星座,也能构成独立的导航定位系统。与GPS卫星装备的原子钟不同,伪卫星的时钟通常选择精度不高的低端时钟,会产生钟漂误差1-2。依据卫星导航定位原理,为保证用户接收机的定位精度和授时精度,系统中的伪卫星必须保持时间同步。伪卫星时间同步系统采用无线双向微波时间同步方案,具有组网灵活、可扩展性好、综合成本低等优点。依据测量终端间传播路径相同特性,基于伪距测量模式的无线双向时间同步系统可以最大限度地消除由路径不同引起的误差,实现精确测距与时间同步3。根据测量终端发射机与接收机信号闭环传输链路,可实现终端
2、间载波频率同步。1 系统总体构架本文设计的伪卫星网络时频同步系统由1个主站伪卫星、4个或以上从站伪卫星构成,各站均采用具有自校准功能的伪卫星收发器阵列结构(Self-Calibrating Pseudolite Array,SCPA),每个收发器主要由发射机和接收机两个部分组成2。采用主从模式的自差收发器结构,每个收发器使用一个时钟源,实现发射部分和接收部分时间基准统一。通过信号分路与合路设计,调节发射信号功率,接收机同时接收天线端与同源发射端的伪卫星信号,形成信号闭环收发,可减小收发器系统测量误差。伪卫星系统结构组成如图1所示。伪卫星系统的收发器主要包括射频信号收发单元和中频信号处理单元。射
3、频信号收发单元主要发射与接收伪卫星频点的导航信号,并完成中频信号与射频信号的转换。射频上变频模块通过对发射基带模拟中频信号与本振混频生成伪卫星射频信号,通过分路器,一路信号经发射天线播发,另一路信号经功率调节器发送到接收端;射频接收单元下变频模块通过对射频信号与本振混频产生接收端模拟中频信号。中频信号处理单元是以FPGA和DSP作为核心基带处理芯片,主要由发射信号基带处理模块、D/A数模转换模块、接收信号基带处理模块、A/D模数转换模块和时间同步模块组成。发射信号基带处理模块实现伪卫星导航信号的电文编码与信号调制,经过D/A数模转换电路产生模拟中频信号;接收信号基带处理模块接收A/D模数转换电
4、路输出的数字中频信号,实现信号的捕获、跟踪与电文解码,完成与上位机界面的交互;时间同步模块主要完成从站与主站钟差的测量与修正,产生同步的时间信号。2 系统主要硬件电路设计2.1 下变频电路设计本系统下变频设计电路选用润芯公司生产的一款高度集成的射频芯片RX3007,片上集成了镜频抑制混频器、带通滤波器、自动增益控制电路、压控振荡器、中频放大器、模数变换器等电路;支持GPS L1/BD2 B1信号双通道同时工作;通道噪声系数小于2.5 dB,通道增益110 dB,支持有源和无源天线工作模式;参考时钟输入范围为10 MHz40 MHz,可通过SPI控制接口配置模拟中频或数字中频输出。本设计A/D模
5、数转换使用该芯片2 bit模数转换器,分别对模拟信号进行采样,采样时钟为 16.368 MHz,将频率为4.092 MHz的模拟中频信号量化成数字中频信号,以SIGN、MAG码输出给FPGA基带芯片。下变频模块电路图如图2所示。2.2 D/A数模转换电路设计数模转换电路设计选用Analog Devices公司的AD9744低功耗14 bit数模转换器,采样时钟输入支持210 MSPS转换速率。输出端设计采用单电源直流差分耦合电路,模拟差分输出经AD8041放大器实现高速数据缓冲。FPGA发射基带处理模块输出包含B1和L1频点的伪卫星数字中频信号,经数模转换器分别生成中频频率为11.098 MH
6、z和25.42 MHz的模拟中频信号。D/A数模转换电路如图3所示。2.3 上变频电路设计射频上变频单元主要包括频率合成器、混频器和滤波器。频率合成器选用Silicon LABS公司的SI41XX系列芯片,通过MCU单片机配置本振频率为1 550 MHz;混频器选用Mini-Circuits公司的无源混频器JMS-11,中频信号与本振混频得到频点为1 561.098 MHz和1 575.42 MHz的伪卫星射频信号,完成频谱搬移;滤波器选用台湾嘉硕科技公司的TA1166A声表面滤波器(SAW),该滤波器中心频率为1 575.5 MHz,带宽为30 MHz,插入损耗不超过3.0 dB,经滤波后可
7、剔除不必要的信号及杂讯。射频上变频模块电路图如图4所示。3 系统关键技术3.1 双向伪距测量与时间同步技术设计双向伪距测量通过主站与从站的收发器设备,接收端利用伪码和载波相位跟踪结果,得到伪距测量值,构建双向测距方程,从而实现两站间的距离测量与时间同步。DSP接收端采用载波相位平滑伪距算法设计,利用精确的载波相位测量值对粗糙的伪码测量值进行平滑处理,提高伪距测量值的测量精度4。双向伪距测量的原理图如图5所示。其中,Ti为伪距测量值,ti为传输时间,为发射时延,为接收时延,t为钟差。(1)主站发射端在本地时间0时刻发射伪卫星射频信号A,主站与从站接收端跟踪主站信号A,主站通道1伪距测量值TA1;
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