北斗卫星 | 国产化北斗专用芯片样机的设计与实现

为提高北斗导航定位设备的独立自主性能和通用性能，开展基于国产化北斗专用芯片的应用研究和整机方案的设计与研制，通过国产化北斗专用芯片遴选、核心功能组件设计、整机匹配设计以及接口协议的统一，研制了基于国产化北斗专用芯片的样机。经与定型设备对比，应用国产化北斗专用芯片的样机在全部满足功能性能要求的基础上，军码水平定位精度最大提升87．5%，高程定位精度提升74．1%，1 PPS 精度提升28．3%，抗干扰能力最大提升6 dB，作战应用关键指标提升明显; 设备安全性、自主性等大幅提升，提高了战场生存能力; 核心功能组件可广泛应用于当前北斗二号设备，通用性能提升明显。

引言北斗导航定位设备目前已广泛应用于陆军武器平台，为指挥员及时调整兵力部署、实施精确指挥奠定了基础。但目前北斗导航定位设备部分部件采用国外进口模块或电路，自主性和安全性得不到有效保障; 设备由多部门开发研制，内部结构复杂多样，通用性距离使用要求还存在一定差距。因此开展北斗导航定位设备的国产化设计，提高安全自主能力和通用能力，已变得迫在眉睫。

随着北斗二号卫星导航系统的不断升级和能力的不断增强，国内相关部门组织招标研制了系列化国产芯片和模块，且经比测性能稳定，成熟度高，具备了推广应用的基础。前期相关部门组织开发了基于国产化北斗专用芯片的OEM 板，将北斗接收机的主要部件做成大规模集成电路，集成在一块电路板上，具有北斗信号接收、信号处理、信号输出号和定位等功能。文献［1－8］对OEM板进行了分析，具备性能稳定、轻巧灵便等优点，可利用其输出的位置、时间等数据信息与计算机、通信等技术相结合，提升导航定位设备的自主能力，但OEM 板目前仅限于特定设备和一定范围内应用，尚未得到大规模推广，且北斗设备的通用性能并未得到有效提升。

本文通过开展基于国产化北斗专用芯片的应用研究以及核心功能组件开发，设计链路匹配与接口标准，提升北斗设备的安全性和自主性，有效减少北斗设备类型，提高其通用性能; 通过开展基于国产化北斗专用芯片的样机功能和性能测试，以及与某设备的对比，验证国产化北斗专用芯片应用后的整机指标满足程度。

1 国产化北斗芯片核心功能组件设计某北斗设备具备ＲNSS B3、B1 频点定位、ＲDSS定位及通信、GPS 定位、GLONASS 定位及上述组合定位功能，在当前应用中具有一定的普适性。以该北斗机为研究对象，开展国产化北斗专用芯片的应用设计。1．1 国产化北斗专用芯片选型研究1．1．1 基带芯片选型结合国内北斗基带芯片的比测情况以及芯片本身功能，基带芯片选用内部集成SDＲAM，Flash，ＲTC的芯片，以减小与之匹配的外电路设计和尺寸，降低电路板层要求和电路设计难度，因此选用国内某基带芯片1。

1．1．2 射频芯片选型

为满足复杂战场环境下定位导航和态势感知需求，北斗设备应具备ＲNSS 和ＲDSS 射频通道，以实现ＲDSS 收发，ＲNSS 的B3，B1，GPS，GLONASS 收发、高灵敏度、高精度和抗干扰能力等要求。

( 1) ＲDSS 射频芯片选型ＲDSS 射频芯片选择需重点关注接收灵敏度、发射功率和发射相差等指标，且具备抗干扰能力，综合对比国内ＲDSS 射频芯片，选用国内某具备接收窄带抗干扰能力的通用射频芯片1。( 2) ＲNSS 射频芯片选型ＲNSS 共有BD B3，BD B1，GPS L1，Glonass 四个频点，考虑到BD B3 频点的重要性和工作稳定性，B3 频点射频芯片独立选择，具备抗干扰能力; 因BDB1，GPS L1，Glonass 频点相对靠近，选用单片双通道ＲNSS 射频芯片实现，未考虑抗干扰能力。1．2 核心功能组件设计将选中的基带芯片和射频芯片通过集成设计，形成核心功能组件，其原理框图如图1 所示，主要分为中频电路部分、射频电路部分、电源部分以及外部接口部分。射频电路部分具备信号接收和发射功能: 接收BD B3，BD B1，GPS L1，GLONASS F1 频点以及S 频点射频信号，处理后将4 路信号传至中频部分，提供中频工作时钟; 完成L 频点信号的发射。

图1 核心功能组件原理

中频电路部分接收到射频电路的信号后，完成数据处理，并将处理结果输出到对外数据接口; 提供ＲDSS 发射信号以及频率、功率等控制信号。电源电路提供工作电源，包括射频馈电5 V、模拟电3．0，1．2 V 和数字电1．2，1．8 V。

2 整机设计2．1 整机设计原理将国产化北斗芯片的核心功能组件嵌入某型北斗机中，其原理如图2 所示。

图2 整机原理

2．2 接口标准设计对外接口含ＲS232 串口1 /加注口、ＲS232 串口2 /CAN 总线以及电源接口，接口定义如表1所示［9－17］。

表1 对外接口定义

ＲS232 串口1/加注口用于加注密钥、核心功能组件升级，以及与车载计算机/显控终端进行数据交互;ＲS232 串口2/CAN 总线用于与车载计算机/显控终端进行数据交互; 电源接口为该型北斗机提供电能。

2．3 整机链路设计某型北斗用户机存在收发2 条链路，具有4 频点接收和1 频点发射功能。接收链路分配如图3所示。2．3．1 S 频点链路分析基带芯片S 通道采用有效位12 位高精度ADC，最大输入1 Vp－p， 50 Ω 阻抗匹配，最大功率约为4 dBm。第n 位高精度ADC 采样精度计算公式为［18］:

式中，P 为功率; U 为电压; Ｒ 为电阻。由式( 1) 可知，基带芯片信号采样的动态范围为－68～4 dBm。整机S 链路设计时，天线组件链路增益如图3所示，S 频点带内功率约为－105 dBm，若S 通道增益为Gs1，则

－68 dBm≤－105 dBm+35．3 dB+ Gs1≤4 dBm，

点射频芯片一般模式下增益范围为50 ～ 85 dB，

50 dB≤Gs1≤73．7 dB。

ＲDSS 射频芯片使用AGC 模式实现抗窄带干扰，S 抗窄带干扰干信比不低于55 dB，抗窄带干扰时S 频点带内功率约为－124．6 dBm，若S 通道所需增益为Gs2，则－68 dBm≤－124．6 dBm+55 dB + Gs2≤4 dBm，

S 频点抗窄带干扰增益范围为22 ～ 83 dB，因此22 dB≤Gs2≤73．6 dB。

图3 接收链路分配

2．3．2 B3 频点链路分析整机B3 频点链路设计与S 频点链路设计相似，核心功能组件B3 频点链路增益如图3 所示，B3频点带内功率约为－101 dBm，若B3 通道所需增益为GB1，则－68 dBm≤－101 dBm+26．2 dB+ GB1≤4 dBm，B3 频点射频芯片一般模式下增益范围为50～100 dB，因此50 dB≤GB1≤78．8 dB。B3 频点射频芯片在抗窄带干扰中使用自动增益控制( AGC) 模式。要满足B3 抗窄带干扰干信比不低于60 dB 要求，抗干扰条件下B3 频点带内功率约为－130 dBm，若B3 通道所需增益为GB2，则－68 dBm≤－130 dBm+60 dB + GB 2≤4 dBm，抗干扰模式下增益范围也为50 ～ 100 dB，因此50 dB≤GB2≤74 dB。2．3．3 B1 /L1 频点和F1 频点链路分析整机B1 /L1 频点链路设计与上相同，B1 /L1 频点带内功率约为－ 110 dBm，若B1 /L1 通道增益为GB1/L1，则有－62 dBm≤－110 dBm+26．8 dB+ GB1/L1≤4 dBm，B1 /L1 频点射频芯片一般模式下增益范围56～96 dB，因此56 dB≤GB1/L1≤87．2 dB。2．3．4 L 频点发射链路分析发射链路采用射频调制技术实现，主要节点包括调制器、放大器、传输电缆和功放等，链路电平分配如图4 所示。

L 发射链路设计中，核心功能组件射频出口后级增益约为40．2 ～ 46．2 dB，整机发射功率指标要求为6～16 dBW( 36 ～ 46 dBm) ，核心功能组件L 发射功率可配置的范围为－2 ～ 8 dBm，因此通过配置核心功能组件L 发射功率为－1 dBm，发射功率范围为39．2～45．2 dBm，可以满足整机发射功率的要求。

3 测试分析3．1 测试原理基于核心功能组件的某型北斗机功能性能测试在北京星地恒通信息科技有限公司暗室环境中进行，测试设备和测试环境已通过相关单位认证。样机测试原理如图5 所示，根据该型北斗机制造与验收规范涉及的基本功能、定位功能、通信功能、指挥功能、北斗S /B3 /B1 频段接收性能、GPS 接收性能、GLONASS 接收性能、北斗L 频段发射性能、1PPS 电气性能和组合定位性能等，测试项目共计95 项。

图5 用户机暗室测试原理

3．2 测试结果分析① 基本功能: 包括精密测距码捕获、导航电文转换及解密、用户密钥有效时间显示和注入、精密测距码时效参数有效期显示和注入、坐标转换功能、“位置报告1”和“位置报告2”功能以及重要数据自毁功能等16 项功能与已定型北斗机相同，B3 频点抗窄带干扰提升6 dB; S 频点抗窄带干扰能力提升2 dB，如表2 所示。

表2 基本功能测试对比

② 定位功能( 含BD B3、BD B1 频点ＲNSS 定位、ＲDSS 定位、GPS 定位、GLONASS 定位以及上述GNSS 系统组合定位功能) 、通信功能、指挥功能与已定型北斗机性能相同。③ 北斗S 频段接收性能: 在首次捕获时间、失锁重捕时间和两通道时差测量误差方面明显优于定型设备指标，其余能力与定型设备相当。首捕时间指挥机提升13．3%，用户机提升23．5%; 失锁重捕时间提升37．5%，两通道时差测量误差提升40%，如表3所示。

表3 S 频点接收指标测试对比

④ 北斗B3 频点接收指标: 跟踪通道数较原来定型北斗机增加4 个; 90°时捕获灵敏度提升2 dB，跟踪灵敏度提升3 dB; B3 频点水平定位精度和高程定位精度分别提升87．5%和74．1%; 测速精度提升21．4%; 接收信号功率范围内水平精度和高程精度分别提升86．2%和75．6%; 首次定位时间温启动提升14．3%，热启动提升25%; 失锁重捕时间提升15%，如表4 所示。其余能力与定型设备相同。

表4 B3 频点接收指标测试对比

⑤ 北斗B1 频点接收指标: 跟踪通道数、90°时捕获灵敏度和跟踪灵敏度提升情况同B3 频点; B1频点水平定位精度和高程定位精度分别提升76．8%和74．7%; 测速精度提升11．8%; 接收信号功率范围内水平精度和高程精度分别提升83．8%和75．3%; 首次定位时间温启动提升14．1%，热启动提升20%，如表5 所示。其余能力与已定型设备相同。

表5 B1 频点接收指标测试对比

⑥ GPS 和GLONASS 接收指标: 除跟踪通道数增加4 个外，均在冷启动和热启动方面有效提升，其中GPS 冷启动和热启动分别提升10．9%和30%，GLONASS 冷启动和热启动分别提升6．7%和15．4%;GPS 和GLONASS 重捕性能均提升23．5%，如表6所示。

表6 GPS 和GLONASS 接收指标测试对比

⑦ 1PPS 精度: 1 PPS 精度提升28．3%。⑧ 组合定位精度: BD B3，GPS，GLONASS 组合定位水平精度和高程定位精度分别提升71．7%和79．6%; BD B1，GPS，GLONASS 组合定位水平精度和高程定位精度分别提升68．5% 和70．6%，如表7所示。

表7 组合定位指标测试对比

测试结果表明，基于国产化北斗专用芯片的某型北斗机功能和性能指标均满足与之对应的定型北斗机指标要求，共有30 项功能得到提升，其余65 项功能与定型北斗机相当; 尤其是在定位精度、1 PPS精度以及抗干扰功能等事关装备作战性能的关键指标上提升明显。

4 结束语在选用国产化北斗专用基带芯片、ＲDSS 射频芯片、ＲNSS B3 射频芯片及ＲNSS B1 /L1 /GLONASS接收芯片的基础上，通过核心功能组件设计、规范接口标准和链路分析计算，研制基于核心功能组件的测试样机，测试结果表明:① 应用国产化北斗专用芯片的样机满足与之对应的已定型北斗机所有指标要求，95 项测试指标中，30 项功能提升明显，其他指标与已定型设备能力相当。② 与实际作战应用联系紧密的定位精度、授时精度和抗干扰等关键指标中，B3 频点定位精度最大可提升87．5%，B1 频点定位精度最大可提升76．8%，组合定位精度最大可提升79．6%; 1 PPS 精度提升28．3%; B3 频点抗窄带干扰提高6 dB，S 频点抗窄带能力提升2 dB，性能提升显著。③ 应用国产化北斗专用芯片的功能模块安全自主能力和可靠性大大提高，推广应用前景广阔。