某型救生电台北斗定位通信特性及其检测技术研究.pdf

2024 年 2 月第 1 期 现代导航 33 某型救生电台北斗定位通信特性及其检测技术研究 季德雨，严家兴，高长亮（大连长丰实业总公司，大连 116038）摘 要：随着北斗卫星导航定位技术的迅速发展及相关服务的广泛应用，某型救生电台配置了北斗定位和短报文通信功能，产品修理时的北斗定位通信性能检查测试需求随之而来。在分析救生电台及其北斗定位通信单元功能结构特性的基础上，从卫星无线电测定业务（RDSS）技术原理着手，深入解析救生电台北斗定位通信技术指标，识别修理过程中的性能检测项目；设计一种涵盖北斗天线及核心单元的无线辐射式整机性能检测方案，给出北斗定位通信性能检测流程和具体测试方法。可为其他北斗卫星导航产品修理及新型救生电台自主维修保障能力建设提供技术支撑。关键词：救生电台；北斗；定位；通信；卫星无线电测定业务；性能检测 中图分类号：V241 文献标志码：A 文章编号：1674-7976-(2024)-01-033-06 Research on Beidou Positioning Communication Characteristics and Test Technology of Lifesaving Radio JI Deyu,YAN Jiaxing,GAO Changliang Abstract:With the rapid development of Beidou satellite navigation and positioning technology and the wide application of related services,a certain type of lifesaving radio is equipped with Beidou positioning and short message communication functions,and the test requirements of Beidou positioning communication performance in product repair are followed.Based on the analysis of the functional structure characteristics of the lifesaving radio and its Beidou positioning communication unit,the technical indicators of Beidou positioning communication of lifesaving radio is analyzed deeply from the technical principle of Radio Determination Satellite Service(RDSS),and the performance testing items in its repair process is identified.A wireless radiation machine performance testing scheme covering the Beidou antenna and core unit is designed,and the Beidou positioning communication performance testing process and specific testing methods are given.The technical support for the repair of other Beidou satellite navigation products and the independent maintenance capability of new lifesaving radios can be provided.Key words:Lifesaving Radio;Beidou;Positioning;Communication;Radio Determination Satellite Service;Performance Test 0 引言 飞行员救生电台作为航空救生装备中不可缺少的通信设备之一，一般为个人手持式电台，通过 收稿日期：2023-07-03。季德雨（1986.06），黑龙江五常人，硕士，高级工程师，主要研究方向为航空电子装备故障预测与诊断技术。基金项目：中央引导地方科技发展专项“某型飞机再延寿技术研究”（NO.DL201906）调幅话通信、声码话通信、信标发射、卫星定位、短消息发送等方式与搜救设备建立联系，为及时搜寻飞行员、确保飞行员的安全提供保障。随着航空电子和无线电定位技术的发展，我国逐步建立基于北斗卫星定位的导航搜救系统，基于北斗导航定位技术的某型手持救生电台除具备传统救生电台的话音通信、发射信标和应答功能外，还增加了北斗定位和短报文1通信功能，提高独立自主的卫星定位和搜救能力。34 现代导航 2024 年 1 救生电台北斗定位通信特性分析 1.1 功能结构特性 某型救生电台可通过自动应答、信标、通话、北斗定位、数据通信等方式，使搜救人员获取待救飞行员的位置信息，快速完成搜救工作。该电台由电源、显示按键、音频接口（送话器/耳机）、数字信号处理、频率合成、接收、发射、北斗单元及收发天线等组成2，具体框图如图 1 所示。其中，北斗单元及其收发天线合称北斗定位通信单元，通过无线电测定（Radio Determination Satellite Service，RDSS）业务与北斗卫星、地面站配合工作，获取电台当前位置信息后，及时向外界通知遇险情况，完成北斗定位和短报文通信功能。该救生电台经修理后，需保证整体结构完好，各项功能工作良好。图 1 某型救生电台组成框图 1.2 北斗定位通信特性 1.2.1 北斗 RDSS 技术特性 RDSS 技术属于有源定位体制3，用户位置的确定无法由用户独立完成，必须由外部系统（即“源”）进行距离测量和位置计算，再通过同一系统通知用户，同时实现通信功能。其基本原理是由用户以外的中心站通过用户的应答，完成用户定位所需的无线电导航参数的测定和位置计算，即中心站通过测量卫星信号在中心站卫星用户之间往返的时间延迟，从而测定用户和两颗卫星之间的距离，确定用户所在位置；RDSS 用户机通过应答的形式，在完成定位的同时，实现报告位置和短报文通信。北斗 RDSS 用户向地面中心站和其他用户的位置报告，最少需要观测 2 颗地球同步静止轨道（Geostationary Earth Orbit，GEO）卫星即可实现；独有的双向数据传输功能，可将用户定位信息分发给其他用户，或获取其他用户位置信息，实现独立的指挥监控功能。基于此，救生电台采用北斗 RDSS技术，不仅可以实现飞行员遇险后的快速定位，还可向指挥所（北斗指挥型用户机）自动报位、发送相关求救信息，为用户跟踪、生命救援等应用提供性能优异的手段4。1.2.2 救生电台北斗定位通信技术指标解析 该型救生电台技术说明书中，给出的北斗定位通信技术指标有定位精度、接收灵敏度、等效全向辐射功率（Equivalent Isotropic Radiated Power，EIRP）值、发射信号频率准确度、双向零值、二进制相移键控（Binary Phase Shift Keying，BPSK）载波相位调制偏差、发射信号载波抑制等，根据北斗 RDSS技术原理，对技术指标含义解析如下：1）定位精度 定位精度是指同一时间历元下北斗用户机实际测量位置与真实位置之差的统计结果，直接反映超短波天线 接收单元 发射单元 北斗单元 北斗收天线 北斗发天线 数字信号处理单元频率合成单元 送话器/耳机 显示按键单元 参数注入接口 电源 第 1 期 季德雨等：某型救生电台北斗定位通信特性及其检测技术研究 35 了被测设备的定位数据与真实数据之间的偏差。影响定位精度的指标有伪距、伪距率测量值以及北斗用户机内部处理模块中的软件算法等5。要得到被测设备的定位精度，必须先得到被测设备的经度、纬度和高度，再通过相应的转换和误差分析解算得出。另一方面，因 RDSS 设备通过出站、入站伪距信息传递及卫星位置信息获得自身位置，其定位精度也可通过伪距测量精度体现。2）接收灵敏度 接收灵敏度是指北斗用户机能够接收到导航卫星信号情况下所需最小信号的功率强度。在数字通信系统中，该项指标是指在输出端误码率一定的前提下，接收机所能检测到信号输入电平的最小值。对该项性能产生影响的主要来自两个方面，一是接收机前端整个信号通路的增益及噪声性能，二是接收机的基带算法性能。3）EIRP 值 EIRP 值等于北斗 RDSS 单元有线端口的输出功率和天线增益的乘积，直观体现被测设备的发射RDSS 入站突发信号能力。影响该项指标的因素主要有功率放大器与天线之间的驻波比、载波调制算法等。4）发射信号频率准确度 发射信号频率准确度是指北斗 RDSS 单元发射的入站申请信号中心频率与标称频率的偏差。影响该指标的因素主要是晶振性能及发射通道的硬件结构。5）双向零值 双向零值是指从北斗 RDSS 单元天线口面接收到出站信号到入站信号从天线口面发出所经过的时延。北斗 RDSS 单元进行定位时，由于北斗用户机时钟与地面中心站时间不一致，用户机在接收到询问信号的同时要在入站信号上标定询问信号发出的时刻，即告诉中心站接收到的信号是中心站发出的询问信号，这个过程通常称为 RDSS 时间 标定6，也就是双向零值产生的主要原因。6）BPSK 载波相位调制偏差 BPSK 载波相位调制偏差是指 RDSS 发射信号载波相位的误差，是对调制信号稳定度的一种考量。载波相位误差的产生主要是本振信号与发射端的载波信号存在频率偏差或抖动而导致。如果相位偏差较大而得不到补偿，会出现突发的符号错误，误差的积累将导致误码率增大，进而影响 RDSS 设备的发射效能。7）发射信号载波抑制 发射信号载波抑制是指发射信号包络峰值与发射信号载波分量值的差。载波抑制也称载漏抑制，用来衡量 RDSS 发射端对载波的抑制性能。影响RDSS 发射信号载波抑制的因素主要是元器件参数差异及电路设计、制造工艺。如果载波抑制性能不理想，发射的 RDSS 入站信号失真大，极强的载波泄漏不仅可能导致卫星系统接收通道前端饱和，而且将影响 RDSS 设备的保密程度和抗干扰性能。分析救生电台北斗定位通信特性，上述 7 项技术指标在救生电台修理时均需检测，确保北斗定位通信功能整体工作良好。2 救生电台北斗定位通信性能检测方案设计 2.1 检测方案 北斗定位通信性能检测需要合适的导航信号源，总体上可分为室外卫星真实信号和仪器模拟信号两大类。来自卫星的真实导航信号会受到自然环境中干扰的影响而出现各种误差，并且无法受到测试者的控制而改变各种信号参数使信号满足各种测试场景的需要。因此，性能检测一般采用卫星导航信号模拟器作为测试中的导航信号源7。使用信号模拟器测试又可分为有线注入式测试和无线辐射式测试。由于该型救生电台的北斗定位通信功能是基于 RDSS 技术实现的，电台中的北斗单元与其他模块共用外围电路，脱离电台后不易独立工作，且北斗定位通信性能指标中无天线和功放模块的独立指标数据，因此，在救生电台修理调试过程中，对北斗定位通信性能的检查测试应采用基于微波暗室测试环境的无线辐射式方案，实现对包括收发天线和北斗核心单元在内的整机系统 测试。根据救生电台北斗定位通信性能指标要求和RDSS 技术原理，设计一套由卫星导航信号模拟器、RDSS 入站接收机、测试控制与评估设备、微波暗室等四部分组成的某型救生电台北斗定位通信性能检测方案，形成以整机、远场无线测试方式为主的检测形态。该测试方案的设备连接关系如图 2 所示。36 现代导航 2024 年 图 2 救生电台北斗定位通信性能检测方案示意图 上述设备中，卫星导航信号模拟器完成出站信号模拟。RDSS 入站接收机实现对地面中心站的模拟，完成救生电台北斗定位通信入站信号接收与解析。实际应用中可将卫星导航信号模拟器与 RDSS入站接收机合二为一，简化测试设备的构型，构成RDSS 闭环测试系统。测试控制与评估设备是整个系统的信息枢纽以及用户与救生电台的人机交互接口，包含测试程序及频谱分析仪、功率计等通用仪器，实现测试条件配置、测试流程控制、测试数据采集与存储和测试结果分析与评估。微波暗室用于提供一个能够抑制内部电磁多路径反射干扰、屏蔽外界电磁干扰的相对寂静的电磁测量环境，从而模拟自由空间环境的电磁波传播条件，内置转台实现天线俯仰控制。考虑救生电台北斗 RDSS 工作频段为 1.62.5 GHz，且收发天线尺寸不大，暗室可选用静区大小覆盖天线尺寸的小型微波暗箱8。2.2 检测流程 基于救生电台北斗定位通信技术原理及性能检测技术方案，设计测试与评估流程如下：1）测试控制与评估设备控制卫星导航信号模拟器播发指定的测试场景，设定测试信号的频点和功率，通过微波暗室内的测试天线送至救生电台中的北斗定位通信单元；2）测试控制与评估设备通过暗室内转台设定救生电台的位置姿态，即北斗天线工作的状态；3）北斗定位通信单元接收卫星导航信号模拟器生成的 RDSS 出站导航信号，在测试控制与评估设备的控制下发射规定的 RDSS 入站信息；4）RDSS 入站接收机接收来自暗室的 RDSS 入站信号，并进行解析，送到测试控制与评估设备进行评估；5）测试控制与评估设备采集测试系统内所有设备的状态、测试数据和状态信息，进行各测试项目的自动化控制和结果统计、评估、报表。3 救生电台北斗定位通信性能检测方法研究 北斗专项标准 BD 420007-2015 北斗用户终端RDSS 单元性能要求及测试方法9给出了北斗RDSS 单元的通用测试方法，救生电台北斗定位通信单元性能检测方法应根据实际测试条件对其进行裁剪，根据救生电台北斗定位通信性能检测方案确定相应指标项目的测试方法。3.1 定位精度的检查测试 因救生电台工作时一般处于相对固定的位置，空间变化强度或速度不大，对其北斗定位通信单元采用静态模式下测试定位精度。测试时，首先调整测试转台的角度，使救生电台正面（即北斗天线）对向暗室天线；控制信号源播发 S 频点出站定位信号；控制救生电台北斗定位通信单元发送定位申请，北斗定位通信单元通过 RDSS 接收机或闭环测试系统将定位结果上报至测试与控制评估设备；测试控制与评估设备将定位结果与发送的出站数据进行比对，采集多次数据进行统计，计算定位精度应满测试控制与评估设备（含通用仪器）RDSS 闭环测试系统卫星导航信号 模拟器 RDSS 入站 接收机 卫星干扰信号 模拟器 RNSS 信号/RDSS 出站信号RDSS 入站信号干扰信号 发射天线接收天线干扰天线被测终端/天线 测试转台 微波暗室 被测终端 有线测试环境 第 1 期 季德雨等：某型救生电台北斗定位通信特性及其检测技术研究 37 足指标要求。测试控制与评估设备也可通过 RDSS出站、入站信号的伪距值分析定位精度。如室外有准确的基点坐标，也可通过真实卫星环境对救生电台进行定位，将定位结果与已知位置信息进行比较，采集多次数据进行统计，计算定位精度。采用实星测试时，应避开阴云密布、雾霾、雨雪等天气；救生电台北斗天线正面应无遮挡；测试场地应无强烈的电磁干扰源。3.2 接收灵敏度的检查测试 对接收灵敏度的测试，可转化为北斗定位通信单元接收最低信号功率电平为规定值时，导航电文的误码率能否满足设定指标。测试方法为：调整测试转台的角度，使救生电台正面与暗室天线之间俯仰夹角为该项技术指标要求的某最低角度；控制信号源播发该项技术指标规定功率电平的 S 频点出站信号；控制救生电台发送定位或通信数据，RDSS 接收机或闭环测试系统采集北斗定位通信单元上报的导航电文；测试控制与评估设备将北斗定位通信单元接收的出站信息与信号源播发的原始信息进行比较，统计误码率。改变天线俯仰角度为该项技术指标要求的中间角度和最高角度，测量并统计救生电台在不同仰角下的误码率。北斗定位通信单元在各规定仰角下的误码率均应满足要求。误码率测试应采用专用的、随机测试电文，若电文有固定规律，可能会影响检测的公平性和 正确性。3.3 EIRP 值的检查测试 调整测试转台的角度，使救生电台正面对向暗室天线；控制信号源播发 S 频点出站信号；控制救生电台发送定位或通信数据，RDSS 接收机或闭环测试系统采集北斗定位通信单元上报的导航电文；测试控制与评估设备测量北斗定位通信单元发射的入站信号功率，即为 EIRP 值。统计多次测量结果均应满足要求。3.4 发射信号频率准确度的检查测试 调整测试转台的角度，使救生电台正面对向暗室天线；控制信号源播发 S 频点出站信号；控制救生电台发送连续定位申请，RDSS 接收机或闭环测试系统采集并解析北斗定位通信单元发射的载波频率；测试控制与评估设备将北斗定位通信单元发射的入站信号频率与标称频率进行比较，计算频率偏差，统计多次测量结果应满足要求。3.5 双向零值的检查测试 调整测试转台的角度，使救生电台正面与暗室天线之间方位和俯仰夹角为该项技术指标要求的角度；控制信号源播发该项技术指标规定功率电平的 S 频点出站信号；控制救生电台发送连续定位申请，RDSS 接收机或闭环测试系统采集并解析北斗定位通信单元发射的时间标志信号 32 pps10；测试控制与评估设备将北斗定位通信单元发射的时间标志信号 32 pps 与时间基准信号 32 pps 进行比较，计算时间差值。统计多次测量结果应满足要求。3.6 BPSK 载波相位调制偏差的检查测试 调整测试转台的角度，使救生电台正面对向暗室天线；控制信号源播发 S 频点出站信号；控制救生电台发送定位申请，RDSS 接收机或闭环测试系统采集并传递北斗定位通信单元发射的载波；测试控制与评估设备测量载波，解析 BPSK 相位调制误差。统计多次测量结果应满足要求。3.7 发射信号载波抑制的检查测试 调整测试转台的角度，使救生电台正面对向暗室天线；控制信号源播发 S 频点出站信号；控制救生电台发射最大功率的信号，RDSS 接收机或闭环测试系统采集并传递北斗定位通信单元发射的信号；测试控制与评估设备中的频谱仪测量信号频谱，解析发射信号包络峰值与载波分量的差值。统计多次测量结果应满足要求。4 结语 救生电台北斗定位通信各项性能指标在产品修理时均需检测，确保救生电台及定位通信功能整体工作良好。某型救生电台中的北斗定位通信单元与其他模块共用外围电路，脱离电台后不易独立工作，需采用基于微波暗室环境的无线辐射式检测形态，通过卫星导航信号模拟器模拟 RDSS 出站信号、RDSS 入站接收机采集并解析入站信号、频谱分析仪等通用仪器测量和评估有关数据，裁剪 BD 420007-2015 北斗用户终端 RDSS 单元性能要求及测试方法，实现对包括北斗天线和核心单元在内的北斗定位通信整体性能测试。38 参考文献：1 张亮儒，航信号区189-193+2 某型手持2017.3 魏浩翰，应用M.4 郑金华.援系统设5 王敬平，现代是由中国电国电子学会专业性杂志广大读者的现代导航版物编号（物编号（IS来稿要（1）文文字精炼、（2）论稿内容包括单位（含地内，包括：键词（38人称写法，包括目的、方变量、单位物理量及其国际标准，翟建勇，田宇区域监测系统设+197.持救生电台技术沈飞，桑文刚.南京：东南大基于北斗RDS设计J.现代导姜鑫，褚少鹤代导航前身电子科技集团会导航分会协志。为了适应的需求，2010 年航公开出版（CN 61-1478SN 1674-797要求：文稿观点鲜明图表清晰且论文一般限 6括：题名（20地区名和邮编目的、方法8 个），正文包含与论文方法、结果、位、数字要清其单位，物理文中和公式宇，等.基于北设计J.现代导术使用说明书Z刚，等.北斗卫大学出版社，2SS的通用航空导航，2016，7鹤，等.北斗卫为导航公司第二十研协办的一份国导航领域的技年，经国家新发行，具有国8/TN）和国际76）。明、逻辑严谨为彩色；6000 字以内字以内），作），中英文摘、结果、结论文，参考文献同等量的主要结论四要素晰。文中图应量和单位应符中字符（数字斗短报文的卫导航，2022，13（Z.国营七六九星导航系统原2020.应急通讯监视（1）：1-5.星导航系统定现代，1964 年创研究所主办，国内导航领域技术发展现状新闻出版署批国内统一连续际标准连续出谨、数据可靠（含图表）。作者姓名，作摘要（300 字论），中英文。摘要采用第要信息，一般素。图表中文字应有图注并注符合国家标准字、希腊文、现代导航星导3）：九厂，理与及救位精678910代导航创刊，中域的状和批准，续出出版靠、。文作者字以文关第三般应字、注明准或、英文、须明学历著作等）保论ww版保的保的唯稿件据星期收录度研究J.软萧鑫，尚湘安路零值标定方石磊.北斗卫都：电子科技李腾，王礼亮设计J.导航BD 420007-20测试方法S.戎强，尹继凯J.现代导航征稿通知罗马字）的明晰，表示矢（3）作者介历，职称，主（4）作者作权、版权、（5）稿件），作者应提论文不涉及国 作者本人均ww.xddhmn.co保密证明及著保密证明原件唯一性和准确件。本刊已被“数字化期刊期刊域出版平录，请在来稿软件，2019，40安，乔璐，等.方法J.空间电卫星应用产品认技大学，2016.亮，杨勇，等.航定位学报，20015.北斗用户中国卫星导航凯，王彬.北斗航，2022，13（知 的大小写、上矢量、向量及矩介绍：姓名主要研究方向者请自留底稿专利等项规件文责自负（提供本单位出国家秘密，并均需通过互联om）进行投著作权转让协件寄至编辑部确性，已停止中国学术期刊刊群”、“中文平台”等收录稿时向本刊说0（10）：152-1一种基于异源电子技术，2022，认证测试系统的卫星导航终端016，4（2）：7户终端RDSS单航系统管理办公授时时统零值（5）：313-318.上下标及上下矩阵的字母请（出生年月向；稿，并严格执规定；包括政治、出具的保密审并签署著作权联网投稿通投稿，投稿时协议，并将本部地址。为保止接收其他投刊（光盘版）文科技期刊数录。如作者不说明，本刊将作2024 年154.源状态的星间链，19（1）：75-81.的研究D.成端批量测试系统75-80.单元性能要求及公室.值标定技术研究 下标字母含义请用黑斜体；），籍贯，执行国家有关学术、保密审查证明以确权转让协议。道（网址：时需上传电子本单位盖章后保证投稿方式投稿方式所投）”、“万方数数据库”和“超不同意文章被作适当处理。链.成统及究义 关密确 子后式投数超被