刘宏艺 ，李 晨* ，庞俊奇 ，郝现伟

(1.中北大学电子测试技术国家重点实验室，山西 太原 030051；2.北京宇航系统工程研究所，北京 100000)

我国北斗卫星无线电定位系统(Radio Determination Satellite System，RDSS)的短报文通讯功能极具特色，不依赖于地面站设备，具有安全、可靠、全域覆盖的特点，能将通讯覆盖到地广人稀，移动信号覆盖不完善的地区，非常适合我国地理地貌特征的通讯需求[1－3]。在全区域的国防工程、交通运输、海洋观测、抗震救灾、核电工程等诸多领域得到深入应用[4－6]。卫星无线电导航业务(Radio Navigation Satellite System，RNSS)与其他定位系统没有较大区别，属于交会测量的范畴，用户接收机接收卫星的导航信号，在数字基带部分完成对毎颗卫星的伪距测量，同时从卫星导航信号中解调出卫星星历，并获得其他各种误差改正量，最后自主获得接收机位置[7]。

定位装置由北斗二号卫星导航系统进行定位以及通信。相较于北斗一号卫星导航系统，北斗二号卫星导航系统增加了无源定位，不再采用北斗一号所使用的主动式双向测距的定位方式，改用与GPS 相同的单向测距三维导航，使得通信和定位更加准确、安全[8－9]。

1 方案设计

本文设计的新型定位装置基于北斗二号进行深度开发，主控单元采用STM32F030 低功耗单片机对定位信息进行接收、提取、编帧、发送；北斗模块选用高性能RDSS 射频收发芯片GNS1531 模块；RNSS定位模块选用定位速度、精度、稳定性都比较优异的UM4B0 定位模块；电源模块特地选用充电模块SC8803 进行锂电池充电管理，其中电源模块由电池充电模块和锂电池组成，负责给整个设备供电；RNSS 模块和北斗模块负责定位以及短报文的发送，主控单元负责对数据的处理以及控制整个定位装置的供电、断电。总体方案设计如图1 所示。

图1 定位装置总体方案设计图

本方案中，定位装置内含A、B 两组北斗模块，每个模块都可以独立完成RNSS 定位和RDSS 短报文通讯。为了增加捕获卫星信号的机会，特别设计两个天线互为冗余，指向不同的方向。详细的功能描述如下:

由于定位装置上有两套独立的RNSS，所以定位装置可以独立地获取位置信息，并组合成发送数据包。为了降低每个环节发生故障时数据丢失的概率，A、B 北斗模块和地面接收装置1、2 采用交互发送的方式，即A－1、B－1、A－2、B－2 四条数据链路，其中A、B 各自发送的周期为每次30 s，但A、B 发送间隔设置为约20 s，如此循环。这种模式下，即使有任何一个RDSS 模块或地面接收装置发生故障，都会确保有数据发回。地面接收装置收到定位装置位置数据，通过分析和比对，可以检测定位装置工作是否正常。此测试可以覆盖到天线、定位装置、地面接收装置的检测。定位装置带着天线安装在飞行体上，随着飞行体运动，同时将每次定位后的变化的位置信息，通过北斗模块发送到北斗卫星，经由北斗卫星转发至地面接收装置，另一方面通过422 总线传递定位装置状态监测数据。为了尽量避免单点失效，地面布置了两台接收装置，接收装置收到数据后通过串口上传给计算机，保存、显示、分析处理。

2 硬件设计

2.1 主控模块

主控单元选用STM32F030 低功耗单片机。该单片机拥有多路串口，满足总体方案所需，主要负责对于定位信息的接收、提取、编帧、发送。该单片机拥有6 路UART，满足设计方案所需要的4 路UART，将RNSS 的定位信息进行提取、编帧，随后通过RDSS 发送至北斗卫星，地面接收设备再将接收到的位置信息传送至PC 端处理、显示。

2.2 北斗RDSS 模块

北斗模块采用的RDSS 模块为GNS1531，该模块支持北斗RDSS 的屏蔽罩结构，模块内部集成了LNA，实现对RDSS 卫星信号进行滤波，低噪声放大、高性能RDSS 射频收发芯片、输出功率低到5 W 的功放模块，无需外加PA 即可进行卫星通信；北斗专用RDSS 基带电路，RDSS 基带芯片集成了10 个独立的数字接收机通道和1 个发射通道，完成北斗RDSS 基带信号的接收和发射基带信号的生成等功能。可完整实现RDSS 定位、通信功能。只需要5 V 供电，静态功耗≤0.56 W，发射瞬间功耗≤17.5 W。IC＿VCC、IC＿SD、IC＿SCLK、IC＿SRSTN、VPP、GND 五个引脚与SIM 卡连接，其中IC＿SD、IC＿SCLK 为SIM 卡的数据引脚和时钟引脚，IC＿VCC、VPP、GND 是北斗模块向SIM 卡供电引脚，IC＿SRSTN 为复位引脚，RFIN 为RDSS 射频接收信号输入端口，RFOUT 为RDSS 射频发射信号输出端口。GNS1531 北斗模块应用简单方便，集成度高、体积小、功耗低、可靠性高，可以广泛地应用于各类北斗RDSS 导航终端，包括北斗RDSS 车载型、手持型、数传型终端设备[10]。

定位装置采用了A、B 两组北斗/GPS 单点定位和北斗短报文模块，北斗/GPS 定位模块用于在飞行到落地的过程中各以1 Hz 的频率确定飞行体位置，并将信息发送给主控制器。主控制器将两路信息融合后，通过A、B 两个短报文RDSS 模块发送出去。RDSS 模块周围电路如图2 所示。

图2 GNS1531 周围电路

2.3 RNSS 模块

飞行过程中的定位精度、定位速度以及定位稳定性极其重要，RDSS 模块虽然具有一定的定位功能，但是RNSS 模块的定位速度、精度、稳定性等方面优于RDSS 模块，特此选择UM4B0 定位模块。UM4B0 是和芯星通自主研发的全系统多频高精度RTK 定位定向模块，轻小型的单面表贴封装，极大增加了RTK 技术产品的使用范围，可应用于GIS 信息采集、无人机、轻型机器人、智能驾驶等领域。UM4B0 集成了板载MEMS 芯片和U-Fusion 组合导航算法，有效解决因卫星信号失锁导致的定位结果中断等情况，在楼群、隧道、高架桥和树荫等复杂环境下可提供连续的高质量的定位结果[11]。

UM4B0 采用新一代全系统全频点高精度SoC 芯片—NebulasII，支持432 个超级通道，其强大的处理能力以及内嵌的JamShield 多频点抗干扰技术，可同时跟踪BDS、GPS、GLONASS、Galileo 等全系统多频卫星信号并进行多频点抗干扰处理，完成增强的多模多频RTK 引擎解算，显著改善城市街区和树荫等复杂环境下的RTK 初始化速度、测量精度和可靠性。

2.4 供电模块

为了保证飞行过程中定位装置一直保持在工作状态，特在定位装置内部设有锂电池，可以保证定位装置工作4 h 以上。定位装置还可以通过外部24 V电源进行供电来工作。此外定位装置自带锂电池，可通过外部24 V 供电口进行充电，当外部24 V 供电断开时，定位装置转换为内部锂电池供电，设备继续工作直到落地或电池耗尽。为了在地面测试状态下保护锂电池，定位装置外接一路锂电池断电指令信号，通过该信号可以控制锂电池与设备内部其他电路断开。

保持电池使用寿命及其一次充电后的使用时长是保证本定位装置正常工作必不可少的一项指标，特此选用充电模块SC8803 进行锂电池充电管理，SC8803 还是一个同步降压充电器控制器。当输入电压高于电池电压的时候，可有效管理充电。在充电模式下，SC8803支持微电流充电、恒流充电、恒压充电自动管理功能，SC8803 的输入和输出电压范围非常宽。

SC8803 的双向输出是通过控制DIR 引脚实现的。在放电模式下，SC8803 可以从电池输出升压到VBUS。支持输入限流、输出限流、动态输出稳压、内部限流、超温保护，保证不同异常情况下的安全。SC8803 可以通过PWM 信号动态调节放电电压、以及输入和输出的电流限制。其内部集成了10 V、2 A 的门极驱动。可调频率范围从200 kHz 到600 kHz。SC8803 引脚如图3 所示。

图3 SC8803 引脚图

2.5 通信终端

通用型北斗二代短报文、北斗GPS 定位通信终端是自主开发，专门为数据传输而研制的机型，采用收发天线、模块、核心主板一体化设计，集成了RDSS、RNSS 天线、射频收发电路、功放电路、基带电路等，集成度高、功耗低，配有专用的固定支架，安装使用极为方便[12]。性能指标如表1 所示。

表1 通信、定位频点与功能

3 软件设计

3.1 定位装置工作流程

每个短报文模块的最小发送周期是30 s，为了确保每个短报文发送间隔大于15 s，在主控制器的协调下，每个模块增加10 s 时间，可以实现整机每隔20 s 发送一次报文，增加设备落地毁损前发出短报文的机会和次数。

定位算法:定位装置的RNSS 部分采用两个物理独立的模块分别进行定位，互为冗余，提高了物理故障下位置信息的可靠获取能力。每个模块定位方式采用BD 和GPS 混合计算模式，提高定位可靠性和精确度。

信标机上电后通过内部的RNSS 获取当前的位置信息，并通过STM32F030 低功耗单片机对收到的定位信息进行提取、编帧，然后通过RDSS 以短报文的形式发送至地面接收设备，地面接收设备再将接收到的位置信息传送至PC 端，由上位机进行处理并显示所在位置的经纬高度等信息。具体流程如图4 所示。

图4 信标工作流程

3.2 测试结果分析

对信标机进行不间断连续测试，并对收到的数据进行解析。

选取其中一包数据:

解析上面数据得到以下结果:

东经:112.446 182 73；北纬30.013 415 10；海拔:896.883；系统供电:断开；定位状态:已定位。

4 结论

本文设计的定位装置以RNSS 和RDSS 为核心，能够精确获取飞行过程中的位置信息，在高楼、隧道、高架桥以及树荫等复杂环境下可提供连续的高质量的定位结果，并且将定位信息通过RDSS 发送出去。采用了双短报文模块，增加了冗余和发送频率，采用双天线背向设计，尽最大效果获取北斗导航卫星信号，提高通讯可靠性。采用低功耗STM32 单片机做主控制器，提高了产品集成度，降低了功耗和体积，提高了可靠性。通过长时间不间断的测试，该信标机通信成功率≥95%，能够很好地应用到实际中。