为提高北斗导航定位设备的自主性能和通用性能，我们基于国产北斗专用芯片进行整机解决方案的应用研究和设计开发。通过国产北斗专用芯片的选型和核心功能部件的设计、整机匹配设计以及接口协议的统一，开发出基于国产北斗专用芯片的样机。与定型设备对比后，采用国产北斗专用芯片的样机可实现军码水平定位精度最大提升87.5%、高度定位精度最大提升87.5%、1 PPS精度提升28%在满足所有功能和性能要求的基础上。 .3%，抗干扰能力提升高达6dB，作战应用关键指标显着提升；装备安全性和自主性大幅提升，提高战场生存能力；核心功能部件可广泛应用于当前北斗二号设备，通用性能提升明显。
简介北斗导航定位设备已广泛应用于军队武器平台，为指挥员及时调整兵力部署、实施精准指挥奠定了基础。但目前北斗导航定位设备部分部件采用进口模块或电路，自主性和安全性无法得到有效保障；该设备由多个部门共同研制，内部结构复杂多样，通用性与使用要求还存在一定差距。因此，开展北斗导航定位设备国产化设计，提高安全性、自主性和通用能力已刻不容缓。
随着北斗二号卫星导航系统不断升级、能力不断增强，国内相关部门组织招标，开发一系列国产芯片和模块。经过对比，性能稳定成熟，具备推广应用的基础。前期，有关部门组织了基于国产北斗专用芯片的OEM板卡的开发。北斗接收机的主要部件被制成大规模集成电路，集成在一块电路板上，并搭载北斗信号。 接收、信号处理、信号输出数量、定位等功能。文献[1-8]分析了OEM板，它具有性能稳定、轻便灵活等优点，可以利用其输出的位置、时间等数据信息与计算机进行通信，通信等技术的结合，可以提高导航定位设备的自主能力。但OEM板卡目前仅限于一定范围内的特定设备和应用，尚未大规模推广，北斗设备的总体性能并未得到有效提升。
基于国产化北斗专用芯片开展核心功能部件的应用研发，设计链路匹配和接口标准，提高北斗设备的安全性和自主性，有效减少北斗设备的种类，提高其综合性能；通过国产化北斗专用芯片的样机功能和性能测试，以及与某台设备的对比，验证了国产化北斗专用芯片应用后整机指标的满意程度。
1国产化北斗芯片核心功能部件设计某北斗设备具有RNSS B3、B1频率定位、RDSS定位与通信、GPS定位、GLONASS定位及以上组合定位功能，在目前的应用中具有一定的普适性。以该款北斗飞行器为研究对象，进行了国产化北斗专用芯片的应用设计。 1.1国产北斗专用芯片选型研究 1.1.1基带芯片选型基于对国产北斗基带芯片的对比测试以及芯片本身的功能，内部集成基带芯片采用SDＲRAM、Flash、ＲTC芯片，减少配套外部电路设计和尺寸，降低电路板层数要求和电路设计难度，故选用国产基带芯片1。
1.1.2 RF芯片选择
为了满足复杂战场环境下定位、导航和态势感知的需求，北斗设备应配备RNSS和RDSS射频通道，实现RDSS收发、RNSS B3、B1、GPS、GLONASS收发、高灵敏度、高精度及抗干扰能力等要求。
（1）RDSS射频芯片选型：RDSS射频芯片选型需要重点关注接收灵敏度、发射功率、发射相位差等指标，以及抗干扰能力。综合比较国产RDSS射频芯片，选择具有窄带接收和抗干扰能力的国产通用型RDSS射频芯片。射频芯片 1. (2) RNSS 射频芯片选择 RNSS 有四个频点：BD B3、BD B1、GPS L1、Glonass。考虑到BD B3频点的重要性和工作稳定性，独立选用B3频点射频芯片，具有抗干扰能力；由于BDB1、GPS L1、Glonass频点距离较近，因此采用单个双通道RNSS射频芯片实现，不考虑抗干扰能力。 1.2 核心功能部件设计 将选定的基带芯片和射频芯片通过设计集成，形成核心功能部件。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、电源部分和外部接口部分。射频电路部分具有信号接收和发射功能：接收BD B3、BD B1、GPS L1、GLONASS F1频率和S频率射频信号。处理后传输4个信号给中频部分，提供中频运行时钟；完成L频信号的传输。
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外部数据接口；它提供RDSS传输信号和频率、功率等控制信号。 电源电路提供工作电源，包括射频馈电5V，模拟电源3.0、1.2V和数字电源1.2、1.8V。
2 整机设计 2.1 整机设计原理 将国产北斗芯片的核心功能部件嵌入到某型号的北斗整机中。原理如图2所示。
图2 整机原理
2.2 接口标准设计 外部接口包括RS232串口1/灌装口、RS232串口2/CAN总线和电源接口。接口定义如表1[9-17]所示。
表1 外部接口定义
RS232串口1/充口用于添加按键、升级核心功能部件、与车载电脑/显示控制终端进行数据交互； RS232串口2/CAN总线用于与车载电脑/显示控制终端进行数据交互；电源接口为该型北斗机提供电源。
2.3 整机链路设计 某型北斗用户机有2条收发链路，具有4频接收和1频发射功能。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12位有效高精度ADC，最大输入1 Vp- p，50Ω阻抗匹配，最大功率约4dBm。 n位高精度ADC采样精度计算公式为[18]：
式中，P为幂； U为电压； R 是电阻。从式（1）可以看出，基带芯片信号采样的动态范围为-68~4 dBm。在设计整机S链路时，天线组件的链路增益如图3所示。S频段功率约为-105dBm。如果S通道增益为Gs1，则
-68 dBm≤-105 dBm+35.3 dB+ Gs1≤4 dBm，
普通模式下点射频芯片增益范围为50~85dB，
50分贝≤Gs1≤73.7分贝。
RDSS射频芯片采用AGC方式实现抗窄带干扰。 S抗窄带干扰干扰信号比不小于55dB。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-68dBm≤-124.6dBm+55dB+Gs2≤4dBm，
S频点的抗窄带干扰增益范围为22～83dB，因此22dB≤Gs2≤73.6dB。
图3 接收链路分配
2．3．2 B3频率链路分析整机的B3频率链路设计与S频率链路设计类似。核心功能组件B3频率链路增益如图3所示。B3频段内的功率约为-101 dBm。若B3通道所需增益为GB1，则-68dBm≤-101dBm+26.2dB+GB1≤4dBm。 B3频射频芯片一般模式下的增益范围为50~100dB，因此50dB≤GB1≤78.8dB。 B3频率射频芯片采用自动增益控制（AGC）模式来抵抗窄带干扰。为满足B3抗窄带干扰干扰信号比不小于60dB的要求，抗干扰条件下的B3频段功率约为-130dBm。若B3通道所需增益为GB2，则-68 dBm ≤ -130 dBm+ 60 dB + GB 2≤4 dBm，抗干扰模式下的增益范围也是50～100 dB，因此50 dB≤GB2≤74 D b。 2.3.3 B1/L1频点与F1频点链路分析 整机B1/L1频点链路设计同上，B1/L1频点带内功率约为- 110 dBm ，如果B1/L1通道增益为GB1/L1，则-62 dBm≤-110 dBm+26.8 dB+ GB1/L1≤4 dBm，普通模式下B1/L1频率射频芯片的增益范围为56~ 96 dB，因此，56 dB≤GB1/L1≤87.2 dB。 2.3.4 L频传输链路分析 传输链路采用射频调制技术实现。主要节点包括调制器、放大器、传输电缆和功率放大器等。链路电路均等分布如图4所示。
L发射链路设计中，核心功能部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），核心功能部件L发射功率可配置范围为-2～8dBm，因此通过将核心功能部件L的发射功率配置为-1dBm，则发射功率范围为39.2～45.2dBm，可以满足整机的发射功率要求。
？进行的，测试设备和测试环境均已通过相关单位认证。样机测试原理如图5所示，按照基本功能、定位功能、通信功能、指令功能、北斗S/B3/B1频段接收性能、GPS接收性能、GLONASS接收性能，共95项测试项目包括北斗L波段传输性能、1PPS电气性能和组合定位性能。
图5 用户机暗室测试原理
3.2测试结果分析基本功能：包括精密测距码捕获、导航电文转换与解密、用户密钥有效期时间显示与注入、精密测距码老化参数有效性等16项功能周期显示和注入、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与定型的北斗飞行器相同。 B3频点抗窄带干扰能力提升6dB； S频率 该点抗窄带干扰能力提高2dB，如表2所示。
表2 基本功能测试对比
② 定位功能（包括BD B3、BD B1频率RNSS定位、RDSS定位、GPS定位、GLONASS定位及上述GNSS系统组合定位功能）、通信功能、指挥功能与定型北斗飞行器性能相同。 ③北斗S波段接收性能：首捕获时间、失锁重捕获时间、两通道时差测量误差等指标明显优于标准设备指标，其余能力与标准设备相当。命令机首次捕获时间提升13.3%，用户机提升23.5%；失锁和重捕获时间增加了37.5%，两通道时差测量误差增加了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：跟踪通道数较原北斗飞机增加4个； 90°捕获灵敏度提高2dB，跟踪灵敏度提高3dB； B3频点水平定位精度、高程定位精度分别提升87.5。 %和74.1%；测速精度提高21.4%；接收信号功率范围内水平精度和高程精度分别提高86.2%和75.6%；首次定位时间热启动增加14.3%，热启动增加25%；失锁和重捕获时间增加了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°捕获灵敏度、跟踪灵敏度提升与B3频点相同； 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%；速度测量精度提高11.8%；接收信号功率范围内水平精度和高程精度分别提高83.8%和75.3%；首次定位时间热启动改善了14.1%，热启动改善了20%，如表5所示。其余功能与最终设备相同。
表5 B1频点接收指标测试对比
⑥ GPS和GLONASS接收指标：除了跟踪通道数增加4个外，在冷启动和热启动方面均得到有效提升。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10.9%和30%。改善分别为6.7%和15.4%； GPS 和 GLONASS 重捕获性能均提高了 23.5%，如表 6 所示。
表6 GPS和GLONASS接收指标测试对比
⑦ 1PPS精度：1PPS精度提升28.3%。 ⑧ 组合定位精度：BD B3、GPS、GLONASS组合定位精度的水平精度和高度定位精度分别提升71.7%和79.6%； BD B1、GPS、GLONASS组合定位精度的水平精度和高度定位精度分别提高68.5%。 %和70.6%，如表7所示。
表7 组合定位指示器测试对比
测试结果表明，基于国产北斗专用芯片的某型北斗功能和性能指标满足定型北斗相应指标要求。共完善了30项功能，其余65项功能相当于最终确定的北斗；尤其是定位精度、1PPS精度、抗干扰功能等与装备作战性能相关的关键指标有了显着提升。
4结论基于国产化北斗专用基带芯片、RDSS射频芯片、RNSS B3射频芯片和RNSS B1/L1/GLONASS接收芯片的选型，通过核心功能部件设计、标准化接口标准和链路基于核心功能组件进行分析计算，开发测试样机。测试结果表明：①采用国产北斗专用芯片的样机满足相应定型北斗整机的所有指标要求。 95项测试指标中，30项功能得到显着提升。其他指标与最终设备的能力相当。 ② 与实战应用密切相关的定位精度、授时精度、抗干扰等关键指标中，B3频点定位精度最高可提升87.5%，B1频点定位精度可提升提升高达76.8%，综合定位精度最大提升79.6%； 1 PPS精度提升28.3%； B3频点抗窄带干扰能力提高6dB，S频点抗窄带干扰能力提高2dB，性能显着提升。 ③采用国产北斗专用芯片的功能模块安全性、自主性、可靠性大幅提升，推广应用前景广阔。
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