20世纪初,战舰是一个国家军事与经济地位的象征。作为一个超级大国,强大的海军力量必不可少。今天,拥有先进的太空技术被认为是一个强国的标志。太空技术的使用让一个国家可以把自己的势力扩展至全球范围,这对于通信、收集情报、监听、侦察以及精确瞄准敌对目标都是至关重要的。与此同时,太空技术还能在国土安全方面发挥重要作用。
21世纪的防御需要迅速的太空反应能力,即能够几乎实时地了解全球形势及军力部署状况。这使得作战者必须拥有快速响应的武器和基于太空技术的传感装置。美国空军部次长兼国家侦察办公室主任Pete Teets在华盛顿召开的一次会议上表示:"我相信武器将进入太空。这只是时间问题。而我们需要站在这个领域的前沿。"
的确,全球定位系统(GPS)技术在现代军事布署中举足轻重。同时,它还为汽车、航海和航空导航工业,以及测量、娱乐和跟踪应用带来巨大的价值。GPS系统在汽车市场的应用才刚起步,未来将被应用于大多数汽车中。但有一种高价值的GPS应用至今还鲜为人知:太空GPS接收器,它通过跟踪其它卫星进行卫星导航。
GPS接收器能使卫星精确且自动地维持在其指定的位置。这可以消除用于支持卫星的地面设施,它们的作用原本是监视卫星并向其发送重新定位的命令。对于卫星开发商,其优点是可以降低卫星飞行姿态控制系统(ACS)的开发成本。典型的ACS利用一个包含昂贵惯性测量单元的惯性导航系统以及其它传感器来确定卫星方位和卫星运动或漂移,以决定何时需要发送"重定位"命令。
在测定卫星的位置时,这种方法能够达到一定的精确度,但其误差一般在数公里以内。测量卫星位置、速度和轨道的主要方法是通过地面与卫星之间的遥测链路来实现的。这需要庞大的地面设施,并要求24小时有值守人员对卫星进行全天候跟踪或发送重定位指令。尽管如此,这种方法的轨道定位精度仍然低于可实现自动定位的GPS接收器。
GPS卫星
GPS卫星工作在一个复杂的导航和通信系统中。它运行在距地球表面14,500英里的轨道上,速度为8,569 mph,每12小时绕地球旋转一周。与之相反,地球同步卫星应用在大多数天气和通信系统以及电视直播中。它运行在高度为22,500英里的轨道上,速度为6,879 mph,绕地球旋转一周需要24小时。
除了上述二者,太空中还有其它类型的卫星轨道,包括高度为300英里的低地球轨道。知道所有这些卫星的准确位置是十分重要的,因此GPS接收器的使用必不可少。GPS卫星使用具有极高增益的天线,这些天线聚焦在地球上,只能向位于其上方的卫星发射极少的能量。为了收集精确定位所需的4个或更多的GPS信号,高海拔的GPS接收器需要监听地球另一面的GPS卫星。这需要非常灵敏的接收器来捕获远距离的GPS信号(大大超过陆地GPS接收器的接收范围)。
GPS接收器在太空中的使用并不限于同步卫星,它在中、低轨道卫星及导弹系统中也同样重要。在这些海拔高度,太空飞行物(指地球大气层之外的任何物体)所受到的辐射比接收器所能承受的要高得多。
在太空系统中使用GPS接收器可以为未来的卫星计划节省数百万美元的费用。不过,因为严重缺乏为太空市场开发的GPS接收器,卫星的主要承造商在选择GPS传感器时受到极大限制。
此外,主要承造商还必须继续改进两项重要的卫星指标:重量与功耗。过去八年来,每颗卫星的能源成本已经显著增加,平均达到15,124美元/磅。太阳能板和热管理装置是高能源成本的主要根源。
太空GPS接收器的设计
太空GPS接收器与其它GPS接收器的主要区别表现在架构、工作频段、动态范围及模/数转换器等方面。当然,环境条件也完全不同。军用/太空GPS接收器必须能够工作于标准的军用温度范围:-55°C ~125°C,并能承受太空的高辐射。
商用GPS接收器则紧跟最近的消费电子潮流,如使用低中频(IF)或直接转换接收器的蜂窝电话和蓝牙。低中频或直接转换接收器允许IF滤波器被集成到芯片上。输出信号是在基带或基带附近,因此易于数字化及解调。
然而,大部分军用或太空GPS接收器使用工作在高中频(50MHz~200MHz)的传统超外差式接收器。这种传统的接收器可提供最大可能的性能。低中频或直接转换接收器总会受到第一个混频器线性性能的限制。
低中频接收器具有非常接近期望信号的镜像信号,这通常单独由像频抑制混频器来消除干扰,因为RF滤波器太宽,不能抑制镜像信号。半中频信号和其它常见的伪信号也是问题。直接转换接收器容易受到强干扰源的影响,从而在基带信号中产生具有破坏性的dc偏移。
传统的高中频接收器能利用RF和IF滤波器以及高性能的接收器内核来抑制所有这些不需要的信号。
军用/太空GPS接收器通常可同时接受L1和L2频段信号,而且必须通过更宽的精确加密或P(Y)代码。粗略捕获码在L1频段上播送,而高级的P(Y)码则同时在L1和L2频段上播送。L1和L2允许接收器对取决于频率的大气延迟进行校正,但需要两个独立的接收器来完成这一任务。它们还必须使用频率比商用滤波器(2至20 MHz)宽一个数量级的滤波器。
军用/太空GPS接收器需要最佳的性能来提取弱信号,维持接收,并抑制附近的其它信号(无论是无意还是有意的干扰信号)。因为采用扩频调制方案,陆地GPS接收器的信号水平远低于热噪声基准。
商用GPS接收器、甚至蜂窝电话都工作在大家熟悉的无线电环境中。手机设计工作在特定频段上,其干扰是可以预测的。与之相反,军用/太空GPS接收器工作在非常困难的环境中,例如同一个太空飞行器(如卫星)周围可能出现无数的信号。这还不包括敌方故意设置的干扰发射机直接在GPS频率上发射的干扰信号。
干扰发射机的影响可以用下面两种截然不同的方法来消除:一、使用可操纵的天线使天线方向偏离干扰源；二、使用可准确识别并消除干扰源的高级DSP算法。为了使DSP正常工作,在将信号从天线传送到DSP时,必须尽可能准确地将其保存起来。在接收器端,这将转化成高三阶截取点和低噪声系数。由于干扰发射机正好影响工作频段,三阶截取点的要求将让位给1dB压缩点和接收器在设定的自动增益控制(AGC)操作点的瞬时净空。
在任何AGC设置中,系统都希望保持净空(压缩点减去操作点),这样,由干扰发射机引起的峰值就不会在AGC响应之前被截取。这要求无线设计者密切关注接收器在AGC操作范围内每一级的增益和压缩点。
军用/太空GPS接收器的A/D转换器需要高分辨率。商用GPS接收器使用1~3位分辨率,而军用/太空GPS接收器通常使用8~14位分辨率。这是为了保存GPS信号,因为它们可能远低于干扰发射机的信号电平。接收器常常采用要求高采样率和高输入频率的子采样或IF采样技术。
GPS接收器的集成可以提供一个明显的好处,即减小尺寸。在卫星设计中,IC及印刷电路板尺寸的减小可相应减少机械支架、屏蔽及互连尺寸。
无线电集成技术还减小了卫星的临界发射重量和尺寸。另外,这种集成还可以降低功耗。每个模块都可以针对性能和功耗进行优化。这还能克服封装和PCB的寄生损耗,并降低成本。整个接收器的集成避免了分立接收器因部件不同而出现性能差异的状况。由于不需要对数百个元件做精密布局,集成的接收器更易于重复生产。最后,因为整个接收器的功能已经在芯片级通过验证,所以它更易于制造,并达到所期望的良品率。
通过利用UltraCMOS工艺,我们有可能将一个、两个或四个接收器集成到一块芯片上,从而提供最佳的接收器-接收器匹配,并进一步减小尺寸。高分辨率A/D的成功开发也是对GPS接收器技术的有力补充:8位、200Msa/s的转换器正在被集成到在单块芯片上的多个GPS接收器中。
UltraCMOS工艺技术还允许为AGC控制提供可变电压或数字分级衰减器。使用数字分级衰减器具有几个优点,包括准确了解瞬时增益设置、极高的动态范围、全数字CMOS控制、良好的温度稳定性以及接收器增益设置的良好匹配。
综合以上所有优势,元件数目将减少90%以上,PCB面积将减小75%,功耗将降低50%。这种基于蓝宝石硅的UltraCMOS工艺还具有天然的抗辐射能力。利用这种工艺,从低噪声放大器到A/D的整个信号链可以被集成到单块能够承受太空辐射的IC上。
借助接收器集成技术,GPS接收器已经广泛应用于商业、工业、军事及太空领域。随着抗辐射GPS接收器集成度的提高,这将催生更小、更便宜、更低功耗的解决方案,从而帮助人类继续探索宇宙奥秘。
RF CMOS技术(包括抗辐射UltraCMOS技术)的进步将让太空GPS接收器与陆地GPS接收器保持同步发展。
作者:Dan Nobbe
工程副总裁
Chuck Tabbert
北美军事和太空市场销售总监
Peregrine半导体公司
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