CN103383460B - 一种高精度高动态上行注入信号生成方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种模拟生成高精度高动态卫星导航系统上行注入信号的方法。技术方案是：将所要模拟的长时间上行注入信号发射器与接收器间的运动特性，按照均匀时间间隔ΔT进行分段，通过一个加加速度恒定的三阶运动模型来拟合时间间隔ΔT内的伪距和速度的变化，在每一个时间间隔内，按照刷新时间间隔Δt进一步进行等间隔划分，计算出ΔT时间间隔内每一个Δt时间间隔上行注入信号生成DDS的频率控制字，从而得到ΔT时间间隔内按照Δt进行划分的上行注入信号生成DDS频率控制字序列。本发明在反映上行注入信号发射器与卫星上行注入信号接收器的高动态特性的同时，保持所输出信号相位的连续性，同时保证了利用该上行注入信号进行高精度测距的要求。

Description

一种高精度高动态上行注入信号生成方法

技术领域

本发明涉及卫星导航技术领域，特别是卫星导航系统的上行注入测试系统，更具体地是涉及对星上上行注入信号接收系统进行测试时，如何产生一种高精度高动态的上行注入信号的方法。 

背景技术

全球卫星导航系统(Global Navigation Satellite System，简称GNSS)一般由卫星段、控制段和地面段组成。其中卫星段的GNSS卫星发射服务信号；控制段的地面注入站通过上行注入信号将导航数据和遥控指令发送到GNSS卫星，从而维持系统的导航定位服务功能。GNSS卫星上行注入信号接收能力是影响GNSS服务质量的重要因素。 

目前，国内外主要的卫星导航系统包括美国的GPS、俄罗斯的GLONASS、欧洲的Galileo，其上行注入信号链路的主要功能是注入导航数据、遥测遥控。我国正在建设的北斗系统不同国外主要卫星导航系统，其上行注入链路不仅需要注入导航数据、遥测遥控，而且具有其他系统没有的星上测距功能。因此北斗系统GNSS卫星上行注入信号接收机的测试不同于国外卫星导航系统的测试要求，其需要实现在高动态条件下利用上行注入信号进行高精度测距的测试。为了实现这一测试需求，如何模拟生成高精度高动态的上行注入信号成为了关键技术。 

随着数字电路技术的发展，在可编程逻辑器中利用直接数字频率合成器(Direct Digital Synthesizer，简称DDS)可以实现各种无动态的数字信号生成。但对于具有高动态特性的信号，一般的DDS方法无法在保证信号相位连续高精度的情况下实现对信号动态特性的精确模拟。 

发明内容

本发明要解决的技术间题在于，提供一种模拟生成高精度高动态卫星导航系统上行注入信号的方法，可用于测试实际环境中北斗导航卫星上行注入接收器的测距性能。 

本发明的技术方案是： 

将所要模拟的长时间上行注入信号发射器与接收器间的运动特性，按照一个足够小的均匀时间间隔ΔT进行分段，并记录每个分段起始端点的伪距和速度。ΔT取小于等于10ms的整数毫秒。 

通过一个加加速度恒定的三阶运动模型来拟合ΔT时间间隔内的伪距和速度的变化，即假设在ΔT时间间隔内上行注入信号发射器与接收器间的运动是一个加加速度恒定的运动，并通过在ΔT时间间隔结束端点的伪距和速度方程来求解出该恒定的加加速度和在ΔT时间间隔起 始端点处的加速度。 

在每一个ΔT时间间隔内，按照刷新时间间隔Δt进一步进行等间隔划分，并且认为在Δt时间间隔内上行注入信号发射器和接收器间的相对运动为匀速运动。所选择的Δt≤1us，且Δt与ΔT间为整数倍关系。 

根据ΔT时间间隔内起始端点的初始速度，初始加速度和加加速度，计算出该ΔT时间间隔内每一个Δt时间间隔上行注入信号生成DDS的频率控制字，从而得到ΔT时间间隔内按照Δt进行划分的上行注入信号生成DDS频率控制字序列。 

在每一个ΔT时间间隔的起始时刻将该上行注入信号生成DDS的频率控制字序列的第一个值作为频率控制字置入上行注入信号生成DDS，同时在DDS的运行过程中每隔Δt按照频率控制字序列中值的顺序更新下一个频率控制字。 

本发明提供的模拟生成高精度高动态卫星导航系统上行注入信号方法的有益效果是，所产生的上行注入信号可以在反映上行注入信号发射器与卫星上行注入信号接收器的高动态特性的同时，保持所输出信号相位的连续性，即同时保证了利用该上行注入信号进行高精度测距的要求。 

附图说明

图1是本发明的原理流程示意图 

具体实施方式

结合附图对本发明提供的模拟生成高精度高动态卫星导航系统上行注入信号方法的实施步骤进行如下说明： 

步骤S1，对所要模拟的长时间上行注入信号发射器与接收器间的运动速度和伪距[v(t)，p(t)]，按照所选择的时间间隔ΔT进行分段，得到每个ΔT起始端点处的运动速度和伪距取样值[v_k，p_k]。 

步骤S2，使用加加速度恒定的三阶运动模型来拟合ΔT时间间隔内上行注入信号发射器与接收器之间的径向运动。将第k个ΔT时间间隔内的初始速度、初始加速度和加加速度表示为(v_k0，a_k0，j_k)，通过以下方法来计算该ΔT时间间隔内的初始加速度和加加速度。 

$\left\{\begin{array}{c}{v}_{(k+1)0}=v_{k0}+a_{k0}\mathrm{\ΔT}+\frac{1}{2}{j}_k{\left(\mathrm{\ΔT}\right)}^2\\ p_{(k+1)0}=p_{k0}+v_{k0}\mathrm{\ΔT}+\frac{1}{2}{a}_{k0}{\left(\mathrm{\ΔT}\right)}^2+\frac{1}{6}{j}_k{\left(\mathrm{\ΔT}\right)}^3\end{array}\right.$

步骤S3，在第k个ΔT时间间隔内按照所选择的Δt时间间隔等分出N个刷新时间间隔，每个刷新时间间隔内上行注入信号生成DDS频率控制字恒定。由于在第i个Δt刷新时间间隔运动速度v_ki可以描述为 

$v_{\mathrm{ki}}=v_{k(i-1)}+a_{k0}\mathrm{\Δt}+\frac{j_k{\left(\mathrm{\Δt}\right)}^2}{2}=v_{k0}+a_{k0}\mathrm{\Δti}+\frac{j_k{\left(\mathrm{\Δti}\right)}^2}{2}$

设M为上行注入信号生成DDS中相位累加器的模值，f_s为上行注入信号生成DDS的输出频率，f_sys为系统时钟的频率，c为光速。进一步设  可以得到第i个Δt刷新时间间隔内的频率控制字为 

${\mathrm{FW}}_{\mathrm{ki}}=c_0+c_1{v}_{k0}+c_1{a}_{k0}\mathrm{\Δti}+{\left(\sqrt{\frac{c_1}{2j_k}}\mathrm{\Δti}\right)}^2$

步骤S4，由步骤S3生成的第k个ΔT时间间隔上行注入信号生成DDS的频率控制字序列为[FW_k0，FW_k1，FW_k2，FW_k3，ΛFW_kN]，那么在第i个Δt刷新时间间隔将上行注入信号生成DDS的频率控制字更新为上行注入信号生成DDS的频率控制字序列中的FW_ki。 

Claims (1)

1.一种高精度高动态上行注入信号生成方法，其特征在于，包括下述步骤：

将所要模拟的上行注入信号发射器与接收器间的运动特性，按照一个足够小的均匀时间间隔ΔT进行分段，记录每个分段起始端点的伪距和速度，ΔT取小于等于10毫秒的整数毫秒；

通过一个加加速度恒定的三阶运动模型拟合ΔT时间间隔内的伪距和速度的变化，并通过在ΔT时间间隔结束端点的伪距和速度方程来求解出该恒定的加加速度和在ΔT时间间隔起始端点处的加速度；

在每一个ΔT时间间隔内，按照刷新时间间隔Δt进一步进行等间隔划分，所选择的Δt≤1微秒，且Δt与ΔT间为整数倍关系；

根据ΔT时间间隔内起始端点的初始速度，初始加速度和加加速度，计算出ΔT时间间隔内每一个Δt时间间隔上行注入信号生成DDS(Direct Digital Synthesizer，直接数字频率合成器)的频率控制字，从而得到ΔT时间间隔内按照Δt进行划分的上行注入信号生成DDS频率控制字序列；

在每一个ΔT时间间隔的起始时刻将该上行注入信号生成DDS的频率控制字序列的第一个值作为频率控制字置入上行注入信号生成DDS，同时在DDS的运行过程中每隔Δt按照频率控制字序列中值的顺序更新下一个频率控制字。